C 语言入门基础之一

大纲

• C 语言入门基础之一

编程语言发展历程

机器语言

计算机的大脑或者说心脏就是 CPU，它控制着整个计算机的运作。每种 CPU，都有自己的指令系统。这个指令系统，就是该 CPU 的机器语言。机器语言是一组由 0 和 1 系列组成的指令码，这些指令码，是 CPU 制造厂商规定出来的，然后发布出来，要求程序员遵守。要让计算机干活，就得用机器语言（二级制数）去命令它。这样的命令，不是一条两条，而是上百条。不同型号的计算机其机器语言是不相通的，也就是使用某种计算机的机器指令编制的程序，不能在另一种计算机上执行。

汇编语言

机器语言编程很令人烦恼，因此终于出现了汇编语言，就是一些标识符取代 0 与 1。汇编语言是一门人类可以比较轻松认识的编程语言。只是这门语言计算机并不认识，所以人类还不能用这门语言命令计算机做事情。所以，有一类专门的程序，既认识机器语言，又认识汇编语言，也就是编译器，将标识符换成 0 与 1，知道怎么把汇编语言翻译成机器语言。

高级语言

汇编语言和机器语言都是面向机器的，机器不同，语言也不同。既然有办法让汇编语言翻译成机器语言，难道就不能把其他更人性化的语言翻译成机器语言？1954 年，Fortran 语言出现了，其后相继出现了其他的类似语言。这批语言，使程序员摆脱了计算机硬件的限制，把主要精力放在了程序设计上，不在关注低层的计算机硬件。这类语言，称为高级语言。同样的，高级语言要被计算机执行，也需要一个翻译程序将其翻译成机器语言，这就是编译程序，简称 “编译器”。这类高级语言解决问题的方法是分析出解决问题所需要的步骤，把程序看作是数据被加工的过程。基于这类方法的程序设计语言，成为了面向过程的语言。

语言的层次

语言的进化史

为什么要学习 C 语言

C 语言的特点

优点：

• 代码量小
• 功能强大
• 编程自由
• 执行速度快

缺点：

• 可移植性较差
• 对平台库依赖较多
• 写代码实现周期长
• 过于自由，经验不足易出错

学习 C 语言理由

C 语言的应用领域

C 语言的应用极其广泛，从网站后台，到底层操作系统，从多媒体应用到大型网络游戏，均可使用 C 语言来开发：

• C 语言可以写网站后台程序
• C 语言可以专门针对某个领域写出功能强大的程序库
• C 语言可以写出大型游戏的引擎
• C 语言可以写出另一个语言来，例如：PHP 纯 C 语言开发的
• C 语言可以写操作系统和驱动程序，并且一般只能用 C 语言编写
• 任何设备只要配置了微处理器，就都支持 C 语言。从微波炉到手机，都是由 C 语言技术来推动的
• 详见：各类语言的应用领域图解分析

第一个 C 语言程序

编写代码

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    printf("Hello World!\n");
    return 0;
}

编译代码

• GCC 编译命令常用选项说明

选项	含义
-o	指定生成的输出文件名
-E	只进行预处理
-S	只进行预处理和编译
-c	只进行预处理、编译和汇编

• 编译代码，生成可以执行文件

$ gcc hello.c -o hello

运行代码

• 运行可执行文件

$ ./hello
Hello World!

代码分析

• #include 头文件包含：
  • #include 的意思是头文件包含，#include <stdio.h> 表示包含 stdio.h 这个头文件
  • 使用 C 语言库函数时，需要提前包含库函数对应的头文件，如这里使用了 printf() 函数，则需要包含 stdio.h 头文件

• #include <> 与 #include "" 的区别：
  • <> 表示编译器直接按系统指定的目录（/usr/include）检索头文件
  • "" 表示系统先在 "" 指定的路径（没写路径则默认使用当前路径）查找头文件，如果找不到，再按系统指定的目录检索

• main() 函数
  • 一个完整的 C 语言程序，是由一个、且只能有一个 main() 函数（又称主函数，必须有）和若干个其他函数结合而成（可选）
  • main() 函数是 C 语言程序的入口，程序是从 main() 函数开始执行的

