|
|
51CTO旗下网站
|
|
移动端

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?

C语言作为一个人尽皆知的语言,甚至没有学过编程语言的人也知道它的大名。经历沧桑岁月的它,已经陪伴我们走过了48个年头。回望当年,C语言还在襁褓之中……

作者:我脸上有bug来源:今日头条|2020-05-15 14:34

C语言作为一个人尽皆知的语言,甚至没有学过编程语言的人也知道它的大名。经历沧桑岁月的它,已经陪伴我们走过了48个年头。回望当年,C语言还在襁褓之中……

贝尔实验室特别人员奖、美国计算机协会(ACM)的图灵奖、汉明勋章、计算机先驱奖、计算机历史博物馆研究员、哈罗德 · 潘德奖……这些成就全都出自一人,那就是编程界无人能超越的传奇人物也是C语言的创造者——丹尼斯·里奇。

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?
C语言之父:丹尼斯·里奇

计算机历史学家Paul E.Ceruzzi说:里奇不被人们之道。他的名字一点都不家喻户晓,但是如果你有一台显微镜,能在电脑里看到他的作品,你会发现处处都是他的作品。

克尼汉也曾如此评价:“牛顿说他是站在巨人的肩膀上,如今,我们都站在里奇的肩膀上。”

01 C语言的辉煌历史

1941年,丹尼斯 · 里奇出生在纽约布朗克斯区,父亲是是贝尔实验室的交换系统工程师。里奇从小成绩优异,大学顺利进入了哈佛,在受父亲的影响下,丹尼斯也走上了科学研究之路。

在哈佛读书期间,一次偶然的机会改变了里奇的一生。里奇参加了哈佛计算机系统相关的讲座,从此他开始对计算机疯狂着迷,不仅专门学了一期课程。

当时的里奇是一个主修物理的学生,因为对计算机处理的理论和实际问题十分着迷,他在毕业论文中大部分和计算机理论有关(递归函数的层次),这还远远不够,里奇开始花更多的精力在实践上面。

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?

在那个时代,大部分计算机体积十分庞大,占用了整个房间并且还只能进行有限的拨入访问,因此攻克小型台式计算机是当时的工程师们的目标,可是这些计算机没有易于使用的操作系统,于是里奇决定自己做一个。

这一决定立即得到了麻省理工学院Honeywell和General Electric的支持。里奇负责多道处理机BCPL语言和GE650的编译器,它们都是属于GECOS系统的。同时,他还写了ALTRAN语言的代数编译器,那视符号计算机的一种语言和系统。

经过这个项目后,里奇毅然决然的放弃了本专业物理学,并决定将计算机作为他的事业。1967年,他加入了贝尔实验室(Bell Labs)。

在加入贝尔实验室后,里奇开始和实验室的一位名为Ken Thompson(肯·汤普森)的成员合作。这位Ken Thompson也是对Ritchie 职业生涯影响很大的人。

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?
Thompson和Ritchie

20世纪70年代,汤普森和里奇在研究如何让早期小型机变得越来越受欢迎。他们认为,所需要的是各种计算机之间更简单,更可行的交互。因为老型计算机要求用户使用操作系统来复制,删除,编辑和打印数据文件,将数据从磁盘移动到屏幕到打印机并返回磁盘进行存储。除了少数专家之外,一旦没有了操作系统,任何人都无法访问计算机。

为此,他们花了几个月的时间来提出解决方案,他们完成这个解决方案时已经编写好了影响他们一生的Unix操作系统。

里奇在1999年的一次采访中表示:“我觉得Linux发展的现象令人高兴,虽然工作站和大型计算机厂商也在提供不同种类的BSD系统,但是在Unix的直接派生品中,Linux应该是最健全的了。”

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?

