C (Programmiersprache)

C wurde 1969–1973 von Dennis Ritchie[2] in den Bell Laboratories für die Programmierung des damals neuen Unix-Betriebssystems entwickelt. Er stützte sich dabei auf die Programmiersprache B, die er und Ken Thompson in den Jahren 1969/70 geschrieben hatten – der Name C entstand als Weiterentwicklung von B. B wiederum geht auf die von Martin Richards Mitte der 1960er-Jahre entwickelte Programmiersprache BCPL zurück.[3] Ursprünglich war der Name NB („New B“) vorgesehen, daraus wurde schließlich C.[4] Ritchie schrieb auch den ersten Compiler für C. 1973 war die Sprache so weit ausgereift, dass man nun den Unix-Kernel für die PDP-11 neu in C schreiben konnte.

K&R C erweiterte die Sprache um neue Schlüsselwörter wie long oder unsigned und führte die von Mike Lesk entwickelte I/O-Standardbibliothek und auf Empfehlung von Alan Snyder den Präprozessor ein.

Bis ins Jahr 1989 gab es keinen offiziellen Standard der Sprache. Seit 1978 galt hingegen das Buch The C Programming Language als informeller De-facto-Standard, welches Brian W. Kernighan und Dennis Ritchie im selben Jahr veröffentlicht hatten.[5] Bezeichnet wird diese Spezifikation als K&R C.

Da in den folgenden Jahren die Zahl an Erweiterungen der Sprache ständig wuchs, man sich nicht auf eine gemeinsame Standard-Bibliothek einigen konnte und nicht einmal die UNIX-Compiler K&R C vollständig implementierten, wurde beschlossen, einen offiziellen Standard festzulegen. Nachdem dieser schließlich im Jahr 1989 erschienen war, blieb K&R C zwar noch für einige Jahre De-facto-Standard vieler Programmierer, verlor dann aber rasch an Bedeutung.

Im Jahr 1983 setzte das American National Standards Institute (ANSI) ein Komitee namens X3J11 ein, das 1989 seine Arbeit abschloss und die Norm ANSI X3.159-1989 Programming Language C verabschiedete. Diese Version der Sprache C wird auch kurz als ANSI C, Standard C oder C89 bezeichnet.

Ein Jahr später übernahm die International Organization for Standardization (ISO) den bis dahin rein amerikanischen Standard auch als internationale Norm, die ISO/IEC 9899:1990, kurz auch als C90 bezeichnet. Die Namen C89 und C90 beziehen sich also auf dieselbe Version von C.

Nach der ersten Entwicklung durch ANSI und ISO wurde der Sprachstandard für einige Jahre kaum geändert. Erst 1995 erschien das Normative Amendment 1 zu C90. Es hieß ISO/IEC 9899/AMD1:1995 und wird auch kurz als C95 bezeichnet. Neben der Korrektur einiger Details wurden mit C95 internationale Schriftsätze besser unterstützt.

Nach einigen kleineren Revisionen erschien im Jahr 1999 der neue Standard ISO/IEC 9899:1999, kurz C99. Er war größtenteils mit C90 kompatibel und führte einige neue, teilweise von C++ übernommene Features ein, von denen einige bereits zuvor von verschiedenen Compilern implementiert worden waren. C99 wurde im Lauf der Jahre durch drei Technical Corrigendas ergänzt.

Im Jahr 2007 begann die Entwicklung eines neuen Standards mit dem inoffiziellen Arbeitstitel C1X. Er wurde im Dezember 2011 veröffentlicht und ist in der Kurzform als C11 bekannt. Neben einer besseren Kompatibilität mit C++ wurden der Sprache wiederum neue Features hinzugefügt.[6][7]

Diese Norm entspricht der von C11 mit der Ausnahme von Fehlerkorrekturen und einem neuen Wert von __STDC_VERSION__ und wird daher im selben Umfang wie C11 unterstützt.[8] Der Standard wurde im Juni 2018 unter der Norm ISO/IEC 9899:2018 freigegeben.[9]

Das Haupteinsatzgebiet von C liegt in der Systemprogrammierung, insbesondere von eingebetteten Systemen, Treibern und Betriebssystemkernen. Der Grund liegt in der Kombination von erwünschten Charakteristiken wie Portabilität und Effizienz mit der Möglichkeit, Hardware direkt anzusprechen und dabei niedrige Anforderungen an eine Laufzeitumgebung zu haben.

