C语言

通用編程語言
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C是一种通用的程式語言,广泛用于系统软件应用软件的开发。于1969年至1973年間,為了移植與開發UNIX作業系統,由丹尼斯·里奇肯·汤普逊,以B语言为基础,在贝尔实验室設計、开发出來。

C语言
C Logo.png
编程范型程序式指令式编程过程式)、结构化编程
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)
发行时间1972年
穩定版本
ISO/IEC 9899:2018C18
( 2018年6月 )
作業系統跨平台
主要實作產品
ClangGCCMSVCTurbo CWatcom C
啟發語言
BBCPLCPL)、ALGOL 68[1]組合語言PL/IFORTRAN
影響語言
大量
如:awkBitC英语BitCcshC++C#
DJavaJavaScriptObjective-CPerlPHPRust

C语言具有高效、灵活、功能丰富、表达力强和較高的可移植性等特点,在程式設計中备受青睐,成为最近25年使用最为广泛的编程语言[2]。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Microsoft WindowsmacOSLinuxUnix等。C語言的設計影響了众多後來的程式語言,例如C++Objective-CJavaC#等。

二十世纪八十年代,為了避免各開發廠商用的C語言的語法產生差異,由美國國家標準局為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。二十世纪八十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。


概述编辑

特性编辑

  • C語言是一個有結構化程式設計、具有变量作用域(variable scope 页面存档备份,存于互联网档案馆)以及遞迴功能的程序式語言。
  • C語言傳遞參數均是以值傳遞(pass by value)[3],另外也可以傳遞指针(a pointer passed by value)。
  • 不同的變數類型可以用結構体(struct)組合在一起。[4]
  • 只有32個保留字(reserved keywords),使变量、函數命名有更多彈性。[5]
  • 部份的变量類型可以轉換,例如整數型和字符型变量。[6]
  • 透過指標(pointer),C語言可以容易的對記憶體進行低階控制。[7]
  • 编译预处理(preprocessor)讓C語言的編譯更具有彈性。[8]

歷史编辑

19世纪70年代,肯·汤姆森为了使其设计的Unix系统更加高效,使用B语言的变种(即C语言)重写了Unix。在1978年,丹尼斯·里奇布萊恩·柯林漢合作出版了《C程序设计语言》第一版,事实上即为K&R C标准[9]。在这之后,制定标准的工作转移到ISO和ANSI。目前最新的C语言标准是C18。更多关于C语言的历史信息可以在C语言的历史找到。

語法编辑

Hello World 程序编辑

 
Brain Kernighan于1978年亲笔书写的“Hello World”程序

下面是一個在標準輸出設備(stdout)上打印出 "Hello, world!" 字串的簡單程式。類似的程式,通常作為初學程式語言時的第一個程式:

1 #include <stdio.h>
2 
3 int main(void)
4 {
5     printf("Hello, world!\n");
6     return 0;
7 }

其中只有int,void,return为C语言的关键字,预处理器会将#include <stdio.h>替换为stdio.h文件的内容。

main函数是C语言程序的入口点

"Hello, world!\n"中的\n是一个转义字符,形式为\加上一个字符。所起的作用在ASCII码中规定。

printf是声明于stdio.h的函数,关于printf的更多细节,参见printf

关于格式化字符串的更多信息,参见格式化字符串

进一步了解编辑

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[10][11]

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壳层,表明程序是否成功运行。

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

复合语句编辑

C语言中的复合语句(或称语句块)的格式为:

{
    語句;
    語句;
    /* ... */
}

[12] 复合语句可以使得几个语句从文法上变成一个语句。

有时必须使用复合语句,否则会产生错误。例如,在运用循环语句的时候,如果循环体(即循环中执行部分)包含多个语句(以分号隔开),则必须使用花括号将他们合并成一个复合语句。如果不这么做,系统仅把第一个分号前的内容看做循环体。

