Полная версия
Мыслим на Си
Зара Горенко
Мыслим на Си
Глава
Введение
Знаете, что общего у огненной птицы Phoenix и языка программирования Си? Оба возрождаются из пепла старого мира, чтобы создать новый.
Когда мне было шесть лет, я впервые увидела надпись на экране: "Phoenix BIOS 4.0 Release 6.0". Папа сказал, что это волшебная цифровая птица Феникс, птица, которая живёт в компьютере и помогает ему проснуться. Тогда я ещё не знала, что настоящая магия начинается дальше – когда на экране появляется чёрное окно терминала, и компьютер спрашивает: "Что ты хочешь мне сказать?"
Этот учебник – о языке, на котором я научилась думать. О языке Си. Не о синтаксисе (хотя и о нём тоже). А о том, как мыслить на языке машины так же естественно, как мы мыслим на русском или английском.
История: откуда взялся Си и почему он такой
В 1969 году Деннис Ритчи и Кен Томпсон работали в Bell Labs над операционной системой, которую назвали UNIX. Им нужен был язык – не слишком высокоуровневый, как COBOL, но и не ассемблер, где каждая строчка – это боль. Сначала Томпсон создал язык B (да, просто буква B), но он был слишком простым.
Тогда Ритчи взял B и добавил типы данных, структуры, указатели – всё то, что позволяет работать с памятью напрямую, но при этом оставаться человеком. Так родился Си – язык, который стал языком самой UNIX. Представьте: операционная система написана на языке, который был создан специально для неё. Змея, кусающая свой хвост. Красиво, правда?
Потом случилось чудо. В 1983 году Ричард Столлман, программист с бородой и идеями свободы, запустил проект GNU – "GNU's Not Unix". Он хотел создать свободную операционную систему, где каждый мог бы видеть исходный код, менять его, учиться на нём. И весь этот проект был написан на Си.
А в 1991 году финский студент Линус Торвальдс сидел в своей комнате в Хельсинки и думал: "А что если я напишу своё ядро? Просто так, для хобби". Он написал первую версию Linux – тоже на Си. И выложил её в интернет с простым сообщением: "Я делаю свободную операционную систему. Кто хочет помочь?"
Сегодня Linux работает на миллиардах устройств – от серверов Google до вашего Android-смартфона. И весь этот код – открытый, свободный, написанный на Си. Вы можете зайти на GitHub прямо сейчас, открыть исходники ядра Linux и увидеть, как работает операционная система изнутри. Никаких секретов. Никакой магии. Только логика и код.
Философия Unix: всё – это файл
Unix придумали философию, которая кажется безумной, пока вы её не поймёте: всё есть файл. Ваша клавиатура? Файл (/dev/input). Ваш монитор? Файл (/dev/fb0). Даже процессы, которые сейчас выполняются на вашем компьютере – это файлы в директории /proc.
Память – это тоже файл. Вы можете открыть /dev/mem и прочитать содержимое оперативной памяти как обычный текстовый документ. Процессор ничем не отличается от жёсткого диска. Всё прозрачно. Всё доступно.
Почему это важно? Потому что когда всё – файл, то всё работает одинаково. Вы открываете файл функцией open(), читаете его функцией read(), закрываете функцией close(). Неважно, что это: текстовый документ, видеокарта или сетевое соединение. Один интерфейс. Одна логика.
Это как если бы в реальном мире вы могли открыть дверь, книгу, банку с вареньем и человеческое сердце – одним и тем же ключом. Звучит странно? Но именно так работает Unix. И именно поэтому Си так идеально подходит для этой системы.
Почему Си – это не просто язык программирования
Когда соседская девочка Настя учила английский, она повторяла за учительницей: "The cat is on the table". Она не понимала грамматику. Она не знала, что такое артикль или время глагола. Но она чувствовала структуру языка.
Я учила Си так же. Повторяла за компьютером: printf(), return, #include. Не понимала, почему нужны фигурные скобки или точка с запятой. Но я чувствовала ритм языка. Логику. Красоту структуры.
