1.1　C語言概述

1.1.1　什么是C語言

在回答什么是C語言之前，我們先要了解一下什么是計算機編程語言。人們日常交流中，語言有很多種，包括漢語、英語、法語、韓語等，雖然他們的詞匯和格式都不一樣，但是可以達到相同的目的。我們通過有固定格式和固定詞匯的“語言”來與他人交流，讓他人為我們做事情。同樣，我們也可以通過“語言”來與計算機交流，讓計算機為我們做事情，這樣的語言叫做編程語言（Programming Language）。

編程語言是用來控制計算機的一系列指令（Instruction），它有固定的格式和詞匯（不同編程語言的格式和詞匯不一樣），必須遵守，否則就會出錯，達不到工作的目的。

計算機編程語言的種類非常多，總的來說可以分成機器語言、匯編語言和高級語言三大類。

機器語言：機器語言是指一臺計算機全部的指令集合。電子計算機所使用的是由“0”和“1”組成的二進制數，二進制是計算機語言的基礎。計算機發(fā)明之初，人們寫出一串串由“0”和“1”組成的指令序列，交由計算機執(zhí)行，這種計算機能夠識別的語言，就是機器語言，即第一代計算機語言。

匯編語言：為了減輕使用機器語言編程的痛苦，人們做出了一種有益的改進，即用一些簡潔的英文字母、符號串來替代一個特定指令的二進制串。比如，用“ADD”代表加法，“MOV”代表數據傳遞等，這樣一來，人們很容易讀懂并理解程序在干什么，糾錯及維護都變得簡便、快捷，這種程序設計語言就稱為匯編語言，即第二代計算機語言。

高級語言：計算機語言具有高級語言和低級語言之分。而高級語言又主要是相對于機器語言和匯編語言而言的，它是較接近自然語言和數學公式的編程，基本脫離了機器的硬件系統，用人們更易理解的方式編寫程序。編寫的程序稱之為源程序。

高級語言并不是特指的某一種具體的語言，而是包括很多編程語言，如流行的Java、C、C++、C#、Python等，這些語言的語法、命令格式都不相同。

1969~1973年，美國電話電報公司（AT &T）貝爾實驗室開始C語言的最初研發(fā)，并于1978年正式發(fā)表。1983年，美國國家標準協會（American National Standards Institute，ANSI）在此基礎上制定了一個C語言標準，稱之為ANSI C。

根據C語言的發(fā)明者丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie，見圖1.1）說，C語言最重要的研發(fā)時期是在1972年。C語言之所以命名為C，是因為C語言源自Ken Thompson發(fā)明的B語言，而B語言則源自BCPL語言。

圖1.1　C語言之父——丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）

C語言的誕生是和UNIX操作系統的開發(fā)密不可分的，原先的UNIX操作系統都是用匯編語言寫的。1973年，UNIX操作系統的核心用C語言改寫，從此以后，C語言成為編寫操作系統的主要語言。在ANSI C標準確立之后，C語言的規(guī)范在很長一段時間內都沒有大的變動。1995年，WG14小組對C語言進行了一些修改，這個版本成為后來1999年發(fā)布的ISO/IEC 9899：1999標準，通常被稱為C99。

C語言是一種結構化語言，它層次清晰，便于按模塊化方式組織程序，易于調試和維護。C語言的表現能力和處理能力極強。它不僅具有豐富的運算符和數據類型，便于實現各類復雜的數據結構，還可以直接訪問內存的物理地址，進行位（bit）一級的操作。由于C語言實現了對硬件的編程操作，因此C語言集高級語言和低級語言的功能于一體。既可用于系統軟件的開發(fā)，也適合于應用軟件的開發(fā)。此外，C語言還具有效率高、可移植性強等特點，因此廣泛地移植到了各類型計算機上，從而形成了多種版本的C語言。