需要注意的是,部分C编译器并不支持在任意位置使用复合语句。

條件語句编辑

C語言有两種條件語句形式,分别是ifswitch

If 的格式如下:

if(運算式) // 如果
    語句; 
// 有時還會有 else:
else      // 否則
    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。ifelse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,因此常用括弧{}越過此限制。比較下面兩種情況:

if(邏輯表達)
    if (邏輯表達式)
        語句; 
    else
        語句;

下面是if的另一种格式if……else if……else……

if(逻辑表达式)
    语句;
else if(逻辑表达式)  //在下面可以加入多个“else if()”语句
    语句;
else
    语句;
1 if(邏輯表達式甲)
2 {
3     if(邏輯表達式乙)
4         語句;
5 }
6 else 
7     語句;

要注意这里的缩进和换行只用于方便阅读。编译器并不会根据缩进层级猜测 if 和 else 的对应关系。

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()
{
  case :
  case :
    語句段1; // 甲乙都會執行
    // 更多語句…
    break;  // 跳轉到 switch 末尾處
  case :
    語句段2;
    break; 
  default:  // 無論如何都會匹配
    語句段3;
}

簡單的條件判斷也可用?:

運算式?1:2;
:
   a=b>c?b:c // 如果變數"b"的值大於變數"c" 把變數"b"的值賦予變數"a"

循環語句编辑

C語言有三種形式的循環語句[13]

do 
    語句
while(判斷式);

和:

while(判斷式) 
    語句;

和:

for(起始化;判斷式;運算式)
    語句;

whilefor中,語句將執行到表達式的值為零時结束。在do...while語句中,循環將至少被執行一次。這三種循環結構可以互相轉化:

for(起始化;判斷式;運算式)
    語句;

如果語句中不使用continue語句的話,相當於

起始化;
while (判斷式) {
    語句;
    運算式;
}

當循環條件一直為真時,將產生無窮迴圈

跳轉語句编辑

跳轉語句包括四種:goto,continue,break和return[14]

goto 標記;

goto語句是無條件轉移語句,且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(特别是向回 goto 和长距离的 goto)容易產生閱讀上的困難,所以对新手應該儘量少用。GCC 编译器拓展支持对指针 goto和宏内 goto,一定程度上增强了 goto 的可读性。


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returnreturn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。

在C語言中的运算符号编辑

C和C++运算符

数据类型编辑

数据类型 (C语言)

数组编辑

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[99]共100個元素 */
char mystring [80]
// 声明时初始化
float mymatrix [3] [2] = {2.0 , 10.0, 20.0, 123.0, 1.0, 1.0};
int notfull [3][3] = {{1},{1,2,3},{4,5}};
// 数组套数组
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]

例子中notfull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  ?  ?
1  2  3
4  5  ?

根据C标准的规定,在存在初始化列表时,如果初始化列表中未提供对所有元素的初始化,则剩余元素会被默认初始化,并使用与静态变量相同的初始化规则[15]

指针编辑

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[16]。换句话说,该变量存储一个地址,而 *(此处特指单目运算符 *,下同。C语言中另有双目运算符 * 表示乘) 则是取内容操作符,意思是取这个内存地址里存储的内容。把这两点结合在一起,可将 int *a;看作是 “*a 解得的内容类型为 int”,对更复杂的声明也如此[註 1]。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。

指针不仅可以是变量的地址,还可以是数组、数组元素、函数的地址。通过指针作为形式参数可以在函数的调用过程得到一个以上的返回值(不同于return z这样的仅能得到一个返回值。

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 pi
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
struct { int member; } stinst,
  * pst = & stinst;
// pst是一个指向一个匿名结构体的指针

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*pi 在程序中可以相互替换使用,直到 pi 被改变成指向另一个变量的地址。

当指针指向结构体时,可以使用运算符 -> 代替 *和. 的作用,如 (*p).mp->m 等效。

字符串编辑

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

文件輸入/輸出编辑

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。

標準輸入/輸出编辑

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(int argc, const char * argv[])
{
    char c;
    while ((c=getchar())!=EOF)
        putchar(c);
    perror("getchar() got EOF");
    return -1;
}

