第 1 章 C语言概述
如果有人说"我想要一种语言，只需对它说我要干什么就行"，给他一支棒棒糖好了。1
1每章章首的警句均选自Alan J. Perlis的文章"Epigrams on Programming"。该文发表在ACM SIGPLAN Notices（美国计算机协会编程特别兴趣小组会刊）1982年9月号第7～13页。
什么是C语言？它是20世纪70年代初期在贝尔实验室开发出来的一种广为使用的编程语言。这一简单回答显然没能传达出C语言的特别之处。不过别急，在深入学习这门语言之前，让我们先来回顾一下C语言的起源、设计目标和这么多年来的发展（1.1节）。我们还将讨论C语言的优缺点，以及如何高效地使用C语言（1.2节）。
1.1 C语言的历史
本节对C语言的历史做一个简单的回顾，从它的起源到它成为一种标准化语言，再到它对近代编程语言的影响。
1.1.1 起源
C语言是贝尔实验室的Ken Thompson、Dennis Ritchie等人开发的UNIX操作系统的"副产品"。Thompson独自编写出UNIX操作系统的最初版本，这套系统运行在DEC PDP-7计算机上。这款早期的小型计算机仅有8KB内存（毕竟那是在1969年）。
与同时代的其他操作系统一样，UNIX系统最初也是用汇编语言编写的。用汇编语言编写的程序往往难以调试和改进，UNIX系统也不例外。Thompson意识到需要用一种更加高级的编程语言来完成UNIX系统未来的开发，于是他设计了一种小型的B语言。Thompson的B语言是在BCPL语言（20世纪60年代中期产生的一种系统编程语言）的基础上开发的，而BCPL语言又可以追溯到最早（且影响最深远）的语言之一 ------Algol 60语言。
不久，Ritchie也加入到UNIX项目中，并且开始着手用B语言编写程序。1970年，贝尔实验室为UNIX项目争取到一台PDP-11计算机。当B语言经过改进并能够在PDP-11计算机上成功运行后，Thompson用B语言重新编写了部分UNIX代码。到了1971年，B语言已经明显不适合PDP-11计算机了，于是Ritchie着手开发B语言的升级版。最初，他将新开发的语言命名为NB语言（意为"New B"），但是后来新语言越来越偏离B语言，于是他将其改名为C语言。到了1973年，C语言已经足够稳定，可以用来重新编写UNIX系统了。改用C语言编写程序有一个非常重要的好处：可移植性。只要为贝尔实验室的其他计算机编写C语言编译器，他们的团队就能让UNIX系统也运行在那些机器上。
1.1.2 标准化
C语言在20世纪70年代（特别是1977年到1979年之间）持续发展。这一时期出现了第一本有关C语言的书。Brian Kernighan和Dennis Ritchie合作编写的《C程序设计语言》一书于1978年出版，并迅速成为C程序员必读的"圣经"。因为当时没有C语言的正式标准，所以这本书就成了事实上的标准，编程爱好者把它称为K&R或者"白皮书"。
在20世纪70年代，C程序员相对较少，而且他们中的大多数人是UNIX系统的用户。然而，到了20世纪80年代，C语言已不再局限于UNIX领域。运行在不同操作系统下的多种类型的计算机都开始使用C语言编译器，特别是迅速壮大的IBM PC平台也开始使用C语言。
随着C语言的迅速普及，一系列问题接踵而至。编写新的C语言编译器的程序员都用K&R作为参考。但遗憾的是，K&R对一些语言特性的描述非常模糊，以至于不同的编译器常常会对这些特性做出不同的处理。而且，K&R也没有对属于C语言的特性和属于UNIX系统的特性进行明确的区分。更糟糕的是，K&R出版以后C语言仍在不断变化，增加了新特性并且去除了一些旧的特性。很快，C语言需要一个全面、准确的最新描述开始成为共识。如果没有这样一种标准，就会出现各种"方言"，这势必威胁到C语言的主要优势------程序的可移植性。