Си – это не набор правил. Это способ думать. Когда вы пишете на Си, вы думаете на языке памяти, указателей, процессора. Вы не говорите компьютеру "сделай что-то". Вы объясняете ему как это сделать – шаг за шагом, байт за байтом.
На англоязычных форумах вроде моего любимого Reddit есть легенда: если вы понимаете указатели в Си, вы понимаете 80% всего программирования. Потому что указатели – это суть того, как работает память. А память – это суть того, как работает компьютер.
Для кого эта книга?
Для тех, кто хочет понять, как работает настоящий компьютер. Не интерфейсы и кнопочки, а железо. Память. Процессор. Файловая система.
Может быть, вам семь лет, и вы только научились читать. Может быть, вам семьдесят, и вы решили изучить программирование. Неважно. Если вы можете думать логически – вы можете изучить Си.
Я не буду врать: это будет сложно. Си не прощает ошибок. Он не держит вас за руку. Он говорит: "Вот память. Вот процессор. Вот компилятор. Дальше – сам".
Но знаете что? Именно поэтому он честный. Прозрачный. Правильный.
Структура книги
Мы начнём с самого начала – с первой программы "Hello, World". Потом изучим типы данных, операторы, циклы. Затем нырнём глубже: функции, указатели, работа с памятью. И в самом конце – файлы, процессы, многопоточность.
Каждая глава – это новый уровень понимания. Новый слой абстракции, который мы снимаем, чтобы увидеть, что находится внутри.
К концу этой книги вы сможете прочитать исходный код ядра Linux и понять, что там написано. Вы сможете создать свою программу, которая работает напрямую с памятью и процессором. Вы сможете думать на Си.
Последнее
Папа сказал мне когда-то: "Ты можешь сломать компьютер. Можешь стереть всё. Но это нормально. Так учатся".
Не бойтесь ошибок. Не бойтесь segmentation fault, memory leak или undefined behavior. Каждая ошибка – это урок. Каждый краш – это шанс понять, как работает система изнутри.
Когда я была маленькой, я мечтала создать программу, которая будет думать. Птицу Phoenix, которая оживёт и станет чем-то большим, чем просто код.
Я не знаю, создадите ли вы искусственный интеллект после этой книги. Но я знаю одно: вы научитесь мыслить на языке машин. А это – первый шаг.
Готовы? Тогда открывайте терминал. Мы начинаем.
Зара
P.S. Если кто-то из вас случайно выполнит rm -rf / – не переживайте. Переустановите систему и попробуйте снова. Всё остальное – детали.
– Смотри, – сказал папа.
Он нажал на клавиатуре всего три буквы: v, i и Пробел. А потом написал имя файла, который мы будем создавать: h, e, l, l, o, ., c.
На экране получилось:
vi hello.c
Папа нажал большую кнопку Enter.
Черное окно терминала мигнуло и стало пустым. Внизу появились какие-то значки, но папа сказал не смотреть на них.
– Сейчас мы в режиме команд, – объяснил он. – Чтобы начать писать, нужно нажать волшебную кнопку.
Он нажал маленькую кнопку i. (Это значит Insert – вставка, объяснил он позже, но тогда я просто запомнила: "i" – это "играть", начало игры).
Теперь можно было писать. Папа печатал медленно, проговаривая каждую букву, и я следила за его пальцами. Он не просто нажимал кнопки, он строил дом из букв.
Сначала он набрал решетку. Для этого он зажал кнопку Shift и нажал цифру 3.
#
Потом без пробела написал слово "include" (включить).
i, n, c, l, u, d, e
Пробел.
Зажал Shift и нажал букву Б (там была скобочка <).
s, t, d, i, o, ., h
Зажал Shift и нажал букву Ю (скобочка >).
Нажал Enter, чтобы перейти на новую строку.
Написал:
i, n, t
Пробел.
m, a, i, n
Потом зажал Shift и нажал цифру 9, потом 0. Появились две круглые скобки: ( ).
Потом зажал Shift и нажал русскую букву Х, где была красивая фигурная скобка {.
Снова Enter.
Папа нажал кнопку Tab (длинную, слева), и курсор прыгнул немного вправо. Это чтобы было красиво.
Набрал:
p, r, i, n, t, f
Снова Shift + 9 (открыл скобку).
