深入C语言和程序运行原理（1）— 如何更好地拥抱现代 C 语言？
- C语言
- 2022-09-28
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相信来学习这门课的大部分同学，都或多或少接触过一些 C 语言的基础知识。但是，我认为掌握 C 语言的基本语法并不困难，更重要的是能够灵活、高效地使用这门语言，并通过观察语言背后机器的执行细节，来深入了解关于编译优化、程序执行，以及计算机体系结构等其他相互关联的知识。
C 语言是工作中使用最多的语言之一。由于 C 语言语法简单、抽象层次较低，能够通过它在进行原型验证时精确地控制程序的运行状态。另一方面，在接触操作系统、Unix 系统编程、语言运行时，以及系统库等相关内容时，更深切地感受到了解 C 语言对于深入理解这些内容的重要性。
因此，这门课将不会介绍 C 语言的语法细节，而是结合 C 核心语法、汇编代码，以及计算机体系结构等相关知识，来讲述 C 语言、应用程序和操作系统三者之间的协作关系。
C 语言过时了吗？
说到学习 C 语言，很多人都会有这样的问题：在新编程语言层出不穷的今天，C 语言已经诞生了这么久，会不会马上就要过时了？
对此，回答是：C 语言还远远没有过时，相反，学习 C 语言是非常有必要的。
从下图（图片来自 https://www.tiobe.com）中可以看到，自 2000 年以来，C 语言便一直处于 TIOBE 编程语言榜单的前两名。作为全球最知名的，反映编程语言热门程度的榜单，TIOBE 指数直接表明了哪些语言是应该被及时掌握的。它对世界范围内编程语言的整体走势有着重要意义。
不仅如此，C 语言本身也处在不断的“进化”过程中。下图展示了 C 语言诞生至今的几次重大版本的发布内容。可以看到，C 语言在发展的同时也在尽可能保持着自身的精简。而最近 C2x 标准草案的制定也证明了时至今日的 C 语言，仍然“老当益壮”。
总之，C 语言远远没有过时。其实，C 语言问世几十年来，一直都是使用最广泛的编程语言之一。
作为一种静态编译型语言，C 语言有着其自身所适合的应用场景。确实，我们无法使用它来编写 Web 应用，也无法使用它来高效快捷地构建深度学习应用。但要知道的是，用于支持这些应用正常运行的系统组件，乃至操作系统内核，都是使用 C 语言编写的。现如今，这个世界上几乎所有重要的软件都与 C 有着直接或间接的关系。
C 语言被广泛应用于实现操作系统、嵌入式系统应用、编译器、数据库、驱动程序，以及服务器应用等较为底层和基础的系统级程序。除此之外，C 语言在诸如数值计算、工业控制、物联网，乃至科研领域也有着重要的应用。
那么，为什么 C 语言使用如此广泛呢？原因主要有两个，一是它有着远优于大部分其他语言的程序精确控制能力，二是它高效的运行时性能。
精确控制程序
C 语言在设计上对平台独立的低层次汇编指令进行了适度的抽象，在大多数情况下，它的代码可以直接映射到硬件平台上的机器指令。因此，我们能够更加灵活地控制程序的具体表现行为。
我们来看个例子吧。使用 C 语言，我们甚至可以直接控制代码中某个变量值的存放位置，视情况来决定将它存放在栈内存中，还是寄存器中。如下图所示，这里，左右两个窗口中相同背景颜色的代码行，表示了 C 代码与其对应的汇编代码。可以看到，左侧 C 代码中第三行变量x 的值被存放到了 ebx 寄存器中。
在某些特殊场景下，我们甚至可以直接在 C 代码中嵌入汇编代码，以更细粒度的方式来控制程序的执行，或直接与更底层的硬件进行交互。比如在下面这段代码中，我们使用 asm 关键字嵌入了两行汇编代码，你能猜出它们做了什么吗？
#include <stdio.h>
int main( void )
{
int src = 1;
int dst;
asm ("mov %1, %0\n\t"
"add $1, %0"
: "=r" (dst)
: "r" (src) );
printf( "%d\n", dst );
}
