前言

这本书有什么特点?面向什么样的读者?

这本书最初是为某著名嵌入式Linux系统工程师就业班课程量身定做的教材之一。该课程是为期四个月的全日制职业培训,要求学员毕业时具备非常Solid的C编程能力,能熟练地使用Linux系统,同时对计算机体系结构与指令集、操作系统原理和设备驱动程序都有较深入的了解。然而学员入学时的水平是非常初级而且参差不齐的:学历有专科、本科也有研究生,专业有和计算机相关的也有很不相关的(例如会计专业),以前从事的职业有和技术相关的也有完全不相关的(例如HR),年龄从二十出头到三十五六岁的都有。这么多背景完全不同、基础完全不同、思维习惯和理解能力完全不同的人来听同一堂课,大家都迫切希望学会嵌入式开发技术,投身IT行业,这就是职业教育的特点,也是我编这本书时需要考虑的主要问题。

学习编程绝不是一件简单的事,尤其是对于零基础的初学者来说。大学的计算机专业有四年时间从零基础开始培养一个人,微积分、线代、随机、离散、组合、自动机、编译原理、操作系统、计算机组成原理等等一堆基础课,再加上C/C++、Java、数据库、网络、软件工程、计算机图形学等等一堆专业课,最后培养出一个能找到工作的学生。很遗憾这最后一条很多学校没有做好,来亚嵌培训的很多学生就是四年这么学过来的,但据我们考查他们的基础几乎为零,我不知道为什么。与之形成鲜明对比的是,只给我们四个月的时间,同样要求从零基础开始,最后培养出一个能找到工作的学生,而且还要保证他找到工作,这就是职业教育的特点。

为什么我说“ 只给我们四个月的时间 ”?我们倒是想教四年呢,但学时的长短我们做不了主,是由市场规律决定的。四年的任务要求四个月做好,要怎么完成这样一个几乎不可能的任务?有些职业教育给出的答案是“ 实用主义 ”,打出了“ 有用就学,没有用就不学 ”的口号,大肆贬低说大学里教的基础课都是过时的、无用的,只有他们教的技术才是实用的,这种炒作很不好,我认为大学里教的每一门课都是非常有用的,基础知识在任何时候都不会过时,倒是那些时髦的“ 实用技术 ”有可能很快就过时了。

四年的任务怎么才能用四个月做好?我们给出的答案是“ 优化 ”。现在大学里安排的课程体系最大的缺点就是根本不考虑优化。每个过来人都会有这样的感觉:大一大二学了好多数学课,却不知道都是干什么用的,为什么要学。连它有什么用都不知道怎么能有兴趣学好呢?然后到大三大四学专业课时,用到以前的知识了,才发现以前学的数学是多么有用,然而早就忘得一干二净了,考完试都还给老师了,回头重新学吧,这时候才发现很多东西以前根本没学明白,现在才真的学明白了,那么前两年的时间岂不是都浪费了?大学里的课程体系还有一个缺点就是不灵活,每门课必须占一个学期,必须由一个老师教,不同课程的老师之间没有任何沟通和衔接,其实这些课程之间是相互依赖的,把它们强行拆开是不符合人的认知规律的。比如我刚上大学的时候,大一上半学期就被逼着学C语言,其实C语言是一门很难的编程语言,不懂编译原理、操作系统和计算机体系结构根本不可能学明白,那半个学期自然就浪费掉了。当时几乎所有学校的计算机相关专业都是这样,大一上来就学C语言,有的学校更疯狂,上来就学C++,导致大多数学生都以为自己会C语言,但其实都是半吊子水平,到真正写代码的时候经常为一个Bug搞得焦头烂额,却没有机会再系统地学一遍C语言,因为在学校看来,C语言课早在大一就给你“ 上完了 ”,就像一顿饭已经吃完了,不管你吃饱没吃饱,不会再让你重吃一遍了。显而易见,如果要认真地对这些课程做优化,的确是有很多水份可以挤的。

本书有以下特点:

