作者：Tom M

译者：弯月

对于我来说，学习 C 语言好难啊。这门语言本身的基础知识并不是很难，但是“用 C 语言编程”需要用到各种知识，这些知识可没有那么容易掌握：

C 语言在各个平台和操作系统上的行为有所差异，因此你需要了解平台；

C 语言有许多编译器选项和构建工具，即使运行一个简单的程序也需要做出很多决定；

C 语言涉及很多与 CPU、操作系统、编译代码有关的概念；

C 语言的使用方式多种多样，远不像其他语言那样有中心化的社区和统一的风格。

在本文中，我想总结一下 C 语言的学习要点和建议，希望能对你有所帮助。

学习资源

值得借鉴的项目

编译、链接、标题和符号

不推荐使用的功能

数组不是值

编译器的各种选项

三种类型的内存，以及何时使用它们

命名约定

static

结构方法模式

const

平台和标准 APII

整数

大小

算术运算与整数提升

char 类型的符号

宏与 const 变量

宏与内联函数

学习资源

TutorialsPoint C：基本知识介绍

awesome-c：库和工具列表

cppreference：C 语言和标准库的技术参考

值得借鉴的项目

在学习的过程中，阅读一些 C 语言代码会很有帮助。

Bloopsaphone：一个声音合成 Ruby 库，其核心有一个很小的 C 模块。概念少，结构好；

Simple Dynamic Strings（sds）：有一个 .c 和 .h 文件，是一个很好的学习C语言的例子，说明了如何管理更复杂的资源；

Brogue CE：一款类 Roguelike 视频游戏。这个库相对较大，大约有3万行代码。我正在维护这个代码库，而且我们还有许多贡献者都是C语言高手；

stb 单文件库：其中包含许多中小型 C 模块，主要面向嵌入式设备和游戏机。

编译、链接、标题和符号

下面是一些关于如何编译 C 语言的基础知识。

C 语言的代码是用源文件 .c 编写的。每个源文件都会被编译成一个目标文件.o，这个文件就像一个容器装载了.c文件中编译后的函数。但这些函数是不可执行的。目标文件内部有一个符号表，这些符号是该文件中定义的全局函数和变量的名称。

源文件之间是完全独立的，可并行编译成对象。

如果想跨文件调用函数和变量，则必须使用头文件（.h）。这些文件也是 C 源文件，只不过使用方式比较特殊。回顾一下，目标文件只包含全局函数和变量的名称，没有类型、宏，甚至没有函数参数。如果想跨文件使用这些符号，就需要指定额外的信息。我们将这些“声明”单独放在 .h 文件中，然后由其他 .c 文件通过 #include 包含进来。

为避免重复，通常 .c 文件不会定义自己的类型/宏等，而是只包含自己或自己所属的模块或组件的头文件。

你可以将头文件视为 API 的规范，只不过实现可以放在多个源文件中。你甚至可以在同一个头文件中实现不同的平台或目的。

如果编译时遇到一个只有声明（例如通过头文件）、没有定义的符号引用时，编译出的目标文件会将其标记为缺失需要填补。

最终的这部分工作由编译器的“链接器”组件完成，由它负责将一个或多个对象连接在一起，匹配所有的符号引用，然后输出完整的可执行文件或共享库。

概括起来，C语言的源文件中不能包含其他源文件，只能包括声明，然后由链接器完成匹配。

不推荐使用的功能

C 语言拥有悠长的发展历史，尽管 C 语言一直在努力实现向后兼容，但仍有一些功能是我们应该避免使用的。

atoi()与atol()：这两个函数在出错时会返回 0，但这也是一个有效的返回值。个人更推荐 strtoi() 等。

gets() ：不安全，因为这些函数无法给出目标缓冲区的界限。个人更喜欢 fgets()。

数组不是值

在学习 C 语言的过程中，我们必须认识到，C 语言作为一种语言，只处理大小已知的数据块。你可以认为 C 语言是一种“复制已知大小值的语言”。

我们可以向程序传递整数或结构，通过函数返回它们，并将它们视为相应的对象，因为 C 知道它们的大小，因此 C 可以编译代码，并复制完整的数据。

然而，数组却完全不同。对于 C 语言来说，数组的大小是未知的。假设我在一个函数中声明了一个变量 int[5]，实际上我得到的并不是类型 int[5] 的值，而是一个 int* 值，它指向的位置分配了 5 个整数。由于这只是一个指针，因此程序员必须代替语言来负责复制真正的数据并保证数据有效。