C++的开发者和设计师比雅尼 · 斯特劳斯普曾说:“假如里奇决定那十年将他的精力花费在稀奇古怪的数学上,那么Unix将胎死腹中。”

事实上,里奇加入贝尔实验室后,发展了C语言和Unix系统,这在电脑工业史上都占据重要的席位。C语言在发展软件和操作系统时是一个非常常用的电脑语言,而现在的编程语言比如C++、C#、Obijective-C、Java和JavaScript拥有极大的影响。

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?
Univac I

为了在PDP-11电脑上运行的Unix系统,1972年,美国贝尔实验室的丹尼斯·麦卡利斯泰尔·里奇(Dennis MacAlistair Ritchie)在B语言的基础上的设计了C语言。

C语言最初尝试通过向B语言中增加数据类型的想法来处理那些不同类型的数据。和大多数编程语言一样,在C语言中,每个对象都有一个类型以及一个值;类型决定了可用于值的操作的含义,以及对象占用的存储空间大小。

1973年,肯·汤普逊(Ken Thompson)和里奇合作把Unix的90%以上用C语言改写,即Unix第五版。这是C语言第一次应用在操作系统的核心编写上。随着Unix的日益广泛使用,C语言也迅速得到推广。

Unix最开始是用汇编语言编写的,里奇和汤普森重写了之后于1974年在ACM上发表,正式向外界披露Unix系统。

随着Unix的发展,C语言也得到了不断地完善。C语言是一门面向过程地、抽象化的编程语言,广泛应用于底层开发。C语言能用简易的方式编译、处理低级存储器。如此简单,简洁,几乎每个计算机制造商都转向了它,且效果显著。

为了利于C语言的全面推广,很多专家学者和硬件产商联合组成了C语言标准委员会。于是在1989年,第一个完备的C标准诞生了,简称“C89”,截至目前,最新的C语言标准为2017年发布的“C17”。

尽管C语言已经如日朝天,但里奇的职业生涯并没没有因此而结束,他于1990年成为朗讯科技计算技术研究部门的领导者。在该职位上,他编写了应用程序并管理已发布的操作系统的增长。

1975年,C语言开始移植到其他机器上使用。史蒂芬·强生(Stephen C.Johnson)实现了一套“可移植编译器”,这套编译器修改起来相对容易,并且可以为不同的机器生成代码。从那时起,C语言在大多数计算机上被使用,从最小的微型计算机到CRAY-2超级计算机。C语言很规范,即使没有一份正式的标准,也可以写出C程序,这些程序无需修改就可以运行在任何支持C语言的最小运行时环境的计算机上。

1978年,丹尼斯·里奇和布莱恩·柯林汉(Brian Wilson Kernighan)合作出版了《C程序设计语言》的第一版。书中介绍的C语言标准也被C语言程序员称作“K&R C”(柯里C),第二版的书中也包含了一些ANSI C的标准。即使在后来ANSI C标准被提出的许多年后,K&R C仍然是许多编译器的最低标准要求,许多老旧的编译仍然运行K&R C的标准。

1978年以后,C语言先后移植到大,中,小和微型计算机上。C语言便很快风靡全球,成为世界上应用最为广泛的程序设计高级语言。

C最初在小型机器上实现,并且继承了一系列小语种编程语言的特点;与功能相比,C的设计者更倾向于简单和优雅。此外,从一开始,C语言就是为系统级编程而设计,程序的运行效率至关重要,因此,C语言与真实机器能力的良好匹配也就不足为奇。例如,C语言为典型硬件所直接支持的对象:字符,整数(也许有多种大小),以及浮点数(同样可能有多种大小)提供了相应的基本数据类型。

1983年,因为发展了通用操作系统理论并实现了UNIX操作系统,里奇和汤普森二人一起获得了图灵奖。里奇的图灵奖论文题目为《对软件研究的反思》。

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?

1989年,C语言被美国国家标准协会(ANSI)标准化,编号为ANSI X3.159-1989。这个版本又称为C89。标准化的一个目的是扩展K&R C,增加了一些新特性。

1990年,国际标准化组织(ISO)成立 ISO/IEC JTC1/SC22/WG14 工作组,来规定国际标准的C语言,通过对ANSI标准的少量修改,最终制定了 ISO 9899:1990,又称为C90。随后,ANSI亦接受国际标准C,并不再发展新的C标准。

