1.1 什么是计算机程序

        有人以为计算机是“万能”的,会自动进行所有的工作,甚至觉得计算机神秘莫测。这是很多初学者的误解,其实,计算机的每一个操作都是根据人们事先指定的指令进行的。例如用一条指令要求计算机进行一次加法运算,用另一条指令要求计算机将某一运算结果输出到显示屏。为了使计算机执行一系列的操作,必须事先编好一条条指令,输入到计算机。
        所谓程序,就是一组计算机能识别和执行的指令。每一条指令使计算机执行特定的操作。只要让计算机执行这个程序,计算机就会“自动地"执行各条指令,有条不紊地进行工作。一个特定的指令序列,用来完成一定的功能。为了使计算机系统能实现各种功能,需要成千上万个程序。这些程序大多数是由计算机软件设计人员根据需要设计好的,作为计算机的软件系统的一部分提供给用户使用。此外,用户还可以根据自己的实际需要设计一些应用程序,例如学生成绩统计程序、财务管理程序、工程中的计算程序等。
总之,计算机的一切操作都是由程序控制的,离开程序，计算机将一事无成。所以,计算机的本质是程序的机器,程序和指令是计算机系统中最基本的概念。只有懂得程序设计,才能真正了解计算机是怎样工作的,才能更深入地使用计算机。

1.2 什么是计算机语言

        人和人之间的交流需要通过语言。中国人之间用中国话,英国人用英语、俄罗斯人用俄语,等等。人和计算机交流信息，也要解决语言问题。需要创造一种计算机和人都能识别的语言,这就是计算机语言。计算机语言经历了几个发展阶段:
        机器语言        计算机工作基于二进制,从根本上说,计算机只能识别和接受由0和1组成的指令。在计算机发展的初期，一般计算机的指令长度为16,即以16个二进制数(0或1)组成一条指令,16个0和1可以组成各种排列组合。例如，用

1011011000000000

让计算机进行一次加法运算。人要使计算机知道和执行自己的意图,就要编写许多条由0和1组成的指令。然后要用纸带穿孔机以人工的方法在特制的黑色纸带上穿孔,在指定的位置上有孔代表1,无孔代表0。一个程序往往需要一卷长长的纸带。在需要运行此程序时就将此纸带装在光电输入机上,当光电输入机从纸带读入信息时,有孔处产生一个电脉冲,指令变成电信号,让计算机执行各种操作。           这种计算机能直接识别和接受的二进制代码称为机器指令( machine instruction)。机器指令的集合就是该计算机的机器语言(machine language)。在语言的规则中规定各种指令的表示形式以及它的作用。
        显然,机器语言与人们习惯用的语言差别太大,难学、难写、难记、难检查﹑难修改,难以推广使用。因此初期只有极少数的计算机专业人员会编写计算机程序。
        符号语言        为了克服机器语言的上述缺点,人们创造出符号语言(symbolic language),它用一些英文字母和数字表示一个指令,例如用ADD代表“加”,SUB代表“减”,LD代表“传送”等。如上面介绍的那条机器指令可以改用符号指令代替:

ADD   A,B        (执行A十B=>A,将寄存器A中的数与寄存器B中的数相加,放到寄存器A中)

        显然,计算机并不能直接识别和执行符号语言的指令,需要用一种称为汇编程序的软件,把符号语言的指令转换为机器指令。一般，一条符号语言的指令对应转换为一条机器指令。转换的过程称为“代真”或“汇编”,因此,符号语言又称为符号汇编语言(symbolic assembler language)或汇编语言(assembler language)。
        虽然汇编语言比机器语言简单好记一些,但仍然难以普及,只在专业人员中使用。不同型号的计算机的机器语言和汇编语言是互不通用的。用甲机器的机器语言编写的程序在乙机器上不能使用。机器语言和汇编语言是完全依赖于具体机器特性的,是面向机器的语言。由于它“贴近”计算机,或者说离计算机"很近”,称为计算机低级语言(low level language)。
        高级语言        为了克服低级语言的缺点,20 世纪50年代创造出了第一个计算机高级语言——FORTRAN语言。它很接近于人们习惯使用的自然语言和数学语言。程序中用到的语句和指令是用英文单词表示的,程序中所用的运算符和运算表达式和人们日常所用的数学式子差不多,很容易理解。程序运行的结果用英文和数字输出,十分方便。例如在FORTRAN语言程序中,想计算和输出3.5×6sin(π/3),只须写出下面这样一个语句：