但是，结构内的数组与值一样，可以与结构一起复制。

（严格来讲，指定了大小的数组是真正的类型，而不仅仅是指针，例如你可以通过 sizeof 得知整个数组的大小。只不过，你不能将它们视为独立的值。）

编译器的各种选项

C 语言的编译器有很多选项，而且默认值不是很好用。下面是一些你可能需要的选项。

-O2：在发布代码时，对代码进行优化。

-g -Og：用于调试代码，可以让调试器输出额外的信息，并根据调试进行优化。

-Wall：启用更多警告（有点像 linter），你可以通过-Wno禁用特定警告。

-Werror：警告变成错误。我建议启用 -Werror=implicit，这样可以确保调用未声明的函数会报错。

-DNAME 和 -DNAME=value：用于定义宏。

-std=...：选择一个标准。在大多数情况下，你可以省略这个选项，使用编译器的默认值（通常是最新标准）。如果你想使用“经典”C，可以指定 -std=c89。

三种类型的内存，以及何时使用它们

自动存储：用于保存局部变量。当函数被调用时，就会创建一个新的自动存储区域，并在函数返回结果时删除。只有返回值会被保留，并被复制到调用它的函数的自动存储中。这意味着，返回一个指向局部变量的指针是不安全的，因为底层数据会被默默删除。自动存储通常被称为“栈”。

分配的存储：运行malloc() 会返回的内存类型，这种内存会一直保留，直到被 free() 函数释放，所以可以被传递到任何地方，包括返回给上级调用函数。通常被称为“堆”。

静态存储：在程序的整个生命周期内有效。在进程启动时分配，全局变量都存储在这里。

如果想通过一个函数“返回”内存，不必通过调用 malloc，可以直接将一个指向本地数据的指针传递给函数：

命名约定

C 语言不支持命名空间。如果你想编写一个公共库，或者想命名某个“模块”，则需要给所有公共 API 的名称加上一个前缀。这些名称包括：

函数

类型

枚举值

宏

另外，每个枚举也应该加上不同的前缀，这样才能分辨某个值属于哪种枚举类型：

关于命名，并没有太多真正的约定，你可以随意选择蛇形命名法（snake_case）或驼峰式命名法（camelCase），但请记住保持一致！由于许多标准 C 类型都采用了 ptrdiff_t、int32_t  等形式，所以有人将类型命名为 my_type_t。

static

函数或文件级别的 static（静态）变量仅限文件内部访问。这些函数或变量不会作为符号导出，因此无法在其他源文件中使用。

static 也可以用在局部变量上，可以让变量在多次函数调用之间保持值不变。你可以将其视为一个仅限于该函数使用的全局变量。你可以利用 static 计算和存储数据，以供后续调用重用。但请记住，这种使用方法与全局状态或共享状态有同样的问题，例如线程安全、递归冲突等。

结构方法模式

如果你在学习 C 语言之前，学习过更有特色的语言，可能会发现很难将这些知识应用到 C 语言的学习中。例如，面向对象编程常见的一个概念：结构方法，即函数接受指向结构的指针，并通过指针修改结构或获取属性：

