Kiến thức C cho người mới và cách tự học lập trình C

Nguồn ảnh: unstop.com

Ngôn ngữ lập trình C được đặt tên như vậy để ám chỉ sự kế thừa và phát triển từ ngôn ngữ lập trình B, một ngôn ngữ được thiết kế trước đó. C bổ sung hệ thống kiểu dữ liệu, cho phép ngôn ngữ này trở nên nhẹ hơn và cơ bản hơn so với BCPL (Basic Combined Programming Language)

Ngôn ngữ C được phát triển bởi Dennis Ritchie vào năm 1972 tại Bell Labs. Ban đầu, nó được dùng để viết hệ điều hành Unix. C bao gồm bốn kiểu dữ liệu nguyên thủy cơ bản: char, int, float, và void.

Vào năm 1978, Brian Kernighan và Dennis Ritchie viết cuốn sách “The C Programming Language” giúp ngôn ngữ C trở nên phổ biến hơn. Cuốn sách này cũng đóng vai trò quan trọng trong việc định hình cú pháp và các tiêu chuẩn sử dụng cho ngôn ngữ C.

Năm 1983, ANSI (American National Standards Institute) thành lập một nhóm làm việc để tiêu chuẩn hóa ngôn ngữ C, dẫn đến việc xuất bản tiêu chuẩn ANSI C vào năm 1989. Tiêu chuẩn này quy định cú pháp và các tính năng cơ bản của ngôn ngữ C, giúp cho việc phát triển và duy trì mã nguồn trở nên dễ dàng hơn.

Các đặc điểm chính của ngôn ngữ C

1. Đa mục đích (General-purpose): C là một ngôn ngữ lập trình đa mục đích, được thiết kế để phát triển nhiều loại ứng dụng khác nhau, từ hệ điều hành, phần mềm nhúng đến các ứng dụng cấp cao như trò chơi và phần mềm doanh nghiệp.
2. Tính di động (Portability):Chương trình viết bằng C có thể dễ dàng biên dịch và chạy trên nhiều hệ thống và nền tảng khác nhau mà không cần phải thay đổi mã nguồn, nhờ đó C trở thành một ngôn ngữ phổ biến trong việc phát triển các ứng dụng đa nền tảng.
3. Hỗ trợ lập trình cấu trúc (Structured Programming): C hỗ trợ lập trình cấu trúc, giúp các nhà phát triển tổ chức mã nguồn một cách logic và dễ quản lý, với các khái niệm như hàm, vòng lặp, và điều kiện.
4. Truy cập cấp thấp (Low-level access): C cho phép truy cập trực tiếp vào bộ nhớ và phần cứng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và cho phép lập trình viên kiểm soát tốt hơn các tài nguyên của hệ thống.
5. Hệ thống kiểu mạnh mẽ (Strong typing system): C cung cấp một hệ thống kiểu mạnh mẽ, với các kiểu dữ liệu cơ bản như char, int, float, và void, giúp quản lý bộ nhớ và dữ liệu một cách hiệu quả.
6. Bộ từ khóa nhỏ (Small set of keywords): C chỉ có 32 từ khóa, làm cho ngôn ngữ này trở nên đơn giản và dễ học, nhưng vẫn đủ mạnh để xây dựng các ứng dụng phức tạp.
7. Thư viện chuẩn phong phú (Rich Standard Library): Ngôn ngữ C đi kèm với một thư viện chuẩn phong phú, cung cấp các hàm hữu ích cho các tác vụ như xử lý chuỗi, quản lý bộ nhớ, và thao tác với tệp tin.
8. Hỗ trợ con trỏ (Pointer Support): C hỗ trợ con trỏ, cho phép lập trình viên làm việc trực tiếp với địa chỉ bộ nhớ, một tính năng quan trọng để quản lý bộ nhớ động, thao tác với mảng và chuỗi.
9. Tối ưu hóa hiệu suất (Performance Optimization): C được biết đến với khả năng tối ưu hóa hiệu suất cao, nhờ vào khả năng kiểm soát chi tiết hoạt động của phần cứng, giúp các chương trình viết bằng C chạy nhanh và hiệu quả.
10. Khả năng mở rộng (Extendibility): C cho phép người dùng thêm các hàm mới vào thư viện chuẩn, tạo ra các thư viện tùy chỉnh cho các tác vụ cụ thể, làm cho việc quản lý mã phức tạp trở nên dễ dàng hơn.

