C (Programmiersprache)

C
Paradigmen:	imperativ, strukturiert
Erscheinungsjahr:	1972
Designer:	Dennis Ritchie
Entwickler:	Dennis Ritchie & Bell Labs
Wichtige Implementierungen:	GCC, MSVC, Borland C, Portland Group, Intel
Beeinflusst von:	B (BCPL,CPL), ALGOL 68, Assembler
Beeinflusste:	awk, C++, C#, Objective-C, D, Java, JavaScript, Perl, PHP
Betriebssystem:	Microsoft Windows, Unix-ähnliches System
www.iso.org/standard/74528.html

C ist eine imperative Programmiersprache, die der Informatiker Dennis Ritchie in den frühen 1970er Jahren an den Bell Laboratories für das Betriebssystem Unix entwickelte. Seitdem ist sie auf vielen Computer-Systemen verbreitet.

Die Anwendungsbereiche von C sind sehr verschieden. Es wird zur System- und Anwendungsprogrammierung eingesetzt. Die grundlegenden Programme aller Unix-Systeme und die Systemkerne vieler Betriebssysteme sind in C programmiert. Zahlreiche Sprachen, wie C++, Objective-C, C#, Java, PHP oder Perl orientieren sich an der Syntax und anderen Eigenschaften von C.

Überblick

C ist eine Programmiersprache, die auf fast allen Computersystemen zur Verfügung steht. Sie zählt zu den sogenannten prozeduralen Programmiersprachen. Um den Wildwuchs zahlreicher Dialekte einzudämmen, wurde C mehrfach standardisiert (C89, C95, C99, ISO-C). Abgesehen vom Mikrocontrollerbereich, wo eigene Dialekte existieren, sind die meisten aktuellen PC-/Server-Implementierungen eng an den Standard angelehnt; eine vollständige Implementierung aktueller Standards ist aber selten. In den meisten C-Systemen mit Laufzeitumgebung steht auch die genormte Standard C Library zur Verfügung. Dadurch können C-Programme, die keine sehr Hardware-nahe Programmierung enthalten, in der Regel gut auf andere Zielsysteme portiert werden. Konzeptionell ist C auf einfache Kompilierbarkeit ausgelegt. Die Compiler erzeugen in der Regel aber auch nur wenig Code zur Gewährleistung der Sicherheit zur Laufzeit der Programme.

Die Verbreitung von C ist hoch, und viele Programmierschnittstellen für Anwendungsprogramme werden in Form von C-Schnittstellen implementiert.

Geschichte

Frühe Entwicklungen

C wurde 1971-1973 von Dennis Ritchie in den Bell Laboratories für die Programmierung des damals neuen UNIX-Betriebssystems entwickelt. Er stützte sich dabei auf die Programmiersprache B, die Ken Thompson in den Jahren 1969/70 geschrieben hatte. B wiederum geht auf die von Martin Richards Mitte der 1960er-Jahre entwickelte Programmiersprache BCPL zurück. Ritchie schrieb auch den ersten Compiler für C. 1973 war die Sprache so weit ausgereift, dass man nun den Unix-Kernel für den PDP-11 neu in C schreiben konnte.

K&R C

1978 veröffentlichten Brian W. Kernighan und Dennis Ritchie die erste Auflage von The C Programming Language (deutsch: Programmieren in C). Die darin beschriebene Fassung von C, die nach den Buchautoren „K&R C“ genannt wird, erweiterte die ursprüngliche Sprache um neue Schlüsselwörter wie long int oder unsigned int und führte erstmals die I/O-Standardbibliothek ein. Bis zur Standardisierung der Sprache diente die von K&R beschriebene Spezifikation als informelle Referenz für das Programmieren in C.