在ANSI的标准确立后,C语言的规范在一段时间内没有大的变动,然而C++在自己的标准化创建过程中继续发展壮大。《标准修正案一》在1994年为C语言创建了一个新标准,但是只修正了一些C89标准中的细节和增加更多更广的国际字符集支持。不过,这个标准引出了1999年ISO 9899:1999的发表。它通常被称为C99。C99被ANSI于2000年3月采用。

1990年,童年,二人因“创造UNIX操作系统和C程序设计语言”而获得了IEEE颁发的IEEE汉明奖,1997年获计算机历史博物馆研究员奖,2005年,美国工业研究院授予里奇 IRI成就奖,以表彰他对计算机科学技术做出的贡献,以及UNIX操作系统对社会的广泛影响。2011年,里奇和汤普森二人共同获得了日本国际奖。

但在2011年10月12日,里奇离开了这个世界,离开了他付出一生的C语言和Unix世界,享年70岁,去往另一个地方开始了他的另一场旅行……

2011年12月8日,ISO正式发布了新的C语言的新标准C11,之前被称为C1X,官方名称为ISO/IEC 9899:2011。新的标准提高了对C++的兼容性,并增加了一些新的特性。这些新特性包括泛型宏、多线程、带边界检查的函数、匿名结构等。

C18(以前称为C17)最新标准的C语言编程,发表在2018年六月代替C11。C18在没有引入新语言功能的情况下解决了C11中的缺陷。

由于C具有语言简洁,紧凑,使用方便灵活。运算符,数据类型丰富;具有结构化的控制语句,语法限制不太严格,程序设计自由度大;C语言允许直接访问物理地址,能进行位操作,能实现汇编语言的大部分功能,可以直接对硬件进行操作;生成目标代码质量高。执行效率高,等特点。所以,尽管C语言发布至今过去很多年,但现在C语言仍然在一些领域流行。

当前,C语言编译器普遍存在于各种不同的操作系统中,例如Microsoft Windows、macOS、Linux、Unix等。C语言的设计影响了众多后来的编程语言,例如C++、Objective-C、Java、C#等。

02 C语言到底能做什么

从计算机发展以来,编程语言也是层出不穷,但是无论多少“新人”翻涌而出,都无法改变C语言在编程界中德高望重的地位。

C语言到底能做了多少事情?大家经常说的Linux操作系统的内核都是C语言写的,对应的很多嵌入式内核驱动也跑不出C语言范畴,包括大家常用的手机,机顶盒,电视机底层硬件驱动基本上都是C语言完成。

可以毫不夸张的说,如果没有C语言,就没有微软的Windows 10 和 Surface Book,也没有安卓智能手机,更没有乔布斯创造的苹果帝国各种产品MAC、iPad。

C语言最牛的地方,几乎现在所有的上层语言的底层语言绝大部分都是C语言大哥做嫁衣给铺垫完成。深刻理解上层语言底层实现,离不开C语言。而且很多大学的计算机专业都会把C语言作为学生入门编程的第一步。因此,很多程序员都把学习C语言当成程序生涯中最基本的事。

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?

而C语言为什么能成为最重要、最流行的编程语言之一,具体来说因为以下原因:

设计特性

C语言融合了计算机科学理论和实践的控制特性。C 语言的设计理念让用户能轻松地完成自顶向下的规划、结构化编程和模块化设计。因此,用 C 语言编写的程序更易懂、更可靠。

高效性

在设计上,它充分利用了当前计算机的优势,因此 C 程序相对更紧凑,而且运行速度很快

可移植性

C 是可移植的语言。这意味着,在一种系统中编写的 C 程序稍作修改或不修改就能在其他系统运行。如需修改,也只需简单更改主程序头文件中的少许项即可。

强大而灵活

C 语言功能强大且灵活。功能强大且灵活的 UNIX 操作系统,大部分是用 C 语言写的。C 程序还可以用于解决物理学和工程学的问题,甚至可用于制作电影的动画特效。