Ngôn ngữ lập trình C hoạt động như thế nào?

Máy tính không nói cùng ngôn ngữ với chúng ta, vì vậy ta phải dịch human code sang computer code (hệ nhị phân 1 và 0). Ngôn ngữ lập trình C hoạt động bằng cách viết mã của bạn vào một tệp thực thi (.exe). Trình biên dịch C sẽ lấy tệp thực thi đó và chuyển đổi toàn bộ thành mã máy (machine code), sau đó máy tính sẽ chạy đoạn mã đã được biên dịch.

Dưới đây là cách ngôn ngữ C hoạt động qua các giai đoạn:

Giai đoạn 1: Chỉnh sửa mã nguồn (Editing)

Việc viết hoặc chỉnh sửa mã nguồn là giai đoạn đầu tiên trong việc xây dựng một ứng dụng bằng C. Mã nguồn là một tập tin văn bản chứa tất cả các lệnh cần thực thi bởi máy tính (có thể hiểu được bởi con người). Chúng ta có thể sử dụng trình soạn thảo văn bản đơn giản (như Notepad) hoặc trình chỉnh sửa tích hợp trong các môi trường phát triển tích hợp (IDE). Mã nguồn phải tuân theo cú pháp của ngôn ngữ lập trình C. Sau khi hoàn thành, tập tin mã nguồn được lưu với phần mở rộng là *.c.

Để biên dịch mã nguồn, chúng ta cần một trình biên dịch (compiler). Nếu sử dụng một trình soạn thảo văn bản đơn giản, chúng ta cần cài đặt một trình biên dịch C trên máy tính và chạy nó thủ công từ dòng lệnh. Một cách dễ dàng hơn là sử dụng một IDE (thường đi kèm với trình biên dịch) và chỉ cần nhấn một nút trong menu để bắt đầu biên dịch.

Giai đoạn 2: Tiền xử lý và biên dịch (Preprocessing and Compilation)

Trong quá trình biên dịch, có một giai đoạn xử lý sơ bộ được thực hiện trước khi biên dịch mã nguồn. Trình tiền xử lý (preprocessor) được gọi bởi trình biên dịch để thực hiện công việc tiền xử lý. Trình tiền xử lý tìm kiếm các dòng mã bắt đầu bằng ký tự # (hash).

Một trong những nhiệm vụ của trình tiền xử lý là bao gồm các hàm được khai báo bên ngoài mã nguồn của chúng ta. Trình tiền xử lý sẽ loại bỏ tất cả các chỉ thị của trình biên dịch khỏi mã gốc nhưng vẫn giữ thông tin về các tập tin bổ sung cần thiết sau này. Một tập tin tạm thời sẽ được tạo ra vào cuối quá trình tiền xử lý, và tập tin này sẽ được ẩn khỏi người dùng.

Sau khi tiền xử lý hoàn tất, trình biên dịch bắt đầu hoạt động. Trình biên dịch sẽ chuyển đổi tập tin mã nguồn thành một tập tin đối tượng. Tập tin đối tượng này, còn được gọi là mã máy (machine code), có thể được CPU của máy tính hoặc vi điều khiển diễn giải.

Mặc dù tập tin đối tượng đã hoàn thành, nhưng vẫn còn một số tham chiếu chưa được định nghĩa. Các tham chiếu chưa định nghĩa này là những đoạn mã cần được lấy từ một vị trí khác. Trong ví dụ của chúng ta, hàm printf() là một tham chiếu chưa định nghĩa. Chúng ta biết nơi lấy mã cho hàm này vì chỉ thị của trình biên dịch (#include <stdio.h>) đã đề cập đến nó.

stdio.h là một tập tin tiêu đề (header file) chứa khai báo cho hàm printf() của chúng ta, cùng với các nội dung khác. Bằng cách bao gồm tập tin tiêu đề, chúng ta mô tả nơi để lấy định nghĩa của hàm printf().