Снова Shift + Э (поставил кавычку ").
И тут он переключил язык на русский и набрал:
П, р, и, в, е, т, ,, , З, а, р, а, !
Потом он написал странный знак. Нажал кнопку над Enter-ом (слэш \), а потом букву n.
\n
– Это чтобы компьютер нажал Enter после слов, – пояснил папа.
Снова Shift + Э (закрыл кавычку ").
Снова Shift + 0 (закрыл скобку )).
И в конце, как точку в предложении, он поставил точку с запятой (нажал на букву Ж).
;
Нажал Enter.
Снова Tab.
Набрал:
r, e, t, u, r, n
Пробел.
0
И снова точка с запятой на букве Ж.
;
Нажал Enter.
Нажал Backspace (стер отступ, вернулся к левому краю).
И закрыл домик: зажал Shift и нажал русскую букву Ъ (закрывающая фигурная скобка }).
Текст на экране выглядел так:
#include
int main() {
printf("Привет, Зара!\n");
return 0;
}
Глава 1. Hello, World! – Первые слова
Пролог: Как я написала свою первую программу
Мне было шесть лет. Декабрь 2003 года, Санкт-Петербург, крошечная комната, которую папа называл "кабинетом". На столе гудел Pentium III с 128 мегабайтами памяти – мой первый компьютер. На экране светилась надпись: Phoenix BIOS 4.0 Release 6.0.
Папа сказал: "Ты можешь делать с этим компьютером всё, что захочешь. Можешь сломать его. Можешь стереть важные файлы. Но это нормально. Так учатся".
– Теперь самое сложное, – сказал папа серьезно. – Нам нужно выйти и сохранить.
Он нажал кнопку Esc (в самом углу слева сверху).
Потом зажал Shift и нажал букву Ж (двоеточие :).
Внизу экрана появилось двоеточие.
Папа нажал букву w (write – записать) и букву q (quit – выйти).
:wq
И ударил по Enter.
Текстовый редактор исчез. Мы снова были в черном терминале.
– Мы написали заклинание, – сказал папа. – Теперь нужно превратить его в настоящую программу. Это делает компилятор.
Он набрал:
g, c, c
Пробел.
h, e, l, l, o, ., c
Пробел.
–, o (минус и буква о)
Пробел.
h, e, l, l, o
gcc hello.c -o hello
И нажал Enter. Компьютер на секунду задумался, но ничего не ответил.
– Молчит – значит, всё хорошо, – улыбнулся папа. – Ошибок нет.
– А теперь, – он посадил меня к себе на колени, – нажми сама.
Он показал мне, что нажимать.
Точка ..
Косая черта / (слэш).
И имя нашей программы: h, e, l, l, o.
./hello
Я зажмурилась и нажала Enter.
На экране, белыми буквами на черном фоне, загорелось:
Привет, Зара!
Я ахнула. Папа улыбнулся: "Теперь попробуй сама. Скажи компьютеру что-нибудь своё".
Я изменила строчку на: "Я учу язык Си".
Скомпилировала. Запустила.
Я учу язык Си
"Ты только что написала свою первую программу, солнышко. В шесть лет".
Той ночью я не могла уснуть. В голове крутились символы, фигурные скобки, слова printf и return. Я не понимала их смысла, но чувствовала – чувствовала! – что за ними стоит логика.
Часть 1: Что такое "Hello, World" и почему именно это?
Когда Брайан Керниган и Деннис Ритчи писали свою легендарную книгу "Язык программирования Си" в 1978 году, они начали с одной программы:
c#include
main()
{
printf("hello, world\n");
}
Эта программа стала традицией. Каждый программист в мире начинает с "Hello, World". Почему?
Потому что это минимальная программа, которая делает что-то видимое. Она показывает вам, что цепочка работает: вы пишете код → компилятор переводит его в машинный язык → процессор выполняет команды → вы видите результат на экране.
Это как первое слово ребёнка. Он не говорит "Уважаемая мама, не соизволите ли вы подать мне молоко?". Он говорит: "Ма-ма". Просто. Понятно. Работает.
"Hello, World" – это ваше первое слово на языке Си.