• printf() 函数
  • printf() 是 C 语言库函数，功能是向标准输出设备输出一个字符串
  • printf() 函数在 stdio.h 头文件里定义
  • \n 表示回车换行

• return 语句
  • return 代表函数执行完毕
  • 如果 main() 函数定义的时候前面是 int，那么 return 后面就需要写一个整数
  • 如果 main() 函数定义的时候前面是 void，那么 return 后面什么也不需要写
  • 在 main() 函数中 return 0 代表程序执行成功，return -1 代表程序执行失败
  • int main() 和 void main() 在 C 语言中都是支持的，但 C++ 只支持 int main() 这种定义方式

system 函数

system 函数的定义

头文件：#include <stdlib.h>
声明：int system(const char *command);
功能：在已经运行的程序中执行另外一个外部程序
参数：外部可执行程序名字
返回值：
  成功：不同系统返回值不一样
  失败：通常是 -1

system 函数的调用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    system("ls");         // Linux 平台
    // system("calc");    // Windows 平台
    return 0;
}

system 函数的返回值

在 Linux 和 Windows 系统下分别调用 system() 函数，若调用成功返回值是不一样的，若调动失败返回值一般为 -1。C 语言所有的库函数调用，只能保证语法是一致的，但不能保证执行结果是一致的；同样的库函数在不同的操作系统下执行结果可能是一样的，也可能是不一样的。Linux 的发展离不开 POSIX 标准，只要符合这个标准的函数，在不同的系统下执行的结果就可以一致。Unix 和 Linux 很多库函数都是支持 POSIX 标准的，但 Windows 支持的比较差。如果将 Unix 代码移植到 Linux 一般代价很小，如果把 Windows 代码移植到 Unix 或者 Linux 就比较麻烦。

C 语言的编译过程

C 语言的编译步骤

C 语言编译成可执行程序需要经过以下 4 个步骤，详见 编译流程图。

• 预处理：宏定义展开、头文件展开、条件编译等，同时将代码中的注释删除，这里并不会检查语法
• 编译：检查语法，将预处理后文件编译生成汇编文件
• 汇编：将汇编文件生成目标文件（二进制文件）
• 链接：C 语言编写的程序是需要依赖各种库的，所以编译之后还需要把库链接到最终的可执行程序中去

GCC 的编译过程

GCC 的编译步骤

步骤	命令
1. 预处理	gcc -E hello.c -o hello.i
2. 编译到汇编代码	gcc -S hello.c -o hello.s
3. 汇编到目标代码（二进制文件）	gcc -c hello.s -o hello.o
4. 链接，生成可执行文件	gcc hello.o -o hello

值得一提的是，以上四个步骤，可以合成一个步骤，直接编译链接成可执行目标文件，命令是 gcc hello.c -o hello

文件后缀的不同含义

文件后缀	含义
.c	C 语言文件
.i	预处理后的 C 语言文件
.s	编译后的汇编文件
.o	编译后的目标文件

查找程序所依赖的动态库

# GCC编译
$ gcc hello.c -o hello

# 查看所依赖的动态库
$ ldd hello
   linux-vdso.so.1 =>  (0x00007f152053a000)
   libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f151ff4d000)
   /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f152031b000)

在 Windows 系统里，可以使用 Dependency Walker 工具查看程序所依赖的动态库（DLL），如下图所示：

VS 中 C 语言嵌套汇编代码

在 Visual Studio 中，由于下述代码使用了 eax 寄存器，因此程序需要运行在 32 位（x86）的平台。

#include <stdio.h>

int main() {
    int a;
    int b;
    int c;

    __asm
    {
        mov a, 3        // 3的值放在a对应内存的位置
        mov b, 4        // 4的值放在a对应内存的位置
        mov eax, a      // 把a内存的值放在eax寄存器
        add eax, b      // eax和b相加，结果放在eax
        mov c, eax      // eax的值放在c中
    }

    printf("c = %d\n", c);
    return 0;
}