函数编辑

C语言的基本结构单位是函数[17]。系统首先调用 main函数(主函数),通过函数的嵌套调用,再调用其他函数。函数可以是系统自带的函数,也可以是用户定义的函数。C语言中,不允许函数嵌套定义。

内存管理编辑

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。

大多数C语言实现使用栈(Stack)来保存函数返回地址/栈帧基址、完成函数的参数传递和函数局部变量的存储。然而,在部分极特殊的平台上,使用栈并不能获得最大效率。此时的实现由编译器决定[18]。 如果程序需要在运行的过程中动态分配内存,可以利用(Heap)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(Stack)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函数来像分配堆(Heap)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(Heap)来满足要求。ANSI C定义的堆操作函数是malloc、calloc、realloc和free。

使用(Heap)内存将带来额外的开销和风险。

安全问题编辑

C语言的特色之一是:语言不负责内存边界检查,这是因为在运行时进行内存边界检查会造成性能问题,与UNIX哲学不符。此特性容易导致缓冲区溢出问题。然而,部分编译器[來源請求]会出于安全性的考量,提供方法以进行运行时内存边界检查。

编辑

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94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。各个系统各自又对C库函数进行的各种扩充,就浩如烟海了。如POSIX CGNU C等。

工具軟體编辑

工具軟體可以幫助程式設計者避免一些程式中潛藏或容易出現的問題,例如常會造成程式未預期動作或是執行期錯誤的程式碼。

許多語言都有自動源代碼檢查及審計工具,C語言也有類似工具,像是Lint。可以在程式剛寫好時用Lint找出可能有問題的程式,通過Lint後再用C編譯器進行編譯,許多編譯器也可以設定是否要針對一些可能有問題的程式碼提出警告。MISRA C是一套針對嵌入式系統的法則,可主要也是避免一些可能有問題的程式碼。

也有一些編譯器、程式庫或作業系統可以處理一些非標準C語言的功能,例如邊界值檢查、缓存溢出偵測、序列化自動垃圾回收功能。

使用像ValgrindIBM Rational Purify英语Purify等軟體工具,或者連結有特別malloc函式的程式庫,有助於找出一些運行期記憶體使用的問題。

{保留关键字}编辑

以下是C语言的保留关键字:[19]

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

C99新增关键字编辑

_Bool _Complex _Imaginary inline restrict

C11新增关键字编辑

_Alignas _Alignof _Atomic _Generic _Noreturn
_Static_assert _Thread_local

經典錯誤编辑

“void main()”的用法并不是任何标准制定的[20][21]。 C語言标准語法是“int main()”,任何实现都必须支持int main(void) { /* ... */ }int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }[22]。 在 C++ 標準中,main的標準型態應是int,否则类型是由实现定义的。任何实现都必须支持int main() { /* ... */ }int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }[23]

