48歲的C語言，背后居然有這樣一段歷史！

文/付斌

C語言作為一個人盡皆知的語言，甚至沒有學(xué)過編程語言的人也知道它的大名。經(jīng)歷滄桑歲月的它，已經(jīng)陪伴我們走過了48個年頭?；赝?dāng)年，C語言還在襁褓之中……

貝爾實驗室特別人員獎、美國計算機(jī)協(xié)會（ACM）的圖靈獎、漢明勛章、計算機(jī)先驅(qū)獎、計算機(jī)歷史博物館研究員、哈羅德 · 潘德獎……這些成就全都出自一人，那就是編程界無人能超越的傳奇人物也是C語言的創(chuàng)造者——丹尼斯·里奇。

C語言之父：丹尼斯·里奇

計算機(jī)歷史學(xué)家Paul E.Ceruzzi說：里奇不被人們知道。他的名字一點都不家喻戶曉，但是如果你有一臺顯微鏡，能在電腦里看到他的作品，你會發(fā)現(xiàn)處處都是他的作品。

克尼漢也曾如此評價：“牛頓說他是站在巨人的肩膀上，如今，我們都站在里奇的肩膀上?！?/span>

 

01
C語言的輝煌歷史

1941年， 丹尼斯 · 里奇出生在紐約布朗克斯區(qū)，父親是是貝爾實驗室的交換系統(tǒng)工程師。里奇從小成績優(yōu)異，大學(xué)順利進(jìn)入了哈佛，在受父親的影響下，丹尼斯也走上了科學(xué)研究之路。

在哈佛讀書期間，一次偶然的機(jī)會改變了里奇的一生。里奇參加了哈佛計算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的講座，從此他開始對計算機(jī)瘋狂著迷，不僅專門學(xué)了一期課程。

當(dāng)時的里奇是一個主修物理的學(xué)生，因為對計算機(jī)處理的理論和實際問題十分著迷，他在畢業(yè)論文中大部分和計算機(jī)理論有關(guān)（遞歸函數(shù)的層次），這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，里奇開始花更多的精力在實踐上面。

在那個時代，大部分計算機(jī)體積十分龐大，占用了整個房間并且還只能進(jìn)行有限的撥入訪問，因此攻克小型臺式計算機(jī)是當(dāng)時的工程師們的目標(biāo)，可是這些計算機(jī)沒有易于使用的操作系統(tǒng)，于是里奇決定自己做一個。

這一決定立即得到了麻省理工學(xué)院Honeywell和General Electric的支持。里奇負(fù)責(zé)多道處理機(jī)BCPL語言和GE650的編譯器，它們都是屬于GECOS系統(tǒng)的。同時，他還寫了ALTRAN語言的代數(shù)編譯器，那是符號計算機(jī)的一種語言和系統(tǒng)。

經(jīng)過這個項目后，里奇毅然決然的放棄了本專業(yè)物理學(xué)，并決定將計算機(jī)作為他的事業(yè)。1967年，他加入了貝爾實驗室（Bell Labs）。

在加入貝爾實驗室后，里奇開始和實驗室的一位名為Ken Thompson（肯·湯普森）的成員合作。這位Ken Thompson也是對Ritchie 職業(yè)生涯影響很大的人。

Thompson和Ritchie

20世紀(jì)70年代， 湯普森和里奇在研究如何讓早期小型機(jī)變得越來越受歡迎。他們認(rèn)為，所需要的是各種計算機(jī)之間更簡單，更可行的交互。因為老型計算機(jī)要求用戶使用操作系統(tǒng)來復(fù)制，刪除，編輯和打印數(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)從磁盤移動到屏幕到打印機(jī)并返回磁盤進(jìn)行存儲。除了少數(shù)專家之外，一旦沒有了操作系統(tǒng)，任何人都無法訪問計算機(jī)。