1983年，在美国国家标准学会（ANSI）的推动下，美国开始制订本国的C语言标准。经过多次修订，C语言标准于1988年完成并在1989年12月正式通过，成为ANSI标准X3.159-1989。1990年，国际标准化组织（ISO）通过了此项标准，将其作为ISO/IEC 9899:1990国际标准。我们把这一C语言版本称为C89或C90，以区别于原始的C语言版本（经典C）。附录D总结了C89和经典C之间的主要差异。
1995年，C语言发生了一些改变（相关描述参见Amendment 1文档）。1999年通过的ISO/IEC 9899:1999新标准中包含了一些更重要的改变，这一标准所描述的语言通常称为C99。由于存在两种标准，以前用于描述C89的ANSI C、ANSI/ISO C和ISO C等术语现在就有了二义性。
C语言的最近两次改变分别发生在2011年和2018年。国际标准化组织在2011年通过的C语言标准是ISO/IEC 9899:2011，这一标准所描述的C语言通常称为C11；在2018年通过的C语言标准是ISO/IEC 9899:2018，这一标准所描述的C语言通常称为C18。
从C99到C11再到C18的变化，没有从C89到C99那么显著。尤其是从C11到C18的变化，仅限于技术修正和澄清，总体上没有显著的改变，也没有引入新的语言特性。
在本书第1版发行的时候，C99还没有得到普遍使用，并且我们需要维护数百万（甚至数十亿）行的旧版本C代码，因此本书中我将用一个特殊图标
来标记对C99新增特性的讨论。不能识别这些新增特性的编译器就不是"C99兼容的"。附录C列出了C99和C89的主要区别。因为从C11到C18的变化不大，所以没有将它们分开单独讨论，并且用一个特殊的图标
来标记从C11开始引入的新特性。附录B列出了C1X和C99的主要区别。
1.1.3 基于C的语言
C语言对现代编程语言有着巨大的影响，许多现代编程语言都借鉴了大量C语言的特性。在众多基于C的语言中，以下几种非常具有代表性。
考虑到这些新语言的普及程度，人们自然会问："C语言还值得学习吗？"我想答案是肯定的，原因如下：第一，学习C有助于更好地理解C++、Java、C#、Perl以及其他基于C的语言的特性，而一开始就学习其他语言的程序员往往不能很好地掌握继承自C语言的基本特性；第二，目前仍有许多C程序，我们需要读懂并维护这些代码；第三，C语言仍然广泛用于新软件开发，特别是在内存或处理能力受限的情况下以及需要使用C语言简单特性的地方。
如果读者还没有学习上述任何一种基于C的语言，那么本书是一本非常好的预备教材。本书强调了数据抽象、信息隐藏和其他在面向对象编程中非常重要的原理。C++语言包含了C语言的全部特性，因此读者今后在使用C++语言时可以用到从本书中学到的所有知识。在其他基于C的语言中也能发现许多C语言的特性。
1.2 C语言的优缺点
与其他任何编程语言一样，C语言也有自己的优缺点。这些优缺点都源于该语言的最初用途（编写操作系统和其他系统软件）和它自身的基础理论体系。
1.2.1 C语言的优点
C语言的众多优点有助于解释为什么这种语言如此流行。
1.2.2 C语言的缺点
C语言的缺点和它的许多优点是同源的，均来自C语言与机器的紧密结合。下面是众所周知的几个问题。
混乱的C语言
即使是那些最热爱C语言的人也不得不承认C代码难以阅读。每年一次的国际C语言混乱代码大赛（International Obfuscated C Code Contest, IOCCC）竟然鼓励参赛者编写最难以理解的C程序。获奖作品着实让人感觉莫名其妙，例如1991年的"最佳小程序"：
v,i,j,k,l,s,a
99
; main() { for(scanf("%d",&s);*a-s;v=a
j*=v
-a