面向程序员

C 语言是为了满足程序员的需求而设计的,程序员利用 C 可以访问硬件、操控内存中的位。C 语言有丰富的运算符,能让程序员简洁地表达自己的意图。

03 C语言是怎么来的

C语言是很低级的语言,很多方面都近似于汇编语言,在《Intel 32位汇编语言程序设计》一书中,甚至介绍了手工把简单的C语言翻译成汇编的方法。对于编译器这种系统软件,用C语言来编写是很自然不过的,即使是像Python这样的高级语言依然在底层依赖于C语言(举Python的例子是因为Intel的黑客正在尝试让

Python不需要操作系统就能运行——实际上是免去了BIOS上的一次性C代码)。现在的学生,学过编译原理后,只要有点编程能力的都可以实现一个功能简单的类C语言编译器。

可是问题来了,不知道你有没有想过,大家都用C语言或基于C语言的语言来写编译器,那么世界上第一个C语言编译器又是怎么编写的呢?这不是一个“鸡和蛋”的问题……

上文也有提到第一个C语言编译器的原型完全可能是用B语言或者混合B语言与PDP汇编语言编写的。

早期的C语言编译器采取了一个取巧的办法:先用汇编语言编写一个C语言的一个子集的编译器,再通过这个子集去递推完成完整的C语言编译器。详细的过程如下:

先创造一个只有C语言最基本功能的子集,记作C0语言,C0语言已经足够简单了,可以直接用汇编语言编写出C0的编译器。依靠C0已有的功能,设计比C0复杂,但仍然不完整的C语言的又一个子集C1语言,其中C0属于C1,C1属于C,用C0开发出C1语言的编译器。在C1的基础上设计C语言的又一个子集C2语言,C2语言比C1复杂,但是仍然不是完整的C语言,开发出C2语言的编译器……如此直到CN,CN已经足够强大了,这时候就足够开发出完整的C语言编译器的实现了。至于这里的N是多少,这取决于你的目标语言(这里是C语言)的复杂程度和程序员的编程能力——简单地说,如果到了某个子集阶段,可以很方便地利用现有功能实现C语言时,那么你就找到N了。下面的图说明了这个抽象过程:

48岁的C语言,你知道它背后的历史吗?

那么这种大胆的子集简化的方法,是怎么实现的,又有什么理论依据呢?

先介绍一个概念,“自编译”Self-Compile,也就是对于某些具有明显自举性质的强类型(所谓强类型就是程序中的每个变量必须声明类型后才能使用,比如C语言,相反有些脚本语言则根本没有类型这一说法)编程语言,可以借助它们的一个有限小子集,通过有限次数的递推来实现对它们自身的表述,这样的语言有C、Pascal、Ada等等,至于为什么可以自编译,可以参见清华大学出版社的《编译原理》,书中实现了一个Pascal的子集的编译器。

总之,已经有计算机科学家证明了,C语言理论上是可以通过上面说的CVM的方法实现完整的编译器的,那么实际上是怎样做到简化的呢?

这张图是不是有点熟悉?对了就是在讲虚拟机的时候见到过,不过这里是CVM(C Language Virtual Machine),每种语言都是在每个虚拟层上可以独立实现编译的,并且除了C语言外,每一层的输出都将作为下一层的输入(最后一层的输出就是应用程序了),这和滚雪球是一个道理。用手(汇编语言)把一小把雪结合在一起,一点点地滚下去就形成了一个大雪球,这大概就是所谓的0生1,1生C,C生万物吧?

下面是C99的关键字:

  1. autoenum restrict unsigned 
  2.  
  3. breakexternreturnvoid 
  4.  
  5. casefloatshortvolatile 
  6.  
  7. charforsignedwhile 
  8.  
  9. constgotosizeof_Bool 
  10.  
  11. continueifstatic_Complex 
  12.  
  13. defaultinlinestruct_Imaginary 
  14.  
  15. dointswitch 
  16.  
  17. doublelongtypedef 
  18.  
  19. elseregisterunion 
  20. //共37个 

仔细看看,其实其中有很多关键字是为了帮助编译器进行优化的,还有一些是用来限定变量、函数的作用域、链接性或者生存周期(函数没有)的,这些在编译器实现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,这样就形成了C的子集,C3语言,C3语言的关键字如下:

