C语言

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C語言
程序式
面市時間
 1972年
設計者
 丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）
實作者
 丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）和肯·汤普逊（Ken Thompson）
最近釋出日期 C99/ 2000年3月
啟發語言
 B語言、組合語言
影響語言
 awk, BitC, csh, C++, C#, Concurrent C, D, Java, JavaScript, Objective-C, Perl, PHP
跨平台

C語言，是一种通用的、程序式的程式語言，广泛用于系统与应用软件的开发。具有高效、灵活、功能丰富、表达力强和較高的移植性等特点，在程序员中备受青睐。

C语言是由UNIX的研制者丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）和肯·汤普逊（Ken Thompson）於1970年研制出的B语言的基础上发展和完善起来的。目前，C语言編譯器普遍存在於各種不同的操作系统中，例如UNIX、MS-DOS、Microsoft Windows及Linux等。C語言的設計影響了許多後來的程式語言，例如C++、Java、C#等。

後來於1980年代，為了避免各開發廠商用的C語言語法產生差異，由美國國家標準局（American National Standard Institution）為C語言訂定了一套完整的國際標準語法，稱為ANSI C，作為C語言的標準。1980年代至今的有关程式開發工具，一般都支持符合ANSI C的語法。

目录

[编辑] 設計哲學

C語言是一個程序語言，設計目標是提供一種能以簡易的方式編譯、處理低階記憶體、產生少量的機械碼以及不需要任何執行環境支援便能執行的程式語言。C語言也很適合搭配汇编语言來使用。儘管C語言提供了許多低階處理的功能，但仍然保持著良好跨平台的特性，以一個標準規格寫出的C語言程式可在許多電腦平台上進行編譯，甚至包含一些嵌入式处理器（微控制器或称MCU）以及超級電腦等作業平台。

[编辑] 特色

  • C語言是一個有結構化程式設計、具有变量作用域（variable scope）以及遞迴功能的程序式語言。
  • 傳遞參數是以值傳遞（Pass-by-value），也可以透過指针來傳遞参数（Pass-by-address）。
  • 不同的變數類型可以用結構体（struct）組合在一起。
  • 只有32個保留字（reserved keywords），使变量、函數命名有更多彈性。
  • 部份的变量類型可以轉換，例如整形和字符变量。
  • 透過指针（pointer），C語言可以容易的對記憶體進行低階控制。
  • 编译预处理（preprocessor）讓C語言的編譯更具有彈性。

[编辑] 歷史

[编辑] 早期發展

C語言的第一次發展在1969年到1973年之間。之所以被稱為“C”是因為C語言的很多特性是由一種更早的被稱為B語言的程式語言中發展而來。早期作業系統的核心大多由組合語言組成，隨著C語言的發展，C語言已經可以用來編寫作業系統的核心。1973年，Unix作業系統的核心正式用C語言改寫，這是C語言第一次應用在作業系統的核心編寫上。

[编辑] K&R C

1978年，丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）和Brian Kernighan合作出版了《C程序设计语言》的第一版。書中介紹的C語言標準也被C語言程式設計師稱作“K&R C”，第二版的書中也包含了一些ANSI C的標準。K&R C主要介绍了以下特色：

  • 結構（struct）类型
  • 長整數（long int）类型
  • 無號整數（unsigned int）类型
  • 把运算符=+和=-改为+=和-=。因为=+和=-會使得編譯器不知道使用者要處理i = +10還是i =- 10，使得處理上產生混淆。

即使在後來ANSI C標準被提出的許多年後，K&R C仍然是許多編譯器的最低標準要求，許多老舊的編譯仍然運行K&R C的標準。

[编辑] ANSI C 和 ISO C

主条目：ANSI C

1989年，C语言被 ANSI 标准化（ANSI X3.159-1989）。标准化的一个目的是扩展K&R C。这个标准包括了一些新特性。在K&R出版後，一些新特性被非官方地加到C语言中。

  • void 函数
  • 函数返回 struct 或 union 类型
  • void * 数据类型

在ANSI标准化自己的过程中，一些新的特性被加了进去。ANSI也规定一套了标准函数库。ANSI ISO（国际标准化组织）成立 ISO/IEC JTC1/SC22/WG14 工作组，来规定国际标准的C语言。通过对ANSI标准的少量修改，最终通过了 ISO 9899:1990。随后，ISO标准被 ANSI 采纳。

传统C语言到ANSI/ISO标准C语言的改进包括：

  • 增加了真正的标准库
  • 新的预处理命令与特性
  • 函数原型允许在函数申明中指定参数类型
  • 一些新的关键字，包括 const、volatile 与 signed
  • 宽字符、宽字符串与字节多字符
  • 对约定规则、声明和类型检查的许多小改动与澄清