        PRINT * ,3.5 * 6 * SIN(3.1415926/3)

即可得到计算结果。显然这是很容易理解和使用的。
        这种语言功能很强，且不依赖于具体机器，用它写出的程序对任何型号的计算机都适用(或只须作很少的修改)，它与具体机器距离较远,故称为计算机高级语言( high level language)。
        当然,计算机也是不能直接识别高级语言程序的,也要进行“翻译”。用一种称为编译程序的软件把用高级语言写的程序(称为源程序, source program)转换为机器指令的程序(称为目标程序,object program),然后让计算机执行机器指令程序,最后得到结果。高级语言的一个语句往往对应多条机器指令。
        自从有了高级语言后，一般的科技人员、管理人员、大中学生以及广大计算机爰好者,都能较容易地学会用高级语言编写程序,指挥计算机进行工作,而完全不顾什么机器指令，也可以不必深人懂得计算机的内部结构和工作原理,就能得心应手地利用计算机进行各种工作,为计算机的推广普及创造了良好的条件,人们称高级语言的出现是计算机发展史上“惊人的成就”。
        数十年来,全世界涌现了2500种以上高级语言,每种高级语言都有其特定的用途,其中应用比较广泛的有100多种,影响最大的有FORTRAN 和 ALGOL(适合数值计算)、BASIC和QBASIC(适合初学者的小型会话语言)、COBOL(适合商业管理)、Pascal(适合教学的结构程序设计语言)、PL/1(大型通用语言)、LISP和 PROLOG(人工智能语言)、C(系统描述语言)、C++(支持面向对象程序设计的大型语言)、Visual Basic(支持面向对象程序设计的语言)和Java(适于网络的语言)等。
        高级语言经历了不同的发展阶段:
(1）非结构化的语言。初期的语言属于非结构化的语言,编程风格比较随意,只要符合语法规则即可,没有严格的规范要求,程序中的流程可以随意跳转。人们往往追求程序执行的效率而采用了许多“小技巧”,使程序变得难以阅读和维护。早期的BASIC、FORTRAN和ALGOL等都属于非结构化的语言。
(2）结构化语言。为了解决以上问题,提出了“结构化程序设计方法”，规定程序必须由具有良好特性的基本结构(顺序结构、分支结构,循环结构)构成,程序中的流程不允许随意跳转,程序总是由上而下顺序执行各个基本结构。这种程序结构清晰、易于编写、阅读和维护。QBASIC,FORTRAN 77和C语言等属于结构化的语言,这些语言的特点是支持结构化程序设计方法。
        以上两种语言都是基于过程的语言,在编写程序时需要具体指定每一个过程的细节。在编写规模较小的程序时,还能得心应手,但在处理规模较大的程序时,就显得捉襟见肘、力不从心了。在实践的发展中,人们又提出了面向对象的程序设计方法。程序面对的不是过程的细节,而是一个个对象,对象是由数据以及对数据进行的操作组成的。
(3)  面向对象的语言。近十多年来,在处理规模较大的问题时,开始使用面向对象的语言。C++,C#,Visual Basic和Java等语言是支持面向对象程序设计方法的语言。有关面向对象的程序设计方法和面向对象的语言在本书中不作详细介绍,有兴趣的可参考有关专门书籍(如作者编著的《C++面向对象程序设计》)。