為此，他們花了幾個月的時間來提出解決方案，他們完成這個解決方案時已經(jīng)編寫好了影響他們一生的Unix操作系統(tǒng)。

里奇在1999年的一次采訪中表示：“我覺得Linux發(fā)展的現(xiàn)象令人高興，雖然工作站和大型計算機(jī)廠商也在提供不同種類的BSD系統(tǒng)，但是在Unix的直接派生品中，Linux應(yīng)該是最健全的了?！?/span>

 

C++的開發(fā)者和設(shè)計師比雅尼 · 斯特勞斯普曾說：“假如里奇決定那十年將他的精力花費在稀奇古怪的數(shù)學(xué)上，那么Unix將胎死腹中。”

事實上，里奇加入貝爾實驗室后，發(fā)展了C語言和Unix系統(tǒng)，這在電腦工業(yè)史上都占據(jù)重要的席位。C語言在發(fā)展軟件和操作系統(tǒng)時是一個非常常用的電腦語言，而現(xiàn)在的編程語言比如C++、C#、Obijective-C、Java和JavaScript擁有極大的影響。

Univac I

為了在PDP-11電腦上運行的Unix系統(tǒng)，1972年，美國貝爾實驗室的丹尼斯·麥卡利斯泰爾·里奇(Dennis MacAlistair Ritchie)在B語言的基礎(chǔ)上的設(shè)計了C語言。

C語言最初嘗試通過向B語言中增加數(shù)據(jù)類型的想法來處理那些不同類型的數(shù)據(jù)。和大多數(shù)編程語言一樣，在C語言中，每個對象都有一個類型以及一個值；類型決定了可用于值的操作的含義，以及對象占用的存儲空間大小。

1973年， 肯·湯普遜(Ken Thompson)和里奇合作把Unix的90%以上用C語言改寫，即Unix第五版。這是C語言第一次應(yīng)用在操作系統(tǒng)的核心編寫上。隨著Unix的日益廣泛使用，C語言也迅速得到推廣。

Unix最開始是用匯編語言編寫的，里奇和湯普森重寫了之后于1974年在ACM上發(fā)表，正式向外界披露Unix系統(tǒng)。

隨著Unix的發(fā)展，C語言也得到了不斷地完善。C語言是一門面向過程的、抽象化的編程語言，廣泛應(yīng)用于底層開發(fā)。C語言能用簡易的方式編譯、處理低級存儲器。如此簡單，簡潔，幾乎每個計算機(jī)制造商都轉(zhuǎn)向了它，且效果顯著。

為了利于C語言的全面推廣，很多專家學(xué)者和硬件產(chǎn)商聯(lián)合組成了C語言標(biāo)準(zhǔn)委員會。于是在1989年，第一個完備的C標(biāo)準(zhǔn)誕生了，簡稱“C89”，截至目前，最新的C語言標(biāo)準(zhǔn)為2017年發(fā)布的“C17”。

盡管C語言已經(jīng)如日朝天，但里奇的職業(yè)生涯并沒沒有因此而結(jié)束，他于1990年成為朗訊科技計算技術(shù)研究部門的領(lǐng)導(dǎo)者。在該職位上，他編寫了應(yīng)用程序并管理已發(fā)布的操作系統(tǒng)的增長。

1975年 ，C語言開始移植到其他機(jī)器上使用。史蒂芬·強(qiáng)生(Stephen C.Johnson)實現(xiàn)了一套“可移植編譯器”，這套編譯器修改起來相對容易，并且可以為不同的機(jī)器生成代碼。從那時起，C語言在大多數(shù)計算機(jī)上被使用，從最小的微型計算機(jī)到CRAY-2超級計算機(jī)。C語言很規(guī)范，即使沒有一份正式的標(biāo)準(zhǔn)，也可以寫出C程序，這些程序無需修改就可以運行在任何支持C語言的最小運行時環(huán)境的計算機(jī)上。