  • 不是孤立地讲C语言,而是和编译原理、操作系统、计算机体系结构结合起来讲。或者说,本书的内容只是以C语言为载体,真正讲的是计算机的原理和程序的原理。

  • 强调基本概念和基本原理,在编排顺序上非常重视概念之间的依赖关系,每次引入一个新的概念,只依赖于前面章节已经讲过的概念,而绝不会依赖后面章节要讲的概念。有些地方为了叙述得完整,也会引用后面要讲的内容,比如说“ 有关XX我们到XX章再仔细讲解 ”,凡是这种引用都不是必要的依赖,可以当它不存在,只管继续往下看就行了。

  • 尽量做到每个知识点直到要用的时候才引入。过早引入一个知识点,讲完了又不用它,读者很快就会遗忘,这是不符合认知规律的。

这是一本从零基础开始学习编程的书,不要求读者有任何编程经验,但读者至少需要具备以下素质:

  • 熟悉Linux系统的基本操作。如果不具备这一点,请先参考其它教材学习Linux系统的基本操作,熟练之后再学习本书,《鸟哥的Linux私房菜》据说是Linux系统管理和应用方面比较好的一本书。但学习本书并不需要会很多系统管理技术,只要会用基本命令,会自己安装系统和软件包就足够了。

  • 具有高中毕业的数学水平。本书会用到高中的数学知识,事实上,如果不具有高中毕业的数学水平,也不必考虑做程序员了。但并不是说只要具有高中毕业的数学水平就足够做程序员了,只能说看这本书应该没有问题,数学是程序员最重要的修养,计算机科学其实就是数学的一个分支,如果你的数学功底很差,日后还需恶补一下。

  • 具有高中毕业的英文水平。理由同上。

  • 对计算机的原理和本质深感兴趣,不是为就业而学习,不是为拿高薪而学习,而是真的感兴趣,想把一切来龙去脉搞得清清楚楚而学习。

  • 勤于思考。本书尽最大努力理清概念之间的依赖关系,力求一站式学习,读者不需要为了找一个概念的定义去翻其它书,也不需要为了搞清楚一个概念在本书中前后一通乱翻,只需从前到后按顺序学习即可。但一站式学习并不等于傻瓜式学习,有些章节有一定的难度,需要积极思考才能领会。本书可以替你节省时间,但不能替你思考,不要指望像看小说一样走马观花看一遍就能学会。

又是一本C语言书。好吧,为什么我要学这本书而不是谭浩强或者K&R?

谭浩强的书我就不说什么了。居然教学生 include 一个 .c 文件。

K&R是公认的世界上最经典的C语言教程,这点毫无疑问。在C标准出台之前,K&R第一版就是事实上的C标准。C89标准出台之后,K&R跟着标准推出了第二版,可惜此后就没有更新过了,所以不能反映C89之后C语言的发展以及最新的C99标准,本书在这方面做了很多补充。上面我说过了,这本书与其说是讲C语言,不如说是以C语言为载体讲计算机和操作系统的原理,而K&R就是为了讲C语言而讲C语言,侧重点不同,内容编排也很不相同。K&R写得非常好,代码和语言都非常简洁,但很可惜,只有会C语言的人才懂得欣赏它,K&R是非常不适合入门学习的,尤其不适合零基础的学生入门学习。

这本书“ 是什么 ”和“ 不是什么

本书包括三大部分:

  • C语言入门。介绍基本的C语法,帮助没有任何编程经验的读者理解什么是程序,怎么写程序,培养程序员的思维习惯,找到编程的感觉。前半部分改编自 [ ThinkCpp ]

  • C语言本质。结合计算机和操作系统的原理讲解C程序是怎么编译、链接、运行的,同时全面介绍C的语法。位运算的章节改编自亚嵌教育林小竹老师的讲义,链表和二叉树的章节改编自亚嵌教育朱老师的讲义。汇编语言的章节改编自 [ GroudUp ] ,在该书的最后一章提到,学习编程有两种Approach,一种是Bottom Up,一种是Top Down,各有优缺点,需要两者结合起来。所以我编这本书的思路是,第一部分Top Down,第二部分Bottom Up,第三部分可以算填了中间的空隙,三部分全都围绕C语言展开。

  • Linux系统编程。介绍各种Linux系统函数和内核的工作原理。Socket编程的章节改编自亚嵌教育卫剑钒老师的讲义。

这本书定位在入门级,虽然内容很多,但不是一本百科全书,除了C语言基本要讲透之外其它内容都不深入,书中列出了很多参考资料,是读者进一步学习的起点。K&R的第一章是一个Whirlwind Tour,把全书的内容简单过了一遍,然后再逐个深入进去讲解。本书也可以看作是计算机专业课程体系的一个Whirlwind Tour,学习完本书之后有了一个全局观,再去学习那些参考资料就应该很容易上手了。

为什么要在Linux平台上学C语言?用Windows学C语言不好吗?