Auch Anwendungssoftware wird oft in C erstellt, wobei die Relevanz der Sprache hier hinter andere zurückfiel, das ist besonders deutlich auf mobilen Plattformen. Viele Programmierschnittstellen für Anwendungsprogramme und Betriebssystem-APIs werden in Form von C-Schnittstellen implementiert, zum Beispiel Win32.[11]

Wegen der hohen Ausführungsgeschwindigkeit und geringen Codegröße werden Compiler, Programmbibliotheken und Interpreter anderer höherer Programmiersprachen (wie z. B. die Java Virtual Machine) oft in C implementiert.

C wird als Zwischencode einiger Implementierungen höherer Programmiersprachen verwendet. Dabei wird diese zuerst in C-Code übersetzt, der dann kompiliert wird. Dieser Ansatz wird verwendet, um ohne maschinenspezifische Entwicklung für den Codegenerator die Portabilität zu erhöhen (C-Compiler existieren für nahezu jede Plattform). Einige Compiler, die C auf diese Art benutzen, sind Chicken, EiffelStudio, Esterel, PyPy, Sather, Squeak und Vala.

C wurde allerdings 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−−.

C wird oft für die Erstellung von Anbindungen (englisch bindings) genutzt (zum Beispiel Java Native Interface). Diese Anbindungen erlauben es Programmen, die in einer anderen Hochsprache geschrieben sind, Funktionen aufzurufen, die in C implementiert wurden. Der umgekehrte Weg ist oft ebenfalls möglich und kann verwendet werden, um in C geschriebene Programme mit einer anderen Sprache zu erweitern (z. B. mod perl).

Eine einfache Version des Hallo-Welt-Programms in C ist diejenige, die Ritchie und Kernighan selbst in der zweiten Auflage ihres Buches The C Programming Language verwendet haben.[12] Zu beachten ist, dass im älteren ANSI C Standard kein Rückgabetyp angegeben werden muss, da der Compiler von einem impliziten int als Rückgabetyp ausgeht.

#include <stdio.h>
main()
{
  printf("hello, world\n");
}

Zum Speichern eines Zeichens (sowie von kleinen Zahlen) verwendet man in C üblicherweise den Datentyp Character, geschrieben als char.

Vom Computer tatsächlich gespeichert wird nicht das Zeichen (wie zum Beispiel „A“), sondern eine gleichbedeutende mindestens acht Bit lange Binärzahl (z. B. 01000001). Diese Binärzahl steht im Speicher und kann anhand einer Tabelle jederzeit automatisch in den entsprechenden Buchstaben umgewandelt werden, wobei der aktuelle Zeichensatz bzw. die Codepage der Systemumgebung entscheidend ist. Zum Beispiel steht 01000001 gemäß der ASCII-Tabelle für das Zeichen „A“.

Um auch Zeichen aus Zeichensätzen aufnehmen zu können, die mehr Zeichen umfassen als der relativ kleine ASCII-Zeichensatz, wurde mit wchar_t bald ein zweiter für Zeichen konzipierter Datentyp eingeführt.

// gespeichert wird nicht das Zeichen „A“, sondern meist ein Byte ("01000001")
char zeichen = 'A';

// gibt das Zeichen mit der Ordnungszahl 65 aus (in ASCII ein „A“)
printf("%c", 65);

Zum Speichern einer Ganzzahl (wie zum Beispiel 3) verwendet man eine Variable vom Datentyp Integer, geschrieben als int. Die Größe eines Integers beträgt heutzutage (je nach Prozessorarchitektur und Betriebssystem) meist 32 Bit, oft aber auch schon 64 und manchmal noch 16 Bit. In 16 Bit lassen sich 65536 verschiedene Werte speichern. Um die Verwendung von negativen Zahlen zu ermöglichen, reicht der Wertebereich bei 16 Bit gewöhnlich von -32768 bis 32767. Werden keine negativen Zahlen benötigt, kann der Programmierer mit unsigned int aber einen vorzeichenlosen Integer verwenden. Bei 16 Bit großen Integern ergibt das einen Wertebereich von 0 bis 65535.