WG14工作小组之後又於1995年，对1985年颁布的标准做了两处技术修订（缺陷修复）和一个补充（扩展）。下面是 1995 年做出的所有修改：

  • 3 个新的标准库头文件 iso646.h、wctype.h 和 wchar.h
  • 几个新的记号与预定义宏，用于对国际化提供更好的支持
  • printf/sprintf 函数一系列新的格式代码
  • 大量的函数和一些类型与常量，用于多字节字符和宽字节字符

[编辑] C99

主条目：C99

在ANSI的标准确立後，C语言的规范在一段时间内没有大的变动，然而C++在自己的标准化建立过程中继续发展壮大。《标准修正案一》在1995年为C语言建立了一个新标准，但是只修正了一些C89标准中的细节和增加更多更广得国际字符集支持。不过，这个标准引出了1999年ISO 9899:1999的发表。它通常被成为C99。C99被ANSI于2000年3月采用。

在C99中包括的特性有：

  • 对编译器限制增加了，比如源程序每行要求至少支持到 4095 字节，变量名函数名的要求支持到 63 字节（extern 要求支持到 31）
  • 预处理增强了。例如：
    • 巨集支持取可变参数 #define Macro(...) __VA_ARGS__
    • 使用巨集的时候，参数如果不写，巨集里用 #,## 这样的东西会扩展成空串。（以前会出错的）
    • 支持 // 行注释（这个特性实际上在C89的很多编译器上已经被支持了）
  • 增加了新关键字 restrict, inline, _Complex, _Imaginary, _Bool
    • 支持 long long, long double _Complex, float _Complex 这样的类型
  • 支持 <: :> <% %> %: %:%: ，等等奇怪的符号替代，D&E 里提过这个
  • 支持了不定长的数组。数组的长度就可以用变量了。声明类型的时候呢，就用 int a[*] 这样的写法。不过考虑到效率和实现，这玩意并不是一个新类型。所以就不能用在全局里，或者 struct union 里面，如果你用了这样的东西，goto 语句就受限制了。
  • 变量声明不必放在语句块的开头，for 语句提倡这么写 for(int i=0;i<100;++i) 就是说，int i 的声明放在里面，i 只在 for 里面有效。
  • 当一个类似结构的东西需要临时构造的时候，可以用（type_name）{xx,xx,xx} 这有点像 C++ 的构造函数
  • 初始化结构的时候现在可以这样写： 
    struct {int a[3]，b;} hehe[] =  { [0].a = {1}, [1].a = 2 };

    struct {int a, b, c, d;} hehe =  { .a = 1, .c = 3, 4, .b = 5}  // 3,4 是对 .c,.d 赋值的
  • 字符串里面，\u 支持 unicode 的字符
  • 支持 16 进制的浮点数的描述
  • 所以 printf scanf 的格式化串多支持了 ll / LL（VC6 里用的 I64）对应新的 long long 类型。
  • 浮点数的内部数据描述支持了新标准，这个可以用 #pragma 编译器指定
  • 除了已经有的 __line__ __file__ 以外，又支持了一个 __func__ 可以得到当前的函数名
  • 对于非常数的表达式，也允许编译器做化简
  • 修改了对于／% 处理负数上的定义，比如老的标准里 -22 / 7 = -3, -22 % 7 = -1 而现在 -22 / 7 = -4, -22 % 7 = 6
  • 取消了不写函数返回类型默认就是 int 的规定
  • 允许 struct 定义的最后一个数组写做 [] 不指定其长度描述
  • const const int i；将被当作 const int i；处理
  • 增加和修改了一些标准头文件，比如定义 bool 的 <stdbool.h> 定义一些标准长度的 int 的 <inttypes.h> 定义复数的 <complex.h> 定义宽字符的 <wctype.h> 有点泛型味道的数学函数 <tgmath.h> 跟浮点数有关的 <fenv.h>。<stdarg.h> 里多了一个 va_copy 可以复制 ... 的参数。<time.h> 里多了个 struct tmx 对 struct tm 做了扩展
  • 输入输出对宽字符还有长整数等做了相应的支持