用Windows还真的是学不好C语言。C语言是一种面向底层的编程语言,要写好C程序,必须对操作系统的工作原理非常清楚,因为操作系统也是用C写的,我们用C写应用程序直接使用操作系统提供的接口。既然你选择了看这本书,你一定了解:Linux是一种开源的操作系统,你有任何疑问都可以从源代码和文档中找到答案,即使你看不懂源代码,也找不到文档,也很容易找个高手教你,各种邮件列表、新闻组和论坛上从来都不缺乐于助人的高手;而Windows是一种封闭的操作系统,除了微软的员工别人都看不到它的源代码,只能通过文档去猜测它的工作原理,更糟糕的是,微软向来喜欢藏着揶着,好用的功能留着自己用,而不会写到文档里公开。本书的第一部分在Linux或Windows平台上学习都可以,但第二部分和第三部分介绍了很多Linux操作系统的原理以帮助读者更深入地理解C语言,只能在Linux平台上学习。

Windows平台上的开发工具往往和各种集成开发环境(IDE,Integrated Development Environment) 绑在一起,例如Visual Studio、Eclipse等。使用IDE确实很便捷,但IDE对于初学者绝对不是好东西。微软喜欢宣扬傻瓜式编程的理念,告诉你用鼠标拖几个控件,然后点一个按钮就可以编译出程序来,但是真正有用的程序有哪个是这么拖出来的?很多从Windows平台入门学编程的人,编了好几年程序,还是只知道编完程序点一个按钮就可以跑了,把几个源文件拖到一个项目里就可以编译到一起了,如果有更复杂的需求他们就傻眼了,因为他们脑子里只有按钮、菜单的概念,根本没有编译器、链接器、Makefile的概念,甚至连命令行都没用过,然而这些都是初学编程就应该建立起来的基本概念。另一方面,编译器、链接器和C语言的语法有密切的关系,不了解编译器、链接器的工作原理,也不可能真正掌握C的语法。所以,IDE并没有帮助你学习,而是阻碍了你学习,本来要学好C编程只要把语法和编译命令学会就行了,现在有了IDE,除了学会语法和编译命令,你还得弄清楚编译命令和IDE是怎么集成的,这才算学明白了,本来就很复杂的学习任务被IDE搞得更加复杂了。Linux用户的使用习惯从来都是以敲命令为主,以鼠标操作为辅,从学编程的第一天起就要敲命令编译程序,等到你把这些基本概念都搞清楚了,你觉得哪个IDE好用你再去用,不过到那时候你可能会更喜欢 vi emacs 而不是IDE了。

最后几句话

和大多数作者一样,最后我要说的是我水平十分有限,没写过C编译器和C标准库,我不能保证书中的内容全部正确,如有错误欢迎批评指正。遗憾的是很多作者把这句话当成了挡箭牌,当成了自己不必竭尽全力保证内容正确性的借口。写书是一件严肃的事,书中的错误所有人都看得见,白纸黑字赖不掉的。我教过的很多学生都在大学里学过C语言,甚至考过二级,但程序写得一塌糊涂,连最基本的概念都搞错了,以前学过的C语言教材中的错误在他们脑子里根深蒂固,即使我纠正多次,他们仍然只记得以前学过的错误概念,这种有基础的学生还不如没有任何基础的学生教起来容易。我非常害怕我教给别人的仍然是错的,所以我仔细研究了C99之后才敢动笔写书。这本书涵盖的话题比较广泛,我竭尽全力也不足以保证书中的内容全部正确,还要依靠社区的力量一起来完善这本书,这样才能真正对读者负责,所以我选择将这本书开源。

希望本书成为你求学道路上的第一个伙伴。