  1. enumunsigned 
  2.  
  3. breakreturnvoid 
  4.  
  5. casefloatshort 
  6.  
  7. charforsignedwhile 
  8.  
  9. goto_Bool 
  10.  
  11. continueif_Complex 
  12.  
  13. defaultstruct_Imaginary 
  14.  
  15. dointswitch 
  16.  
  17. doublelong 
  18.  
  19. elseunion 
  20. //共27个 

再想一想,发现C3中其实有很多类型和类型修饰符是没有必要一次性都加上去的,比如三种整型,只要实现int就行了,因此进一步去掉这些关键词,它们是:unsigned, float, short, char(char 是 int), signed, _Bool, _Complex, _Imaginary, long,这样就形成了我们的C2语言,C2语言关键字如下:

  1. enum 
  2.  
  3. breakreturnvoid 
  4.  
  5. case 
  6.  
  7. forwhile 
  8.  
  9. goto 
  10.  
  11. continueif 
  12.  
  13. defaultstruct 
  14.  
  15. dointswitch 
  16.  
  17. double 
  18.  
  19. elseunion 
  20. //共18个 

继续思考,即使是只有18个关键字的C2语言,依然有很多高级的地方,比如基于基本数据类型的复合数据结构,另外我们的关键字表中是没有写运算符的,在C语言中的复合赋值运算符->、运算符的++、– 等过于灵活的表达方式此时也可以完全删除掉,因此可以去掉的关键字有:enum, struct, union,这样我们可以得到C1语言的关键字:

  1. breakreturnvoid 
  2.  
  3. case 
  4.  
  5. forwhile 
  6.  
  7. goto 
  8.  
  9. continueif 
  10.  
  11. default 
  12.  
  13. dointswitch 
  14.  
  15. double 
  16.  
  17. else 
  18. //共15个 

接近完美了,不过最后一步手笔自然要大一点。这个时候数组和指针也要去掉了,另外C1语言其实仍然有很大的冗杂度,比如控制循环和分支的都有多种表述方法,其实都可简化成一种,具体的来说,循环语句有while循环,do…while循环和for循环,只需要保留while循环就够了;分支语句又有if…{}, if…{}…else, if…{}…else if…, switch,这四种形式,它们都可以通过两个以上的if…{}来实现,因此只需要保留if,…{}就够了。可是再一想,所谓的分支和循环不过是条件跳转语句罢了,函数调用语句也不过是一个压栈和跳转语句罢了,因此只需要goto(未限制的goto)。因此大胆去掉所有结构化关键字,连函数也没有,得到的C0语言关键字如下:

  1. breakvoid 
  2.  
  3. goto 
  4.  
  5. int 
  6.  
  7. double 
  8. //共5个 

这已经是简约的极致了。

只有5个关键字,已经完全可以用汇编语言快速的实现了。通过逆向分析我们还原了第一个C语言编译器的编写过程,也感受到了前辈科学家们的智慧和勤劳!我们都不过是巨人肩膀上的灰尘罢了!0生1,1生C,C生万物,实在巧妙!

【编辑推荐】

  1. 假如看完这篇文章后,你还不懂Service Mesh?那你就可以彻底放弃微服务了!
  2. 13年前的罕见老照片:乔布斯和Google大佬会面
  3. macOS和HomeBrew的12个终端提示和技巧
  4. 全部中文版!这可能是拥有最多免费编程书籍的开源项目
  5. PapersWithCode发布代码完整性自查清单:想获得更多星,你需要注意这五项
【责任编辑:未丽燕 TEL:(010)68476606】

点赞 0
分享:
大家都在看
猜你喜欢

订阅专栏+更多

从头解锁Python运维

从头解锁Python运维

多维度详解
共19章 | 叱诧少帅

330人订阅学习

Active Directory 架构规划实战

Active Directory 架构规划实战

4类AD架构规划
共15章 | wx5918591c0084b

320人订阅学习

庖丁解牛Ceph分布式存储

庖丁解牛Ceph分布式存储

云计算存储的基石
共5章 | Happy云实验室

192人订阅学习

订阅51CTO邮刊

点击这里查看样刊

订阅51CTO邮刊

51CTO服务号

51CTO官微