嵌入式开发之路

第01章 初识 C 语言：从历史到第一个程序

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description了解 C 的出身与优点，弄懂编译器与链接器，掌握写程序的七个步骤。
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这一篇在干嘛？

这是《C Primer Plus》的起点篇：不写复杂代码，先回答三个问题——C 语言从哪来、为什么值得学、计算机是怎么跑程序的。读完你会明白”源代码 → 编译 → 链接 → 可执行文件”这条流水线，为第 02 章解剖第一个程序打好底子。

C 从何而来（Whence C?）

1972 年，贝尔实验室（Bell Labs）的 Dennis Ritchie 在和 Ken Thompson 一起开发 Unix 操作系统时，创造了 C 语言。C 并非凭空出现——它源自 Thompson 的 B 语言。

C 的出身决定了它的性格：它是为工作中的程序员创造的实用工具，首要目标是”有用”。对比一下同时代的其他语言：

  • Pascal：主要目标是给”良好的编程原则”提供教学基础；
  • BASIC：设计得像英语，方便不懂计算机的学生学习。

这些目标都很好，但不总与”日常干活好用”兼容。C 走的是实用路线，这让它成为几代程序员的选择。

为什么选 C（Why C?）

图：C 语言的优点——代码紧凑、程序小巧、可移植到其他计算机

设计特性

C 融入了计算机科学理论与实践公认 desirable 的控制特性，天然适合自顶向下（top-down）规划、结构化编程（structured programming）和模块化设计，写出的程序更可靠、更易理解。

高效（Efficiency）

C 程序往往紧凑且运行快。它甚至具备一些通常只有汇编语言（assembly language，一种用助记符表示特定 CPU 内部指令的语言）才有的精细控制力——你可以为”最快速度”或”最省内存”微调程序。

可移植性（Portability）

在 A 系统上写的 C 程序，拿到 B 系统上很少或无需修改就能运行。当年把 IBM PC 的 BASIC 程序搬到 Apple BASIC、或把大型机 FORTRAN 搬到 Unix 的人都懂：移植有多麻烦。而 C 的编译器覆盖了从 8 位微处理器到超级计算机的约 40 种系统。

当然，可移植不是绝对的：专门访问某类硬件（如显示器）或操作系统特性（如 Windows API）的那部分代码，通常不可移植。

强大灵活、面向程序员

  • 大部分 Unix 操作系统本身就是用 C 写的；FORTRAN、Perl、Python、BASIC 等语言的编译器/解释器也多为 C 所写；
  • C 能访问硬件、操作内存中的单个位（bit），运算符（operator）丰富；
  • C 不像 Pascal 那样严格限制你——自由既是优点也是危险：许多任务（如数据形式转换）在 C 里很简单，但你也可能犯在其他语言里根本不可能犯的错。

缺点

优缺点的根源常常是同一个特性：

  • C 的**指针（pointer）**让你能犯很难追踪的错误——“自由奉献的代价是永恒的警惕”；
  • C 简洁 + 运算符丰富，意味着有能力写出极难读懂的代码（还真有年度”混乱代码大赛” Obfuscated Code Contest）。

C 的去向（Whither C?）

到 20 世纪 80 年代初，C 已是 Unix 小型机世界的主导语言，随后扩展到个人计算机和大型机。软件公司喜欢用 C 写文字处理、电子表格、编译器等产品——因为 C 程序紧凑高效、易修改、易适配新机型。

90 年代起，很多大项目转向 C++（在 C 之上嫁接面向对象编程，object-oriented programming）。C++ 几乎是 C 的超集，所以学好 C 也顺便学了大半个 C++。

尽管有 C++、Java 等新秀，C 依然是软件行业的核心技能：嵌入式系统（汽车、相机、DVD 机里的微处理器）、科学计算、Linux 开发，处处有 C。

计算机在做什么（What Computers Do)

学 C 之前，先花两分钟理解计算机的基本构造：

  • CPU（中央处理器）：干大部分计算活的部件；
  • RAM（随机存取内存）：工作台，临时存放程序和文件；
  • 永久存储（如硬盘）：断电也不丢的仓库；
  • 外设（键盘、鼠标、显示器）：你与计算机交流的通道。

CPU 的”人生”极其简单：从内存取一条指令 → 执行 → 再取下一条 → 执行……（GHz 级 CPU 每秒能这样干约十亿次）。CPU 有几个自己的小抽屉——寄存器（register），其中一个存放”下一条指令的内存地址”。

两个关键事实：

  1. 计算机里的一切都是数字。字符有数字编码，指令也有数字编码；
  2. 程序最终必须以 CPU 能懂的**机器语言（machine language）**表达。

