通过C语言入门计算机科学

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前言
以前刚刚接触计算机的时候，对于很多计算机的问题很感兴趣，譬如为什么有一个硬件叫“内存”，而且还那么贵；为什么会有一个叫硬盘的设备，和内存又什么区别等等。后来看了很多科普的文章和书籍，得到的大多数是一些“比喻”的说明，虽然有一点概念，但总觉得不是非常彻底。后来也看了网上的公开课，譬如哈弗的《计算机导论》，发现讲的非常有趣，但还是不够“直白”，我希望能可以直接用某些方法，去“搞”一下计算机，而 C 语言，就是这种工具。当你用过 C 语言之后，对于计算机上因为各种 bug 不经意露出来的某些“信息”，你就能大概了解是什么意思。虽然知道这个也不代表能怎么样，但能满足自己的好奇心也是很不错的。
从 HelloWorld 说起
现在很多手机、电脑用户，会发表对于“系统”的看法：譬如 Mac 系统比 Windows 高级；IOS 用起来比安卓舒服……而作为程序员，我对于“操作系统”的看法，往往和使用界面完全无关，那个只是一个叫资源管理器的程序。我真正在意的是——我写的程序，能如何“使用”这个操作系统。
 
大家多多少少都可能见过的 Hello, World! 程序： 
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, World!");
}

一般的教程，到这里要么长篇累牍的要求你安装一套 C 语言的开发工具，要么直接不管你死活，直接开始用一个不知道哪里来的程序开始编译了。其实，开发工具这个环节，是一个很有价值的知识点。不过我也不打算说的太详细，因为后面会一点点了解。
因为我用的是 Windows 的笔记本，所以我会安装一套能编译 C 语言的开发工具，我选择的是现在最时髦的编译器是 LLVM；以及我被迫选择，不安装就没法编译的 MicroSoft Visual Studio 2022 社区版（免费）：
LLVM 的安装方法：请搜索“llvm windows 安装”，如果装好了，在 cmd 或者 powershell 里面就可以用到命令：clang
MicroSoft Visual Studio 2022 社区版的安装方法：https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/vs/community/。需要注意一定安装其中的 “Windows11 SDK” 这个组件 （是否 win11 根据你的电脑上的 windows 版本来定） ，因为所有操作系统的标准库都在这个组件里，没有的话最后无法生成可执行的 exe 文件。

一旦装好了上面的东西，就可以把上面的代码保存为 hello.c，然后用命令行（譬如 cmd 或者 powershell）属于这个“神奇”的命令：
clang hello.c
然后你就得到了一个叫 a.exe 的可执行程序。运行这个程序 .\hello.exe，就能看到打印了那行字 Hello, World!。
如果你很顺利的走到这一步，就会觉得 C 语言也没啥特别嘛，但其实上面那行 clang hello.c，其实包含了非常复杂的步骤。一个文本文件，变成一个可以在 windows 运行的 exe 文件，需要经过四大步骤，而这四个步骤，我们都可以通过编译器 clang 一步步的呈现出来。

预处理
如果你仔细看 hello.c 的源码，你会发现这一行代码：
#include <stdio.h>
这里的文字，其实不算 C 语言的内容。这是编译器提供的一个“预处理”功能：把“系统库”的 stdio.h 这个文件，复制到此处。我们可以通过下面这个命令，来得到第一步“预处理”之后的文件。
clang -E hello.c -o hello.i
这个命令的参数 -E 表示的就是只做预处理的意思，-o 参数表示结果文件名为后面的 hello.i，当你运行完这个命令，你就会得到一个 hello.i 文件，打开这个文件，你会发现有大量的文字，而在文件最后，才是你写的 hello world 源码：

