C语言

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C是一種通用的程式語言，廣泛用於系統軟件與應用軟件的開發。於1969年至1973年間，為了移植與開發UNIX作業系統，由丹尼斯·里奇與肯·湯普遜，以B語言為基础，在貝爾實驗室設計、開發出來。

C語言

《C程序设计语言》，第一部介绍C语言的书籍
编程范型	程序式指令式编程（过程式）、结构化编程
設計者	丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）
實作者	丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）和肯·汤普逊（Ken Thompson）
发行时间	1972年
当前版本	C17 (2018年6月；穩定版本) C23 (2020年12月11日；預覽版本)
操作系统	跨平台
網站	www.iso.org/standard/74528.html
主要實作產品
Clang、GCC、MSVC、Turbo C、Watcom C
啟發語言
B（BCPL、CPL）、ALGOL 68、組合語言、PL/I、FORTRAN
影響語言
大量， 如：awk、BitC、csh、C++、C#、 D、Java、JavaScript、Objective-C、Perl、PHP、Rust等
維基教科書中有關C Programming的文本

C語言具有高效、靈活、功能豐富、表達力强和較高的可移植性等特點，在程式設計中備受關注，成為最近25年使用最為廣泛的編程語言。目前，C語言編譯器普遍存在於各種不同的操作系统中，例如Microsoft Windows、macOS、Linux、Unix等。C語言的設計影響了眾多後來的程式語言，例如C++、Objective-C、Java、C#等。

二十世纪八十年代，為了避免各開發廠商用的C語言的語法產生差異，由美國國家標準局為C語言訂定了一套完整的國際標準語法，稱為ANSI C，作為C語言的標準。二十世纪八十年代至今的有關程式開發工具，一般都支持符合ANSI C的語法。

概述

特性

• C語言是一個有結構化程式設計、具有變量作用域（variable scope）以及遞迴功能的程序式語言。
• C語言傳遞參數均是以值傳遞（pass by value），另外也可以傳遞指针（a pointer passed by value）。
• 不同的變數類型可以用結構體（struct）組合在一起。
• 只有32個保留字（reserved keywords），使變量、函數命名有更多彈性。
• 部份的變量類型可以轉換，例如整數型和字符型變量。
• 透過指標（pointer），C語言可以容易的對記憶體進行低階控制。
• 編譯預處理（preprocessor）讓C語言的編譯更具有彈性。

歷史

主条目：C語言的歷史

20世纪70年代，肯·湯姆森為了使其設計的Unix系統更加高效，使用B語言的變種（即C語言）重寫了Unix。在1978年，丹尼斯·里奇和布萊恩·柯林漢合作出版了《C程序設計語言》第一版，事實上即為K&R C标准。在這之後，制定標準的工作轉移到ISO和ANSI。目前最新的C語言標準是C18。更多關於C語言的歷史信息可以在C語言的歷史找到。

語法

Hello World 程序

下面是一個在標準輸出設備（stdout）上打印出 "Hello, world!" 字串的簡單程式。類似的程式，通常作為初學程式語言時的第一個程式：

#include <stdio.h>

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

其中只有int，void，return为C语言的关键字，预处理器会将#include <stdio.h>替换为stdio.h文件的内容。

main函数是C语言程序的入口点。

"Hello, world!\n"中的\n是一个转义字符，形式为\加上一个字符。所起的作用在ASCII码中规定。

printf是声明于stdio.h的函数，关于printf的更多细节，参见printf；

关于格式化字符串的更多信息，参见格式化字符串。

进一步了解

C语言由函数和变量组成，C的函数就像是Fortran中的子程序和函数。

在C语言中，程序从 main 开始执行。main 函数通过调用和控制其他函数进行工作。例如上面的printf。程序员可以自己写函数，或从库中调用函数。在上面的return 0; 使得 main 返回一个值给调用程序的壳层，表明程序是否成功运行。

