C Primer Plus——第一章 初识C语言

一、C语言的起源

• 时间/地点：1972年，贝尔实验室。
• 设计者：丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）与肯·汤普逊（Ken Thompson）。
• 背景：为开发UNIX操作系统而设计。
• 前身：在汤普逊发明的B语言基础上，增加了数据类型等特性，发展出C语言。

二、选择C语言的理由

1. 设计特性
   • 融合了计算机科学理论与实践的精华。
   • 支持自顶向下的规划、结构化编程和模块化设计。
2. 高效性
   • 生成的目标代码紧凑、运行速度快，接近汇编语言效率。
3. 可移植性
   • 程序稍作修改或无需修改即可在不同平台编译运行。
4. 强大而灵活
   • 许多编译器和解释器本身就用C语言编写。
   • 常用于操作系统、嵌入式系统等底层开发。
5. 面向程序员
   • 允许直接访问硬件、操控内存中的位和地址。
   • 提供了丰富的运算符和控制结构。
6. 缺点
   • 指针操作复杂，容易引发内存错误。
   • 某些运算符优先级不易记忆，需要编码时谨慎。

三、C语言的应用范围

• UNIX/Linux 操作系统：内核与大量系统工具。
• 嵌入式系统：单片机、家电、汽车电子等。
• 计算机游戏：游戏引擎、高性能核心模块。
• 机器人工程：运动控制、传感器处理。
• PC应用：办公软件、图形图像处理工具等。
• 计算机语言实现：很多高级语言的编译器和解释器由C开发。

四、计算机能做什么（基础概念）

• CPU的工作：不断从内存中获取指令并执行。
• 内部小工作区：由若干寄存器组成，用于暂存数据和地址。
• 一切皆数字：计算机中的数据和指令均以二进制数字形式存储和处理。
• 指令的存放：加载到寄存器的指令同样是数字形式。

五、高级语言与编译器

1. 高级语言
   • 用更抽象的方式描述程序行为，不直接依赖于特定CPU或指令集。
2. 编译器的作用
   • 将高级语言程序（源代码）翻译成计算机可直接执行的机器语言指令。
   • 选用合适的编译器或编译器集合，可以把同一份高级语言代码转换成适合不同CPU的机器语言程序。

六、C语言标准

UNIX实现提供的C库逐渐成为事实上的“标准库”，随后由官方标准化：

1. ANSI/ISO C 标准（C89/C90）
   • 首次正式定义了C语言语法和C标准库。
2. C99 标准
   • 新增了行注释、可变长数组、内联函数等特性。
3. C11 标准
   • 增加了多线程支持、匿名结构体/联合体等。

七、使用C语言的7个步骤

1. 定义程序目标：明确程序要完成什么功能，需求是什么。
2. 设计程序：用流程图、伪代码或结构图规划程序架构。
3. 编写代码：在编辑器中将设计转换为C语言源文件。
4. 编译与链接
   • 编译器将源代码转为机器码，检查语法有效性。
   • 链接器合并目标代码、标准启动代码和库函数，生成可执行文件。
5. 运行程序：在目标系统上执行生成的可执行文件。
6. 测试与调试程序：验证程序逻辑正确性，排除语义错误和运行时错误。
7. 维护与修改代码：根据需求变化或发现的缺陷进行迭代改进。

八、编程机制：编译与链接详解

8.1 目标文件、可执行文件与库

• C实现的流程：源代码经过编译和链接两步生成可执行程序。
• 目标文件（.o或.obj）：包含机器语言代码，但不可直接运行。
• 启动代码：充当程序与操作系统的接口，负责初始化环境后调用main函数。
• 链接器：将目标代码、系统的标准启动代码和所需的库函数代码合并，形成完整的可执行文件。

8.2 在UNIX系统上的编译与处理

• 编辑源代码（如prog.c）。
• 使用cc命令编译：

  cc prog.c

• 链接器生成可执行文件（通常为a.out），并自动删除中间目标文件（.o）。

8.3 GNU编译器集合（GCC）与LLVM项目

• GNU项目：致力于开发大量自由软件的集合，GCC是其核心产物之一。
• GCC：支持多种硬件平台和操作系统，可通过-std=c99、-std=c11等选项指定C标准。
• LLVM项目：与编译器相关的开源软件集合，前端工具clang可编译C代码，同样支持多标准。
• 两者均可在类UNIX及Windows（通过MinGW等）下使用。

8.4 Linux系统中的C编译

Linux系统原生支持GCC，编译过程与UNIX类似：

gcc source.c -o program

8.5 PC命令行编译器

• 在Windows下可通过MinGW或Cygwin获得GCC命令行环境。
• 使用gcc命令编译源文件，生成.exe可执行程序。

8.6 集成开发环境（IDE）

• Windows常用IDE：Visual Studio、Code::Blocks、Dev-C++ 等。
• IDE内部封装了编辑、编译、链接、调试等工具，提供图形化界面，简化开发流程。

8.7 Macintosh中的C

• Xcode：macOS上的主要开发环境，集成了编辑器、clang/gcc编译器和调试器。
• 也可通过终端直接调用clang或gcc命令进行编译。

总结

C语言凭借其高效、灵活和可移植等优势，历经数十年仍在系统编程、嵌入式等领域占据重要地位。理解其起源、标准化历程、编译链接机制以及开发步骤，是学好C语言、写好C程序的坚实基础。