C_Primer_Plus01.Getting Ready

Getting Ready

  • 要点

C 的歷史和特性
编程步骤
编译器和链接器
C 标准

目录

关于C

C 起源

1972年，贝尔实验室 Dennis Ritchie 和 Ken Thompson 在设计 Unix 操作系统时开发了 C 语言。C 并非从无到有诞生于 Ritchie 的脑海中，而是源于 Thompson 的 B 语言。C语言诞生的初衷是作为一个工具来方便程序员工作，所以C的首要目标是成为一个有用的语言。

大多数语言力图有用，但它们各有其侧重点。例如 Pascal，它的目的是为了方便讲授编程原理。BASIC，一个类英语的编程语言，便于不熟悉电脑的学生更简单的学习编程。这些侧重点是重要的，但不符合实用主义。C是面向程序员而开发的，到目前为止仍然是首选语言之一。

C 特点

  • 设计特性
    • 擅长自顶向下的设计，结构化编程，模块化程序设计
    • 可靠，易读
  • 高效
    • 代码紧凑，执行效率高
    • C语言具有汇编的微调控制能力（根据处理器的指令集进行代码优化），可以获得最优的速度，最有效的内存使用
  • 可移植
    • 比Basic，Fortran 等有更好的可移植性，C编译器对大多数计算机架构都是可见的
    • 要注意的是，对于特殊硬件设备，比如显示器，或特殊功能，比如win8和OSX上的特有功能，C的代码通常不可移植
    • Unix，Linux 系统中通常自带C编译器
  • 强大且灵活
    • 大多数语言的编译器解释器是用C语言写的，比如 Fortran，Perl，Python，Pascal，Lisp，Logo和Basic
    • C程序常用于处理物理学和工程学问题，甚至是电影特效
  • 面向程序员
    • 可通过C来操作硬件，操作内存中的位
    • 丰富的运算符使你能够简洁地表达意图
    • 比高级语言更加灵活，但这种灵活性增加了犯错的风险
    • 大多数C实现都有一个强大的库，它们实现了很多有用的C函数，能够满足程序员的日常需求
  • 缺点
    • C的灵活性增加了犯错的机会
    • C中的指针使得程序难以调试，难以追踪错误
    • C的简洁紧凑和大量的运算符，使得C能够写出难以被人模仿的代码；国际年度混乱代码大赛是C所独有的

C应用范围

C与C++：
  • 1990s，许多软件公司开始转向C++
  • C++在C语言基础上包装了面向对象编程工具
  • 面向对象的哲学是，对语言建模来适应问题，而不是对问题建模来适应语言
  • C是C++的子集，任何C的程序都是或近似是一个C++程序，所以学习C相当于学习了一部分C++知识
应用范围
  • UNIX 操作系统
  • 嵌入式系统
  • 机器人工厂
  • 计算机游戏
  • 计算机语言
  • PC应用
  • 电影

计算机组成

  • CPU
    • 执行指令，完成计算机的大部分工作
  • RAM (random access memory)
    • 程序和文件的工作空间
  • 硬盘
    • 掉电后能存储文件
  • 外设（键盘，鼠标，显示屏，触摸板等）
    • 与人交互
CPU

CPU的工作非常简单，从内存中读取指令执行，每次读一条，循环往复（频率为1GHz 的CPU 在1秒的时间里能执行10亿次指令，所以CPU是以巨大的速度从事枯燥的工作）。

CPU 的工作空间是一些寄存器，每个寄存器里有一个数值。其中一个寄存器用来存放下一条指令的内存地址，CPU 根据这个地址读取指令，读取指令后将指令存放在另一个寄存器中，并将原来的寄存器更新为下一条指令的地址。

每个 CPU 都有一个指令集，不同型号的cpu指令集不同。指令集是用来用来解释指令的，这些指令通常都非常具体，大部分指令是将某个数值从一个位置移动到另一个位置之类的工作 - 比如从内存移到寄存器。

有两个问题需要申明：1. 计算机中所有的东西都以数字保存。数值型数据是数字，文档中的字符也是数字，每个字符有一个数值的编码。寄存器中的指令也是数字。2. 计算机程序最终由数字化的指令码表示，即机器语言。

一个加法计算可被分解为多条指令：

  1. 将内存2000位置的数字复制到寄存器1
  2. 将内存2004位置的数字复制到寄存器2
  3. 将寄存器2加到寄存器1上，并将结果保留在寄存器1中
  4. 将寄存器1的内容复制到内存2008的位置里

高级计算机语言和编译器

在机器语言的时代，你须得精确地知道一个特定的CPU是如何完成一个特定的任务，而在高级语言时代，一行简单的代码就能代替数行费力写出来的机器码。高级语言对人类是友好的，而对计算机简直就是胡言乱语。编译器是两者的桥梁，将高级语言转换成机器语言的指令集合。

