C (мова програмування)

C
Парадигма	імперативна (процедурна)
Дата появи	1972
Творці	Денніс Рітчі
Розробник	Денніс Рітчі та Bell Labs
Система типізації	статична, слабка
Основні реалізації	GCC, MSVC, Borland C, Watcom C
Діалекти	«K&R» C (1978) ANSI C (1989) C90 (1990) C99 (1999) C11 (2011)
Під впливом від	B (BCPL,CPL), Algol68, Assembler, Pascal
Вплинула на	awk, csh, C++, ObjC, BitC, D, Concurrent C, Java, Javascript
Операційна система	Windows і UNIX-подібні операційні системи
Звичайні розширення файлів	.c або .h
Вебсайт	iso.org/standard/74528.html
Медіафайли у Вікісховищі

C (англ. C) — універсальна, процедурна, імперативна мова програмування загального призначення, розроблена у 1972 році Денісом Рітчі у Bell Telephone Laboratories з метою написання нею операційної системи UNIX.

Хоча С і було розроблено для написання системного програмного забезпечення, наразі вона досить часто використовується для написання прикладного програмного забезпечення.

С імовірно, є найпопулярнішою у світі мовою програмування за кількістю вже написаного нею програмного забезпечення, доступного під вільними ліцензіями коду та кількості програмістів, котрі її знають. Версії компіляторів для мови С існують для багатьох операційних систем та апаратних архітектур. C здійснила великий вплив на інші мови програмування, особливо на C++, яка спочатку проектувалася, як розширення для С, а також на Java та C#, які запозичили у С синтаксис.

Філософія

С — мінімалістична мова програмування. Серед її головних цілей: можливість прямолінійної реалізації компіляції, використовуючи відносно простий компілятор, забезпечити низькорівневий доступ до оперативної пам'яті, формувати лише декілька інструкцій машинної мови для кожного елементу мови, і не вимагати обширної динамічної підтримки. У результаті, код С придатний для більшості системного програмного забезпечення, яке традиційно писалося асемблером.

Незважаючи на її низькорівневі можливості, мова проектувалася для машинно-незалежного програмування. Сумісна зі стандартами та машинно-незалежно написана мовою C програма, може легко компілюватися на великій кількості апаратних платформ та операційних систем з мінімальними змінами. Мова стала доступною для великої кількості платформ, від вбудованих мікроконтролерів до суперкомп'ютерів.

Мінімалізм

Мова С проектувалась з розрахунком на те, щоб використовуватись у системному програмуванні. Отже, вона не вимагає додаткового часу на виконання перевірок різноманітних умов, які ніколи не відбудуться у правильно написаній програмі, а забезпечує простий, прямий доступ до адреси будь якого об'єкта (наприклад, карти пам'яті, пристрою контролю регістрів), і вираження її джерельного коду може бути переведене у вигляд простої, примітивної машинної операції.

Б'ярн Страуструп якось написав про неї: «С робить так, щоб вам було легко вистрілити собі в ногу» Іншими словами, С дозволяє здійснення низки операцій, котрі часто є не бажаними, а тому чимало помилок у коді не виявляється компілятором, і не можуть бути очевидними під час виконання. Якщо під час програмування та підтримки програмного забезпечення не дотримуватись низки суворих правил, пізніше може виникнути немало проблем зі швидкодією, стабільністю та безпекою програмного забезпечення. (Хоча, виною подібних проблем найчастіше є програмісти, оскільки, С сама по собі забезпечує низький рівень захисту).

З часом було розроблено багато утиліт для додаткових перевірок коду на наявність помилок перед компіляцією та під час його роботи. Ніщо не заважає компілятору здійснювати додаткові перевірки коду, не передбачені специфікацією мови, однак, для деякого системного програмного забезпечення вони є неприпустимими, оскільки, зменшують швидкість виконання коду.