        进行程序设计,必须要用到计算机语言,人们根据任务的需要选择合适的语言,编写出程序,然后运行程序得到结果。

1.3 C语言的发展及其特点

        本书是介绍怎样利用C语言作为工具进行程序设计的。为什么要选择C语言呢?这里有必要对C语言的发展和特点有一定的了解。
        C语言是国际上广泛流行的计算机高级语言。
      C语言的祖先是 BCPL语言。1967年英国剑桥大学的 Martin Richards推出了没有类型的BCPL(Basic Combined Programming Language)语言。1970年美国AT&T贝尔实验室的Ken Thompson 以 BCPL 语言为基础,设计出了很简单且很接近硬件的B语言(取BCPL的第一个字母)。但B语言过于简单,功能有限。1972—1973年间,美国贝尔实验室的D.M.Ritchie在B语言的基础上设计出了C语言。C语言既保持了BCPL 和B语言的优点(精练,接近硬件),又克服了它们的缺点(过于简单,无数据类型等),C语言的新特点主要表现在具有多种数据类型(如字符、数值、数组、结构体和指针等)。开发C语言的目的在于尽可能降低用它所写的软件对硬件平台的依赖程度,使之具有可移植性。
        最初的C语言只是为描述和实现UNIX操作系统提供一种工作语言而设计的。1973年，Ken Thompson和 D.M.Ritchie合作把UNIX的90%以上用C语言改写,即UNIX第5版(原来的UNIX操作系统是1969年由美国的贝尔实验室的Ken Thompson和 D.M.Ritchie开发成功的,是用汇编语言编写的)。随着UNIX的日益广泛使用,C语言也迅速得到推广。1978年以后,C语言先后移植到大、中、小和微型计算机上。C语言便很快风靡全世界,成为世界上应用最广泛的程序设计高级语言。
        以UNIX第7版中的C语言编译程序为基础,1978年,Brian W. Kernighan和 DennisM. Ritchie 合著了影响深远的名著The C Programming Language ,这本书中介绍的C语言成为后来广泛使用的C语言版本的基础,它是实际上第一个C语言标准。1983年,美国国家标准协会(ANSI)成立了一个委员会,根据C语言问世以来各种版本对C语言的发展和扩充,制定了第一个C语言标准草案(83 ANSI C)。ANSI C比原来的C有了很大的发展。Brian W.Kernighan 和 Dennis M.Ritchie 在 1988年修订了他们的经典著作The C Programming Language ,按照即将公布的ANSI C新标准重新写了该书。1989年,ANSI公布了一个完整的C语言标准—ANSI X3.159-1989(常称ANSI C或C89)。1990年，国际标准化组织ISO(International Standard Organization)接受C89作为国际标准ISO/IEC9899 : 1990，它和ANSI 的C89基本上是相同的。
1995年,ISO对C90做了一些修订,即“1995基准增补1(ISO/IEC 9899/AMD1 ∶ 1995)”。1999年,ISO又对C语言标准进行修订,在基本保留原来的C语言特征的基础上,针对应用的需要,增加了---些功能,尤其是C++中的一些功能,命名为ISO/IEC 9899 : 1999,2001年和2004年先后进行了两次技术修正，即 2001年的 TC1 和2004年的 TC2.ISO/IEC 9899 : 1999及其技术修正被称为C99,C99是C89(及1995基准增补1)的扩充。本书的叙述以C99标准为依据,为了与C89作比较,在本书的叙述中对C99新增加的功能作特别的说明。
        应该注意到,目前由不同软件公司所提供的一些C语言编译系统并未完全实现C99建议的功能,它们多以C89为基础开发。读者应了解自己所使用的C语言编译系统的特点。初学者所用到的初步编程知识基本上在C89的范围内，因此,使用目前的C编译系统仍然可以满足对初学者的教学需要，在今后进行实际软件开发工作时,应注意使用能在更大程度上实现C99功能的编译系统。本书中所举的示例程序基本上都可以在目前所用的编译系统(如Visual C++ 6.0,Turbo C++ 3.o,GCC)上编译和运行。

        C语言是一种用途广泛、功能强大、使用灵活的过程性(procedural)编程语言，既可用于编写应用软件,又能用于编写系统软件。因此C语言问世以后得到迅速推广。自20世纪90年代初,C语言在我国开始推广以来,学习和使用C语言的人越来越多，成了学习和使用人数最多的一种计算机语言,绝大多数理工科大学都开设了C语言程序设计课程。掌握C语言成为计算机开发人员的一项基本功。