但是各个公司对C99的支持所表现出来的兴趣不同。当GCC和其它一些商业编译器支持C99的大部分特性的时候，微软和Borland却似乎对此不感兴趣。

[编辑] 語法

[编辑] Hello World 程序

下面是一个在标准输出设备 (stdout) 上，印出 "Hello World" 字串的简单程序，这樣子的程序，通常作为初學编程语言时的第一个程序：

#include <stdio.h>
 
int main(void)
{
    printf("Hello, world!\n");
    return 0;
}

[编辑] 进一步了解

C语言由函数和变量组成。C的函数就像是Fortran中的子程序和函数。

在C语言中，程序从main开始执行。main函数通过调用和控制其他函数进行工作。例如上面的printf。程序员可以自己写函数，或从库中调用函数。在上面的return 0;使得main返回一个值给调用程序的外壳，表明程序已经成功运行。

一个C语言的函数由返回值、函数名、参数列表（或void表示没有返回值）和函数体组成。函数体的语法和其它的复合的语句部分是一样的。

[编辑] 复合语句

C语言中的复合语句（或称语句块）的格式为：

 {语句;语句;……}

复合语句可以使得几个语句从文法上变成一个语句。

[编辑] 條件語句

C語言有三種條件語句形式。兩種是if，另一種是switch。

兩種if包括：

if（運算式）
     語句;

以及

if（運算式）
     語句;
else
     語句;

運算式的值非零表示條件為真；如果條件为假，程式將跳過if处的語句，直接執行if後面的語句。但是如果if後面有else，則當條件为假時，程式跳到else處執行。if和else後面的語句可以是另個if語句，這種套疊式的結構，允許更複雜的邏輯控制流程得以實現。在一般情況下，else一定與最接近的if成對，必要時可用括弧{}越過此限制。比較下面兩種情況：

if（運算式）
     if (運算式)
         語句; 
     else
         語句;

if（運算式）{
     if (運算式)
         語句;
}
else 
     語句;

switch通常用於對幾種有明確值的條件進行控制。它要求的條件值通常是整數或字元。與switch搭配的條件轉移是case。使用case後面的標值，控制程式將跳到滿足條件的case處一直往下執行，直到語句結束或遇到break。通常可以使用default把其他例外的情況包含進去。如果switch語句中的條件不成立，控制程式將跳到default處執行；如果省略default子句，則直接執行下一語句。switch是可以嵌套的。

switch (<運算式>) {
    case <值1>:
        <語句>
    break;
    case <值2>:
        <語句>
    default :
        <語句>
}

[编辑] 循环语句

C语言有三种形式的循环语句：

do 
    <语句>
while (<表达式>); 
 
while (<表达式>) 
    <语句>;
 
for (<表达式1> ; <表达式2> ; <表达式3>)
    <语句>;

在while和do中，语句将执行到表达式的值为零时结束。在do...while语句中，循环体将至少被执行一次。这三种循环结构可以互相转化：

for (<表达式1>; <表达式2>; <表达式3>)
     <语句>;

如果<语句>中不使用continue语句的话，相当于

<表达式1>;
while (<表达式2>) {
    <语句>;
    <表达式3>;
}

当循环条件一直为真时，将产生死循环。

[编辑] 跳轉語句

跳轉語句包括四種：goto，continue，break和return。

goto語句是無條件轉移語句：

goto 標記；

標記必須在當前函數中定義，使用“標記：”的格式定義。程式將跳到標記處繼續執行。由於goto容易產生閱讀上的困難，所以應該儘量少用。

continue語句用在迴圈語句中，作用是結束當前一輪的迴圈，馬上開始下一輪迴圈。

break語句用在迴圈語句或switch中，作用是結束當前迴圈，跳到循環體外繼續執行。但是使用break只能跳出一層迴圈。在要跳出多重迴圈時，可以使用goto使得程式更為簡潔。

當一個函數執行結束後要返回一個值時，使用return。return可以跟一個運算式或變數。如果return後面沒有值，將執行不返回值。

[编辑] 在C99中的运算符号

() [] -> . ! ++ -- (cast)  括号、成员、逻辑非、自加、自减、强制转换
++ -- * & ~ ! + - sizeof  单目运算符
* / % 算术运算符
+ -  算术运算符
<< >> 位运算符
< <= > >= 关系运算符
==!= 关系运算符号
& 位与
^ 位异或
| 位或
&& 逻辑与
|| 逻辑或
 ?: 条件运算符
= += -= *= /= %= <<= >>= &= |= ^= 赋值运算符
, 顺序运算符

比較特別的是，位元右移（>>）運算子可以是算術（左端補最高有效位）或是邏輯（左端補 0）位移。例如，將 11100011 右移 3 位元，算術右移後成為 11111100，邏輯右移則為 00011100。因算術位元右移較適於處理帶負號整數，所以幾乎所有的編譯器都是算術位元右移。