У відповідь на критику мови C, як сильно типізованої мови, Керніган та Рітчі, послались на основу філософії дизайну C: «Тим не менш, C зберігає основний принцип, який передбачає, що програмісти добре знають, що вони роблять, і вимагає лише, щоб вони чітко давали компіляторові знати про свої наміри».

Характеристика

Як і більшість імперативних мов, заснованих на традиції АЛГОЛ, C має можливості для структурного програмування і дозволяє здійснювати рекурсії, у той час, як система статичної типізації даних запобігає виникненню багатьох непередбачуваних операцій. У С увесь виконуваний код міститься у функціях. Параметри функції завжди передаються за значеннями. Передача параметрів за вказівником реалізовується шляхом передачі значення вказівника. Гетерогенні сукупності типів даних (структури) дозволяють пов'язаним типам даних бути об'єднаними і маніпулювати ними, як єдиним цілим.

C також має такі специфічні властивості:

• змінні можуть бути прихованими у вкладених блоках
• слабка типізація; наприклад, символи можуть використовуватися, як цілі числа
• низькорівневий доступ до оперативної пам'яті шляхом перетворення машинних адрес вказівники
• вказівники на функції і дані підтримують динамічний поліморфізм
• масив індексів як вторинне поняття, визначається у термінах арифметики вказівників
• стандартизований препроцесор C для макроозначення, включення файлу з джерельним кодом, умовної трансляції, і т. д.
• комплексна функціональність, як то I/O, маніпуляція рядками, і делегування математичних функцій бібліотекам
• відносно невелика кількість зарезервованих слів (32 у С89, і 37 у C99)
• Лексичні структури, які нагадують B більше за ALGOL, наприклад:
  • { ... } на відміну від ALGOL'івського begin ... end
  • знак рівності для призначення (копіювання), як це робиться у мові Fortran
  • два знаки рівності використовуються для перевірки рівності (подібно до .EQ. у Fortran'і або одного знаку рівності у BASIC)
  • && та || на відміну від ALGOL'івських and та or (цим вона семантично відрізняється від бітових операторів & та |).
  • велика кількість операторів об'єднання, на кшталт +=, ++, ……

Відсутня функціональність

С має брак наступних можливостей, які є в інших мовах програмування, (хоча далеко не завжди брак деяких можливостей, наявних в якихось мовах, є недоліком):

• Відсутність нескалярних операцій, на зразок копіювання масивів або рядків.
• Відсутність автоматичного керування пам'яттю (збір сміття)
• Відсутня перевірка меж масиву
• Відсутність напів-динамічних масивів аж до С99
• Відсутність синтаксису для масивів, на зразок А..В, котрі використовують, як старіші, так і новіші мови програмування
• Відсутність вкладених функцій (хоча, ця можливість є з деякими компіляторами, наприклад GCC. Однак знову ж, є суперечливою сама потреба вкладених функцій.)
• Відсутність обробки винятків
• Відсутність рудиментарної підтримки модульного програмування
• Відсутність статичного поліморфізму у формі перевантаження функцій або операторів
• Відсутність підтримки об'єктно-орієнтованого програмування
• Відсутність вбудованої підтримки багатозадачності та роботи з мережами, хоча ці можливості забезпечуються популярними бібліотеками
• Відсутність стандартних бібліотек для роботи з графікою та деяких інших бібліотек для прикладного програмування

Ці моменти абсолютно не завадили мові бути добре прийнятою спеціалістами. Швидко були створені компілятори для різних платформ. А в значній мірі низькорівнева природа мови, надала програмістам можливість якісно контролювати роботу програм, дозволяючи оптимізувати їх під конкретні завдання. Це дозволило кодові ефективно працювати на дуже обмеженому апаратному забезпеченні, такому як вбудовані системи, що сьогодні мають таку високу функціональність завдяки початковому використанню мови С.

