Linux C编程入门指南：语言与调试详解

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#! /bin/sh

VAR=1

VAR=$(($VAR+1))

echo $VAR

定义 Shell 变量 VAR 的初始值是 1，然后自增 1，然后打印 VAR 的值。用 Shell 程序/bin/sh 解释执行

这个脚本，结果如下：

$ /bin/sh script.sh

这里的/bin/sh 称为解释器（Interpreter），它把脚本中的每一行当作一条命令解释执行，而不需要先生

成包含机器指令的可执行文件再执行。如果把脚本中的这三行当作三条命令直接敲到 Shell 提示符下，也

能得到同样的结果：

$ VAR=1

$ VAR=$(($VAR+1))

$ echo $VAR

图 1.2. 解释执行的过程

编程语言仍在发展演化。以上介绍的机器语言称为第一代语言（1GL，1st Generation Programming

Language），汇编语言称为第二代语言（2GL，2nd Generation Programming Language），C、C++、Java、

Python 等可以称为第三代语言（3GL，3rd Generation Programming Language）。目前已经有了 4GL（4th

Generation Programming Language）和 5GL（5th Generation Programming Language）的概念。3GL 的编程

语言虽然是用语句编程而不直接用指令编程，但语句也分为输入、输出、基本运算、测试分支和循环等几

种，和指令有直接的对应关系。而 4GL 以后的编程语言更多是描述要做什么（Declarative）而不描述具体

一步一步怎么做（Imperative），具体一步一步怎么做完全由编译器或解释器决定，例如 SQL 语言

（SQL，Structured Query Language，结构化查询语言）就是这样的例子。

习题

1、解释执行的语言相比编译执行的语言有什么优缺点？

这是我们的第一个思考题。本书的思考题通常要求读者系统地总结当前小节的知识，结合以前的知

识，并经过一定的推理，然后作答。本书强调的是基本概念，读者应该抓住概念的定义和概念之间的关系

来总结，比如本节介绍了很多概念：程序由语句或指令组成，计算机只能执行低级语言中的指令（汇编语

言的指令要先转成机器码才能执行），高级语言要执行就必须先翻译成低级语言，翻译的方法有两种－－

编译和解释，虽然有这样的不便，但高级语言有一个好处是平台无关性。什么是平台？一种平台，就是一

种体系结构，就是一种指令集，就是一种机器语言，这些都可看作是一一对应的，上文并没有用“一一对

应”这个词，但读者应该能推理出这个结论，而高级语言和它们不是一一对应的，因此高级语言是平台无

关的，概念之间像这样的数量对应关系尤其重要。那么编译和解释的过程有哪些不同？主要的不同在于什

么时候翻译和什么时候执行。

现在回答这个思考题，根据编译和解释的不同原理，你能否在执行效率和平台无关性等方面做一下比

较？

希望读者掌握以概念为中心的阅读思考习惯，每读一节就总结一套概念之间的关系图画在书上空白

处。如果读到后面某一节看到一个讲过的概念，但是记不清在哪一节讲过了，没关系，书后的索引可以帮

你找到它是在哪一节定义的。

2. 自然语言和形式语言

自然语言（Natural Language）就是人类讲的语言，比如汉语、英语和法语。这类语言不是人为设计

（虽然有人试图强加一些规则）而是自然进化的。形式语言（Formal Language）是为了特定应用而人为设

计的语言。例如数学家用的数字和运算符号、化学家用的分子式等。编程语言也是一种形式语言，是专门

设计用来表达计算过程的形式语言。

形式语言有严格的语法（Syntax）规则，例如，3+3=6 是一个语法正确的数学等式，而 3=+6$则不

是，H

O 是一个正确的分子式，而

Zz 则不是。语法规则是由符号（Token）和结构（Structure）的规则所

组成的。Token 的概念相当于自然语言中的单词和标点、数学式中的数和运算符、化学分子式中的元素名

和数字，例如 3=+6$的问题之一在于$不是一个合法的数也不是一个事先定义好的运算符，而

Zz 的问题之

一在于没有一种元素的缩写是 Zz。结构是指 Token 的排列方式，3=+6$还有一个结构上的错误，虽然加号

和等号都是合法的运算符，但是不能在等号之后紧跟加号，而

Zz 的另一个问题在于分子式中必须把下标

写在化学元素名称之后而不是前面。关于 Token 的规则称为词法（Lexical）规则，而关于结构的规则称为

语法（Grammar）规则

[1]