Um den Wertebereich eines Integers zu verkleinern oder zu vergrößern, stellt man ihm einen der Qualifizierer short, long oder long long voran. Das Schlüsselwort int kann dann auch weggelassen werden, so ist long gleichbedeutend mit long int. Um zwischen vorzeichenbehafteten und vorzeichenlosen Ganzzahlen zu wechseln, gibt es die beiden Qualifizierer signed und unsigned. Für einen vorzeichenbehafteten Integer kann der Qualifizierer aber auch weggelassen werden, so ist signed int gleichbedeutend mit int. Die C-Standard-Bibliothek ergänzt diese Datentypen über die plattformunabhängige Header-Datei <stdint.h>, in der ein Set von Ganzzahltypen mit fester Länge definiert ist. Obwohl der Datentyp char für Textzeichen vorgesehen ist, können dessen Werte auch als ganze Zahlen mit einem Wertebereich von 0 bis 255 (unsigned) oder von -128 bis +127 (signed) verwendet werden.

char ganzzahl = 1;      // mindestens 8 Bit, also 256 mögliche Werte
short ganzzahl = 2;     // mindestens 16 Bit, also 65536 mögliche Werte
int ganzzahl = 3;       // mindestens 16 Bit, also 65536 mögliche Werte
long ganzzahl = 4;      // mindestens 32 Bit, also 4294967296 mögliche Werte
long long ganzzahl = 5; // mindestens 64 Bit, also 18446744073709551616 mögliche Werte

Zahlen mit Nachkommastellen werden in einem der drei Datentypen float, double und long double gespeichert. In den meisten C-Implementierungen entsprechen die Datentypen float und double dem international gültigen Standard für binäre Gleitpunktarithmetiken (IEC 559, im Jahr 1989 aus dem älteren amerikanischen Standard IEEE 754 hervorgegangen). Ein float implementiert das „einfach lange Format“, ein double das „doppelt lange Format“. Dabei umfasst ein float 32 Bit, ein double 64 Bit. doubles sind also genauer. Floats werden aufgrund dieses Umstands nur noch in speziellen Fällen verwendet. Die Größe von long doubles ist je nach Implementierung unterschiedlich, ein long double darf aber auf keinen Fall kleiner sein als ein double. Die genauen Eigenschaften und Wertebereiche auf der benutzten Architektur können über die Headerdatei <float.h> ermittelt werden.

// Genauigkeit ist jeweils implementierungsabhängig

float kommazahl = 0.000001f;
double kommazahl = 0.000000000000002;
long double kommazahl = 0.3l;

Der Datentyp void wird im C-Standard als „unvollständiger Typ“ bezeichnet. Man kann keine Variablen von diesem Typ erzeugen. Verwendet wird void erstens, wenn eine Funktion keinen Wert zurückgeben soll, zweitens wenn explizit eine leere Parameterliste für eine Funktion verlangt wird und drittens, wenn ein Zeiger auf „Objekte beliebigen Typs“ zeigen soll.

// Deklaration einer Funktion, die keinen Wert zurückgibt
void funktionsname();

// Deklaration einer Funktion, die int zurückgibt und keine Parameter akzeptiert
int funktionsname(void);

// Zeiger auf ein Objekt von beliebigem Typ
void* zeigername;

Wie in anderen Programmiersprachen sind Zeiger in C Variablen, die statt eines direkt verwendbaren Wertes (wie das Zeichen „A“ oder die Zahl 5) eine Speicheradresse (wie etwa die Adresse 170234) speichern. Die Adressen im Speicher sind durchnummeriert. An der Speicheradresse 170234 könnte zum Beispiel der Wert 00000001 gespeichert sein (Binärwert der Dezimalzahl 1). Zeiger ermöglichen es, auf den Wert zuzugreifen, der an einer Speicheradresse liegt. Dieser Wert kann wiederum eine Adresse sein, die auf eine weitere Speicheradresse zeigt. Bei der Deklaration eines Zeigers wird zuerst der Datentyp des Objekts angegeben, auf das gezeigt wird, danach ein Asterisk, danach der gewünschte Name des Zeigers.