C 语言更贴近底层硬件的这一特征，就使得它非常适合被应用在需要细粒度控制资源，或与底层硬件打交道的场景中。实际上，这其中有很多优秀项目都是你所熟知，甚至在日常工作中都会经常使用到的。比如代码版本管理工具 Git、高性能 Web 服务器 Nginx、高性能 NoSQL 数据库 Redis，以及最知名、代码行数最多的开源项目 Linux 内核等。因此，如果你想要读懂它们的设计、搞懂它们的原理，那了解 C 语言便是一个必不可少的过程。
需要注意的是，C 语言也保持了高级语言的部分特性，比如提供了接近于自然语言的语法和关键字，且源代码可以做到独立于机器的分发和使用。因此，使用 C 语言，我们既能享受到它作为高级语言时的自然语法和特性，又能够做到同低级语言一样，精确地控制程序的执行细节，甚至直接与硬件交互。
高效的运行时性能
很明显，使用 C 语言正确实现的程序可以享受到最高的运行时性能。而通过内联汇编，它甚至可以与直接编写的汇编代码相比肩。
需要注意一点：和其他语言不同，C 并未提供语言内置的诸如垃圾回收（GC）等可能导致额外运行时开销的特性。在提升了性能的同时，需要正确处理内存的分配与回收过程，以避免出现诸如内存泄露等问题。在这门课里，会为你介绍如何正确地编写 C 代码，来避免类似的问题。
学习 C 语言，为什么是修炼编程内功的必经之路？
这时候，有人可能会问了：我并不想做嵌入式、操作系统这些底层开发，平时的开发工作感觉 Java、Go 这些语言也够用了，为什么还要学习 C 语言呢？
答案是：即使你不使用 C 语言进行开发，深入学习 C 语言，也是你修炼内功、成为编程和计算机高手的必经之路。
为什么这么说呢？主要有三个原因。
[danger]第一，C 语言作为一门简单通用的早期编程语言，是 Go、Objective-C、C#、Java 这些高级编程语言在设计时所参考的“原型”语言。可以说，C 语言就是众多编程语言中的“九阳神功”，相信在你深入了解 C 语言后，再去学习其他语言，也会变得轻松许多。[/danger]
[info]第二，上面也提到过，C 语言是目前众多流行操作系统、编译器、上层实用软件与各类系统组件，乃至嵌入式开发所使用的源语言。因此，学习 C 语言也让我们具有了能够去探索优秀软件内部实现细节的能力，而这通常也是优秀工程师提升自我实力的一种快捷方式。[/info]
[warning]第三，C 语言的抽象程度非常低，是最适合用来帮助理解计算机系统底层运作机制的语言。在学习如何高效使用 C 语言的过程中，你将会学习到有关高速缓存、内存、寄存器，以及函数调用等相关的内容，而这无疑对你提升自身实力有着巨大的帮助。总之，深入学习 C 语言之后，我们就拥有了从“更低纬度”理解计算机运作机制的能力。[/warning]
网上流传的一个不太恰当的比喻是：学习 C 语言正如我们通过学习营养学、健康学来为自己合理地制定饮食计划。当然我们也可以选择直接购买市面上已经装配好的各类营养餐品，但当身体状况并没有按预期发展时，我们并不清楚问题出在哪里。并且，当需要实现一些特殊的定制化需求时，可能市面上的产品功能总会与我们的目标有所出入。
编程也是如此，相较于直接使用诸如 Python、Java 等高抽象粒度的编程语言，学习 C 语言能够让你从基础层面了解程序是如何工作的。理解了计算机系统的底层运作机制，你在设计更复杂、性能更高的程序时，便能够得心应手、融会贯通。
所以，要想深入理解计算机系统的运行原理，学习 C 语言是一个必经之路。
这门课涉及的内容都是基于 x86-64 平台下的 Linux 系统进行介绍的。当然，对于 macOS和 Windows 系统来说，某些细节会有所不同，但基本原理是相通的。
时至今日，C 语言作为最“古老”的编程语言之一，仍然“老当益壮”、生生不息。这一切靠的不是巧合，而是绝对的实力。而要发挥 C 语言的最大威力，我们就不应该只简单了解它的语法，而应该在此基础上进一步了解代码如何被编译，程序如何被运行。只有当完整的“链路”建立在脑海中时，你才对程序有了最完全的把控。