Что такое C? Язык программирования, на котором держится всё остальное

C — компилируемый язык программирования общего назначения, созданный Деннисом Ритчи в Bell Labs в 1972 году для написания операционной системы Unix. Он пережил почти всё, что появилось в ту же эпоху, и причина проста: C лежит тонким слоем над машиной. Он даёт прямой доступ к памяти и к реальным возможностям процессора, но при этом читается как то, что написал человек.

Спустя полвека он остаётся языком, на котором строят другие языки.

Полная программа на C

Вот форма всего языка в шести строках. Нажмите Run.

#include <stdio.h>

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

#include <stdio.h> подтягивает объявления стандартного ввода-вывода, чтобы printf был известен. main — точка, с которой начинается любая программа на C. printf выводит текст, \n — перевод строки, а return 0 сообщает операционной системе, что программа завершилась успешно. Это законченная, компилируемая программа — её не нужно заворачивать в класс, и под ней нет никакого фреймворка.

Чем C отличается

Большинство современных языков прячут машину от вас. C намеренно этого не делает.

• Он компилируется в машинный код. Программа на C превращается в машинные инструкции для конкретного процессора и выполняется напрямую, без интерпретатора и виртуальной машины посередине.
• Памятью вы управляете сами. Сборщика мусора нет. Вы запрашиваете память и возвращаете её. Это больше работы, и это же причина того, что программы на C потребляют так мало памяти и имеют такое предсказуемое время работы.
• Он маленький. В C около 32 ключевых слов. Весь язык помещается в голове, чего не скажешь о C++, Java или Python.
• Среды выполнения почти нет. Программа на C может работать на микроконтроллере с несколькими килобайтами ОЗУ и вообще без операционной системы.

Плата — честность вместо безопасности. C позволит вам прочитать за концом массива или использовать уже освобождённую память и не остановит вас. У этих ошибок есть имена — ошибки сегментации, утечки памяти, неопределённое поведение, — и изучение C во многом означает умение их избегать.

Где C работает на самом деле

C — не исторический курьёз. Он прямо сейчас работает на устройстве, с которого вы это читаете, причём в нескольких местах сразу.

• Операционные системы. Ядро Linux — это примерно 30 миллионов строк на C. Большие части Windows и ядра Apple тоже написаны на C.
• Встраиваемые системы. Микроконтроллеры в автомобилях, термостатах, медицинских приборах, роутерах и стиральных машинах программируются подавляющим большинством на C. Когда на всём чипе 32 КБ памяти, C зачастую единственный реалистичный вариант.
• Базы данных. SQLite, PostgreSQL, MySQL и Redis — программы на C.
• Среды выполнения языков. CPython, эталонный интерпретатор Python, написан на C. Как и MRI для Ruby, движок Zend для PHP и ядро Lua. Когда Python «слишком медленный», решением обычно оказывается расширение на C.
• Инструменты и библиотеки. Git, curl, FFmpeg, OpenSSL, zlib, снова SQLite — инфраструктурный слой вычислений написан на C.

Именно поэтому важен двоичный интерфейс приложений C: почти каждый язык умеет вызывать функцию на C. У Python, Rust, Go, Java и JavaScript есть способ дотянуться до библиотек на C. C — это лингва франка между языками.

Зачем учить C

Есть два честных ответа, и они адресованы разным людям.

Если вы хотите работать с системами — ядрами, драйверами, встраиваемой прошивкой, базами данных, — C является рабочим языком этой области, и большинство вакансий в ней называют его прямо (часто рядом с C++ или Rust). В Linux, PostgreSQL или кодовую базу для микроконтроллера трудно что-то внести, не читая C свободно.

Если вы хотите лучше владеть тем языком, которым уже пользуетесь, C покажет, что лежит под ним. После C вы знаете, почему индекс массива начинается с нуля, чем на самом деле является строка, почему передача большого объекта по значению дорога, что такое стек и куча и на что на самом деле указывает нулевой указатель. Эти понятия есть в каждом языке; в C они видны, а не спрятаны.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int x = 42;
    int *p = &x;   /* p хранит адрес x */

    printf("значение: %d\n", x);
    printf("адрес: %p\n", (void *)p);
    printf("значение через указатель: %d\n", *p);
    return 0;
}

Эта программа — три строки на C и одновременно полная демонстрация того, что такое переменная: именованная коробка по некоторому адресу. В большинстве языков такой вопрос даже нельзя задать.

