C语言探索之旅 | 第一部分第一课:什么是编程?

作者 谢恩铭,公众号「程序员联盟」(微信号:coderhub)。
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内容简介


  1. 开宗明义
  2. 什么是编程?
  3. 总结
  4. 第一部分第二课预告

1. 开宗明义


不知道为什么,一直对 C语言有一种很深厚的“情怀”(类似老罗对锤子手机的那种)。

  • 也许因为 C语言是很多前辈谆谆教诲说一定要学一下的一门编程语言;
  • 也许因为 C语言自 1972 年诞生以来历经数十年依然独领风骚,位列编程语言排行榜前三;
  • 也许因为几乎所有操作系统(Windows、Unix、Linux,macOS,Android、iOS,等),底层都有大量的 C语言代码;
  • 也许因为 C语言在嵌入式领域是主要的编程语言;
  • 也许因为在诸多编程语言中,C语言的入门是比较难的;
  • 也许因为需要 5 到 10 年的时间,你才能说自己精通了 C语言;
  • 也许因为学好了 C语言,一般就能轻松入门其他语言。

有太多也许,但是可以肯定的是:C语言是一门充满魅力的编程语言。

C语言的发明人,“C语言之父” Dennis Ritchie 在 2011 年去世。很低调,没有太多新闻报道。同年史蒂夫.乔布斯去世,各界报道铺天盖地(当然了,乔布斯也是很伟大的人)。

我想说:应该多纪念那些低调付出的人。

Dennis Ritchie 除了 C语言这项伟大发明(Windows、Linux 和 macOS 操作系统,底层几乎都用到了 C语言),还与 Ken Thompson 一起研发了 Unix 操作系统(虽然大部分工作是 Ken Thompson 起步的,不过后来 Dennis 用自己发明的 C语言重写了 Unix 操作系统)。

要知道,Unix 操作系统成为了后来举世闻名的 Linux 操作系统的参考对象,Android 手机底层就是用的修改过的 Linux 系统。苹果的 macOS 操作系统底层也是类 Unix 系统。我们用的 iPhone 和 iPad 等的操作系统,底层大部分也是 C语言编写的。

不为了提高编程水平,光为了感受大师的风采,光为了探寻一下我们每天都在接触的这门语言,也要学一下这位了不起的人物的传世杰作:C语言。

在这个系统课程中,我将带大家一起探索 C语言的奇妙世界。

2. 什么是编程?


你也许听说过编程,也许你想要真正明白编程到底是怎么一回事。

用 C语言编程,是怎么样的呢?用 C语言作为入门编程的第一门语言真的好吗?我们能用 C语言做任何事吗?

这一课就是为了回答上述可能显得有点愚蠢但实际上很重要的问题。而且借着这些问题,你在学完这一课后会找到你真正想要的答案。

在学一样技术前先了解一下用它能做什么,不是很好么?

我们从最简单的问题开始:

什么是编程?

编程意味着“编写计算机程序”,这些程序能让你的机器(一般来说是电脑)做你要它做的事情。

实际上,你的电脑里充满了各样的程序:

  • 计算器是一个程序;
  • 文本编辑器也是一个程序;
  • 你的聊天软件(QQ,微信,等)也是程序;
  • 你玩的游戏也是程序。
合金弹头

上图大家可能有点陌生,不过这是我那一辈(80 后)的人很喜欢玩的经典游戏 Metal Slug(《合金弹头》或称《越南战争》),就是一个程序。

简单来说,在今天的日常生活中,程序随处可见。大到航空母舰、空间站;小到智能手表、iPhone,里面都有各种大大小小的程序。

程序几乎可以让你用电脑做任何事情。你可以自己编写一个革命性的加密软件,也可以编写一个 3D 格斗游戏。你的电脑可以为你做任何事(除了泡咖啡之类,不过未来应该可以)。

注意了,我可不是让大家现在就去写一个 3D 格斗游戏,因为那太复杂了,会让你手指抽筋的。我们的课程会循序渐进,一开始是最简单的,可能只是实现在窗口里显示一段文字。

说来说去,C语言是什么呀?