Можливості мови підвищуються у спосіб використання сторонніх бібліотек. Більшість об'єктно-орієнтованих функцій включають спеціальний вказівник «цей»(this у C++,Java), який посилається на поточний об'єкт. Передаючи цей вказівник в якості аргументу функції у С, ті ж функціональні можливості можуть бути використані у С. Для прикладу, у C++ можна написати:

 stack->push(val);

у той час, як у С це виглядало б, приміром, так:

 push(stack, val);

де аргумент stack у С є вказівником на структуру (struct), що є еквівалентною цьому вказівнику у С++, який є вказівником на об'єкт.

Історія

Рання розробка

Початковий етап розробки Сі відбувся у стінах Bell Labs між 1969 та 1973 роками; Деніс Рітчі стверджує, що найбільш творчим був 1972 рік. Мову було названо «Сі» через те, що багато її можливостей було отримано від раніше створеної мови B.

Існує чимало легенд щодо походження мови Сі, і пов'язаної з нею операційної системи UNIX, серед них:

• Розробка Сі стала результатом того, що його майбутні автори любили комп'ютерну гру, схожу на популярну гру Asteroids (Астероїди). Вони вже давно грали у неї на головному сервері компанії, який був недостатньо потужним, і повинен був обслуговувати близько ста користувачів. Томпсон і Рітчі вирішилили, що їм не вистачає контролю над космічним кораблем для того, щоб уникати зіткнень з деякими каменями. Тому вони вирішили перенести гру на вільний PDP-7, що стоїть в офісі. Проте цей комп'ютер не мав операційної системи, що змусило їх її написати. Врешті-решт, вони вирішили перенести цю операційну систему ще й на офісний PDP-11, що було дуже важко, оскільки її код був цілком написаний на асемблері. Було винесено пропозицію використати якусь високорівневу портативну мову, щоб можна було легко переносити ОС з одного комп'ютера на іншій. Мова B, яку вони спершу хотіли використати, виявилася позбавленою функціональності, здатної використовувати нові можливості PDP-11. Тому вони і зупинилися на розробці мови С.
• Найперший комп'ютер, для якого була спочатку написана UNIX, призначався для створення системи автоматичного заповнення документів. Перша версія UNIX була написана на асемблері. Пізніше для того, щоб переписати цю операційну систему, була розроблена мова С.

До 1974 року мова С стала достатньо функціональною для того, щоб переписати на ній більшу частину ядра UNIX, котре спершу було написане на асемблері PDP-11. Це було перше ядро операційної системи реалізоване не на асемблері.

K&R C

У 1978 році Рітчі та Керніган опублікували першу редакцію книги «Мова програмування Сі». Ця книга, відома серед програмістів як «K&R». Описану у ній версію мови Сі, часто називають «K&R». Друга редакція цієї книги присвячена пізнішому стандарту ANSI C, описаному нижче.

K&R описує такі особливості мови:

• Тип даних struct
• Тип даних long int
• Тип даних unsigned int
• Оператор =- було змінено на -=, щоби позбутися семантичної двозначності створюваної конструкціями, на зразок i=-10, яка могла інтерпретуватися, як i =- 10 або i = -10

K&R часто вважають найголовнішою частиною мови, яку повинен підтримувати компілятор С. Багато років, навіть після виходу ANSI C, він вважався мінімальним рівнем, якого слід було дотримуватися програмістам, охочим добитися від своїх програм максимальної портативності, оскільки не всі компілятори тоді підтримували ANSI C, а код на K&R C був сумісним і з ANSI C.

У ранніх версіях C, лише функції, що повертають значення з типом відмінним від int повинні були бути оголошеними, якщо вони використовувалися перед визначенням функції; функції без попереднього оголошення повинні повертати лише ціле число.

Для прикладу: long int SomeFunction(); int OtherFunction();

 
 int CallingFunction()
 {
     long int test1;
     int test2;
 
     test1 = SomeFunction();
     if (test1 > 0) test2 = 0;
         else test2 = OtherFunction();
 
     return test2;
 }

У цьому прикладі, як SomeFunction, так і OtherFunction були оголошені перед своїм використанням. У K&R оголошенням OtherFunction можна було знехтувати.