1978年， 丹尼斯·里奇和布萊恩·柯林漢(Brian Wilson Kernighan)合作出版了《C程序設(shè)計語言》的第一版。書中介紹的C語言標(biāo)準(zhǔn)也被C語言程序員稱作“K&R C”（柯里C），第二版的書中也包含了一些ANSI C的標(biāo)準(zhǔn)。即使在后來ANSI C標(biāo)準(zhǔn)被提出的許多年后，K&R C仍然是許多編譯器的最低標(biāo)準(zhǔn)要求，許多老舊的編譯仍然運行K&R C的標(biāo)準(zhǔn)。

1978年以后， C語言先后移植到大，中，小和微型計算機(jī)上。C語言便很快風(fēng)靡全球，成為世界上應(yīng)用最為廣泛的程序設(shè)計高級語言。

C最初在小型機(jī)器上實現(xiàn)，并且繼承了一系列小語種編程語言的特點；與功能相比，C的設(shè)計者更傾向于簡單和優(yōu)雅。此外，從一開始，C語言就是為系統(tǒng)級編程而設(shè)計，程序的運行效率至關(guān)重要，因此，C語言與真實機(jī)器能力的良好匹配也就不足為奇。例如，C語言為典型硬件所直接支持的對象：字符，整數(shù)（也許有多種大?。?，以及浮點數(shù)（同樣可能有多種大小）提供了相應(yīng)的基本數(shù)據(jù)類型。

1983年， 因為發(fā)展了通用操作系統(tǒng)理論并實現(xiàn)了UNIX操作系統(tǒng)，里奇和湯普森二人一起獲得了圖靈獎。里奇的圖靈獎?wù)撐念}目為《對軟件研究的反思》。

1989年， C語言被美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ANSI）標(biāo)準(zhǔn)化，編號為ANSI X3.159-1989。這個版本又稱為C89。標(biāo)準(zhǔn)化的一個目的是擴(kuò)展K&R C，增加了一些新特性。

1990年， 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）成立 ISO/IEC JTC1/SC22/WG14 工作組，來規(guī)定國際標(biāo)準(zhǔn)的C語言，通過對ANSI標(biāo)準(zhǔn)的少量修改，最終制定了 ISO 9899:1990，又稱為C90。隨后，ANSI亦接受國際標(biāo)準(zhǔn)C，并不再發(fā)展新的C標(biāo)準(zhǔn)。

在ANSI的標(biāo)準(zhǔn)確立后，C語言的規(guī)范在一段時間內(nèi)沒有大的變動，然而C++在自己的標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建過程中繼續(xù)發(fā)展壯大?！稑?biāo)準(zhǔn)修正案一》在1994年為C語言創(chuàng)建了一個新標(biāo)準(zhǔn)，但是只修正了一些C89標(biāo)準(zhǔn)中的細(xì)節(jié)和增加更多更廣的國際字符集支持。不過，這個標(biāo)準(zhǔn)引出了1999年ISO 9899:1999的發(fā)表。它通常被稱為C99。C99被ANSI于2000年3月采用。

1990年， 童年，二人因“創(chuàng)造UNIX操作系統(tǒng)和C程序設(shè)計語言”而獲得了IEEE頒發(fā)的IEEE漢明獎，1997年獲計算機(jī)歷史博物館研究員獎，2005年，美國工業(yè)研究院授予里奇 IRI成就獎，以表彰他對計算機(jī)科學(xué)技術(shù)做出的貢獻(xiàn)，以及UNIX操作系統(tǒng)對社會的廣泛影響。2011年，里奇和湯普森二人共同獲得了日本國際獎。

但在2011年10月12日， 里奇離開了這個世界，離開了他付出一生的C語言和Unix世界，享年70歲，去往另一個地方開始了他的另一場旅行……

 

2011年12月8日， ISO正式發(fā)布了新的C語言的新標(biāo)準(zhǔn)C11，之前被稱為C1X，官方名稱為ISO/IEC 9899:2011。新的標(biāo)準(zhǔn)提高了對C++的兼容性，并增加了一些新的特性。這些新特性包括泛型宏、多線程、帶邊界檢查的函數(shù)、匿名結(jié)構(gòu)等。