想给计算机下命令，就得用机器语言写一张精确到步骤的清单。连”把两个数相加”都要拆成：

  1. 把内存位置 2000 的数复制到寄存器 1；
  2. 把内存位置 2004 的数复制到寄存器 2；
  3. 寄存器 2 加到寄存器 1，结果留在寄存器 1；
  4. 把寄存器 1 的内容复制到内存位置 2008。

而且每条指令还得用数字代码表示！幸好，机器语言编程的黄金时代早就过去了。

高级语言与编译器（High-level Languages and Compilers)

C 这样的**高级编程语言（high-level language）**让编程轻松许多：

  • 不用数字代码写指令；
  • 指令更接近人的思维方式。加两个数，你只需要写：
total = mine + yours;

但计算机看不懂这行字，于是**编译器（compiler）**登场：它把高级语言程序翻译成计算机需要的机器语言指令。你负责高层思考，编译器负责烦琐细节。

编译器还带来一个巨大的好处：每种 CPU 有自己的机器语言，但每种机器都可以配一个对应的编译器。同一个 C 程序，配上不同编译器，就能在不同机器上运行——这就是”一次编写、到处编译”的可移植性来源。

使用 C 的七个步骤（Using C: Seven Steps)

图：编程的七个步骤：定义目标 → 设计程序 → 编写代码 → 编译 → 运行 → 测试和调试 → 维护和修改

第 1 步：定义程序目标

想清楚程序要做什么：需要什么信息、要做什么计算、要汇报什么结果。这一步用一般术语思考，别想具体语言。

第 2 步：设计程序

决定怎么实现：用户界面什么样？程序如何组织？数据如何表示、用什么方法处理？好的数据表示方式能让后面的编程轻松一大截。这一步依然别碰具体代码。

第 3 步：编写代码

把设计翻译成 C 语言。用文本编辑器创建源代码文件（source code file）。书中的示例长这样（现在看不懂没关系，第 02 章就懂了）：

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    int dogs;
 
    printf("How many dogs do you have?\n");
    scanf("%d", &dogs);
    printf("So you have %d dog(s)!\n", dogs);
 
    return 0;
}

这一步别忘了写注释（comment）——把解释直接嵌进源代码里。

第 4 步：编译

编译器把源代码变成可执行代码（executable code），即计算机的母语——机器语言。它还会顺带把 C 库（library）里的标准例程（如 printf()、scanf()）纳入最终程序（准确说干这活的是链接器，下一节细讲）。编译器同时检查你的程序是不是合法的 C——发现错误就报告，并且不生成可执行文件。学会看懂编译器的报错，本身就是一项要练的技能。

第 5 步：运行程序

在 Unix/Linux 控制台下输入可执行文件名即可运行；在 IDE（集成开发环境）里点菜单或按键运行；也可以直接双击文件图标。

第 6 步：测试和调试

程序能跑，不代表跑得对。程序里的错误叫bug，找错改错的过程叫调试（debugging）。犯错是学习的自然组成部分——随着你水平提高，你的错误也会变得更强大、更隐蔽。出错的可能包括：设计错误、好想法实现错了、没考虑奇怪的输入、C 用法不对、打字错误、括号放错位置……

第 7 步：维护和修改

程序被用起来之后，你会想改它：修小 bug、加新功能、适配新系统。文档清晰 + 设计良好的程序，维护起来才不痛苦。

记忆口诀：先规划，后编码

原书特别提醒：初学者最爱跳过第 1、2 步直接写代码。程序简单时脑子能装下全过程，可程序一长，凭感觉写出来的就是丑陋、低效、难懂的代码。任务越大越复杂，规划就越重要——动笔前先用纸笔写下目标和设计，省下的时间是真金白银。

编程机制（Programming Mechanics）

源代码文件

用 C 写的程序保存在文本文件里，文件名要以 .c 结尾。文件名分两部分：点号前是基本名（basename），点号后是扩展名（extension）。例如 budget.c 里，budget 是基本名，c 是扩展名。注意 Unix 区分大小写：budget.c、BUDGET.c 是三个不同文件，而 BUDGET.C 不是合法的 C 源文件名（大写 C 不行）。

目标文件、可执行文件与库

C 把源代码变成可运行程序分两步：编译（compiling）和链接（linking）。

编译器先把源代码翻译成目标代码文件（object code file，简称 object file）。目标文件虽然已是机器语言，但还不能运行，缺两样东西：

  1. 启动代码（startup code）：程序与操作系统之间的接口。同样的硬件，DOS 和 Linux 处理程序的方式不同，启动代码就不同；
  2. 库例程代码：printf() 之类的标准函数代码存在**库文件（library）**里，目标文件里只有”我要用 printf()“这句话，没有 printf 的真身。