编程,用什么语言呢?


你的计算机(computer,也叫“电脑”)真的是一个奇怪的家伙,这样说已经算很给它面子了。我们给它传递命令,只能输送给它 0 或 1(因为电脑里面有大大小小的数不胜数的晶体管,而它们被用来做“开关”,0 和 1 正好可以用来表示“开启”或“关闭”这两个状态,所以电脑最底层其实都是 0 和 1 这样的二进制码)。打个比方,我要让电脑做加法:

“计算 1 + 2 等于多少”。我实际上输给电脑的是(是我随便写的,我并不记得怎么转换这句话到二进制码):

01010011101100110011110101

正如你看到的,这就是你的电脑所会的语言,被称为“二进制语言”。它也只会这门语言,可以看到这门语言完全不容易理解。

所以,我们的第一个真正的问题来了:

怎么才能够用更简单的语言来和电脑对话呢,难道只能用 0 和 1 吗?

你的电脑既不讲中文也不讲英语。然而,即使最疯狂的专家也不会真的要去用二进制码来编写程序,那简直令人难以忍受。

所以,我们的计算机学者们就想到:先用其他简单一些、便于理解的语言编写程序,之后再把它翻译成电脑的二进制语言。

最不容易的,就是要编写这样一个“翻译”程序。幸亏计算机学者们已经把这样的翻译程序写好了,我们也没必要重新做了(着实松了一口气)。所以我们要做的就是告诉电脑:“我要做加法:1 + 2 等于多少”,这句话会被翻译成电脑的二进制码:

01010011101100110011110101

一些术语


上面我在解释时都是用的简单的词语,但要知道在计算机领域,每样事情都有特定的术语。这个系列课程中我们都将使用合适的术语。

这样有好处,不仅可以显得你比较“高大上”,而且当你有一天要跟另一个程序员解释一些原理,用专业术语才好。虽然周围的人可能会把你当“火星人”看,但大可不必理会。

上面我们说过,我们不可能用 0 和 1 来编写程序,所以我们使用“简化的语言”,按专业术语应该被称为“高级语言”。

编程语言有几个等级,等级越高就越接近于我们人类的语言(比如英语)。高级语言使用方便,但是也有一些缺陷,之后我们会看到。

下面列举一些高级语言:

  • C
  • C++
  • Java
  • Swift
  • Python
  • JavaScript
  • PHP
  • Go

当然这里只是列举常用的几种,要把所有高级语言列出来那得花不少时间。

除了刚才的高级语言,另一个我们要记得的术语是:源代码。所谓源代码,就是你用高级语言写出来的代码。所以你得先写出源代码,然后再把源代码转换成机器能理解的二进制码。

接下来再来学两个术语:编译器编译。编译器指的是把源代码转为电脑能理解的二进制码的工具。这个转换的过程,称为编译。

对于每一种高级语言,都有对应的不同编译器。当然,也不难理解,因为每种高级语言本身是不同的么,我们不可能用 C语言的编译器去编译 Java 的源代码。

之后我们还会看到,即使对于一种高级语言(例如 C语言),也存在好几种不同的编译器,有 Windows 的编译器,GNU 的编译器,等等。这些我们会在下一课学到。

由编译器编译出来的二进制程序被称为可执行程序。所以对于 Windows 下的可执行程序,都有一个后缀名 .exe(就是 EXEcutable 这个英语单词的前三个字母,表示“可执行的”)。

为什么选择学习 C语言


之前说过,高级语言有很多种。我们应该在它们之中特别选择一门来作为入门编程的语言么?