C18(以前稱為C17)最新標(biāo)準(zhǔn)的C語言編程，發(fā)表在2018年六月代替C11。C18在沒有引入新語言功能的情況下解決了C11中的缺陷。

由于C具有語言簡潔，緊湊，使用方便靈活。運算符，數(shù)據(jù)類型豐富；具有結(jié)構(gòu)化的控制語句，語法限制不太嚴(yán)格，程序設(shè)計自由度大；C語言允許直接訪問物理地址，能進(jìn)行位操作，能實現(xiàn)匯編語言的大部分功能，可以直接對硬件進(jìn)行操作；生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高。執(zhí)行效率高，等特點。所以，盡管C語言發(fā)布至今過去很多年，但現(xiàn)在C語言仍然在一些領(lǐng)域流行。

當(dāng)前，C語言編譯器普遍存在于各種不同的操作系統(tǒng)中，例如Microsoft Windows、macOS、Linux、Unix等。C語言的設(shè)計影響了眾多后來的編程語言，例如C++、Objective-C、Java、C#等。

02
C語言到底能做什么

從計算機(jī)發(fā)展以來，編程語言也是層出不窮，但是無論多少“新人”翻涌而出，都無法改變C語言在編程界中德高望重的地位。

C語言到底能做了多少事情？大家經(jīng)常說的Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核都是C語言寫的，對應(yīng)的很多嵌入式內(nèi)核驅(qū)動也跑不出C語言范疇，包括大家常用的手機(jī)，機(jī)頂盒，電視機(jī)底層硬件驅(qū)動基本上都是C語言完成。

可以毫不夸張的說，如果沒有C語言，就沒有微軟的Windows 10 和 Surface Book，也沒有安卓智能手機(jī)，更沒有喬布斯創(chuàng)造的蘋果帝國各種產(chǎn)品MAC、iPad。

C語言最牛的地方，幾乎現(xiàn)在所有的上層語言的底層語言絕大部分都是C語言大哥做嫁衣給鋪墊完成。深刻理解上層語言底層實現(xiàn)，離不開C語言。而且很多大學(xué)的計算機(jī)專業(yè)都會把C語言作為學(xué)生入門編程的第一步。因此，很多程序員都把學(xué)習(xí)C語言當(dāng)成程序生涯中最基本的事。

而C語言為什么能成為最重要、最流行的編程語言之一，具體來說因為以下原因：

設(shè)計特性

C語言融合了計算機(jī)科學(xué)理論和實踐的控制特性。C 語言的設(shè)計理念讓用戶能輕松地完成自頂向下的規(guī)劃、結(jié)構(gòu)化編程和模塊化設(shè)計。因此，用 C 語言編寫的程序更易懂、更可靠。

高效性

在設(shè)計上，它充分利用了當(dāng)前計算機(jī)的優(yōu)勢，因此 C 程序相對更緊湊，而且運行速度很快

可移植性 

C 是可移植的語言。這意味著，在一種系統(tǒng)中編寫的 C 程序稍作修改或不修改就能在其他系統(tǒng)運行。如需修改，也只需簡單更改主程序頭文件中的少許項即可。

強(qiáng)大而靈活

C 語言功能強(qiáng)大且靈活。功能強(qiáng)大且靈活的 UNIX 操作系統(tǒng)，大部分是用 C 語言寫的。C 程序還可以用于解決物理學(xué)和工程學(xué)的問題，甚至可用于制作電影的動畫特效。

面向程序員 

C 語言是為了滿足程序員的需求而設(shè)計的，程序員利用 C 可以訪問硬件、操控內(nèi)存中的位。C 語言有豐富的運算符，能讓程序員簡潔地表達(dá)自己的意圖。

03

C語言是怎么來的

C語言是很低級的語言，很多方面都近似于匯編語言， 在《Intel 32位匯編語言程序設(shè)計》一書中，甚至介紹了手工把簡單的C語言翻譯成匯編的方法。對于編譯器這種系統(tǒng)軟件，用C語言來編寫是很自然不過的，即使是像Python這樣的高級語言依然在底層依賴于C語言（舉Python的例子是因為Intel的黑客正在嘗試讓