一个C语言的函数由返回值、函数名、参数列表和函数体组成。函数体的语法和其它的復合的语句部分是一样的。

复合语句

C語言中的復合語句（或称語句块）的格式为：

{
    語句;
    語句;
    /* ... */
}

復合語句可以使得几个語句从文法上变成一个語句。

有时必须使用復合語句，否则会产生错误。例如，在运用循环語句的时候，如果循环体（即循环中执行部分）包含多个語句（以分号隔开），则必须使用花括号将他们合并成一个復合語句。如果不这么做，系统仅把第一个分号前的内容看做循环体。

需要注意的是，部分C编译器并不支持在任意位置使用復合語句。

條件語句

C語言有两種條件語句形式，分别是if和switch。

If 的格式如下：

if (運算式) // 如果
    語句; 
// 有時還會有 else：
else      // 否則
    語句;

運算式的值非零表示條件為真；如果條件為假，程式將跳過if处的語句，直接執行if後面的語句。但是如果if後面有else，則當條件為假時，程式跳到else處執行。if和else後面的語句可以是另個if語句，這種套疊式的結構，允許更複雜的邏輯控制流程得以實現。在一般情況下，else一定與最接近的if成對，因此常用括弧{}越過此限制。比較下面兩種情況：

if (邏輯表達)
    if (邏輯表達式)
        語句; 
    else
        語句;

下面是if的另一種格式if……else if……else……

if (邏輯表達式)
    語句;
else if (邏輯表達式)  //在下面可以加入多个“else if()”語句
    語句;
else
    語句;

if (邏輯表達式甲) {
    if (邏輯表達式乙)
        語句;
}
else 
    語句;

要注意這裡的縮進和換行只用於方便閱讀。編輯器併不會根據縮進層級猜測 if 和 else 的對應關係。

switch通常用於對幾種有明確值的條件進行控制。它要求的條件值通常是整數或字元。與switch搭配的條件轉移是case。使用case後面的標值，控制程式將跳到滿足條件的case處一直往下執行，直到語句結束或遇到break。通常可以使用default把其他例外的情況包含進去。如果switch語句中的條件不成立，控制程式將跳到default處執行；如果省略default子句，則直接執行下一語句。switch是可以嵌套的。

switch (值) {
  case 甲:
  case 乙:
    語句段1; // 甲乙都會執行
    // 更多語句…
    break;  // 跳轉到 switch 末尾處
  case 丙:
    語句段2;
    break; 
  default:  // 無論如何都會匹配
    語句段3;
}

簡單的條件判斷也可用?:

運算式?值1:值2;
如:
   a=b>c?b:c // 如果變數"b"的值大於變數"c" 把變數"b"的值賦予變數"a"

循環語句

C語言有三種形式的循環語句：

do 
    語句
while(判斷式);

和:

while(判斷式) 
    語句;

和:

for(起始化;判斷式;運算式)
    語句;

在while和for中，語句將執行到表達式的值為零時结束。在do...while語句中，循環將至少被執行一次。這三種循環結構可以互相轉化：

for(起始化;判斷式;運算式)
    語句;

如果語句中不使用continue語句的話，相當於

起始化;
while (判斷式) {
    語句;
    運算式;
}

當循環條件一直為真時，將產生無窮迴圈。

跳轉語句

跳轉語句包括四種：goto，continue，break和return。

goto 標記;

goto語句是無條件轉移語句，且標記必須在當前函數中定義，使用“標記:”的格式定義。程式將跳到標記處繼續執行。由於goto（特别是向回 goto 和长距离的 goto）容易產生閱讀上的困難，所以对新手應該儘量少用。GCC 编译器拓展支持对指针 goto和宏内 goto，一定程度上增强了 goto 的可读性。

continue語句用在迴圈語句中，作用是結束當前一輪的迴圈，馬上開始下一輪迴圈。

break語句用在迴圈語句或switch中，作用是結束當前迴圈，跳到循環體外繼續執行。但是使用break只能跳出一層迴圈。在要跳出多重迴圈時，可以使用goto使得程式更為簡潔。