编译器使得高级语言具有跨平台性，编码一次，多平台编译执行。

语言标准

目前已有许多C语言的实现（编译器）理想情况下，在不同的实现下运行同样的程序，应当产生相同的结果，就好像这些实现没有对指定的计算机编程。为了做到这一点，不同的实现应当有相同的标准。

C语言最初并没有官方标准。Brain Kernighan 和 Dennis Ritchie (1978) 的 C Programming Language 一书成为了普遍接受的标准，通常称为 K&R C 或 Classic C。这本书附录中的 C Reference Manual 是C实现的指导标准。通常,编译器都会说自己完整地实现了 K&R。虽然这本书的附录里定义了C语言，但它并没有定义C库。因为C语言相比其他语言更依赖于库函数，所以有必要定义一个标准库。然而，由于缺乏官方标准，UNIX实现提供的库已成为了标准库。

第一个 ANSI/ISO C 标准

随着C语言的广泛使用，C社区意识到一个更综合的、更与时俱进的和更严格的标准应当被建立起来。鉴于此，美国国家标准局（ANSI, American National Standards Institute）建立了一个委员会（X3J11, 1983），并最终于1989年公布了一个标准,它定义了C语言标准和标准C库。第二年，国际标准化组织（ISO, International Organization for Standardization）也接受了一个C标准（ISO C）。ANSI/ISO 标准的最终版本被称为 C89(ANSI 标准) 或 C90(ISO 标准)。由于 ANSI 版本比较早，人们常称之为 ANSI C。

委员会有许多指导思想，其中之一是C精神：

  • 相信程序员
  • 不要妨碍程序员完成需要完成的事情
  • 保持语言简单精炼
  • 对一个操作只提供一种方法
  • 让程序尽可能地快，即使不能保证可移植性

最后一条指的是针对特定电脑定义特定操作以达到最优，而不是强加一些抽象、统一的定义。在学习C语言时常常会遇到这种哲学思想。

C99 标准

1994年，一个叫做 C9X 的委员会 （ANSI/ISO 联合委员会），开始修改上面的标准，产生了 C99 标准。委员会继承了C90标准原有的原则，包括使语言尽可能的小而精。除非是为了满足新需求，委员会不会增加可有可无的新特性。其主要目的之一是支持国际化编程，比如提供国际化字符集。第二个目的是根据既有的编程实践来解决C的缺陷。比如在面对“将C移植到64位处理器”这个问题时，委员会会根据现实中已有的例子和经验来制定标准。第三个目的是提高C的适应性，比如满足科学和工程中对严格数值计算的需求，这使得C比Fortran更有竞争力。

  • 国际化
  • 修正缺陷
  • 数值计算

而在其他方面则比较保守，比如与 C90 和 C++ 的兼容性、保持概念的简洁方面。

关键的一点是C99保留了C的精髓，C仍然是一个简洁高效的语言。本书标出了 C99 的多处修改。虽然新标准已公布有些时日，但并不是所有的编译器都及时更新了C99 标准。你可能会发现有些功能在你的系统里不可用。或者只有在修改了编译器的某些设置后才可用。

C11 标准

2011年 标准委员会 发布了 C11 标准，并提出了一些新的指导原则：

  • 在面对程序的安全问题时，”相信程序员”这一条应当被有所限制
  • 大部分的C实现只是 C90 标准，并未实现 C99 标准，所以有些 C99 中的特性，在 C11 中变为可选项
    • 因为有些实现是针对特定的使用环境，并不需要实现所有功能，为了照顾这些环境，故有此变化
  • 为跟进新技术而不是旧标准有缺陷而做出变化
    • 比如为了充分利用多处理器，增加了对多线程的支持（可选特性）

使用C编程的7个步骤

  • 定义程序的目标
    • 输入和输出
    • 计算和控制
  • 设计程序
    • 考虑数据如何表示更容易设计和处理数据
  • 编写代码
    • 先写思路再编程
  • 编译
  • 运行程序
  • 测试和调试程序
  • 维护和修改程序

说明

真正编程时不一定会严格按照上述步骤线性执行，有可能在编写代码的时候发现设计有不合理的地方，会跳回第一步或第二步；另外对程序进行注释会使修改程序变得方便。

示例：

#include <stdio.h>

int main(void){
  int dogs;
  printf("How many dogs do you have?\n");

  scanf("%d", &dogs);
  printf("So you have %d dogs!\n", dogs);

  return 0;
}

编程机制

目标代码，可执行文件和库

  • 编译
    • 将源代码转换成中间代码
    • 中间代码是机器代码，但不能直接运行
  • 链接
    • 将中间代码和其他代码合并，生成可执行文件
    • 其它代码包括 库代码 和 启动代码
  • 库代码
    • 程序中使用的第三方库
    • 链接时，链接器只会把程序中用到的库函数代码提取出来
  • 启动代码
    • 与平台（操作系统）有关，不同的平台有不同的启动代码
    • 充当程序与操作系统之间的接口