C и C++

C++ появился в 1979 году как «C с классами» и вырос в один из самых объёмных существующих языков: классы, шаблоны, исключения, перегрузка операторов, STL, умные указатели и стандартная библиотека, рядом с которой вся спецификация C выглядит крошечной.

Как это соотносится на практике:

• C++ сохранил синтаксис C, поэтому if, for, while, операторы, указатели и массивы выглядят одинаково в обоих языках.
• Большая часть хорошо написанного кода на C компилируется как C++, за некоторыми исключениями (например, в C++ результат malloc нужно приводить к типу).
• Код на C++ почти никогда не является корректным C.

Если вы собираетесь изучать оба, начать с C — реальное преимущество: C++ прямо надстраивается над моделью памяти C, а те части C++, что сбивают с толку сильнее всего — указатели, ссылки, семантика копирования, деструкторы, — это всё ответы на проблемы, которые C показывает открыто.

При этом C не является подмножеством C++ ни в каком официальном смысле. Это отдельные стандарты, развивающиеся независимо, и в современном C есть возможности, которых нет в C++ (именованные инициализаторы появились в C99, указатели restrict, массивы переменной длины).

Какой именно C: версии стандарта

C стандартизован, и версия имеет значение, когда вы читаете старый код.

Эта документация ориентируется на C17 и отдельно отмечает возможности C99+, где это важно. Компиляторы по умолчанию берут что-то современное, но можно указать явно:

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

Чего в C нет

Часть понимания C — это знание того, чего в нём не хватает, потому что почти на любой вопрос «а как мне...» здесь другой ответ, чем в современном языке.

• Нет строк. Строка в C — это массив char, заканчивающийся нулевым байтом. Склеить две из них означает вызвать функцию и позаботиться о том, хватит ли места в приёмнике.
• Нет коллекций. Ни списков, ни словарей, ни множеств. Есть массивы фиксированного размера и указатели; хеш-таблицу вы пишете сами или подключаете библиотеку.
• Нет исключений. Функции сообщают об ошибке, возвращая особое значение — -1, NULL или код состояния, — а вызывающий обязан его проверить.
• Нет обобщений и перегрузки. Одно имя функции означает одну функцию. Поэтому в стандартной библиотеке есть abs, labs и fabs для трёх разных типов.
• Нет пространств имён и модулей. Все не-static функции делят одно глобальное пространство имён, поэтому библиотеки на C снабжают всё префиксами (sqlite3_open, png_read_info).
• Нет сборщика мусора. Каждому malloc нужен парный free, а забывчивость — это утечка памяти.

Ничто из этого не упущение. Часть — это машинерия времени выполнения, которую C отказывается нести (сборщик мусора, раскрутка исключений, растущие строки), и в этом во многом причина того, что он помещается на чип с 2 КБ ОЗУ; другие же, вроде пространств имён и обобщений, — это возможности языка, попросту появившиеся позже, чем был задуман C, и не взятые внутрь, чтобы язык остался маленьким.

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

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

    /* Нет оператора + для строк - вы вызываете функцию и сами следите за местом. */
    strcat(greeting, ", world!");

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

Буфер занимает 32 байта, потому что вы решили, что этого достаточно. C ничего не проверит, и это решение — весь характер языка в одной строке.

Трудный ли C?

C маленький, но не прощает ошибок. Синтаксиса для запоминания немного — весь язык можно прочитать за неделю. Времени требует дисциплина: следить, кто владеет каким куском памяти, помнить, что строка — это просто байты, заканчивающиеся нулём, проверять, что указатель не нулевой, прежде чем идти по нему.

Трудность C — по большей части не в его понятиях, а в отсутствии страховки: компилятор не спасёт вас ни от записи за границу массива, ни от висячего указателя, поэтому вы учитесь быть точными. (Сами указатели в первый раз требуют настоящих усилий — это нормально, и глава об указателях разбирает их неспешно.) Эта точность — навык, который переносится на любой язык, которым вы пользуетесь потом.