C (ngôn ngữ lập trình)

Ví dụ "hello, world"

Ví dụ đơn giản sau đây được thấy trong lần in đầu tiên của cuốn "The C Programming Language", và đã trở thành bài tiêu chuẩn trong chương nhập môn của hầu hết các loại sách giáo khoa về lập trình. Chương trình hiển thị câu "hello, world!" trên đầu ra chuẩn, mà thường là một màn hình. Mặc dù vậy, nó có thể xuất ra một tập tin hay xuất ra trên một thiết bị phần cứng kể cả trên một vùng chứa, tùy thuộc vào việc đầu ra chuẩn được chỉ thị vào đâu khi chương trình này được thực thi.
1 #include <stdio.h>2 int main(void)3 {4     printf("hello, world!");5     return 0;6 }
Chương trình trên sẽ dịch đúng trong hầu hết các trình dịch hỗ trợ chuẩn ANSI C hay chuẩn C99.
Sau đây là các phân tích theo từng dòng mã của ví dụ trên
1 #include <stdio.h>
Dòng đầu tiên này là một chỉ thị tiền xử lý #include. Điều này sẽ làm cho bộ tiền xử lý (bộ tiền xử lý này là một công cụ để kiểm tra mã nguồn trước khi nó được dịch) tiến hành thay dòng lệnh đó bởi toàn bộ các dòng mã hay thực thể trong tập tin mà nó đề cập đến (tức là tập tin stdio.h). Dấu ngoặc nhọn bao quanh stdio.h cho biết rằng tập tin này có thể tìm thấy trong các nơi đã định trước cho bộ tiền xử lý biết thông qua các đường tìm kiếm đến các tập tin header. Tập hợp các tập tin được khai báo sử dụng qua các chỉ thị tiền xử lý còn được gọi là các tập tin bao gồm.
2 int main(void)
Dòng trên biểu thị một hàm chuẩn tên main. Hàm này có mục đích đặc biệt trong C. Khi chương trình thi hành thì hàm main() được gọi trước tiên. Phần mã int chỉ ra rằng giá trị trả về của hàm main (tức là giá trị mà main() sẽ được trả về sau khi thực thi) sẽ có kiểu là một số nguyên. Còn phần mã (void) cho biết rằng hàm main sẽ không cần đến tham số để gọi nó. Xem thêm Void
.
3 {
Dấu '{' cho biết sự bắt đầu của định nghĩa của hàm main.
4     printf("hello, world\n");
Dòng trên gọi đến một hàm chuẩn khác tên là printf. Hàm này đã được khai báo trước đó trong tập tin stdio.h. Dòng này sẽ cho phép tìm và thực thi mã (đã được hỗ trợ sẵn) với ý nghĩa là hiển thị lên đầu ra chuẩn dòng chữ 
 hello, world<ký tự xuống dòng EOL-chuyển dấu nhắc sang dòng mới>.
Mã ký tự \n là một dãy thoát được chuyển dịch thành dấu ký tự EOL (viết tắt từ chữ End-Of-Line) có nghĩa là chuyển vị trí dấu nhắc xuống đầu một dòng kế. Gía trị trả về của hàm printf (theo khai báo nguyên mẫu chuẩn của hàm này trong C) có kiểu int, nhưng vì giá trị trả về này không được (người lập trình) dùng tới nên giá trị đó bị bỏ qua (một cách lặng lẽ).
5     return 0;
Dòng này sẽ kết thúc việc thực thi mã của hàm main và buộc nó trả về giá trị 0 (là một số nguyên như khai báo ban đầu  int main ).
6 }
Dấu '}' cho biết việc kết thúc mã cho hàm main.