1.1.2　為什么學習C語言

C語言除了能讓你了解編程的相關概念，帶你走進編程的大門，還能讓你明白程序的運行原理，比如，計算機的各個部件是如何交互的，程序在內存中是一種怎樣的狀態(tài)，操作系統和用戶程序之間有著怎樣的關系，這些底層知識決定了你的發(fā)展高度，也決定了你的職業(yè)生涯。如果你希望成為出類拔萃的人才，而不僅僅是“碼農”，這些知識就是不可逾越的。也只有學習C語言，才能更好地了解它們。有了足夠的基礎，以后學習其他語言，就會觸類旁通。

C語言對現代編程語言有著巨大的影響，毫不夸張地說：C語言是現代編程語言的開山鼻祖，它改變了編程世界，許多現代編程語言都借鑒了大量C語言的特性。在眾多基于C的語言中，以下幾種非常具有代表性。

C++：包括了所有C的特性，但增加了類和其他特性以支持面向對象編程。

Java：是基于C++基礎上開發(fā)的，所以也繼承了許多C的特性。

C#：是由C++和Java發(fā)展起來的一種高級語言。

Perl：最初是一種簡單的腳本語言，在發(fā)展過程中采用了C的許多特性。

這么多新的計算機語言，我們?yōu)槭裁催€要學習C語言呢？第一，學習C語言有助于更好地理解C++、Java、C#及其他基于C的語言特性，一開始就學習其他語言的程序員往往不能很好地掌握繼承自C語言的基本特性；第二，目前仍有許多C程序，我們需要讀懂并維護這些代碼，況且有大量的現成代碼可以利用，這就可以在過去程序的基礎上，快速和高效地編寫新的算法和函數；第三，C語言仍然廣泛應用于新軟件開發(fā)，特別是在內存和處理能力受限的情況下以及需要使用C語言簡單特性的地方；第四，C語言在各種考試和算法描述上仍被廣泛使用，如C語言版的《數據結構》。

我們之所以選擇C語言作為計算機編程語言的入門語言，除了上述原因外，C語言本身的特點也非常適合初學者。

1.語言簡潔、緊湊，使用方便

C語言一共只有32個關鍵字、9種控制語句，程序書寫形式自由，區(qū)分大小寫。它把高級語言的基本結構和語句與低級語言的實用性結合起來。C語言可以像匯編語言一樣對位、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元。

2.運算符豐富

C語言的運算符包含的范圍很廣泛，共有34種運算符。C語言把括號、賦值、強制類型轉換等都作為運算符處理，從而使C語言的運算類型更豐富，表達式類型更多樣化。靈活使用各種運算符可以實現在其他高級語言中難以實現的運算。

3.數據類型豐富

C語言的數據類型有：整型、實型、字符型、數組類型、指針類型、結構體類型、共用體類型等。能用來實現各種復雜數據結構的運算，并引入了指針概念，使程序效率更高。

4.表達方式靈活

C語言提供多種運算符和表達式值的方法，對問題的表達可通過多種途徑獲得，其程序設計更主動、靈活。它的語法限制不太嚴格，程序設計自由度大，如對整型量與字符型數據及邏輯型數據可以通用等。

5.允許直接訪問物理地址，對硬件進行操作

由于C語言允許直接訪問物理地址，可以直接對硬件進行操作，因此它既具有高級語言的功能，又具有低級語言的許多功能，能夠像匯編語言一樣對位（bit）、字節(jié)和地址進行操作，而這三者是計算機最基本的工作單元，可用來寫系統軟件。

6.生成目標代碼質量高，程序執(zhí)行效率高

C語言描述問題比匯編語言迅速，工作量小、可讀性好，易于調試、修改和移植，而代碼質量與匯編語言相當。C語言一般只比匯編程序生成的目標代碼效率低10%~20%。

7.可移植性好

C語言在不同機器上的C編譯程序，86%的代碼是公共的，所以C語言的編譯程序便于移植。在一個環(huán)境上用C語言編寫的程序，不改動或稍加改動，就可移植到另一個完全不同的環(huán)境中運行。

8.表達力強

C語言有豐富的數據結構和運算符，包含了各種數據結構，如整型、數組類型、指針類型和聯合類型等，用來實現各種數據結構的運算。C語言具有強大的圖形功能，支持多種顯示器和驅動器，且計算功能、邏輯判斷功能強大。