这个文件前面 4000 多行，都是 stdio.h 的内容，只有最后三行是你写的源代码。这就是预处理的工作，这个时候你可能会问，为啥需要预处理呢？这个问题很好，我们后面可以慢慢说，特别是 #include 这个预处理功能。当然预处理功能除了包含文件，还有其他很多，但最常见的是这个。
编译
第二步是把预处理之后的文本文件 hello.i，变成机器能理解代码。cmd 窗口输入以下：
clang -S hello.i -o hello.s
这里的 -S 表示进行编译，生成“汇编文件”，同样，-o 命令指定结果文件保存在 hello.s 里。如果我们打开 hello.s，你会看到还是一对文本，但是这些文本都是“汇编语言”的。

“汇编语言”是一种方便人类阅读机器码的格式，这里面每一行文字，都代表了一条真正的机器码指令。由于机器码指令是完全以数字表达的，人很难分辨，所以设计了一些类似英语单词的文本指令来对应。总而言之，这一步的 hello.s 文件，里面已经包含了每个机器代码的信息。这些机器代码将可以输入给计算机的 CPU 来做一些事情。
汇编
接下来我们可以把 hello.s 的汇编内容，转换成真正的机器码，也叫二进制格式（实际上我不喜欢“二进制”这个说法，因为计算机里所有文件都是二进制的）。命令如下，-c 表示编译出二进制“目标文件”：
clang -c hello.s -o hello.o
这一步的产物 hello.o 里面，真正的就是全部“二进制”的内容了，一般的文本编辑器是无法打开和显示里面的内容的。

但是如果你锲而不舍的看，还是能看到你要打印的字符的：

但是到了这一步，还没有生成 exe 文件。你可能会怀疑，不是已经生成机器码了吗？为啥还不是可执行的文件呢？这也是之前我的疑问。
我们看看生成的文件大小：4,413 字节，而之前编译的 a.exe 文件大小是：142,848 字节。也就是说还有很多内容没有包含进来，而这些没有包含进来的内容，就是你写的 main() 这个函数之所以可以在 windows 上启动的程序，以及 printf() 这个函数真正的功能所在的程序。
hello.o 实际是 hello.c 所编写的程序，但启动这个程序，并且在屏幕上显示字符这些功能，都是 windows 操作系统提供的功能。只有把你的写的程序和 windows 提供的程序连接起来，这个程序才能真正的被执行。所以我们需要下面这个步骤——链接
链接
最后这步，我们终于生成了可执行文件：
clang hello.o -o hello.exe

这里的不再需要什么别的参数，只用 -o 参数指定生成的 exe 文件名就好了。
刚刚我们说了，我们自己写的程序，需要和操作系统 windows 的功能连接起来，那么到底是“链接”了哪一部分呢？我们可以用下面的代码来查看(powershell)：
&"C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.38.33130\bin\Hostx64\x64\dumpbin.exe" /dependents .\hello.exe

这里使用了 Microsoft Visual Studio 2022 社区版所附带的一个工具 dumpbin.exe，它可以告诉我们一个 exe 文件链接了一些什么“库”文件。而这些“库”文件，就有 windows 所提供的。下面是命令执行的结果：

这里的这个 KERNEL32.dll，就是 windows 提供的一个库文件。提供了程序启动、打印文字到屏幕等等很多功能。我们写的 hello.exe 依赖这个库文件来实现功能。这个 dll 文件，就放在 c:\windows\system32\ 目录下，也就是操作系统安装的目录。因此操作系统其实有很多功能，其实是为了提供各种程序运行的，而远不止是我们常用的安装、管理各种软件的图形界面。
如果你没有在 Microsoft Visual Studio 中安装 Windows11 SDK 这个组件的话，你就会得到一个错误信息：LINK : fatal error LNK1104: 无法打开文件“kernel32.lib”，这个错误信息说明了这个 exe 程序，需要和 kernel32 这个库进行链接。
 
在这最后一步，我们接触了 dll 文件，也就是“库”文件。C 语言学习和使用中，最让人头秃的问题之一，就包括和“库”相关的各种问题。下一篇，我会仔细说说这个“库”到底是怎么回事。