Język C: czym jest i dlaczego stoi za wszystkim innym

C to kompilowany język programowania ogólnego przeznaczenia, stworzony przez Dennisa Ritchiego w Bell Labs w 1972 roku do napisania systemu operacyjnego Unix. Przetrwał niemal wszystko ze swojej epoki, a powód jest prosty: C leży jedną cienką warstwę nad maszyną. Daje bezpośredni dostęp do pamięci i rzeczywistych możliwości procesora, a mimo to czyta się go jak coś, co napisał człowiek.

Pół wieku później wciąż jest językiem, w którym buduje się inne języki.

Kompletny program w C

Oto kształt całego języka w sześciu liniach. Kliknij Uruchom.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Czesc, C!\n");
    return 0;
}

#include <stdio.h> dołącza standardowe deklaracje wejścia i wyjścia, dzięki czemu printf jest znana. main to miejsce, od którego zaczyna się każdy program w C. printf wypisuje tekst, \n to znak nowej linii, a return 0 informuje system operacyjny, że program zakończył się pomyślnie. To kompletny program, który da się skompilować: nie ma klasy, w którą trzeba go opakować, ani frameworka pod spodem.

Co wyróżnia C

Większość nowoczesnych języków ukrywa przed tobą maszynę. C celowo tego nie robi.

• Kompiluje się do kodu natywnego. Program w C staje się instrukcjami maszynowymi dla konkretnego procesora i działa bezpośrednio, bez interpretera i bez maszyny wirtualnej pośrodku.
• Pamięcią zarządzasz sam. Nie ma garbage collectora. Prosisz o pamięć i ją oddajesz. To więcej pracy, ale też powód, dla którego programy w C zużywają tak mało pamięci i mają tak przewidywalne czasy działania.
• Jest mały. C ma około 32 słów kluczowych. Cały język da się zmieścić w głowie, czego nie można powiedzieć o C++, Javie czy Pythonie.
• Prawie nie ma środowiska uruchomieniowego. Program w C może działać na mikrokontrolerze z kilkoma kilobajtami RAM i zupełnie bez systemu operacyjnego.

Ceną jest szczerość zamiast bezpieczeństwa. C pozwoli ci czytać za końcem tablicy albo używać już zwolnionej pamięci i cię nie zatrzyma. Te błędy mają swoje nazwy, na przykład segmentation fault, wycieki pamięci czy niezdefiniowane zachowanie, a nauka C w dużej mierze polega na nauce ich unikania.

Gdzie naprawdę działa C

C to nie historyczna ciekawostka. Działa na urządzeniu, na którym to czytasz, i to w wielu miejscach naraz.

• Systemy operacyjne. Jądro Linuksa to około 30 milionów linii kodu w C. Duże części Windowsa i jądra Apple także są napisane w C.
• Systemy wbudowane. Mikrokontrolery w samochodach, termostatach, urządzeniach medycznych, routerach i pralkach programuje się w przytłaczającej większości w C. Gdy cały układ ma 32 KB pamięci, C często jest jedyną realną opcją.
• Bazy danych. SQLite, PostgreSQL, MySQL i Redis to programy w C.
• Środowiska uruchomieniowe języków. CPython, referencyjny interpreter Pythona, jest napisany w C. Podobnie MRI Ruby'ego, silnik Zend PHP i rdzeń Lua. Gdy Python jest "za wolny", rozwiązaniem zwykle jest rozszerzenie w C.
• Narzędzia i biblioteki. Git, curl, FFmpeg, OpenSSL, zlib i znowu SQLite: warstwa infrastruktury informatyki to C.

Dlatego też liczy się binarny interfejs aplikacji (ABI) języka C: niemal każdy język potrafi wywołać funkcję w C. Python, Rust, Go, Java i JavaScript mają sposoby, by sięgnąć do bibliotek w C. C to lingua franca między językami.

Dlaczego warto uczyć się C

Są dwie szczere odpowiedzi i dotyczą różnych osób.

Jeśli chcesz pracować nad oprogramowaniem systemowym, czyli jądrami, sterownikami, firmware'em czy bazami danych, C jest językiem roboczym tej dziedziny, a większość ofert pracy w tych obszarach wymienia go wprost (często obok C++ lub Rusta). Trudno wnieść coś do Linuksa, PostgreSQL czy kodu mikrokontrolera, jeśli nie czytasz swobodnie kodu w C.

Jeśli chcesz lepiej znać język, którego już używasz, C pokazuje, co jest pod spodem. Po C wiesz, dlaczego indeksy tablic zaczynają się od zera, czym naprawdę jest string, dlaczego przekazywanie dużego obiektu przez wartość jest kosztowne, czym są stos i sterta i na co tak naprawdę wskazuje wskaźnik NULL. Te pojęcia występują w każdym języku; w C są widoczne, a nie ukryte.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int x = 42;
    int *p = &x;   /* p przechowuje adres x */

    printf("wartosc: %d\n", x);
    printf("adres: %p\n", (void *)p);
    printf("wartosc przez wskaznik: %d\n", *p);
    return 0;
}

Ten program to trzy linie C i jednocześnie pełna demonstracja tego, czym jest zmienna: nazwanym pudełkiem pod pewnym adresem. W większości języków nie da się nawet zadać tego pytania.