Оскільки декларація функцій у K&R C не включає ніякої інформації про аргументи функції, перевірка типу параметрів не виконується, хоча деякі компілятори видають попереджувальне повідомлення, якщо до локальної функції звертаються із неправильним числом аргументів, або якщо багаторазові виклики до зовнішньої функції використовувають різну кількість аргументів.

Наступні декілька років після публікації K&R C, до мови було додано декілька неофіційних можливостей (у той час, як офіційного нового стандарту не було), котрі підтримувалися компіляторами від AT&T та деяких інших постачальників. Серед них:

• функції з типом результату void;
• функції, що повертають значння типу struct або union (а не вказівник)
• присвоєння для типу struct
• Визначник const, котрий робив об'єкт доступним лише для читання
• Перечислювані типи

Велика кількість доповнень і відсутність стандартної бібліотеки, разом із великою популярністю мови, створили нагальну потребу у стандартизації.

ANSI C

Наприкінці 1970-х, мова C випередила BASIC, і стала найпопулярнішою мовою програмування для мікрокомп'ютерів. Протягом 1980-х, її прийняли для використання в IBM PC, і її популярність почала зростати досить стрімкими темпами. У той же час, Бьярн Страуструп та інші працівники Bell Labs розпочали роботу над доданням об'єктно-орієнтованих конструкцій до C, що призвело до виникнення C++.

У 1983, Американський Національний Інститут Стандартів (ANSI) сформував комітет X3J11 для створення стандартної специфікації для мови C. У 1989, стандарт був ратифікований як ANSI X3.159-1989 «Мова Програмування C». Цю версію часто називають ANSI C, Стандартний C, або С89.

У 1990, стандарт (з декількома незначними модифікаціями) ANSI C ратифікувала Міжнародна Організація із Стандартизації (ISO), ISO/IEC 9899:1990. Цю версію іноді називають C90. Тому, терміни «C89» і «C90» по суті, позначають одну мову.

ANSI, як і інші інститути із стандартизації, більше самотужки не займається розвитком стандарту мови програмування С. Прийняття стандарту національними інститутами, як правило, відбувається протягом року після публікації стандарту ANSI.

Одна з цілей процесу стандартизації мови С полягала у розробці надмножини над K&R C, яка включала б чимало неофіційних можливостей. Комітети зі стандартизації також додали чимало додаткових функцій, як то прототипи функцій (запозичені в C++), вказівники void, підтримку міжнародних наборів символів та мов і локалей, а також низку розширень для препроцесора. Синтаксис декларації параметрів також було розширено використовуючи запозичення з С++, хоча, інтерфейс K&R також допускається для збереження зворотної сумісності зі старим кодом.

C89 наразі підтримується усіма компіляторами С, і більшість існуючого коду написано на базі даного стандарту. Будь яка програма на писана на стандартній С, і без використання апаратно залежних засобів може бути скомпільована і запущена на будь якій операційній системі та апаратній архітектурі без будь яких обмежень ресурсів.

Стандарт C99

Після процесу стандартизації ANSI, специфікація мови C протягом якогось часу залишилася відносно статичною, тоді як C++ продовжувала еволюціонувати, у значній мірі завдяки своїм власним зусиллям зі стандартизації. Нормативна Поправка 1, створила новий стандарт для мови C у 1995, але лише для того, щоб виправити деякі деталі стандарту C89 і додати обширнішу підтримки міжнародних наборів символів. Проте, стандарт піддався подальшому перегляду в кінці 1990-х, привівши до публікації ISO 9899:1999 у 1999 році. Цей стандарт зазвичай іменують, як «C99». Він був прийнятий, як стандарт ANSI у березні 2000.

