C 语言是什么？一切软件背后的编程语言

C 是一门编译型的通用编程语言，由 Dennis Ritchie 于 1972 年在贝尔实验室创造，用来编写 Unix 操作系统。它比同时代的几乎所有东西都活得更久，原因很简单：C 只比机器高出薄薄的一层。它让你直接访问内存和 CPU 的真实能力，同时读起来仍然像是人写的代码。

半个世纪后，它依然是用来构建其他语言的语言。

一个完整的 C 程序

用六行代码就能看出整门语言的样子。点击“运行”。

#include <stdio.h>

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

#include <stdio.h> 引入标准输入输出的声明，这样 printf 才能被识别。main 是每个 C 程序开始执行的地方。printf 输出文本，\n 是换行符，return 0 告诉操作系统程序已成功结束。这就是一个完整的、可以编译的程序：不需要用类包起来，底下也没有任何框架。

C 语言有什么不同

大多数现代语言都会把机器对你隐藏起来。C 刻意不这样做。

• 它被编译成本机代码。 C 程序会变成某种 CPU 的机器指令并直接运行，中间没有解释器，也没有虚拟机。
• 内存由你自己管理。 没有垃圾回收器。你申请内存，用完再归还。这会多一些工作，但这也是 C 程序占用内存如此之少、运行时间如此可预测的原因。
• 它很小。 C 大约只有 32 个关键字。你可以把整门语言装在脑子里，而 C++、Java 或 Python 都做不到。
• 几乎没有运行时。 C 程序可以运行在只有几 KB 内存、完全没有操作系统的微控制器上。

代价是用坦诚换掉了安全。C 会允许你读取数组末尾之后的内容，或使用已经释放的内存，而不会阻止你。这些错误都有名字：段错误、内存泄漏、未定义行为。学习 C 很大程度上就是学会避开它们。

C 语言运行在哪里

C 不是一件历史古董。此刻它就在你阅读本文的设备上运行着，而且不止一处。

• 操作系统。 Linux 内核大约有 3000 万行 C 代码。Windows 和苹果内核的大部分也是用 C 写的。
• 嵌入式系统。 汽车、温控器、医疗设备、路由器和洗衣机里的微控制器，绝大多数都用 C 编程。当整颗芯片只有 32 KB 内存时，C 往往是唯一现实的选择。
• 数据库。 SQLite、PostgreSQL、MySQL 和 Redis 都是 C 程序。
• 语言运行时。 Python 的官方解释器 CPython 是用 C 写的。Ruby 的 MRI、PHP 的 Zend 引擎和 Lua 的核心也是。当 Python “太慢”时，解决办法通常是写一个 C 扩展。
• 工具和库。 Git、curl、FFmpeg、OpenSSL、zlib，还有 SQLite：计算世界的基础设施层就是 C。

这也是 C 的应用二进制接口（ABI）如此重要的原因：几乎所有语言都能调用 C 函数。Python、Rust、Go、Java 和 JavaScript 都有办法调用 C 库。C 是各种语言之间的通用语。

为什么要学 C 语言

有两个实在的理由，面向的是不同的人。

如果你想从事系统软件开发，比如内核、驱动、嵌入式固件、数据库，C 就是这个领域的工作语言，这些方向的大多数招聘信息都会直接写明要求 C（通常还会同时要求 C++ 或 Rust）。如果读不懂 C，就很难为 Linux、PostgreSQL 或微控制器项目贡献代码。

如果你想更好地掌握自己已经在用的语言，C 会告诉你底层是什么。学过 C 之后，你会明白数组下标为什么从零开始，字符串究竟是什么，为什么按值传递大对象开销很大，栈和堆是什么，以及空指针到底指向哪里。这些概念在每种语言中都存在；只有在 C 里，它们是摆在明面上的，而不是被隐藏起来。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int x = 42;
    int *p = &x;   /* p holds the address of x */

    printf("value: %d\n", x);
    printf("address: %p\n", (void *)p);
    printf("value through the pointer: %d\n", *p);
    return 0;
}

这个程序只有三行 C 代码，却完整地展示了变量是什么：位于某个地址上的、有名字的盒子。在大多数语言中，你甚至没法问出这个问题。

C 和 C++

C++ 于 1979 年以“带类的 C”起步，后来发展成现存规模最大的语言之一：类、模板、异常、运算符重载、STL、智能指针，以及一个比 C 的整份规范还要庞大得多的标准库。

两者在实践中的关系：

• C++ 保留了 C 的语法，所以 if、for、while、运算符、指针和数组在两者中看起来都一样。
• 大多数写得规范的 C 代码都能作为 C++ 编译，只有少数例外（比如 C++ 要求对 malloc 的返回值做类型转换）。
• C++ 代码几乎从来都不是合法的 C 代码。

如果你打算两门都学，先学 C 是一个真正的优势：C++ 直接建立在 C 的内存模型之上，而 C++ 中最让人困惑的部分，指针、引用、拷贝语义、析构函数，都是在解决 C 清清楚楚展示给你的那些问题。

不过，C 在任何官方意义上都不是 C++ 的子集。它们是两个各自独立演进的标准，现代 C 还有一些 C++ 没有的特性（C99 引入的指定初始化器、restrict 指针和变长数组）。

哪个 C：标准版本

C 是标准化的语言，阅读老代码时，版本很重要。

本文档以 C17 为准，并在相关之处指出 C99 及以上的特性。编译器默认使用较新的版本，但你也可以明确指定：

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

C 语言没有什么

理解 C 的一部分，是知道它缺少什么，因为几乎每个“我该怎么……”的问题，在这里的答案都和现代语言不同。

• 没有字符串类型。 C 字符串是一个以零字节结尾的 char 数组。拼接两个字符串需要调用函数，还得操心目标空间够不够大。
• 没有集合。 没有列表、映射或集合。你只有固定大小的数组和指针；哈希表要么自己写，要么链接一个库。
• 没有异常。 函数通过返回一个特殊值来报告失败，比如 -1、NULL 或状态码，调用方需要自己检查。
• 没有泛型和重载。 一个函数名只对应一个函数。所以标准库为三种不同类型分别提供了 abs、labs 和 fabs。
• 没有命名空间或模块。 所有非 static 函数共享同一个全局命名空间，所以 C 库会给所有东西加前缀（sqlite3_open、png_read_info）。
• 没有垃圾回收器。 每个 malloc 都需要一个对应的 free，忘了就是内存泄漏。

这些都不是疏忽。其中一些是 C 拒绝携带的运行时机制（垃圾回收器、异常展开、可增长的字符串），这在很大程度上正是它能装进只有 2 KB 内存的芯片的原因；另一些，比如命名空间和泛型，则是在 C 设计完成之后才出现的语言特性，为了保持语言小巧而没有加入。

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

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

    /* No + operator for strings - you call a function and manage the space. */
    strcat(greeting, ", world!");

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

缓冲区是 32 字节，因为是你决定这就够了。C 不会检查，这一行代码就体现了这门语言的全部性格。

C 语言难学吗？

C 很小，但不留情面。需要记的语法不多，一周就能把整门语言读完。花时间的是自律：记清哪块内存归谁所有，记住字符串只是以零结尾的字节，在使用指针之前检查它是不是空指针。

C 的难点大多不在概念上，而在于它没有护栏：编译器不会把你从越界写入或悬空指针中救出来，所以你会学会精确。（第一次学指针确实要花不少力气，这很正常，指针一章会慢慢讲。）这种精确是一种能带到你以后使用的每一种语言中的能力。