C语言的深度解析

C语言概述

C是一种通用的、过程式编程编程语言，支持结构化编程、词法作用域和递归，使用静态类型系统，并且广发用于系统软件与应用软件的开发。

C语言具有高效、灵活、功能丰富、表达力强和较高的可移植性等特点，在程序设计中备受青睐，成为几十年来使用最为广泛的编程语言。目前，C语言编译器普遍存在不同的操作系统中，例如：Mocrosoft、Windows、macOS、Linux、Unix等。C语言的设计影响了众多后来的语言，如C++、Java、C#等。现在许多的软件都是由C语言或者其影响和派生的编程语言开发出来的。

与ALGOL的大多数过程式编程语言类似，C语言式一个有结构化程序设计、具有变量作用域以及递归功能的过程式语言。其采用的静态类型系统可以防止无意的程序设计操作。C语言中所有的可执行代码都被包含在子程序（函数）里。其传递参数均是以值传递，另外也可以传递指针。C语言式自由形式语言，即其源代码的缩进并不影响程序的功能，而是使用分号作为语句的结尾，花括号来表示代码块。

由于C语言的语言规模较小，若干高层的机制需要使用定义的函数来提供。如C语言并没有直接处理复合对象（字符串、集合、列表、数组等）的操作，也没有对于存储器分配工具和内存回收工具的直接定义，同时也本身不具有输入和输出以及文件访问的方法。然而，用户定义的函数和C语言标准库中的函数为这些高层的机制提供了可能性。

C语言具有以下特点：

• 基本数据类型包括字符、整型和浮点数等。另外有派生的个各种数据类型，如指针、数组、结构体和联合。
• 部分的变量类型可以转换，例如整数型和字符型变量。
• 通过指针，C语言可以容易的对存储器进行低端控制。
• 不同的变量类型可以用结构体(struct)组合在一起。
• 具有基本的控制流：语句组、条件判断、多路选择、循环等。
• 函数可以返回各种数类型的值，并且都可以递归调用，每次调用函数会重新创建变量。
• C语言只有32个保留字，使变量、函数名命名有更多的弹性。
• 编译预处理让C语言的编译更具有弹性。

C语言内存管理

C语言的特色之一是：程序员必须亲自处理内存的分配细节。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。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）会处于安全性的考量，提供方法以进行运行时内存边界的检查。

大多数C语言实现使用栈（stack）来保存函数返回地址/栈帧基址、完成函数的参数的传递和函数局部变量的存储。然而，在部分极特殊的平台上，使用栈并不能获得最大效率。此时的实现由编译器决定，如果程序需要在运行的过程中动态分配内存，可以利用堆（Heap）来实现。

C程序的元素存储在内存的时候有3种分配策略：

• 静态分配
  如果一个变量的声明为全局变量或者时函数的静态变量，这个变量的存储将使用静态分配方式（static将变量或函数从栈空间转变为静态区）。静态分配的内存一般会被编译器放在数据段或代码段来存储，具体取决于实现。这样做的前提是，在编译时就必须确定变量的大小。以IA32的x86平台及gcc编译器为例，全局及静态变量放在数据段的低端；全局及静态常量放在代码段的高端。

• 自动分配
  函数的自动局部变量应该随着函数的返回会自动释放（失效），这个要求在一般的体系中都是利用栈（stack）来满足的。相比于静态分配，这时候，就不必绝对要求这个变量在编译时就必须确定变量的大小，运行时在决定也不迟，但是C89仍然要求在编译时就要确定，而C99放松了这个限制，无论C89还是C99，都不允许一个已经分配的自动变量运行时改变大小。所以说C函数永远不应该返回一个局部变量的地址，要指出的是，自动分配也属于动态分配，甚至可以用alloca函数来像分配堆（Heap）一样进行分配，而且释放时自动的。

• 动态分配
  还有一种更加特殊的情况，变量的大小在运行时有可能改变，或者虽然单个变量大小不变，变量的数目却有很大弹性，不能静态分配或者自动分配，这时候可以使用堆（Heap）来满足要求。ANSI C定义的堆操作函数是malloc、calloc、realloc和free。使用堆（Heap）内存将带来额外的开销和风险。

C语言标准库

C语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”，标准库的声明头部通过预处理器命令#include进行引用。

下面以C99标准进行介绍：

文件	简介说明
	断言相关
	字符类型判断
	标准报错机制
	浮点运算
	各种体系结构限制
	本地化接口
	数学函数
	跨函数跳转
	信号（类似UNIX的信号定义，但是差很远）
	可变参处理
	一些标准宏定义
	标准I/O库
	标准工具库函数
	ASCII字符串及任意内存处理函数
	时间相关
	复数运算
	用于访问浮点环境以及特定类型
	提供整数输入的各种进制转换的宏
	提供布尔值
	更加丰富的整数类型
	包括math.h和complex.h函数库