这是大问题。

我们有如下选择:

  • 很高级的语言:非常容易使用,可以说适合普罗大众。其中,有 Python,Ruby,等。通常来说,用这些语言写程序会比较快捷。然而它们常需要一些额外的文件(比如解释器)才能执行。

  • 没有那么高级的语言:这类的高级语言(C语言是一种),诚然不容易编写。但是学习这样的语言可以帮助更深刻地理解编程的原理和电脑运作的原理。之后你再要学一门新语言会很容易,你完全可以自学。

此外,C语言非常流行。大量我们日常使用的软件都是用 C语言编写的。计算机学科也经常用 C语言作为教授编程的语言。

你可能会问,有一个问题我不明白:“C语言和 C++语言有什么区别呢?”

可以说,C语言和 C++ 比较类似,都是使用非常广的语言。为了更好地说明它们分别是如何诞生的,我们来说点历史好了:

在电脑重达几吨,大小像一大间屋子那样的时代,计算机领域的前辈们开始发明一门编程语言:Algol。

技术不断进步,他们又发明了一门新的语言:CPL,之后发展成为 BCPL,后来被称为 B语言。

后来,终于发展成了 C语言。

又过了一段时间,人们想要在 C语言上加一些东西(一些改进,如果你非要这么说的话)。这门新语言诞生了,就是 C++,是基于 C语言发明的。C++ 在 C语言的基础上加了不少新的东西,使我们可以用不同的方式编程。

注意:这并不是说 C++ 比 C 更优秀,只是可以让我们用不同的方式编程。也不是说 C语言相比就是一门老旧的语言,不,C语言今天仍然很常用,它是我们所用的 Windows,macOS,Linux,Unix 等操作系统的基础,而且在嵌入式领域也是主要的编程语言。

编程艰辛么?


这个问题可能困扰很多人。是否需要成为有几年研究经验的数学家才能学编程呢?

答案是:绝不。学编程并不需要在数学方面有多大造诣,当然数学好对学编程也是大有裨益的(比如编写 3D 游戏,就需要有一些空间几何知识)。其实最常用的也就是四则运算了:加、减、乘、除。

那编程有什么难的呢?

诚然,不是那么可怕。但是可能需要知道电脑工作的机制,为了更好的理解我们用 C语言做的事。

一个程序员一般有以下特质:

  • 耐心:很多时候,你的程序不是第一次就能顺利运行的,要坚持不懈。

  • 逻辑意识:不需要有很多数学知识,但是要会思考。对于认为编程轻而易举的人,对不起了。

  • 冷静:急躁起来也不能拿榔头敲电脑啊。要让程序运行,可不能这样做。

简单说来,学习编程没有特别需要的技能。一个对数学一窍不通的人也可以成为很好的程序员,关键是要有耐心思考问题。很多人后来都发现自己爱上编程了,变得喜爱思考。

3. 总结


  1. 为了实现计算机程序,我们需要用电脑懂得的语言来编写程序。

  2. 有很多种编程语言,我们可以按等级来分。一般越高级的语言,越容易掌握,但是在最终的程序效能上可能会差一些。

  3. 我们要一起来学习的 C语言被认为是高级语言里偏低级的。它是全世界最著名和最常用的语言。

  4. 源代码是一系列指令,用编程语言编写。

  5. 编译器是一个把我们的源代码转换成二进制码(0 和 1)的程序,转换之后的二进制程序可以被我们的电脑执行。我们在 Windows 操作系统里经常遇到的 .exe 文件就是二进制文件,里面可没有源代码。

  6. 编程并不需要很高深的数学知识,除非你的程序要调用一些数学公式,比如加密程序。但是,编程需要你有逻辑意识,并且有条不紊。

4. 第一部分第二课预告


今天的课就到这里,一起加油吧!

下一课:C语言探索之旅 | 第一部分第二课:工欲善其事,必先利其器


我是 谢恩铭,公众号「程序员联盟」(微信号:coderhub)运营者,慕课网精英讲师 Oscar 老师,终生学习者。
热爱生活,喜欢游泳,略懂烹饪。
人生格言:「向着标杆直跑」