[编辑] 数据类型

[编辑] 基础数据类型

注意：以下是典型的数据位长和范围。但是编译器可能使用不同的数据位长和范围。这取决于使用的编译器。请参考具体的参考手册。

在头文件<limits.h>和<float.h>中说明了基础数据的长度。float，double和long double的范围就是在IEEE 754标准中提及的典型数据。

关键字 位长 范围 printf chars
char 1 -128..127（或0..255，与体系结构相关）  %c
unsigned char 1 0..255
signed char 1 -128..127
int 2 or
4		 -32768..32767 or
-2147483648..2147483647		  %i, %d
unsigned int 2 or
4		 0..65535 or
0..4294967295		  %u
signed int 2 or
4		 -32768..32767 or
-2147483648..2147483647		  %i, %d
short int 2 -32768..32767  %hi
unsigned short 2 0..65535  %hu
signed short 2 -32768..32767
long int 4 -2147483648..2147483647  %li, %ld
unsigned long 4 0..4294967295  %lu
signed long 4 -2147483648..2147483647
long long 8 -9223372036854775808..9223372036854775807  %lli
unsigned long long 8 0..18446744073709551615  %llu
float 4 3.4x10-38..3.4x10+38 (7 sf)  %f, %e, %g
double 8 1.7x10-308..1.7x10+308 (15 sf)  %f, %e, %g
long double 8 或以上 編譯器相關  %Lf, %Le, %Lg

[编辑] 陣列

如果一個變數名後面跟著一個有數字的中括弧，這個聲明就是陣列聲明。字串也是一種陣列。它們以ASCII的NUL作為陣列的結束。要特別注意的是，方括內的索引值是從0算起的。

例如：

int myvector [100]；/* 從myvector[0]至myvector[99]止共100個元素 */
char mystring [80]；
float mymatrix [3] [2] = {2.0 , 10.0, 20.0, 123.0, 1.0, 1.0};
int notfull [3][3] = Template:1,{1,2,3},{4,5}}; (*)
char lexicon [10000] [300]；/* 共一萬個最大長度為300的字元陣列。*/
int a[3][4]；

上面最後一個例子創建了一個陣列，但也可以把它看成是一個多維陣列。注意陣列的下標從0開始。這個陣列的結構如下：

a[0][0] a[0][1] a[0][2] a[0][3]
a[1][0] a[1][1] a[1][2] a[1][3]
a[2][0] a[2][1] a[2][2] a[2][3]


例子（*）創建了一個3*3的二維陣列，初始化時有些元素並未賦值。如下：

1 0 0
1 2 3
4 5 0

為0的位置的數值是隨機的。

[编辑] 指针

如果一个变量声明时在前面使用 * 号，表明这是个指针型变量。换句话说，该变量存储一个地址，而 * 则是取内容操作符，意思是取这个内存地址里存储的内容。指针是 C 语言区别于其他同时代高级语言的主要特征之一。

指针是一把双刃剑，许多操作可以通过指针自然的表达，但是不正确的或者过分的使用指针又会给程序带来大量潜在的错误。

例如：

int *pi;     /* 指向整型数据的指针变量 */
int *api[3]；/* 由指向整型数据的指针构成的数组，长度为 3 */
char **argv; /* 指向一个字符指针的指针 */

储存在指针中的地址所指向的数值在程序中可以由 * 读取。例如，在第一个例子中， *pi 是一个整型数据。这叫做引用一个指针。

另一个运算符 &，叫做取地址运算符，它将返回一个变量、数组或函数的存储地址。因此，下面的例子：

int i, *pi; /* int and pointer to int */
pi = &i;

i 和 *pi 在程序中可以相互交替使用，直到 pi 被改变成指向另一个变量的地址。

[编辑] 字串

C语言的字符串其实就是char型数组，所以使用字串並不需要引用庫。但是C標準庫確實包含了一些用於對字串進行操作的函數，使得它們看起來就像字串而不是陣列。使用這些函數需要引用標頭檔<string.h>。


[编辑] 文件輸入／輸出

在C語言中，輸入和輸出是經由標準函式庫中的一組函數來實現的。在ANSI/ISO C中，這些函數被定義在標頭檔<stdio.h>中。

[编辑] 標準輸入／輸出

有三個標準輸入／輸出是标准I/O库預先定義的：

  • stdin 標準輸入
  • stdout 標準輸出
  • stderr 輸入輸出錯誤


下面的這個例子顯示了一個過濾程式（filter program）是怎樣構成的。

#include <stdio.h>
 
int main(void)
{
    int c;
    while (1) 
    {
        c = getchar();
        if (c==EOF) 
        {
            perror("getchar()");
            return -1;
        }
        putchar(c);
    }
    return 0;
}