Python不需要操作系統(tǒng)就能運行——實際上是免去了BIOS上的一次性C代碼）。 現(xiàn)在的學(xué)生，學(xué)過編譯原理后，只要有點編程能力的都可以實現(xiàn)一個功能簡單的類C語言編譯器。

可是問題來了，不知道你有沒有想過，大家都用C語言或基于C語言的語言來寫編譯器， 那么世界上第一個C語言編譯器又是怎么編寫的呢？ 這不是一個“雞和蛋”的問題……

上文也有提到第一個C語言編譯器的原型完全可能是用B語言或者混合B語言與PDP匯編語言編寫的。

早期的C語言編譯器采取了一個取巧的辦法：先用匯編語言編寫一個C語言的一個子集的編譯器，再通過這個子集去遞推完成完整的C語言編譯器。詳細(xì)的過程如下：

先創(chuàng)造一個只有C語言最基本功能的子集，記作C0語言，C0語言已經(jīng)足夠簡單了，可以直接用匯編語言編寫出C0的編譯器。依靠C0已有的功能，設(shè)計比C0復(fù)雜，但仍然不完整的C語言的又一個子集C1語言，其中C0屬于C1，C1屬于C，用C0開發(fā)出C1語言的編譯器。在C1的基礎(chǔ)上設(shè)計C語言的又一個子集C2語言，C2語言比C1復(fù)雜，但是仍然不是完整的C語言，開發(fā)出C2語言的編譯器……如此直到CN，CN已經(jīng)足夠強(qiáng)大了，這時候就足夠開發(fā)出完整的C語言編譯器的實現(xiàn)了。至于這里的N是多少，這取決于你的目標(biāo)語言（這里是C語言）的復(fù)雜程度和程序員的編程能力——簡單地說，如果到了某個子集階段，可以很方便地利用現(xiàn)有功能實現(xiàn)C語言時，那么你就找到N了。下面的圖說明了這個抽象過程：

C語言

CN語言

……

C0語言

匯編語言

機(jī)器語言

那么這種大膽的子集簡化的方法，是怎么實現(xiàn)的，又有什么理論依據(jù)呢？

先介紹一個概念， “自編譯”Self-Compile ，也就是對于某些具有明顯自舉性質(zhì)的強(qiáng)類型（所謂強(qiáng)類型就是程序中的每個變量必須聲明類型后才能使用， 比如C語言，相反有些腳本語言則根本沒有類型這一說法）編程語言，可以借助它們的一個有限小子集，通過有限次數(shù)的遞推來實現(xiàn)對它們自身的表述，這樣的語言有C、Pascal、Ada等等，至于為什么可以自編譯，可以參見清華大學(xué)出版社的《編譯原理》，書中實現(xiàn)了一個Pascal的子集的編譯器。

總之，已經(jīng)有計算機(jī)科學(xué)家證明了，C語言理論上是可以通過上面說的CVM的方法實現(xiàn)完整的編譯器的，那么實際上是怎樣做到簡化的呢？

這張圖是不是有點熟悉？對了就是在講虛擬機(jī)的時候見到過，不過這里是CVM（C Language Virtual Machine），每種語言都是在每個虛擬層上可以獨立實現(xiàn)編譯的，并且除了C語言外，每一層的輸出都將作為下一層的輸入（最后一層的輸出就是應(yīng)用程序了），這和滾雪球是一個道理。用手（匯編語言）把一小把雪結(jié)合在一起，一點點地滾下去就形成了一個大雪球，這大概就是所謂的0生1，1生C，C生萬物吧？