C i C++

C++ powstał w 1979 roku jako "C z klasami" i wyrósł na jeden z największych istniejących języków: klasy, szablony, wyjątki, przeciążanie operatorów, STL, inteligentne wskaźniki i biblioteka standardowa, przy której cała specyfikacja C wydaje się drobna.

W praktyce wygląda to tak:

• C++ zachował składnię C, więc if, for, while, operatory, wskaźniki i tablice wyglądają w obu językach tak samo.
• Większość dobrze napisanego kodu C kompiluje się jako C++, z kilkoma wyjątkami (na przykład C++ wymaga rzutowania wyniku malloc).
• Kod C++ prawie nigdy nie jest poprawnym kodem C.

Jeśli planujesz nauczyć się obu, rozpoczęcie od C to realna przewaga: C++ bezpośrednio opiera się na modelu pamięci C, a części C++, które najbardziej mylą ludzi, czyli wskaźniki, referencje, semantyka kopiowania i destruktory, to odpowiedzi na problemy, które C pokazuje wprost.

C nie jest jednak w żadnym oficjalnym sensie podzbiorem C++. To osobne standardy rozwijane niezależnie, a nowoczesne C ma cechy, których C++ nie ma (inicjalizatory z desygnatorami, które pojawiły się w C99, wskaźniki restrict i tablice o zmiennej długości).

Które C: wersje standardu

C jest ustandaryzowany, a wersja ma znaczenie przy czytaniu starszego kodu.

Ta dokumentacja dotyczy C17 i zaznacza cechy C99+ tam, gdzie mają znaczenie. Kompilatory domyślnie używają czegoś nowoczesnego, ale możesz to określić wprost:

gcc -std=c17 -Wall -Wextra hello.c -o hello

Czego C nie ma

Zrozumienie C to także wiedza, czego w nim brakuje, bo niemal każde pytanie "jak zrobić..." ma tu inną odpowiedź niż w nowoczesnym języku.

• Brak stringów. String w C to tablica char zakończona bajtem zerowym. Połączenie dwóch stringów oznacza wywołanie funkcji i pilnowanie, czy miejsce docelowe jest wystarczająco duże.
• Brak kolekcji. Nie ma list, map ani zbiorów. Masz tablice o stałym rozmiarze i wskaźniki; tablicę mieszającą piszesz sam albo dołączasz z biblioteki.
• Brak wyjątków. Funkcje zgłaszają niepowodzenie, zwracając specjalną wartość, na przykład -1, NULL albo kod statusu, a wywołujący ma to sprawdzić.
• Brak typów generycznych i przeciążania. Jedna nazwa funkcji to jedna funkcja. Dlatego biblioteka standardowa ma abs, labs i fabs dla trzech różnych typów.
• Brak przestrzeni nazw i modułów. Wszystkie funkcje, które nie są static, dzielą jedną globalną przestrzeń nazw, dlatego biblioteki C dodają prefiks do wszystkiego (sqlite3_open, png_read_info).
• Brak garbage collectora. Każdy malloc potrzebuje odpowiadającego mu free, a zapomnienie o nim to wyciek pamięci.

Żadne z tych braków nie są przeoczeniami. Część to mechanizmy czasu wykonania, których C nie chce dźwigać (garbage collector, odwijanie stosu przy wyjątkach, rosnące stringi), i w dużej mierze dlatego mieści się w układzie z 2 KB RAM; inne, jak przestrzenie nazw i typy generyczne, to cechy języków, które pojawiły się później niż projekt C i zostały pominięte, żeby język pozostał mały.

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void) {
    char greeting[32] = "Czesc";

    /* Nie ma operatora + dla stringów: wywołujesz funkcję i sam pilnujesz miejsca. */
    strcat(greeting, ", swiecie!");

    printf("%s\n", greeting);
    printf("liczba znakow: %zu\n", strlen(greeting));
    return 0;
}

Bufor ma 32 bajty, bo to twoja decyzja, że tyle wystarczy. C tego nie sprawdzi i ta decyzja to cały charakter języka w jednej linii.

Czy C jest trudny?

C jest mały, ale bezlitosny. Składni do zapamiętania nie ma wiele: cały język przeczytasz w tydzień. Czasu wymaga dyscyplina: śledzenie, kto jest właścicielem którego fragmentu pamięci, pamiętanie, że string to tylko bajty zakończone zerem, sprawdzanie, czy wskaźnik nie jest NULL, zanim za nim podążysz.

Większość trudności C nie leży w jego pojęciach, tylko w braku zabezpieczeń: kompilator nie uratuje cię przed zapisem poza zakresem ani przed wiszącym wskaźnikiem, więc uczysz się precyzji. (Same wskaźniki za pierwszym razem wymagają prawdziwego wysiłku, to normalne, a rozdział o wskaźnikach omawia je powoli.) Ta precyzja to umiejętność, która przenosi się na każdy język, którego użyjesz później.