C 简介 - C教程

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C 简介

C 语言是一种通用的高级编程语言，最初由丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）在贝尔实验室为开发 UNIX 操作系统而设计。C 语言于 1972 年在 DEC PDP-11 计算机上首次实现，是现代编程语言体系中最具影响力的语言之一。

1978 年，布莱恩·柯林汉（Brian Kernighan）和丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）共同出版了《The C Programming Language》一书，书中对 C 语言进行了第一次完整的公开描述，这一版本被称为 K&R 标准，成为此后数年间事实上的 C 语言规范。

UNIX 操作系统、C 编译器以及几乎所有的 UNIX 应用程序都是用 C 语言编写的。凭借其简洁的语法、接近硬件的控制能力和出色的运行效率，C 语言已成为系统编程领域最重要的专业语言，并深刻影响了 C++、Java、Go、Rust 等众多后继语言的设计。

  • 语法简洁，易于学习和掌握。
  • 结构化编程语言，逻辑清晰。
  • 编译后生成高效率的机器代码，运行速度接近汇编语言。
  • 可直接操作内存和硬件，处理底层任务。
  • 可移植性强，能在多种计算机平台和操作系统上编译运行。
  • 拥有丰富的标准库，生态成熟，社区庞大。

关于 C

  • C 语言最初是为了编写 UNIX 操作系统而发明的，诞生于 1972 年的贝尔实验室。
  • C 语言以 B 语言为基础演化而来，B 语言由肯·汤普森（Ken Thompson）于 1970 年前后设计。
  • 1983 年，美国国家标准协会（ANSI）开始着手制定 C 语言标准，并于 1989 年正式发布 C89（也称 ANSI C），这是 C 语言的第一个官方标准。
  • 截至 1973 年，UNIX 操作系统内核已完全使用 C 语言重写，这标志着 C 语言在系统编程领域的奠基性地位。
  • C 语言是目前最广泛使用的系统程序设计语言，在嵌入式开发、操作系统、编译器等领域长期占据核心地位。
  • 众多重要的基础软件和框架（包括 CPython 解释器、V8 引擎的底层组件等）都使用 C 语言实现。
  • 当今最流行的 Linux 操作系统内核和关系数据库管理系统 MySQL 的核心部分均使用 C 语言编写。
  • C 语言经历了 C89、C99、C11、C17 等多个标准版本的演进，持续保持活力与现代性。

为什么要使用 C？

C 语言最初用于系统开发，特别是构成操作系统的核心程序。由于 C 语言编译后产生的机器代码运行速度与汇编语言几乎相当，同时又具备比汇编更好的可读性和可维护性，因此成为系统级开发的首选语言。下面列举几个 C 语言的典型应用场景：

  • 操作系统内核（如 Linux、Windows NT 内核、macOS XNU 内核）
  • 语言编译器与解释器（如 GCC、Clang、CPython）
  • 汇编器与链接器
  • 文本编辑器与命令行工具
  • 打印机固件与驱动程序
  • 网络协议栈与网络驱动
  • 嵌入式系统与单片机开发
  • 数据库系统（如 SQLite、MySQL、PostgreSQL）
  • 高性能计算与科学计算库（如 BLAS、LAPACK）
  • 游戏引擎底层与图形渲染库（如 OpenGL 实现）

C 程序

一个 C 语言程序，可以只有几行，也可以多达数百万行，源代码保存在扩展名为 ".c" 的文本文件中，例如 hello.c。对于大型项目，代码通常会被拆分到多个 ".c" 源文件和 ".h" 头文件中，由构建系统统一管理编译。

您可以使用 "vi"、"vim"、"VS Code" 或任何其他文本编辑器来编写 C 语言程序。编写完成后，通过 GCC 或 Clang 等编译器将源代码编译为可执行文件：


gcc hello.c -o hello   # 编译

./hello                # 运行（Linux/macOS）

本教程假定您已经知道如何编辑文本文件，以及如何在程序文件中编写源代码。

C11

C11（也称 C1X）是 C 语言的第三个主要官方标准，对应 ISO 标准 ISO/IEC 9899:2011，于 2011 年 12 月正式发布。它在 C99 的基础上进一步完善了语言特性，重点增强了多线程支持、泛型编程和安全性。

新特性

  • 对齐处理（Alignment）标准化：引入 _Alignas 说明符和 alignof 运算符，以及 aligned_alloc() 函数和 <stdalign.h> 头文件，允许程序员精确控制数据在内存中的对齐方式，对性能敏感的底层开发尤为重要。

  • _Noreturn 函数标记：用于标记永不返回的函数（如 exit()、abort()），类似于 GCC 的 __attribute__((noreturn))，帮助编译器进行更好的优化和警告分析。

  • _Generic 泛型选择关键字：允许根据表达式的类型在编译期选择不同的代码路径，是 C 语言实现类型安全泛型宏的基础机制，弥补了 C 语言长期缺乏泛型能力的不足。

  • 多线程（Multithreading）支持：首次在 C 语言标准层面引入原生多线程支持，包括：

    • _Thread_local 线程局部存储类型标识符，每个线程拥有各自独立的变量副本。
    • <threads.h> 头文件，提供线程创建（thrd_create）、同步（mtx_lock/cnd_wait）等管理函数。
    • _Atomic 类型修饰符和 <stdatomic.h> 头文件，提供无锁原子操作，是多线程编程的重要基础。

  • 增强的 Unicode 支持：基于 ISO/IEC TR 19769:2004，新增 char16_t 和 char32_t 数据类型，分别对应 UTF-16 和 UTF-32 编码，并提供 <uchar.h> 头文件包含 Unicode 字符串转换函数，改善了 C 语言对国际化编程的支持。

  • 移除 gets() 函数：由于 gets() 不检查缓冲区边界，是历史上缓冲区溢出漏洞的常见来源，C11 正式将其从标准中删除，推荐使用更安全的 fgets() 或新增的 gets_s() 替代。

  • 边界检查函数接口（Annex K）：定义了一系列带 _s 后缀的安全函数，如 fopen_s()、strcat_s()、strcpy_s() 等，这些函数要求调用者传入缓冲区大小，从根源上防止缓冲区溢出问题。

  • 更多浮点处理宏：扩展了 <math.h> 和 <fenv.h> 中的浮点处理宏，提供更精细的浮点运算控制与异常处理能力，满足高精度科学计算需求。

  • 匿名结构体 / 联合体支持：允许在结构体或联合体内嵌套定义没有名称的结构体或联合体，访问其成员时无需中间层名称，简化了复杂数据结构的定义。此特性在 GCC 中早已作为扩展存在，C11 将其纳入标准。

  • 静态断言 _Static_assert()：在编译期对常量表达式进行断言检查，若条件不满足则产生编译错误（而非运行时错误），常用于验证类型大小、结构体偏移等编译期假设，提高代码健壮性。

  • fopen() 新增独占模式 "x"：在文件打开模式字符串中追加 "x"（如 "wx"），表示独占创建——若文件已存在则失败，类似于 POSIX 中的 O_CREAT|O_EXCL 标志，常用于安全的临时文件创建场景。

  • 新增 quick_exit() 函数：提供第三种程序终止方式（另外两种是 return 和 exit()），当 exit() 无法正常完成清理时，quick_exit() 会执行通过 at_quick_exit() 注册的处理函数后立即终止，适用于多线程程序的应急退出场景。