當一個函數執行結束後要返回一個值時，使用return。return可以跟一個運算式或變數。如果return後面沒有值，將執行不返回值。

在C語言中的運算符號

見C和C++運算符。

數據類型

見數據類型 (C語言)。

數組

如果一個變數名後面跟著一個有數字的中括弧，這個聲明就是陣列聲明。字串也是一種陣列，它們以ASCII的NUL作為陣列的結束。要特別注意的是，方括內的索引值是從0算起的。

例如：

int myvector [100]；/* 從myvector[0]至[99]共100個元素 */
char mystring [80]；
// 聲明時初始化
float mymatrix [3] [2] = {2.0 , 10.0, 20.0, 123.0, 1.0, 1.0};
int notfull [3][3] = {{1},{1,2,3},{4,5}};
// 數組套數組
char lexicon [10000] [300]；/* 共一萬個最大長度為300的字元陣列。*/
int a[3][4]；

上面最後一個例子創建了一個陣列，但也可以把它看成是一個多維陣列。注意陣列的下標從0開始。這個陣列的結構如下：

a[0][0]	a[0][1]	a[0][2]	a[0][3]
a[1][0]	a[1][1]	a[1][2]	a[1][3]
a[2][0]	a[2][1]	a[2][2]	a[2][3]

例子中notfull創建了一個3*3的二維陣列，初始化時有些元素並未賦值。如下：

1  ?  ?
1  2  3
4  5  ?

根據C標準的規定，在存在初始化列表時，如果初始化列表中未提供對所有元素的初始化，則剩余元素会被默認初始化，併使用與静態變量相同的初始化規則。

指針

如果一个變量聲明時在前面使用 * 號，表明這是個指針型變量。換句话說，該變量存儲個个地址，而 *（此處特指單目運算符 *，下同。C語言中另有雙目運算符 * 表示乘） 則是取内容操作符，意思是取這個内存地址里存儲的内容。把這两點結合在一起，可將 int *a;看作是 “*a 解得的内容類型為 int”，對更複雜的聲明也如此。指針是 C 語言區别於其他同時代高級語言的主要特征之一。

指針不僅可以是變量的地址，還可以是數組、數組元素、函數的地址。通過指針作為形式参數可以在函數的調用過程得到一個以上的返回值（不同於return z這樣的僅能得到一個返回值。

指針是一把雙刃劍，許多操作可以通過指針自然的表達，但是不正確的或者過分的使用指針又會結程序带来大量潛在的錯誤。

例如：

int *pi;     // 指向整型數據的指針 pi
int * api[3];// 由指向整型數據的指針構成的數組，長度為 3
char ** argv;// 指向一個字符指針的指針
struct { int member; } stinst,
  * pst = & stinst;
// pst是一個指向一個匿名結構體的指針

儲存在指針中的地址所指向的數值在程序中可以由 * 讀取。例如，在第一個例子中， *pi 是一個整型數據。這叫做引用一個指針。

另一個運算符 &，叫做取地址運算符，它将返回一個變量、数组或函数的存储地址。因此，下面的例子：

int i, *pi; /* int and pointer to int */
pi = &i;

i 和 *pi 在程序中可以相互替換使用，直到 pi 被改變成指向另一個變量的地址。

當指針指向結構體时，可以使用運算符 -> 代替 *和. 的作用，如 (*p).m 与 p->m 等效。

字符串

C語言的字符串其實就是char型數組，所以使用字符串並不需要引用庫。然而C標準庫確實包含了用於對字符串進行操作的函數，使得它們看起來就像字符串而不是陣列。使用這些函數需要引用標頭檔string.h。