Стандарт C99 ввів декілька нових особливостей, багато з яких вже були реалізовані у декількох компіляторах:

• Вкладені функції
• Змінні можуть оголошуватися будь-де (як у C++)
• Введено декілька нових типів даних, зокрема, long long int, явний логічний (булевий) тип даних, і комплексний тип для представлення комплексних чисел
• Масиви зі змінними довжинами
• Підтримка коротких, однорядкових коментарів, що починаються з //, як у BCPL та C++
• Нові бібліотечні функції, як наприклад sprintf
• Нові заголовні файли, як то stdbool.h та inttypes.h
• Вдосконалена підтримка стандарту IEEE для роботи з плаваючою крапкою
• Виправлено друкарські огріхи.

C99 сумісний з C90, однак, має деякі відмінності; зокрема, якщо в декларації ідентифікатора не вистачає специфікатора типу, змінна чи функція надалі не сприймається оголошеною неявно як int. Комітет стандартів вирішив, що важливіше, щоби компілятори діагностували неуважне упущення специфікатора типу, ніж мовчки обробляли код. На практиці, компілятори, ймовірно, діагностують упущення, але й приймають змінну оголошеною як int і продовжують переклад програми.

GCC та інші компілятори C наразі підтримують багато з нових можливостей C99. Проте, вони меншою мірою підтримуються компіляторами таких компаній, як Microsoft і Borland, котрі зосередилися переважно на C++, відтоді, як C++ забезпечує подібну функціональність.

Стандарт C11

Міжнародна організація зі стандартизації (ISO) у грудні 2011 опублікувала оновлений варіант стандарту для мови Сі - ISO/IEC 9899:2011, що був створений під кодовим ім'ям C1X і прийшов на зміну стандарту C99. Оскільки стандарт розвивався досить тривалий час, пройшовши стадії випуску декількох чорнових редакцій, сучасні компілятори, такі як GCC 4.6 і LLVM 3.0, уже підтримують більшість описаних у специфікації можливостей.

У новій специфікації збільшена сумісність з мовою С++ і представлені деякі нові можливості, такі як

• підтримка багатонитевості,
• підтримка Unicode,
• вилучена функція gets,
• інтерфейс для перевірки допустимих меж і діапазонів значень,
• анонімні структури та об'єднання (наприклад, можна вкласти блок union в struct),
• додаткова функція для миттєвого виходу з програми quick_exit,
• статичні твердження (Static assertions),
• задіяння додаткових макросів для перевірки чисел з плаваючою комою.

Фінальний текст стандарту не доступний для вільного завантаження (тільки платне завантаження), але можна завантажити останню чорнову редакцію (PDF, 3.6 Мб, 701 стор), яка майже не відрізняється від затвердженої специфікації.

Використання

Одним із наслідків значного поширення та ефективності С є те, що компілятори, бібліотеки та інтерпретатори багатьох інших високорівневих мов програмування реалізуються на С.

С використовується, як проміжна мова деякими високорівневими мовами програмування. Це здійснюється одним із двох наступних способів:

• Продукується текст програми мовою C паралельно з іншим вихідним кодом: машинним, об'єктним та/або двійковим. Наприклад, така поведінка характерна для деяких діалектів мови Lisp (Lush).
• Продукується виключно текст на С. Приклади: Eiffel, Sather; Esterel.

Вихідний текст програми на С передається компілятору С, який видає кінцевий машинний або двійковий код. Це зроблено задля переносимості (компілятори мови С існують майже для усіх платформ) і уникання необхідності розвитку специфічних для машини генераторів команд.

Завдяки величезній популярності мови програмування C, останні стандарти мови Фортран ввели механізм сумісності, що дозволяє просту і стандартизовану взаємодію між програмами на Фортран та C. Сумісність досягається на майже усіх основних рівнях: вбудованих і похідних типів, вказівників, змінних, функцій та процедур.