,k=i=s*k&&++a
--i
) ; }
这个程序是由Doron Osovlanski和Baruch Nissenbaum共同编写的，其功能是打印出八皇后问题（此问题要求在一个棋盘上放置8个皇后，使得皇后之间不会出现相互"攻击"的局面）的全部解决方案。事实上，此程序可用于求解皇后数量在4~99范围内的全部问题。更多的获奖程序可以到IOCCC网站获取。
1.2.3 高效地使用C语言
高效地使用C语言要求在利用C语言优点的同时要避免它的缺点。下面是一些建议。
问与答
问：设置"问与答"的目的是什么？
答：很高兴有此一问。"问与答"将出现在每章的结尾。设置它主要有以下几个目的。
最主要的目的是解决学生学习C语言时经常遇到的问题。读者可以在此（从某种意义上说）与作者对话，这种形式非常像是读者置身于作者的C语言课堂一般。
另一个目的是为对应章中涉及的某些主题提供额外的信息。本书的读者可能会有不同的知识背景。有些读者可能具有其他编程语言的经验，而另外一些读者可能是第一次学习编程。有多种语言经验的读者也许会满足于简要的说明和几个示例，而那些缺少经验的读者则需要更多讲解。最基本的原则是，如果你觉得哪个主题讲得不够详细，可以查阅"问与答"部分以获取更多的信息。
必要时，"问与答"中会讨论多种C编译器的常见差异。例如，我们将介绍一些由特定编译器提供的频繁使用（但未标准化）的特性。
问：lint是做什么的？（p.5）
答：lint检查C程序中潜在的错误，包括（但不限于）可疑的类型组合、未使用的变量、不可达的代码以及不可移植的代码。lint会产生一系列程序员有必要从头到尾仔细阅读的诊断信息。使用lint的好处是，它可以检查出被编译器漏掉的错误。但我们需要记得使用lint，因为它太容易被忘记了。更糟的是，lint可以产生数百条信息，而这些信息中只有少部分指出了实际错误。
问：lint这个名字是如何得来的？
答：与其他许多UNIX工具不同，lint不是缩写。它的命名是因为它像在程序中"吹毛求疵"。
问：如何获得lint？
答：如果使用UNIX系统，那么会自动获得lint，因为它是一个标准的UNIX工具。如果采用其他操作系统，则可能没有lint。幸运的是，lint的各种版本都可以从第三方获得。在许多Linux发行版中都包含lint的增强版本splint（Secure Programming Lint），这一工具可以免费下载。
问：有没有办法在不使用lint的情况下强制编译器进行更彻底的错误检查？
答：有。大多数编译器能根据我们的要求进行更彻底的检查。除了检查错误（毫无疑问违背C语言规定的情况）外，大多数编译器还提供警告，指出可能存在问题的地方。有些编译器具有多个"警告级别"，选择较高的级别能发现更多问题。如果你的编译器支持多级警告，建议选择最高级别，以便编译器执行其能力范围内最彻底的检查。第2章的"问与答"部分讨论了GCC（2.1节）的错误检查选项，GCC是随Linux操作系统发布的。
* 问：我很关心能让程序尽可能可靠的方法。除了lint和调试工具以外，还有其他有效的工具吗？4
4星号标注的问题包含过于超前或者过于深奥的内容，而且常常涉及后续章节中的知识，普通读者可能不感兴趣。建议感兴趣且有一定编程经验的读者可以认真钻研一下，其他读者在初次阅读时可以先跳过这部分内容。
答：有的。其他常用的工具包括越界检查工具（bounds-checker）和内存泄漏监测工具（leak-finder）。C语言不要求检查数组下标，而越界检查工具增加了此项功能。内存泄漏监测工具帮助定位"内存泄漏"，即那些动态分配却从未被释放的内存块。
该标准对应的中国国家标准是GB/T 15272---1994。C语言目前的最新标准是2018年修订的ISO 9899:2018（称为C18）。------编者注 本书由人民邮电出版社于2008年出版。------编者注