[编辑] 传递命令行参数

ANSI C规定：main函数的原型为：

int main(int, char**);

在命令行赋予程序的参数将通过在main()函数中定义一个整型参数（int）和一个指向字符指针的指针型参数（char **）来实现，前者传递命令行参数的个数，后者传递命令行参数内容。习惯上将这两个参数分别命名为argc和argv。程序文件名被作为第一个命令行参数。

对于下列程序：

#include <stdio.h>
 
int main(int argc, char **argv) {
    int i;
    for(i=0;i<argc;i++)
        printf("%d:%s\n",i,argv[i]);
    return 0;
}

将输出你的平台上的运行环境对于命令行参数的处理情况。（不同平台可能有不同结果）

[编辑] 内存管理

C语言的特色之一是：程序员必须亲自处理内存的分配细节。

C语言使用栈来保存函数返回地址／栈祯基址、完成函数的参数传递和函数局部变量的存储。 如果程序需要在运行的过程中动态分配内存，可以利用堆来实现。

基本上C程序的元素存储在内存的时候有3种分配策略：

  • 静态分配

如果一个变量声明为全局变量或者是函数的静态变量，这个变量的存储将使用静态分配方式。静态分配的内存一般会被编译器放在数据段或代码段来存储，具体取决于实现。这样做的前提是，在编译时就必须确定变量的大小。 以 IA32 的 x86 平台及 gcc 编译器为例，全局及静态变量放在数据段的低端；全局及静态常量放在代码段的高端。

  • 自动分配

函数的自动局部变量应该随着函数的返回会自动释放（失效），这个要求在一般的体系中都是利用栈来满足的。相比于静态分配，这时候，就不必绝对要求这个变量在编译时就必须确定变量的大小，运行时才决定也不迟，但是C89仍然要求在编译时就要确定，而C99放松了这个限制。但无论是C89还是C99，都不允许一个已经分配的自动变量运行时改变大小。

所以说C函数永远不应该返回一个局部变量的地址。

要指出的是，自动分配也属于动态分配，甚至可以用alloca(3)函数来像分配堆一样进行分配，而且释放是自动的。

  • 动态分配

还有一种更加特殊的情况，变量的大小在运行时有可能改变，或者虽然单个变量大小不变，变量的数目却有很大弹性，不能静态分配或者自动分配，这时候可以使用堆来满足要求。ANSI C 定义的堆操作函数是malloc(3)、calloc(3)、realloc(3)和free(3)。

使用堆内存将带来额外的开销和风险。

[编辑] 安全问题

C语言的特色之一是：语言不负责内存边界检查。

[编辑] 库

C語言的标准文档要求了一个平台移植C语言的时候至少要实现的一些功能和封装的集合，称为“标准库”，标准庫的声明头部通過预处理器命令#include進行引用。

在C89標準中：

文件 简介说明
<assert.h> 断言相关
<ctype.h> 字符类型判断
<errno.h> 标准报错机制
<float.h> 浮点运算
<limits.h> 各种体系结构限制
<locale.h> 本地化接口
<math.h> 数学函数
<setjmp.h> 跨函数跳转
<signal.h> 信号（类似UNIX的信号定义，但是差很远）
<stdarg.h> 可变参处理
<stddef.h> 一些标准宏定义
<stdio.h> 标准I/O库
<stdlib.h> 标准工具库函数
<string.h> ASCIIZ字符串及任意内存处理函数
<time.h> 时间相关

在95年的修正版中

  • <iso646.h>
  • <wchar.h>
  • <wctype.h>

在C99中增加了六個函式庫

  • <complex.h>
  • <fenv.h>
  • <inttypes.h>
  • <stdbool.h>
  • <stdint.h>
  • <tgmath.h>

以上是C语言的标准，而各个平台各自又对C库函数进行的各种扩充，就浩如烟海了。如POSIX C、GNU C等。

[编辑] 保留关键字

char short int unsigned
long float double struct
union void enum signed
const volatile typedef auto
register static extern break
case continue default do
else for goto if
return switch while sizeof

[编辑] C99新增关键字

_Bool _Complex _Imaginary inline restrict

[编辑] 參考文獻

[编辑] 外部連結

[编辑] 参见

查 • 論 • 編 • 歷
程序设计语言
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Pascal/Delphi语言 Pascal語法：（Pascal - Turbo Pascal - Object Pascal - Free Pascal）
Pascal+Delphi語法：（Delphi）
ECMAScript方言 ActionScript - DMDScript - JavaScript - JScript
GPU用著色器語言 Cg - GLSL - HLSL
学术编程语言 APL/J - Clean - Haskell - Logo - ML - Prolog - Scheme - SAC
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