你无法扩展结构或实现类似于面向对象的功能，但采用这种思路来思考问题很有用。

const

以 const T 的形式声明类型 T 的变量或参数，则表示这个变量或参数不能被修改。这意味着，不能赋值，而且如果 T 是指针或数组类型，也不能被修改。

你可以将 T 转换为 const T，但反之不行。

设置函数的指针参数默认为 const 是一个好习惯，只有确实需要修改这些变量时再省略 const。

平台和标准 API

我们很难根据 #include 来判断依赖项究竟是什么，它有可能来自：

标准 C 库（缩写为“stdlib”）。比如：stdio.h、stdlib.h、error.h。

这是语言规范的一部分，所有兼容的平台和编译器都应该实现。非常安全，可以放心使用。

https://en.cppreference.com/w/c/header

POSIX：操作系统 API 的标准。比如：unistd.h、sys/time.h。

一般由 Linux、macOS、BSDs 实现。

默认情况下，不可在Windows使用。如果使用 MinGW，则可以使用 POSIX API。如果想获得更完整的支持，可以使用 Cygwin 库。

你可以通过官方的OpenGroup页面或帮助手册，查看POSIX头文件的所有详细信息（包括 C stdlib）。

非标准操作系统接口。

特定于 Linux 的 API。

Windows Win32（以及 C++/WinRT——这是一种更现代的 C++ 接口）。

（Mac 的 OS API 是 Objective C（现在是 Swift），而不是 C。）

安装在标准位置的第三方库。

你可以通过不依赖于平台的头文件与更多平台特定的代码进行交互，这样就可以通过不同的方式实现。许多流行的 C 库本质上只是对特定于平台的功能进行了统一的、精心设计的抽象。

整数

C 语言中的整数是一个非常大的坑。编写代码时，一定要小心。

大小

所有整数类型都有确定的最小位数。在一些常见的平台中，整数的大小都大于最小位数，例如 int 在 Windows、macOS 和 Linux 上都是 32 位的，但其最小位数是 16 位的。在编写可移植的代码时，你必须小心，不能让整数的大小超过最小位数。

如果想精确控制整数大小，可以使用 stdint.h 中的标准类型，如 int32_t、uint64_t 等。还有 _least_t 和 _fast_t 类型。

算术运算与整数提升

C语言中的算术运算有许多奇怪的规则，并产生意想不到的或不可移植的结果。

另外，请格外小心整数提升。

char 类型的符号

所有其他整数类型默认都有符号，但char可以有符号，也可以没有符号，具体取决于平台。因此，只有在作为字符时，这种类型才可移植。如果你想指定一个很小的数字，比如只有8位，也要指定符号。

宏与 const 变量

如果想定义一个非常简单的常量值，你有两种选择：

二者的不同之处在于，前者是一个真正的变量，而后者是一个复制粘贴的行内表达式。

宏：与变量不同，你可以在需要“常量表达式”的上下文中使用宏，例如数组长度或 switch 语句

变量：与宏不同，你可以获得指向变量的指针。

“常量表达式”实际上非常实用，因此常常被定义为宏。而变量则更适合更大或更复杂的值，如结构实例。

宏与内联函数

宏可以有参数，并扩展为 C 代码。

相较于函数，宏的优势在于：

宏产生的代码相当于直接粘贴到周围的代码中，而不像函数需要一个调用指令。这样代码的运行速度更快，因为函数调用需要额外的开销；

宏不需要规定类型。例如，任何数字类型都可以执行 x + y 运算。如果写成函数，就必须声明参数，并指定类型，比如类型大小、是否有符号，因此使用很有限。

缺点：

参数需要反复计算。假设我们有一个宏 MY_MACRO(x)，如果定义中多次使用 x，那么表达式 x 将被反复计算，因为它只是简单地复制和粘贴。而相比之下，函数的参数表达式只需要计算一次，然后将结果传递给函数。

宏更容易出错，因为它们是源代码级别。尽可能多使用括号，将宏的整个定义和每个参数都放到括号内，这样表达式就不会不小心被合并。

除非你需要多种泛型，否则可以直接定义静态内联函数（static inline function），这样就可以兼具二者的优点。内联表示，函数中的代码应该直接编译到使用的地方，而不是被调用。你可以将静态内联函数放在头文件中，就像宏一样。