Các kiểu

C có một hệ thống kiểu tương tự như của Pascal, mặc dù chúng khác nhau trong một số khía cạnh. Có nhiều kiểu cho các số nguyên với nhiều cỡ cho có đấu và không có dấu, có kiểu số floating point, kiểu các ký tự char, các kiểu thứ tự enum, kiểu bản ghi record và kiểu đơn vị union.
C tạo ra sự mở rộng mạnh mẽ việc sử dụng của kiểu các con trỏ pointer, một dạng đơn giản các tham chiếu mà chúng chứa địa chỉ các vùng nhớ. Các con trỏ có thể được tham chiếu ngược (dereference) để lấy về giá trị của dữ liệu được chứa trong địa chỉ đó (địa chỉ mà con trỏ chỉ vào). Địa chỉ này có thể được điều chỉnh bằng các phép gán thông thường và các phép toán số học trên con trỏ. Trong thời gian thực thi, một con trỏ đại diện cho một địa chỉ của bộ nhớ. Trong thời gian chuyển dịch, nó là một kiểu phức tạp đại diện cho cả địa chỉ và kiểu của dữ liệu. Điều này cho phép các biểu thức bao gồm các con trỏ được kiểm tra về kiểu. Các con trỏ thì được dùng cho nhiều mục tiêu trong C. Các dòng ký tự string thường được đại diện bởi một con trỏ chỉ tới một dãy của các ký tự. Sự cấp phát bộ nhớ động, được miêu tả sau đây, thì được tiến hành thông qua các con trỏ.
Một con trỏ rỗng có nghĩa là nó không chỉ đến một chỗ nào hết. Điều này có ích trong những trường hợp như là con trỏ next trong một nút cuối của một danh sách liên kết linked list. Việc tham chiếu ngược một con trỏ trống gây ra các biểu hiện không dự đoán trước được. Các con trỏ kiểu void thì lại có thể chỉ đến một đối tượng mà không cần biết kiểu của đối tượng đó. Điều này đặc biệt hữu dụng trong lập trình tiêu bản bởi vì cỡ và kiểu của các đối tượng mà chúng chỉ tới thì không thể biết được và do đó không thể thực hiện tham chiếu ngược, nhưng chúng lại có thể được hoán chuyển thành các con trỏ của các kiểu khác.
Các kiểu mảng array trong C thì có cỡ cố định, độ lớn tĩnh của nó phải được biết trước trong thời gian chuyển dịch. Điều này gây nhiều trở ngại trong thực tế bởi vì người ta có thể chỉ định các vùng nhớ ở thời gian thực thi dựa trên các thư viện chuẩn và hành xử chúng như là các mảng. Không như các ngôn ngữ khác, C biểu thị các mảng giống như trường hợp các con trỏ: chúng đóng vai trò một địa chỉ của bộ nhớ và một kiểu dữ liệu. Do đó, các giá trị chỉ số có thể vượt quá cỡ của một mảng.
C cũng cung cấp các kiểu mảng đa chiều. Các giá trị chỉ số của các mảng đa chiều thì được gán theo thứ tự hàng chính. Một cách có ý nghĩa thì các mảng này hoạt động như là mảng của các mảng nhưng thực chất chúng được phân bố như là mảng một chiều với việc tính và tạo các vị trí tương đối.
C thường được dùng trong việc lập trình các hệ thống bậc thấp, ở đó có thể cần thiết để xem số nguyên như là một địa chỉ của bộ nhớ, là một giá trị double precision, hay là một kiểu con trỏ. Trong các trường hợp này, C cung cấp việc hoán chuyển, mà phép toán này sẽ bắt buộc chuyển đổi giá trị từ một kiểu sang một kiểu khác. Dùng phép hoán chuyển sẽ làm mất đi phần nào tính an toàn mà thường được cung cấp bởi hệ thống kiểu.