char* zeiger;   // kann die Adresse eines Characters speichern
double* zeiger; // kann die Adresse eines Doubles speichern

Wie in anderen Programmiersprachen verwendet man Arrays in C um mehrere Werte desselben Datentyps zu speichern. Die Werte eines Arrays haben aufeinanderfolgende Speicheradressen. Die Anzahl der verschiedenen Werte eines Arrays ist als Index des Feldes festgelegt. Da es in C keinen eigenen Datentyp für Strings gibt, werden Arrays auch verwendet, um Zeichenfolgen zu speichern.

// Definition eines Arrays mit 3 ganzzahligen Werten
int zahlen[] = { 17, 0, 3 };

// Array, das zur Speicherung eines Strings verwendet wird
char string[] = "Hallo, Welt!\n";

Um verschiedenartige Daten in einer Variable zu speichern, verwendet man Structures, geschrieben als struct. Auf diese Weise können Variablen verschiedenen Datentyps zusammengefasst werden.

struct person {
    char* vorname;
    char nachname[20];
    int alter;
    double groesse;
};

Wie in anderen Programmiersprachen dient ein Enum in C dazu, mehrere konstante Werte zu einem Typ zu kombinieren.

enum Temperatur { WARM, KALT, MITTEL };

enum Temperatur heutige_temperatur = WARM;

if (heutige_temperatur == KALT)
    printf("Warm anziehen!"); // wird nicht ausgegeben, da es heute „WARM“ ist

Das Schlüsselwort typedef wird zur Erstellung eines Alias für einen Datentyp verwendet.

// legt den Alias "Ganzzahl" für den Datentyp "int" an
typedef int Ganzzahl;

// ist jetzt gleichbedeutend zu: int a, b;
Ganzzahl a, b;

Bis zum C99-Standard gab es keinen Datentyp zum Speichern eines Wahrheitswerts. Erst seit 1999 können Variablen als _Bool deklariert werden und einen der beiden Werte 0 (falsch) oder 1 (wahr) aufnehmen.

_Bool a = 1; // seit C99

Durch explizite Verwendung des Headers stdbool.h ist die verbreitete Verwendung des logischen Datentyps bool mit den zwei möglichen Ausprägungen true bzw. false möglich:

#include <stdbool.h>

bool a = true; // seit C99

Seit C99 gibt es drei Gleitkomma-Datentypen für komplexe Zahlen, welche aus den drei Gleitkommatypen abgeleitet sind: float _Complex, double _Complex und long double _Complex. Ebenfalls in C99 eingeführt wurden Gleitkomma-Datentypen für rein imaginäre Zahlen: float _Imaginary, double _Imaginary und long double _Imaginary.

Ein C-Programm besteht aus der main-Funktion und optional aus weiteren Funktionen. Weitere Funktionen können entweder selbst definiert werden oder vorgefertigt aus der C-Standard-Bibliothek übernommen werden.

Jedes C-Programm muss eine Funktion mit dem Namen main haben, anderenfalls wird das Programm nicht kompiliert. Die main-Funktion ist der Einsprungpunkt eines C-Programms, das heißt die Programmausführung beginnt immer mit dieser Funktion.

// das kürzeste mögliche standardkonforme C89-Programm
main(){return 0;}

// das kürzeste mögliche standardkonforme C99-Programm
int main(){}

Außer der main-Funktion müssen in einem C-Programm keine weiteren Funktionen enthalten sein. Sollen andere Funktionen ausgeführt werden, müssen sie in der main-Funktion aufgerufen werden. Die main-Funktion wird deshalb auch als Hauptprogramm bezeichnet, alle weiteren Funktionen als Unterprogramme.

In C lassen sich beliebig viele Funktionen selbst definieren. Eine Funktionsdefinition besteht erstens aus dem Datentyp des Rückgabewerts, zweitens dem Namen der Funktion, drittens einer eingeklammerten Liste von Parametern und viertens einem eingeklammerten Funktionsrumpf, in welchem ausprogrammiert wird, was die Funktion tun soll.