Normen und Standards

→ Hauptartikel: Varianten der Programmiersprache C

C verbreitete sich rasch und wurde laufend weiterentwickelt. Das führte dazu, dass das von Kernighan und Ritchie beschriebene C nicht mehr dem C entsprach, das von den Compilern unterstützt wurde. Um eine Normierung der Sprache zu erreichen, setzte das American National Standards Institute (ANSI) 1983 ein Komitee namens X3J11 ein, das 1989 schließlich die Norm ANSI X3.159-1989 Programming Language C verabschiedete. Ein Jahr später übernahm die ISO diesen Standard (mit kleinen Änderungen) als C90. 1995 veröffentlichte die ISO eine Ergänzung zum Standard (C95) und 1999 schließlich ISO/IEC 9899:1999. Mit diesem Standard, der als C99 bekannt ist, flossen auch aus C++ bekannte Erweiterungen zurück in die Sprache C.

Verwendung

Das Haupteinsatzgebiet von C liegt in der Systemprogrammierung, einschließlich der Erstellung von Betriebssystemen und der Programmierung von eingebetteten Systemen. Der Grund liegt in der Kombination von erwünschten Charakteristiken wie Portabilität und Effizienz mit der Möglichkeit, Hardware direkt anzusprechen, Type punning zu betreiben und dabei niedrige Anforderungen an die Laufzeitumgebung zu haben.

Auch Programme für End-Anwender werden oft in C erstellt.

Wegen der relativ hohen Geschwindigkeit und geringen Codegröße werden Compiler, Programmbibliotheken und Interpreter anderer höherer Programmiersprachen (wie zum Beispiel die JVM) oft in C implementiert.

C wird als Zwischensprache einiger Implementationen höherer Programmiersprachen verwendet. Dabei wird diese zuerst in C-Code übersetzt, der dann kompiliert wird. Dieser Ansatz wird entweder verwendet, um die Portabilität zu erhöhen (C-Compiler existieren für nahezu jede Plattform) oder aus Bequemlichkeit, da kein maschinenspezifischer Codegenerator entwickelt werden muss. Einige Compiler, die C auf diese Art benutzen, sind EiffelStudio, Esterel, Gambit, der Glasgow Haskell Compiler, einige Lisp-Compiler, Lush, PyPy, Sather, Squeak und Vala.

C wurde als Programmiersprache und nicht als Zielsprache für Compiler entworfen. Als Zwischensprache ist es daher eher schlecht geeignet. Das führte zu C-basierten Zwischensprachen wie C--.

Auch wird C oft für die Erstellung von Anbindungen (z. B. JNI) genutzt.

Eigenschaften

• C gehört zu den imperativen Programmiersprachen
• C verfügt über einen relativ kleinen Anweisungsvorrat. Die Anzahl der Anweisungen ist so gering weil viele Aufgaben, welche in anderen Sprachen direkt implementiert sind, über einzubindende Bibliotheksroutinen realisiert werden.
• C ermöglicht direkte Speicherzugriffe und sehr hardwarenahe Konstrukte. Es eignet sich daher gut zur Systemprogrammierung. Sollen Programme portierbar sein, sollte von diesen Möglichkeiten aber möglichst wenig Gebrauch gemacht werden.
• C schränkt direkte Speicherzugriffe kaum ein. Dadurch kann der Compiler (anders als z. B. in Pascal) nur sehr eingeschränkt bei der Fehlersuche helfen. Aus diesem Grund ist C für sicherheitskritische Anwendungen (Medizintechnik, Verkehrsleittechnik, Raumfahrt) weniger geeignet.
• C enthält einige sicherheitskritische Funktionen; so überschreibt z. B. gets() fremde Speicherbereiche, wenn es auf eine unpassende (zu lange) Eingabe stößt. Der Fehler ist innerhalb von C weder bemerk- noch abfangbar. Um den großen Vorteil von C – die Existenz zahlreicher älterer Quellcodes – nicht zu verlieren, unterstützen auch aktuelle Compiler diese und ähnliche Funktionen.
• Historisch bedingt existieren in C keine Funktionen zur positionierten Ausgabe. Es existieren jedoch zahlreiche Bibliotheken, die für das jeweilige Zielsystem eine solche Ausgabe ermöglichen.
• C verwendet im Quellcode einige Sonderzeichen (z. B. {, |, &), die in der Vergangenheit nicht auf allen Zielsystemen zur Verfügung standen. Das hat dazu geführt, dass C sich auf jenen Systemen nicht verbreiten konnte. C bietet zwar eine Alternativschreibweise über Trigraphen, was jedoch die Lesbarkeit des Quelltextes enorm verschlechtert.
• Eine Modularisierung in C erfolgt auf Dateiebene. Eine Datei bildet eine Übersetzungseinheit; intern benötigte Funktionen und Variablen können so vor anderen Dateien verborgen werden. Die Bekanntgabe der öffentlichen Funktionsschnittstellen erfolgt mit sogenannten Headerdateien. Damit verfügt C über ein schwach ausgeprägtes Modulkonzept.