文件輸入／輸出

在C語言中，輸入和輸出是經由標準函式庫中的一組函數來實現的。在ANSI/ISO C中，這些函數被定義在標頭檔stdio.h中。

標準輸入／輸出

有三個標準輸入／輸出是标准I/O库預先定義的：

• stdin 標準輸入
• stdout 標準輸出
• stderr 輸入輸出錯誤

下面的這個例子顯示了一個過濾程式（filter program）是怎樣構成的。

#include <stdio.h>

int main(int argc, const char * argv[])
{
    char c;
    while ((c=getchar())!=EOF)
        putchar(c);
    perror("getchar() got EOF");
    return -1;
}

函數

C語言的基本結構單位是函數。系统首先調用 main函數（主函數），通過函數的嵌套调用，再調用其他函數。函數可以是系統自带的函數，也可以是用户定義的函數。C語言中，不允許函數嵌套定義。

内存管理

C語言的特色之一是：程序員必須親自處理内存的分配細節。

大多數C語言實現使用棧（Stack）来保存函數返回地址／棧幀基址、完成函數的参數傳遞和函數局部變量的存儲。然而，在部分極特殊的平台上，使用棧並不能獲得最大效率。此時的實現由編譯器決定。 如果程序需要在運行的過程中動態分配內存，可以利用堆（Heap）來實現。

基本上C程序的元素存儲在內存的時候有3種分配策略：

• 靜態分配

如果一個變量聲明為全局變量或者是函數的靜態變量，這個變量的存儲將使用靜態分配方式。靜態分配的內存一般會被編譯器放在數據段或代碼段來存儲，具體取決於實現。這樣做的前提是，在編譯時就必須確定變量的大小。 以IA32的x86平台及gcc編譯器為例，全局及靜態變量放在數據段的低端；全局及靜態常量放在代碼段的高端。

• 自動分配

函數的自動局部變量應該隨著函數的返回會自動釋放（失效），這個要求在一般的體系中都是利用棧（Stack）來滿足的。相比於靜態分配，這時候，就不必絕對要求這個變量在編譯時就必須確定變量的大小，運行時才決定也不遲，但是C89仍然要求在編譯時就要確定，而C99放鬆了這個限制。但無論是C89還是C99，都不允許一個已經分配的自動變量運行時改變大小。

所以說C函數永遠不應該返回一個局部變量的地址。

要指出的是，自動分配也屬於動態分配，甚至可以用alloca函數來像分配堆（Heap）一樣進行分配，而且釋放是自動的。

• 動態分配

還有一種更加特殊的情況，變量的大小在運行時有可能改變，或者雖然單個變量大小不變，變量的數目卻有很大彈性，不能靜態分配或者自動分配，這時候可以使用[[堆] ]（Heap）來滿足要求。 ANSI C定義的堆操作函數是malloc、calloc、realloc和free。 使用堆（Heap）内存将带来额外的开销和风险。

安全问题

C语言的特色之一是：语言不负责内存边界检查，这是因为在运行时进行内存边界检查会造成性能问题，与UNIX哲学不符。此特性容易导致缓冲区溢出问题。然而，部分编译器（如英特尔编译器）会出于安全性的考量，提供方法以进行运行时内存边界检查。

库

主条目：C 標準函式庫

C語言的标准文档要求了一个平台移植C语言的时候至少要实现的一些功能和封装的集合，称为“标准库”，标准庫的声明头部通過预处理器命令#include進行引用。

在C89標準中：

文件	简介说明
<assert.h>	断言相关
<ctype.h>	字符类型判断
<errno.h>	标准报错机制
<float.h>	浮点运算
<limits.h>	各种体系结构限制
<locale.h>	本地化接口
<math.h>	数学函数
<setjmp.h>	跨函数跳转
<signal.h>	信号（类似UNIX的信号定义，但是差很远）
<stdarg.h>	可变参处理
<stddef.h>	一些标准宏定义
<stdio.h>	标准I/O库
<stdlib.h>	标准工具库函数
<string.h>	ASCIIZ字符串及任意内存处理函数
<time.h>	时间相关