参见编辑

参考编辑

  1. ^ Ritchie, Dennis M. The Development of the C Language. January 1993 [2008-01-01]. The scheme of type composition adopted by C owes considerable debt to Algol 68, although it did not, perhaps, emerge in a form that Algol's adherents would approve of. 
  2. ^ TIOBE Programming Community Index [TIOBE编程社区指数]. 2012 [2012-11-03]. (原始内容存档于2018-12-25) (英语). 
  3. ^ Brian W. Kernighan and Dennis M. Ritchie. The C programming Language. Prentice-Hall. 1988. ISBN 0-13-110362-8 (英语). In C, all function arguments are passed ``by value. 
  4. ^ Dennis M. Ritchie,Brian W. Kernighan. C程序设计语言. 北京: 机械工业出版社. 2004年1月. ISBN 9787111128069 (中文). 
  5. ^ Dennis M. Ritchie,Brian W. Kernighan. C程序设计语言. 北京: 机械工业出版社. 2004年1月. ISBN 9787111128069 (中文). 
  6. ^ Dennis M. Ritchie,Brian W. Kernighan. C程序设计语言. 北京: 机械工业出版社. 2004年1月. ISBN 9787111128069 (中文). 
  7. ^ Dennis M. Ritchie,Brian W. Kernighan. C程序设计语言. 北京: 机械工业出版社. 2004年1月. ISBN 9787111128069 (中文). 
  8. ^ Dennis M. Ritchie,Brian W. Kernighan. C程序设计语言. 北京: 机械工业出版社. 2004年1月. ISBN 9787111128069 (中文). 
  9. ^ Stephen Prata. C Primer Plus(第5版). 北京: 人民邮电出版社. 2005年2月: 3–4. ISBN 9787115130228 (中文). 
  10. ^ Dennis M. Ritchie,Brian W. Kernighan. C程序设计语言. 北京: 机械工业出版社. 2004年1月. ISBN 9787111128069 (中文). 
  11. ^ ISO/IEC 9899:2018 (PDF). [2020-06-10]. (原始内容存档 (PDF)于2020-07-22). 
  12. ^ ISO/IEC 9899:2018 (PDF). [2020-06-10]. (原始内容存档 (PDF)于2020-07-22). 
  13. ^ ISO/IEC 9899:2018 (PDF). [2020-06-10]. (原始内容存档 (PDF)于2020-07-22). 
  14. ^ ISO/IEC 9899:2018 (PDF). [2020-06-10]. (原始内容存档 (PDF)于2020-07-22). 
  15. ^ ISO/IEC 9899:2011. International Organization for Standardization. [2020-03-08]. (原始内容存档于2020-03-28) (英语). §6.7.9 Initialization 21 If there are fewer initializers in a brace-enclosed list than there are elements or members of an aggregate, or fewer characters in a string literal used to initialize an array of known size than there are elements in the array, the remainder of the aggregate shall be initialized implicitly the same as objects that have static storage duration. 
  16. ^ ISO/IEC 9899:2018 (PDF). [2020-06-10]. (原始内容存档 (PDF)于2020-07-22). 
  17. ^ ISO/IEC 9899:2018 (PDF). [2020-06-10]. (原始内容存档 (PDF)于2020-07-22). 
  18. ^ ISO/IEC 9899:2018 (PDF). [2020-06-10]. (原始内容存档 (PDF)于2020-07-22). 
  19. ^ ISO/IEC 9899:2011. International Organization for Standardization. [2020-03-08]. (原始内容存档于2020-03-28) (英语). 
  20. ^ Can I write "void main()"? 页面存档备份,存于互联网档案馆The definition void main() { /* ... */ } is not and never has been C++, nor has it even been C.
  21. ^ 用 C99 进行开放源代码的开发. [2011-01-21]. (原始内容存档于2011-08-12). 
  22. ^ 「The function called at program startup is named main. The implementation declares no prototype for this function. It shall be defined with a return type of int and with no parameters: int main(void) { /* ... */ } or with two parameters (referred to here as argc and argv, though any names may be used, as they are local to the function in which they are declared): int main(int argc, char *argv[]) { /* ... */ } or equivalent; or in some other implementation-defined manner.」,引自ISO/IEC 9899:1999, Section 5.1.2.2.1 Program startup
  23. ^ 「An implementation shall not predefine the main function. This function shall not be overloaded. It shall have a return type of type int, but otherwise its type is implementation-defined. All implementations shall allow both of the following definitions of main: int main() { /* ... */ } and int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }.」,引自 ISO/IEC 14882, 第一版(1998)、第二版(2003)與第三版(2011), section 3.6.1 Main function

注解编辑

  1. ^ C 的声明使用这种“解方程”的形式,于是便出现了多种复杂的声明。https://cdecl.org 是一个基于网页的实用“翻译工具”。

外部連結编辑