Các vấn đề của C

Một câu nói phổ biến được người ta lập lại nhiều lần của một nhà thiết kế trình dịch Bjarne Stroustrup, người sáng lập ra C++, là "C makes it easy to shoot yourself in the foot." (tạm dịch: "C làm cho việc bạn tự hại bạn trở nên dễ dàng") . Nói cách khác, C cho phép nhiều phép toán không mong muốn trong một cách tổng quát, và do đó, nhiều lỗi đơn giản đã được tạo ra bởi một người lập trình mà chúng lại không thể phát hiện qua trình dịch hay ngay cả không phát hiện ra trong lúc thi hành. Điều này là nguyên nhân của một số chương trình có các ứng xử không lường trước được và có các lỗ hổng về an toàn. Một dị bản ngôn ngữ C là Cyclone điều chỉnh được một phần trong số các vấn đề như vậy.
Một lý do của các vấn đề nêu trên là để tránh cho cái giá quá cao phải trả cho việc kiểm soát (lỗi) ở thời gian dịch và thời gian thi hành. Một lý do khác là sự đòi hỏi để giữ C được càng hiệu quả và càng uyển chuyển càng tốt. Một ngôn ngữ càng mạnh thì càng khó khăn cho ngôn ngữ lập trình đó để làm rõ ràng mọi thứ trong các chương trình (được viết trong ngôn ngữ này). Một số việc kiểm tra đã được dựa trên các công cụ bên ngoài, những công cụ như vậy được bàn đến trong phần Các công cụ kiểm tra tĩnh bên ngoài cho trình dịch.

Sự cấp phát vùng nhớ

Một vấn đề với C (và đây thường là vấn đề lớn cho những người mới làm quen với C) là việc cấp phát (vùng nhớ) một cách tự động hay một cách động cho các đốì tượng mà không khởi động chúng. Các đối tượng này, ban đầu, chứa các giá trị bất kì trong khoảng nhớ mà chúng được cấp phát. Các giá trị này có thể là các giá trị ngẫu nhiên còn lại trong bộ nhớ mà chưa được làm sạch, chúng hoàn toàn không dự đoán được. Nếu một chương trình có khai biến mà lại không gán giá trị ban đầu, thường là 0 (cho kiểu số) hay null (cho kiểu con trỏ) hay "" (cho kiểu dãy ký tự,...) thì có thể gây ra các phản ứng không lường trước được của chương trình đó. Hầu hết các trình dịch C hiện đại có thể phát hiện và cảnh cáo về việc "quên gán giá trị khởi động" trong nhiều trường hợp, nhưng cũng không hoàn toàn hiệu quả.
Một vấn đề thường thấy khác là bộ nhớ heap không thể được tái dụng cho tới khi nó được hoàn trả lại về cho bộ nhớ bởi người lập trình bằng câu lệnh free(). Hậu quả là nếu người lập trình quên hoàn trả các vùng đã cấp phát về cho bộ nhớ và lại tiếp tục dùng các lệnh cấp phát, thì càng lúc càng nhiều các phần của bộ nhớ bị chiếm chỗ. Lỗi này là một loại lỗi kiểu memory leak tức là "rỉ bộ nhớ". Ngược lại, cũng có trường hợp trả tự do phần đã cấp phát về cho bộ nhớ quá sớm và lại tiếp tục sử dụng vùng nhớ đã trả về thì cũng có thể dễ gây ra việc nhận sai các giá trị hay tạo ra các tình huống không lường trước được. Lý do là vì máy tính khi nhận lại các vùng đã được trả sẽ có thể dùng vùng nhớ đó cho các việc khác. Một số ngôn ngữ xử lý chuyện này với việc tự động dọn rác.

Các con trỏ

Các con trỏ là một nguồn gốc chính của nhiều nguy hiểm bởi vì chúng không được kiểm tra, một con trỏ có thể được tạo ra để chỉ tới bất kì đối tượng nào bất kể kiểu nào, kể cả các mã (nhị phân), và khi được dùng đến (hay được viết ra), có thể gây ra các hiệu ứng không lường trước được. Mặc dù hầu hết các con trỏ thường chỉ tới các chỗ an toàn, chúng vẫn có thể di chuyển tới những chỗ không an toàn như khi dùng các phép toán số học trên các con trỏ (thường là cộng trừ trên các địa chỉ mà chúng chỉ tới), vùng nhớ chỗ chúng chỉ tới có thể đã được trả về và đã được tái dụng (con trỏ đu đưa), chúng có thể đã không được khởi động (con trỏ hoang), hay chúng được trực tiếp gán một giá trị nào đó qua việc dùng toán tử đổi kiểu (cast) hoặc được gán qua một con trỏ đã bị hủy hoại. Một vấn đề khác với các con trỏ là việc C cho phép tự do chuyển đổi giữa hai kiểu con trỏ bất kì. Các ngôn ngữ khác điều chỉnh các vấn đề này bằng cách dùng các kiểu tham chiếu bị giới hạn hơn.