图：编译器与链接器——源代码经编译器生成目标代码，链接器把目标代码、启动代码和库代码组合成可执行文件

**链接器（linker）**把三样东西合并成一个可执行文件：你的目标代码 + 系统的启动代码 + 用到的库代码（只提取你用到的那些函数）。

一句话总结：目标文件和可执行文件都是机器语言，区别在于目标文件只含你自己代码的翻译，可执行文件还包含库例程和启动代码。

Unix 系统上的流程

Unix 不自带编辑器，用 emacs、vi 等通用编辑器写一个 inform.c：

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    printf("A .c is used to end a C program filename.\n");
    return 0;
}

编译命令：

cc inform.c

几秒后提示符返回，编译完成。用 ls 一看，多了个 a.out——这就是可执行文件。运行它：

a.out

输出：

A .c is used to end a C program filename.

图：在 Unix 上准备 C 程序的完整流程：编辑 inform.c → cc 编译 → 生成 a.out 并运行

细节：cc 会生成与源文件同名的目标文件 inform.o，但单文件程序链接完成后它会被删掉；想保留 a.out 就要改名，否则下次编译会被覆盖。

Linux 与 Windows

Linux 上用的是 GNU 的 gcc 编译器，流程与 Unix 基本一致（通常还把 cc 设为 gcc 的别名）。

Windows 不自带 C 编译器，一般装集成开发环境（IDE）——自带编辑器、菜单化编译运行、出错时能定位到出问题的行。新建项目时选择控制台（Console）类型的项目，才能跑本书这类命令行程序。

新手坑：IDE 窗口一闪而过

在 Windows IDE 里运行程序，输出窗口经常在程序结束的瞬间自动关闭，什么都看不见。解决办法：在 return 语句前加一行 getchar();，它会让程序等你按一次 Enter 键再退出。如果程序此前刚读过你的输入（比如让你输入体重），可能需要写两次 getchar()。

源文件必须是文本文件

无论什么系统，源代码文件必须是纯文本文件，不能是字处理软件的专有格式（后者塞满了字体、排版信息）。用记事本等文本编辑器没问题；用字处理器的话，要”另存为”纯文本，且留意有的软件会自动加 .txt 扩展名——要改回 .c。

语言标准（Language Standards）

K&R C

C 诞生之初没有官方标准，Kernighan 和 Ritchie 1978 年的《The C Programming Language》第一版成了公认标准，史称 K&R C 或经典 C。但它只定义了语言、没定义库，于是 Unix 自带的库成了事实标准。

第一个 ANSI/ISO 标准（C89/C90）

1983 年 ANSI 成立 X3J11 委员会，1989 年通过新标准，同时定义了语言和标准 C 库；ISO 在 1990 年采纳了实质相同的标准。这套标准因此被称为 C89（ANSI 批准年）或 C90（ISO 批准年）。

委员会有一组很有趣的指导原则，被称为”保持 C 的精神”：

  • 信任程序员（Trust the programmer）；
  • 不阻止程序员做需要做的事；
  • 保持语言小而简单；
  • 一种操作只提供一种方法；
  • 追求速度，哪怕牺牲一点可移植性。

C99 标准

1994 年开始修订，成果是 C99。三大目标：

  1. 国际化：支持国际字符集；
  2. 修正缺陷：把实际中已被验证的做法编入标准（比如适配 64 位处理器）；
  3. 提高计算能力：改进科学与工程关键数值计算的适用性。

同时保持保守：最小化与 C90 和 C++ 的不兼容，让 C 保持精炼——用委员会的话说，“让 C++ 去做那个庞大而有野心的语言吧”。当时的多数编译器并未完全实现 C99 的全部特性，有些特性还需要修改编译器设置才能开启。

最佳实践： sticking to the standard

写 C 程序时坚持标准写法（如 int main(void) + return 0;），不要用某些编译器私放的写法（如 void main()）。标准写法保证你的程序从一台机器搬到另一台、从一个编译器换到另一个时都不出问题——这正是 C 可移植性红利的兑现方式。

本章小结

  • C 是为程序员设计的、强大而简洁的编译型语言，优点是高效、可移植、灵活，代价是需要程序员自律；
  • 计算机只懂机器语言，编译器负责把 C 源代码翻译成机器语言，链接器把你的目标代码、启动代码和库代码组装成可执行文件；
  • 编程七步走：定目标 → 设计 → 写代码 → 编译 → 运行 → 测试调试 → 维护修改；
  • C 标准经历了 K&R C → C89/C90 → C99 的演进。

新手坑：只动手不动脑

又要强调一次：不要跳过”定义目标”和”设计程序”直接写代码。这个坑在第 1 步时摔一跤最便宜——现在养成纸笔规划的习惯，等程序长到几百行再摔，代价就是几小时的迷茫和返工。

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