Die Programmiersprache C wurde mit dem Ziel entwickelt, eine echte Sprachabstraktion zur Assemblersprache zu implementieren. Es sollte eine direkte Zuordnung zu wenigen Maschineninstruktionen geben, um die Abhängigkeit von einer Laufzeitumgebung zu minimieren. Als Resultat dieses Designs ist es möglich, C-Code auf einer sehr hardwarenahen Ebene zu schreiben, analog zu Assemblerbefehlen. Die Portierung eines C-Compilers auf eine neue Prozessorplattform ist, verglichen mit anderen Sprachen, wenig aufwändig. Beispielsweise ist der freie GNU-C-Compiler (gcc) für eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessoren und Betriebssysteme verfügbar. Für den Entwickler bedeutet das, dass unabhängig von der Zielplattform fast immer auch ein C-Compiler existiert. C unterstützt damit wesentlich die Portierbarkeit von Programmen (sofern der Programmierer auf Assemblerteile im Quelltext und/oder hardwarespezifische C-Konstrukte verzichten kann). Bei Microcontrollern ist C die mit Abstand am häufigsten verwendete Hochsprache.

Datentypen

C verfügt über neun Datentypen für die drei Bereiche alphanumerische Daten, Integerwerte, und Fließkommazahlen. Diese ermöglichen bei unterschiedlichem Speicherbedarf das Speichern von Daten aus einem unterschiedlich großen maximalen Wertebereich.

• char dient zur Speicherung alphanumerischer Daten.

• int dient der Aufnahme von ganzzahligen Werten. Durch vorransetzen der Worte short, long, und long long wird ein unterschiedlicher maximaler Wertebereich angegeben. Mittels unsigned wird auf ein Vorzeichenbit verzichtet, so dass nur positive Werte möglich sind. Falls eine Integervariable nicht explizit als vorzeichenbehaftet oder vorzeichenlos vereinbart wurde, ist sie standardmäßig vorzeichenbehaftet. Der Bestandteil int kann auch weggelassen werden. So entspricht short der Angabe short int. Die Angaben sind jeweils Mindestgrößen. In einer Implementierung können die Werte auch größer sein. Die tatsächliche Größe eines Typs ist in der Headerdatei <limits.h> abgelegt. INT_MAX ersetzt der Präprozessor beispielsweise durch den Wert, den der Typ int maximal annehmen kann.

• float und double wird für Fließkommazahlen mit einfacher Genauigkeit und doppelter Genauigkeit eingesetzt. Durch long double ist eine noch höhere Genauigkeit erzielbar. Alle Fließkomma zahlen werden vorzeichenbehaftet abgelegt. Welchen Wertebereich ein Fließkommazahltyp auf einer Implementierung einnimmt ist unterschiedlich, und kann über die Headerdatei <float.h> ermittelt werden.

Sprachdesign

Ein C-Programm wird durch den sogenannten Linker oder Binder aus Objektcode zum ausführbaren Computerprogramm gebunden. Dabei können mehrere Objektcodedateien zu einem Programm zusammengefasst werden. Die Objektcodedateien ihrerseits werden durch den Compiler aus Textdateien erzeugt (übersetzt), die eine Anzahl Funktions- und Variablendefinitionen enthalten. Neben Programmen kann man aber auch noch Bibliotheken erstellen. Diese werden ähnlich wie Programme gebunden oder zu einem Archiv zusammengefasst. Diese Bibliotheken können dann in einem späteren Bindevorgang wiederum zu einem Programm hinzugebunden werden. Auf diese Weise kann man verhindern, dass für jedes zu erzeugende Programm unzählige (in größeren Systemen durchaus hunderte bis tausende) unveränderliche Objektcodedateien immer wieder erneut gebunden werden müssen.