在94年的修正版中

• <iso646.h>
• <wchar.h>
• <wctype.h>

在C99中增加了六個函式庫

• <complex.h>
• <fenv.h>
• <inttypes.h>
• <stdbool.h>
• <stdint.h>
• <tgmath.h>

以上是C语言的标准。各个系统各自又对C库函数进行的各种扩充，就浩如烟海了。如POSIX C、GNU C等。

工具軟體

工具軟體可以幫助程式設計者避免一些程式中潛藏或容易出現的問題，例如常會造成程式未預期動作或是執行期錯誤的程式碼。

許多語言都有自動源代碼檢查及審計工具，C語言也有類似工具，像是Lint。可以在程式剛寫好時用Lint找出可能有問題的程式，通過Lint後再用C編譯器進行編譯，許多編譯器也可以設定是否要針對一些可能有問題的程式碼提出警告。MISRA C是一套針對嵌入式系統的法則，可主要也是避免一些可能有問題的程式碼。

也有一些編譯器、程式庫或作業系統可以處理一些非標準C語言的功能，例如邊界值檢查、缓存溢出偵測、序列化及自動垃圾回收功能。

使用像Valgrind或IBM Rational Purify等軟體工具，或者連結有特別malloc函式的程式庫，有助於找出一些運行期記憶體使用的問題。

保留关键字

以下是C语言的保留关键字：

char	short	int	unsigned
long	float	double	struct
union	void	enum	signed
const	volatile	typedef	auto
register	static	extern	break
case	continue	default	do
else	for	goto	if
return	switch	while	sizeof

C99新增关键字

_Bool

_Complex

_Imaginary

inline

restrict

C11新增关键字

_Alignas	_Alignof	_Atomic	_Generic	_Noreturn
_Static_assert	_Thread_local

經典錯誤

“void main()”的用法并不是任何标准制定的。 C語言标准語法是“int main()”，任何实现都必须支持int main(void) { /* ... */ }和int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }。 在 C++ 標準中，main的標準型態應是int，否则类型是由实现定义的。任何实现都必须支持int main() { /* ... */ }和int main(int argc, char* argv[]) { /* ... */ }。

参见

• 块 (C语言扩展)

註腳

參考資料

• Brian Kernighan, Dennis Ritchie: The C Programming Language. Also known as K&R — The original book on C.
  • 1st, Prentice Hall 1978; ISBN 978-0-13-110163-0. Pre-ANSI C.
  • 2nd, Prentice Hall 1988; ISBN 978-0-13-110362-7. ANSI C.
• ISO/IEC 9899. The official C:1999 standard, along with technical corrigenda and a rationale. As of 2005 the latest version is ISO/IEC 9899:TC2.
• Samuel P. Harbison, Guy L. Steele: C: A Reference Manual. This book is excellent as a definitive reference manual, and for those working on C compilers. The book contains a BNF grammar for C.
  • 4th, Prentice Hall 1994; ISBN 978-0-13-326224-7.
  • 5th, Prentice Hall 2002; ISBN 978-0-13-089592-9.
• Derek M. Jones: The New C Standard: A Cultural and Economic Commentary, Addison-Wesley, ISBN 978-0-201-70917-9, online material
• Robert Sedgewick: Algorithms in C, Addison-Wesley, ISBN 978-0-201-31452-6 (Part 1–4) and ISBN 978-0-201-31663-6 (Part 5)
• William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery: Numerical Recipes in C (The Art of Scientific Computing), ISBN 978-0-521-43108-8

外部連結

• Coding Programmer Page / C Library Reference and Examples（页面存档备份，存于互联网档案馆） (english)
• GCC 首页（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• GLIBC2 首页Archived 2013-07-12 at WebCite
• Visual Studio Express 首頁（页面存档备份，存于互联网档案馆）
• ISO/IEC 9899（页面存档备份，存于互联网档案馆）。C99标准的官方网站。目前（2020年）可直接下载的标准文本是 ISO/IEC 9899:202x（页面存档备份，存于互联网档案馆）。