C使用这种分而治之的方法方便对程序进行模块化，可以独立编译单独的模块。通过这种方式，如果只更改某个模块，不必因此重新编译其他模块。

c_compile

graph TD 库代码-->链接器 src["源代码 (.c)"]-->编译器-->obj["目标代码 (.obj)"]-->链接器-->exe["可执行代码 (.exe/.out)"] 启动代码-->链接器

UNIX 系统

UNIX 区分大小写，比如 buget.c 是正确的C文件，而 BUGET.C 不是，因为它使用的是大写C。

在UNIX 上编译

UNIX C编译器名要调用 cc 命令，目前已退出历史舞台.由于历史原因，这个习惯保留了下来，现在UNIX的C编译器以 cc 命令作为编译器的别名。因此，虽然在不同系统中会调用不同的编译器，但用户仍可以继续使用相同的命令：

cc inform.c

编译完后会生成一个 a.out 的文件，直接运行它，就会运行编写的程序。

目标代码是一个后缀为 .o 的文件（对应windows系统的.obj文件），上述的编译中会生成这个文件，但一旦链接器生成了完整的可执行程序，就会将其删除。如果原始程序有多个源文件代码，则保留目标代码文件。

compile_link

graph TD 输入源代码-->文本编辑器-->src["源代码 (.c)"]-->编译器-->exe["可执行代码 (a.out)"]-->输入文件名a.out运行该程序

GNU 编译器集合 和 LLVM 项目

GNU, GNU's Not UNIX, 始于1987年，是一个开发大量免费 UNIX 软件的集合。GNU 编译器集合(GCC，其中包含 GCC C 编译器)是该项目的产品之一。GCC 有各种版本以适用于各种硬件平台和操作系统，包括 UNIX, Linux 和 Windows。许多使用 gcc 的系统都用 cc 作为 gcc 的别名。

LLVM(Low Level Virtual Machine, 底层虚拟机) 项目成为 cc 的另一个替代品。是一个与编译器相关的开源软件集合， 始于伊利诺伊大学的2000份研究项目。它的 Clang 编译器处理 C代码，可以通过 clang 调用。有多种版本供不同平台使用，包括 Linux。2012 年，Clang 成为 FreeBSD 的默认 C 编译器。

编译时可以指定标准：

gcc -std=c99 inform.c
gcc -std=c1x inform.c  # c1x 是在接受 c11 之前的草案标准
gcc -std=c11 inform.c

Clang 是苹果于2005 年发起的项目，性能优异，报错提示功能友好，支持C/C++, Objective-C/C++，但不如 GCC 支持的平台和语言多。GCC 不仅支持C/C++， 还支持 Java/Fortran/Go 等。当前Clang 的C++标准落后于 GCC。

Linux 系统

linux系统默认安装gcc编译器。
编译命令：

gcc inform.c

PC 的命令行编译器（windows）

C编译器不是标准windows软件包，需要从别处获取并安装C编译器。主要有几种编译器：

  • Cygwin
    • 在自己的视窗中运行，模仿Linux 命令行环境
  • MinGW
    • 在Windows 的命令提示模式中运行
    • 支持C99，C11最新的一些功能
  • Borland 的 C++ 编译器 5.5
    • 支持 C90

通常，C编译器生成的中间代码文件后缀为 .obj（或其他，比如.asm的汇编文件）。这些编译器通常不会删除中间文件。

有些编译器编译后会自动运行链接器，另一些则要求用户手动运行链接器。链接后的可执行文件后缀为 .exe。

集成开发环境（Windows）

Microsoft Visual Studio. 目前为止 VS 只选择性地支持那些在C++新特性中能找到的C标准。而且，自2012年版本起，VS不再把C作为项目类型的选项。尽管如此，本书中的绝大多数程序仍可用 VS 来编译。（作为C++程序编译）

初次接触 windows IDE 可能会让人望而生畏，因为它提供了多种目标，即运行程序的多种环境。比如 IDE 提供了32位 windows 程序、64位 windows 程序、动态链接库文件（DLL）等。许多目标都涉及 windows 图形界面。
通常，windows IDE 既可以处理C也可以处理C++，因此要指定待处理的程序是C还是C++。有些产品用项目类型来区分两者。有些用文件扩展名区分。

Windows/Linux

Macintosh 中的 C

Xcode 开发系统

凭借可处理多种编程语言的能力，可用于多平台，可用于开发超大型项目
可使用 clang 或 gcc c编译器 来编译c代码（以前默认gcc，现在是clang）
Xcode 中的Clang版本比gcc版本要新

UNIX 系统内置 Mac OS X，终端工具打开的窗口是让用户在UNIX命令行环境中运行程序。苹果标准软件包不提供命令行编译器

posted @ 2019-07-04 22:24  keep-minding  阅读(126)  评论(0)    收藏  举报