Das Design der Programmiersprache, die Technik des Linkens und verschiedene zu festen Sprachelementen gewordene Funktionen und Festlegungen sind eng mit dem Design Unix-artiger Betriebssysteme verbunden, so die Art und Weise der Signalbearbeitung, die Ein- und Ausgabe mit Standard-Datenströmen (Streams) und das Verfahren des Startens und Beendens eines Programms.

Beispielprogramm in C

Der folgende Quelltext stellt ein einfaches C-Programm dar, das die Textzeile Hallo Welt!, gefolgt von einem Zeilenumbruch, ausgibt. Dieses Beispiel folgt den Vorgaben des ANSI-C Standards; andere Versionen dieses Programms sind im Artikel Hallo-Welt-Programm beschrieben.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    printf("Hallo Welt!\n");
    return EXIT_SUCCESS;
}   /* end main() */

Erläuterungen

In der ersten Zeile ermöglicht die Präprozessoranweisung #include <stdio.h> die spätere Verwendung von Funktionen aus der Ein-/Ausgabe-Bibliothek stdio (auch „standard-input/output“ genannt). Diese include-Anweisung veranlasst den C-Präprozessor, vor der Übersetzung die Headerdatei stdio.h in den Quelltext zu kopieren, die unter anderem eine Deklaration der weiter unten verwendeten Ausgabefunktion printf enthält. In der zweiten Zeile wird die Headerdatei stdlib.h eingebunden, die anstatt eines festen numerischen Werts die symbolische Konstante EXIT_SUCCESS definiert, damit die erfolgreiche Programmausführung dem Aufrufer plattformunabhängig signalisiert werden kann (siehe Zeile 7 des Programms). Include-Anweisungen können zwar an jeder Stelle im Quelltext eingefügt werden, meist werden sie jedoch an den Anfang eines Programmtextes gestellt, um die Übersichtlichkeit zu erhöhen.

In der vierten Zeile beginnt das eigentliche Programm mit der Definition der Funktion main. Sie ist die Einstiegsfunktion eines C-Programms. main wird automatisch als erste Funktion aufgerufen. Anfang und Ende der Funktion main werden durch die beiden geschweiften Klammern markiert.

Die erste Anweisung innerhalb der Funktion main ruft die Funktion printf auf. Die zweite Anweisung ist die Sprunganweisung return EXIT_SUCCESS;. Diese legt den Rückgabewert von main fest. Damit wird der „Erfolgsstatus“ des ausgeführten Programms zum Ausdruck gebracht. Der Wert EXIT_SUCCESS bedeutet hier fehlerfreie Ausführung.

In der letzten Zeile folgt auf die schließende geschweifte Klammer ein Kommentar, eingeschlossen durch die Zeichenfolgen /* und */. Kommentare werden bei der Übersetzung ignoriert; sie sind erster Linie für den menschlichen Leser gedacht, können aber auch von automatischen Software-Dokumentationswerkzeugen ausgewertet werden.

Die Standardbibliothek

Die C-Standardbibliothek ist integraler Bestandteil einer gehosteten C-Implementation. Sie enthält u. a. Makros und Funktionen, die mittels der Standard-Header-Datei verfügbar gemacht werden. Auf freistehenden Implementationen dagegen kann der Umfang der Standardbibliothek eingeschränkt sein.

Literatur

• Brian W. Kernighan, Dennis Ritchie: Programmieren in C, Hanser Fachbuch, 2. Auflage, 1990, ISBN 3-446-15497-3.
• Samuel P. Harbison III, Guy L. Steele Jr.: C a reference manual, Prentice Hall, 2002, ISBN 0-13-089592X.

Weblinks

Wikibooks: C-Programmierung – Lern- und Lehrmaterialien

• Ritchie über die Geschichte von C (engl.)
• Abhandlung über die Urzeiten von C und Compilerversionen von 1972/73 (engl.)
• Programming in C – umfangreiche Linksammlung (engl.)
• FAQ der Newsgroup de.comp.lang.c
• C von A bis Z Onlinebuch Einstieg in C von Jürgen Wolf