Các mảng

Mặc dù C có hỗ trợ riêng cho các mảng tĩnh, nhưng nó không kiểm tra xem các chỉ số mảng có hợp lệ hay không (kiểm tra biên). Thí dụ, người ta có thể viết phần tử thứ sáu của một mảng được định nghĩa với 5 phần tử, và điều này có thể mang lại các hậu quả không mong muốn. Lỗi này thuộc loại lỗi tràn bộ nhớ đệm. Đây là nguồn gốc của nhiều lỗ hổng an ninh trong các chương trình viết bằng C. Mặt khác, do sự giới hạn về kỹ thuật kiểm tra biên ở thời điểm C ra đời (khi gần như chưa có kỹ thuật kiểm tra biên), nên việc kiểm tra biên trở nên ảnh hưởng nặng đến tốc độ thực thi, đặc biệt là trong các tính toán số.
Các mảng đa chiều rất cần thiết khi cài đặt các thuật toán số (chủ yếu áp dụng cho đại số tuyến tính) để chứa các ma trận. Nhưng cấu trúc mảng theo C không những không đáp ứng mà còn không tương hợp cho thao tác chuyên biệt này. Vấn đề này đã được bàn thảo trong sách Numerical Recipes in C, chương 1.2, trang 20 ff (đọc trực tuyến). Người ta có thể tìm thấy ở đây một giải pháp tốt được dùng xuyên suốt trong cả cuốn sách này.

Các công cụ kiểm tra tĩnh cho trình dịch

Nhiều công cụ đã được tạo ra để giúp người lập trình C tránh dược các lỗi. Việc kiểm tra và kiểm toán mã nguồn tự động thì rất hiệu quả trong mọi ngôn ngữ. Chẳng hạn cho C là Lint. Một thực tế là sử dụng Lint để phát hiện các mã có nghi vấn khi một chương trình được viết lần đầu. Một khi chương trình đã qua được Lint, thì nó được chuyển dịch bởi một trình dịch C. Cũng có một thư viện cho việc tiến hành kiểm tra các biên của mảng và một dạng giới hạn của việc tự động dọn rác, nhưng đó không phải là một phần tiêu chuẩn của C.
Điều nên nhận thức là các công cụ này không phải là vạn năng. Bởi vì sự linh hoạt của C, nhiều kiểu lỗi như là việc dùng sai các hàm tham lượng động, việc dùng chỉ số ngoài biên của mảng và quản lý bộ nhớ không đúng thì không thể phát hiện được. Mặc dù vậy, nhiều trường hợp (lỗi) thông thường đều có thể được nhận ra.

Ngôn ngữ trung gian

C được dùng như là một ngôn ngữ trung gian vì nó có thể xuất thành dạng tập tin object hay ngôn ngữ máy. Việc này giúp C trở nên dễ vận chuyển hay dễ tối ưu hóa. Các trình dịch C thường có sẵn cho nhiều loại CPU và các hệ điều hành và hầu hết những trình dịch đó cho ra được tập tin *.obj cũng như ngôn ngữ máy có tối ưu hóa. Do đó, các đầu ra của mã nguồn C đột nhiên trở nên rất là dễ vận chuyển, và có khả năng dùng trong dạng *.obj hay mã máy được tối ưu hóa. Dầu sao thì C được thiết kế như là một ngôn ngữ lập trình, nó không phải là lý tưởng cho việc dùng như là một ngôn ngữ trung gian. Điều này dẫn tới việc phát triển các ngôn ngữ trung gian lấy C làm cơ sở, như là một C--.