Бібліотеки

Мова програмування С використовує бібліотеки, як основний засіб свого розширення. У С, бібліотека — набір функцій, котрі містяться в одному файлі. Кожна бібліотека, за звичай має заголовочний файл, в якому містяться прототипи функцій, присутніх у бібліотеці, яка може використовуватися, а також декларації спеціальних типів даних і макро-символів, що використовують ці функції. Для того, щоб програма використовувала бібліотеку, заголовний файл цієї бібліотеки має бути оголошений вгорі файлу із сирцевим кодом, і бібліотека має бути злінкованою з програмою, що у багатьох випадках вимагає спеціальної опції для компілятора (наприклад, -lmath).

Загальною бібліотекою С є стандартна бібліотека С stdlib.h, що вказана у ISO та ANSI C стандартах, і розповсюджується з кожним сучасним компілятором мови С.

Іншим загальним набором функцій стандартної бібліотеки С є той, що використовується застосунками. Проектувалися вони для UNIX-подібних систем, у першу чергу, для забезпечення інтерфейсу до ядра. Ці функції деталізуються у різноманітних стандартах, на кшталт POSIX та Single UNIX Specification.

Відтоді, як С набула великої популярності, для неї було написано чимало інших бібліотек. Бібліотеки часто пишуться на С, оскільки компілятори C ґенерують ефективний об'єктний код; пізніше програмісти створюють інтерфейси до бібліотек таким чином, що ті можуть використовуватися високорівневими мовами, на кшталт Java, Perl та Python.

Критика

Незважаючи на її велику популярність, С часто критикується. В основному критика зосереджена на тому, що, використовуючи C, важко здійснити деякі бажані дії, і на тому, що, використовуючи C, дуже легко здійснити деякі небажані дії. Коротко кажучи, ефективне використання С вимагає від програміста більше навичок, досвіду та зусиль, ніж це потрібно для деяких інших мов програмування.

Пов'язані мови

Коли об'єктно-орієнтовані мови стали популярними, C++ і Objective-C були двома різними продовженнями C, які забезпечували об'єктно-орієнтовані можливості. Обидві мови спочатку функціонували, як препроцесори — написаний на них код спочатку переводився на C, а потім компілювася компілятором C.

С++

Мова програмування C++ розроблена на основі С, і була отримана у наслідок додавання Б'ярном Страуструпом до неї об'єктно-орієнтованої функціональності із C-подібним синтаксисом.

Objective-C

Objective-C — дуже «тонка» надбудова над С, який дозволяє об'єктно-орієнтоване програмування використовуючи гібрид динамічної/статичної парадигми типів. Основу синтаксису Objective-C склав синтаксис мови С, однак, синтаксис для його об'єктно-орієнтованих можливостей був запозичений у Smalltalk. Objective-C та C++ відрізняються своєю філософією — для більшої інформації, читайте відповідні статті.

С#

Мова програмування C# заснована на строгій компонентній архітектурі і реалізує передові механізми забезпечення безпеки коду. C # об'єднала кращі риси цілого ряду попередників. Крім згаданої раніше мови C++, необхідно указати ще кілька знакових для нашого часу мов програмування, а саме, Java і Visual Basic.

Основні можливості C#

Подібна до мов Java, C++ і Visual Basic, але є компонентно-орієнтованою і більш безпечною. Додано ряд нових рис (делегати, індексатори, механізм (un)boxing і т.д.)

Схожість з Java	Схожість з С++
компонентно-орієнтованим інтерфейси виключення нитки (threads) простір імен сильна (сувора) типізація збір сміття відображення (reflection) динамічне завантаження коду	«перевантажені» оператори небезпечні арифметичні операції з плаваючою точкою деякі особливості синтакису

Структура програми на мові C #

Структура програми на мові C #

Шилдт Г.C# 4.0. Полное руководство.:Пер. с англ. - М.: 000 "И.Д.Вильямс", 2011. - 1054 с.:ил. - ISBN 978-5-8459-1684-6

Див. також

• Оператори в C та C++
• B
• BitC
• C++
• D
• Objective-C