。

当阅读一个自然语言的句子或者一种形式语言的语句时，你不仅要搞清楚每个词（Token）是什么意

思，而且必须搞清楚整个句子的结构是什么样的（在自然语言中你只是没有意识到，但确实这样做了，尤

其是在读外语时你肯定也意识到了）。这个分析句子结构的过程称为解析（Parse）。例如，当你听到“The

other shoe fell.”这个句子时，你理解 the other shoe 是主语而 fell 是谓语动词，一旦解析完成，你就搞懂了句

子的意思，如果知道 shoe 是什么东西，fall 意味着什么，这句话是在什么上下文（Context）中说的，你还

能理解这个句子主要暗示的内容，这些都属于语义（Semantic）的范畴。

虽然形式语言和自然语言有很多共同之处，包括 Token、结构和语义，但是也有很多不一样的地方。

歧义性（Ambiguity）

自然语言充满歧义，人们通过上下文的线索和自己的常识来解决这个问题。形式语言的设计

要求是清晰的、毫无歧义的，这意味着每个语句都必须有确切的含义而不管上下文如何。

冗余性（Redundancy）

为了消除歧义减少误解，自然语言引入了相当多的冗余。结果是自然语言经常说得啰里啰

嗦，而形式语言则更加紧凑，极少有冗余。

与字面意思的一致性

自然语言充斥着成语和隐喻（Metaphor），我在某种场合下说“The other shoe fell”，可能并

不是说谁的鞋掉了。而形式语言中字面（Literal）意思基本上就是真实意思，也会有一些例外，例

如下一章要讲的 C 语言转义序列，但即使有例外也会明确规定哪些字面意思不是真实意思，它们

所表示的真实意思又是什么。

说自然语言长大的人（实际上没有人例外），往往有一个适应形式语言的困难过程。某种意义上，形

式语言和自然语言之间的不同正像诗歌和说明文的区别，当然，前者之间的区别比后者更明显：

诗歌

词语的发音和意思一样重要，全诗作为一个整体创造出一种效果或者表达一种感情。歧义和

非字面意思不仅是常见的而且是刻意使用的。

说明文

词语的字面意思显得更重要，并且结构能传达更多的信息。诗歌只能看一个整体，而说明文

更适合逐字句分析，但仍然充满歧义。

程序

计算机程序是毫无歧义的，字面和本意高度一致，能够完全通过对 Token 和结构的分析加以

理解。

现在给出一些关于阅读程序（包括其它形式语言）的建议。首先请记住形式语言远比自然语言紧凑，

所以要多花点时间来读。其次，结构很重要，从上到下从左到右读往往不是一个好办法，而应该学会在大

脑里解析：识别 Token，分解结构。最后，请记住细节的影响，诸如拼写错误和标点错误这些在自然语言

中可以忽略的小毛病会把形式语言搞得面目全非。

[1]