// Datentyp des Rückgabewerts, Funktionsname und zwei Parameter
int summe(int x, int y) {
    // Funktionsrumpf, hier wird die Summe berechnet und zurückgegeben
    return x + y;
}

int main() {
    // die Funktion wird mit den Werten 2 und 3 aufgerufen, der Rückgabewert
    // wird in der Variable „ergebnis“ gespeichert
    int ergebnis = summe(2, 3);

    // main gibt den Wert von „ergebnis“ zurück
    return ergebnis;
}

Für die Definition einer Funktion, die nichts zurückgeben soll, verwendet man das Schlüsselwort void. Ebenso falls der Funktion keine Parameter übergeben werden sollen.

#include <stdio.h>

void begruessung() {
    puts("Hi!");

    return;
}

Die Funktionen der Standard-Bibliothek sind nicht Teil der Programmiersprache C. Sie werden bei jedem standardkonformen Compiler im hosted environment mitgeliefert und können verwendet werden, sobald man die jeweils entsprechende Header-Datei eingebunden hat. Beispielsweise dient die Funktion printf zur Ausgabe von Text. Sie kann verwendet werden, nachdem man die Header-Datei stdio.h eingebunden hat.

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("hello world!\n");

    return 0;
}

Eine Funktion besteht aus Anweisungen. Wie in den meisten Programmiersprachen sind die wichtigsten Anweisungen: Deklarationen und Definitionen, Zuweisungen, bedingte Anweisungen, Anweisungen die Schleifen umsetzen sowie Funktionsaufrufe. Im folgenden, eher sinnlosen Programm finden sich Beispiele.

// Unterprogramme
void funktion_die_nichts_tut() { // Definition
    return;                      // Return-Anweisung
}

int plus_eins_funktion(int argument) { // Definition
    return argument + 1;               // Return-Anweisung
}

// Hauptprogramm
int main() {                         // Definition
    int zahl;                        // Definition
    funktion_die_nichts_tut();       // Funktionsaufruf
    zahl = 5;                        // Zuweisung
    zahl = plus_eins_funktion(zahl); // Funktionsaufruf und Zuweisung

    if (zahl > 5)  // bedingte Anweisung
        zahl -= 1; // Zuweisung: der Wert von „zahl“ ist wieder „5“

    return 0; // Return-Anweisung
}

Beim Benennen von eigenen Variablen, Konstanten, Funktionen und Datentypen muss man sich an einige Regeln zur Namensgebung halten. Erstens muss das erste Zeichen eines Bezeichners ein Buchstabe oder Unterstrich sein. Zweitens dürfen die folgenden Zeichen nur die Buchstaben A bis Z und a bis z, Ziffern und der Unterstrich sein. Und drittens darf der Name keines der Schlüsselwörter sein.

Seit C95 sind auch Zeichen aus dem Universal Coded Character Set in Bezeichnern erlaubt, sofern die Implementierung es unterstützt. Die erlaubten Zeichen sind in Anhang D des ISO-C-Standards aufgelistet. Vereinfacht gesagt, sind es all jene Zeichen, die in irgendeiner Sprache als Buchstabe oder buchstabenähnliches Zeichen Verwendung finden.

Ab C99 lassen sich diese Zeichen plattformunabhängig über eine Escape-Sequenz wie folgt ersetzen:

• \uXXXX (wobei X für eine Hexadezimalziffer steht) für Zeichen mit einem Code von 00A0_hex bis FFFF_hex.
• \UXXXXXXXX für alle Zeichen mit einem Code ≥00A0_hex.

Bestimmte Bezeichner sind außerdem für die Implementierung reserviert:

• Bezeichner, die mit zwei aufeinanderfolgenden Unterstrichen beginnen
• Bezeichner, die mit Unterstrich gefolgt von einem Großbuchstaben anfangen.

Erweiterungen am Sprachkern, die neue Schlüsselwörter erfordern, verwenden dafür ebenfalls Namen aus diesem reservierten Bereich, um zu vermeiden, dass sie mit Bezeichnern in existierenden C-Programmen kollidieren, z. B. _Complex, _Generic, _Thread_local.