Giai đoạn 3: Liên kết (Linking)

Tại điểm này, chúng ta cần thu thập tất cả các tập tin cần thiết cho ứng dụng của mình. Đối với các hàm bên ngoài, chúng ta sẽ cần các tập tin đối tượng cũng như các tập tin thư viện tĩnh. Các hàm bên ngoài được sử dụng trong tập tin mã nguồn của chúng ta được định nghĩa trong các tập tin thư viện tĩnh (có phần mở rộng là *.lib). Trong ví dụ của chúng ta, mã máy cho hàm printf() sẽ được lưu trữ trong tập tin thư viện tĩnh.

Trình liên kết (linker) là người thực hiện quá trình liên kết. Nó sẽ kiểm tra tất cả các tập tin đối tượng để tìm các tham chiếu chưa định nghĩa và thay thế chúng bằng mã máy từ các tập tin thư viện. Cuối cùng, chúng ta sẽ có một tập tin thực thi (thường có phần mở rộng là *.exe đối với ứng dụng trên Windows, *.hex đối với vi điều khiển) sau khi quá trình liên kết hoàn tất.

Giai đoạn 4: Tải và thực thi chương trình (Loading and Execution)

Sau khi tập tin chương trình được tạo, nó phải được nạp vào bộ nhớ của máy tính trước khi có thể thực thi. Trình tải (loader) chịu trách nhiệm cho việc này. Trình tải thường được tích hợp trong tập tin thực thi bởi trình liên kết. Khi chúng ta khởi chạy tập tin thực thi, nó kích hoạt trình tải, trình này sẽ nạp chương trình vào bộ nhớ và bắt đầu thực thi.

Tại sao lập trình viên nào cũng nên học lập trình C?

Có rất nhiều ngôn ngữ lập trình hiện đại hiện nay để lựa chọn như Perl, Ruby, và Python, Java. Tuy nhiên, có một số lý do thuyết phục để bạn nên nắm vững ngôn ngữ lập trình C.

>> Xem thêm: Nên học C hay C++

7 ứng dụng tuyệt vời của lập trình C

Ngôn ngữ lập trình C có rất nhiều ứng dụng quan trọng và đa dạng trong ngành công nghiệp và nghiên cứu. Dưới đây là một số ứng dụng chính của ngôn ngữ C:

1. Phát triển Hệ điều hành: C là ngôn ngữ chủ đạo được sử dụng để phát triển các hệ điều hành như Unix, Linux và Windows. Nhờ vào tính năng tiếp cận trực tiếp với phần cứng và hiệu suất cao, C là lựa chọn lý tưởng để xây dựng và quản lý các hệ thống phần cứng phức tạp.
2. Phần mềm nhúng (Embedded Software): Với tính năng di động và khả năng tối ưu hóa hiệu suất, C thường được sử dụng trong việc phát triển phần mềm nhúng cho các thiết bị điện tử thông minh, hệ thống điều khiển tự động, và IoT (Internet of Things).
3. Phát triển ứng dụng hệ thống: Có sự linh hoạt và khả năng tương thích cao, C được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển các ứng dụng hệ thống như trình duyệt web, máy chủ, và các phần mềm đa nền tảng.
4. Lập trình mạng: Cung cấp các thư viện và công cụ mạnh mẽ cho việc phát triển ứng dụng mạng, từ các giao thức mạng đơn giản đến các ứng dụng phức tạp như máy chủ email và hệ thống phân phối nội dung.
5. Công cụ di động và game: Có thể sử dụng để phát triển các ứng dụng di động và game, đặc biệt là trong lĩnh vực game console và game đa nền tảng.
6. Công cụ hệ thống và bảo mật: Được sử dụng để viết các công cụ hệ thống như trình biên dịch, trình gỡ lỗi và phần mềm bảo mật, bao gồm cả các công cụ phân tích và thử nghiệm bảo mật.
7. Nghiên cứu và giáo dục: Là một trong những ngôn ngữ lập trình cơ bản và phổ biến trong giảng dạy và nghiên cứu khoa học máy tính, C giúp sinh viên và nhà nghiên cứu hiểu sâu hơn về cấu trúc và hoạt động của máy tính.

Những ứng dụng trên chỉ ra rằng ngôn ngữ lập trình C không chỉ phổ biến mà còn cực kỳ linh hoạt và mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực công nghệ thông tin và kỹ thuật.