很不幸，Syntax 和 Grammar 通常都翻译成“语法”，这让初学者非常混乱，Syntax 的含义其实包含

了 Lexical 和 Grammar 的规则，还包含一部分语义的规则，例如在 C 程序中变量应先声明后使用。即使在

英文的文献中 Syntax 和 Grammar 也常混用，在有些文献中 Syntax 的含义不包括 Lexical 规则，只要注意上

下文就不会误解。另外，本书在翻译容易引起混淆的时候通常直接用英文名称，例如 Token 没有十分好的

翻译，直接用英文名称。

3. 程序的调试

编程是一件复杂的工作，因为是人做的事情，所以难免经常出错。据说有这样一个典故：早期的计算

机体积都很大，有一次一台计算机不能正常工作，工程师们找了半天原因最后发现是一只臭虫钻进计算机

中造成的。从此以后，程序中的错误被叫做臭虫（Bug），而找到这些 Bug 并加以纠正的过程就叫做调试

（Debug）。有时候调试是一件非常复杂的工作，要求程序员概念明确、逻辑清晰、性格沉稳，还需要一

点运气。调试的技能我们在后续的学习中慢慢培养，但首先我们要区分清楚程序中的 Bug 分为哪几类。

编译时错误

编译器只能翻译语法正确的程序，否则将导致编译失败，无法生成可执行文件。对于自然语

言来说，一点语法错误不是很严重的问题，因为我们仍然可以读懂句子。而编译器就没那么宽容

了，只要有哪怕一个很小的语法错误，编译器就会输出一条错误提示信息然后罢工，你就得不到

你想要的结果。虽然大部分情况下编译器给出的错误提示信息就是你出错的代码行，但也有个别

时候编译器给出的错误提示信息帮助不大，甚至会误导你。在开始学习编程的前几个星期，你可

能会花大量的时间来纠正语法错误。等到有了一些经验之后，还是会犯这样的错误，不过会少得

多，而且你能更快地发现错误原因。等到经验更丰富之后你就会觉得，语法错误是最简单最低级

的错误，编译器的错误提示也就那么几种，即使错误提示是有误导的也能够立刻找出真正的错误

原因是什么。相比下面两种错误，语法错误解决起来要容易得多。

运行时错误

编译器检查不出这类错误，仍然可以生成可执行文件，但在运行时会出错而导致程序崩溃。

对于我们接下来的几章将编写的简单程序来说，运行时错误很少见，到了后面的章节你会遇到越

来越多的运行时错误。读者在以后的学习中要时刻注意区分编译时和运行时（Run-time）这两个

概念，不仅在调试时需要区分这两个概念，在学习 C 语言的很多语法时都需要区分这两个概念，

有些事情在编译时做，有些事情则在运行时做。

逻辑错误和语义错误

第三类错误是逻辑错误和语义错误。如果程序里有逻辑错误，编译和运行都会很顺利，看上

去也不产生任何错误信息，但是程序没有干它该干的事情，而是干了别的事情。当然不管怎么

样，计算机只会按你写的程序去做，问题在于你写的程序不是你真正想要的，这意味着程序的意

思（即语义）是错的。找到逻辑错误在哪需要十分清醒的头脑，要通过观察程序的输出回过头来

判断它到底在做什么。

通过本书你将掌握的最重要的技巧之一就是调试。调试的过程可能会让你感到一些沮丧，但调试也是

编程中最需要动脑的、最有挑战和乐趣的部分。从某种角度看调试就像侦探工作，根据掌握的线索来推断

是什么原因和过程导致了你所看到的结果。调试也像是一门实验科学，每次想到哪里可能有错，就修改程

序然后再试一次。如果假设是对的，就能得到预期的正确结果，就可以接着调试下一个 Bug，一步一步逼

近正确的程序；如果假设错误，只好另外再找思路再做假设。“当你把不可能的全部剔除，剩下的——即

使看起来再怎么不可能——就一定是事实。”（即使你没看过福尔摩斯也该看过柯南吧）。

也有一种观点认为，编程和调试是一回事，编程的过程就是逐步调试直到获得期望的结果为止。你应

该总是从一个能正确运行的小规模程序开始，每做一步小的改动就立刻进行调试，这样的好处是总有一个

正确的程序做参考：如果正确就继续编程，如果不正确，那么一定是刚才的小改动出了问题。例如，Linux

操作系统包含了成千上万行代码，但它也不是一开始就规划好了内存管理、设备管理、文件系统、网络等

等大的模块，一开始它仅仅是 Linus Torvalds 用来琢磨 Intel 80386 芯片而写的小程序。据 Larry Greenfield

说，“Linus 的早期工程之一是编写一个交替打印 AAAA 和 BBBB 的程序，这玩意儿后来进化成了

Linux。”（引自 The Linux User's Guide Beta1 版）在后面的章节中会给出更多关于调试和编程实践的建

议。

4. 第一个程序

通常一本教编程的书中第一个例子都是打印“Hello, World.”，这个传统源自[K&R]，用 C 语言写这个

程序可以这样写：

例 1.1. Hello World

#include <stdio.h>

/* main: generate some simple output */

int main(void)

{

printf("Hello, world.\n");

return 0;

}

将这个程序保存成 main.c，然后编译执行：

$ gcc main.c

$ ./a.out

Hello, world.

gcc 是 Linux 平台的 C 编译器，编译后在当前目录下生成可执行文件 a.out，直接在命令行输入这个可

执行文件的路径就可以执行它。如果不想把文件名叫 a.out，可以用 gcc 的-o 参数自己指定文件名：

$ gcc main.c -o main

$ ./main

Hello, world.

虽然这只是一个很小的程序，但我们目前暂时还不具备相关的知识来完全理解这个程序，比如程序的

第一行，还有程序主体的 int main(void){...return 0;}结构，这些部分我们暂时不详细解释，读者现在只需要

把它们看成是每个程序按惯例必须要写的部分（Boilerplate）。但要注意 main 是一个特殊的名字，C 程序

总是从 main 里面的第一条语句开始执行的，在这个程序中是指 printf 这条语句。

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瑟寒凌风

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