下面是C99的關(guān)鍵字：

   

    
autoenum restrict unsigned
    
breakexternreturnvoid
    
casefloatshortvolatile
    
charforsignedwhile
    
constgotosizeof_Bool
    
continueifstatic_Complex
    
defaultinlinestruct_Imaginary
    
dointswitch
    
doublelongtypedef
    
elseregisterunion
    
//共37個
   

仔細(xì)看看，其實其中有很多關(guān)鍵字是為了幫助編譯器進(jìn)行優(yōu)化的，還有一些是用來限定變量、函數(shù)的作用域、鏈接性或者生存周期（函數(shù)沒有）的，這些在編譯器實現(xiàn)的早期根本不必加上，于是可以去掉auto, restrict, extern, volatile, const, sizeof, static, inline, register, typedef，這樣就形成了C的子集，C3語言，C3語言的關(guān)鍵字如下：

   

    
enumunsigned
    
breakreturnvoid
    
casefloatshort
    
charforsignedwhile
    
goto_Bool
    
continueif_Complex
    
defaultstruct_Imaginary
    
dointswitch
    
doublelong
    
elseunion
    
//共27個
   

再想一想，發(fā)現(xiàn)C3中其實有很多類型和類型修飾符是沒有必要一次性都加上去的，比如三種整型，只要實現(xiàn)int就行了，因此進(jìn)一步去掉這些關(guān)鍵詞，它們是：unsigned, float, short, char(char 是 int), signed, _Bool, _Complex, _Imaginary, long，這樣就形成了我們的C2語言，C2語言關(guān)鍵字如下：

   

    
enum
    
breakreturnvoid
    
case
    
forwhile
    
goto
    
continueif
    
defaultstruct
    
dointswitch
    
double
    
elseunion
    
//共18個
   

繼續(xù)思考，即使是只有18個關(guān)鍵字的C2語言，依然有很多高級的地方，比如基于基本數(shù)據(jù)類型的復(fù)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，另外我們的關(guān)鍵字表中是沒有寫運算符的，在C語言中的復(fù)合賦值運算符->、運算符的++、– 等過于靈活的表達(dá)方式此時也可以完全刪除掉，因此可以去掉的關(guān)鍵字有：enum, struct, union，這樣我們可以得到C1語言的關(guān)鍵字：

   

    
breakreturnvoid
    
case
    
forwhile
    
goto
    
continueif
    
default
    
dointswitch
    
double
    
else
    
//共15個
   

接近完美了，不過最后一步手筆自然要大一點。這個時候數(shù)組和指針也要去掉了，另外C1語言其實仍然有很大的冗雜度，比如控制循環(huán)和分支的都有多種表述方法，其實都可簡化成一種，具體的來說，循環(huán)語句有while循環(huán)，do…while循環(huán)和for循環(huán)，只需要保留while循環(huán)就夠了；分支語句又有if…{}, if…{}…else, if…{}…else if…, switch，這四種形式，它們都可以通過兩個以上的if…{}來實現(xiàn)，因此只需要保留if,…{}就夠了?？墒窃僖幌耄^的分支和循環(huán)不過是條件跳轉(zhuǎn)語句罷了，函數(shù)調(diào)用語句也不過是一個壓棧和跳轉(zhuǎn)語句罷了，因此只需要goto（未限制的goto）。因此大膽去掉所有結(jié)構(gòu)化關(guān)鍵字，連函數(shù)也沒有，得到的C0語言關(guān)鍵字如下：

   

    
breakvoid
    
goto
    
int
    
double
    
//共5個
   

這已經(jīng)是簡約的極致了。

只有5個關(guān)鍵字，已經(jīng)完全可以用匯編語言快速的實現(xiàn)了。通過逆向分析我們還原了第一個C語言編譯器的編寫過程，也感受到了前輩科學(xué)家們的智慧和勤勞！我們都不過是巨人肩膀上的灰塵罷了！0生1，1生C，C生萬物，實在巧妙！

參考資料：

【1】丹尼斯 · 里奇百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E4%B8%B9%E5%B0%BC%E6%96%AF%C2%B7%E9%87%8C%E5%A5%87

【2】C語言百度百科

https://baike.baidu.com/item/C%E8%AF%AD%E8%A8%80

【3】Unix百度百科

https://baike.baidu.com/item/UNIX

【4】《C Primer Plus第六版》

【5】《第一個C編譯器是怎樣來的？》

-END-

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