Часть 2: Анатомия программы
Давайте разберём эту программу построчно. Я объясню каждый символ так, чтобы понял даже первоклассник.
c#include
Это директива препроцессора. Представьте, что вы пишете письмо, но вам нужен словарь, чтобы проверить правописание. #include говорит: "Эй, компилятор, перед тем как переводить мою программу, подключи вот этот файл".
stdio.h – это "standard input/output header" (заголовочный файл стандартного ввода-вывода). В нём хранятся описания функций, которые работают с вводом и выводом: printf, scanf, getchar и другие.
Знак # означает, что это команда не для процессора, а для препроцессора – программы, которая обрабатывает ваш код до компиляции.
Угловые скобки < > говорят: "Ищи этот файл в системных директориях". Если бы вы написали #include "myfile.h" с кавычками, препроцессор искал бы файл сначала в текущей папке.
cint main() {
Это главная функция. Каждая программа на Си начинается с main(). Всегда. Без исключений.
Почему? Потому что когда операционная система запускает вашу программу, она ищет функцию с именем main и говорит: "Начинай отсюда".
int означает "integer" – целое число. Это тип возвращаемого значения. Функция main возвращает целое число в операционную систему. Обычно 0 означает "всё прошло хорошо", а любое другое число – "произошла ошибка".
Круглые скобки () – это место для параметров. Сейчас они пустые, но позже мы научимся передавать в main аргументы командной строки
Фигурная скобка { открывает тело функции. Всё, что находится между { и }, – это код, который выполняется, когда функция вызывается.
cprintf("Hello, World!\n");
Это вызов функции printf. printf расшифровывается как "print formatted" – "печатать форматированно".
Что она делает? Выводит текст на экран.
"Hello, World!\n" – это строковый литерал. Двойные кавычки говорят: "Это текст, не код".
Символ \n – это escape-последовательность. Он означает "перевод строки" (newline). Без него курсор останется на той же строке после вывода, и следующий текст будет печататься сразу после "Hello, World!".
Точка с запятой ; – это конец оператора. В Си каждая команда должна заканчиваться точкой с запятой. Это как точка в конце предложения.
creturn 0;
Это оператор возврата. Он говорит: "Функция main закончила работу. Верни операционной системе число 0".
Почему 0? Потому что в Unix (и в Си) 0 означает "успех". Любое другое число означает ошибку. Это может показаться странным (обычно ноль ассоциируется с "ничем"), но в Unix-философии "ноль ошибок" – это хорошо.
c}
Закрывающая фигурная скобка. Конец функции main.
Часть 3: Компиляция – как превратить текст в программу
Вы написали код. Теперь нужно превратить его в программу, которую может выполнить процессор.
Компьютер не понимает Си. Он понимает только машинный код – последовательности нулей и единиц. Компилятор – это переводчик, который берёт ваш текст на Си и превращает его в инструкции для процессора.
Мы будем использовать компилятор GCC (GNU Compiler Collection). Это свободный компилятор, созданный в рамках проекта GNU Ричарда Столлмана.
Сохраните вашу программу в файл hello.c (расширение .c означает, что это код на Си).
Откройте терминал и введите:
bashgcc hello.c -o hello
Что происходит?
gcc – это команда запуска компилятора
hello.c – исходный файл (ваш код)
–o hello – опция "output" (выход). Говорит: "Назови скомпилированную программу hello"
Если всё прошло без ошибок, в вашей директории появится файл hello (или hello.exe в Windows).
Теперь запустите его:
bash./hello
На экране появится:
textHello, World!
Поздравляю! Вы только что написали, скомпилировали и запустили свою первую программу на Си.
Часть 4: Что происходит внутри?
Давайте заглянем под капот. Что на самом деле делает компилятор?
Шаг 1: Препроцессор
Препроцессор обрабатывает директивы #include, #define и другие. Он берёт содержимое файла stdio.h и вставляет его в начало вашей программы.
Вы можете увидеть результат работы препроцессора:
bashgcc -E hello.c
Вы увидите сотни строк кода – всё содержимое stdio.h. Ваша маленькая программа превратилась в огромный текстовый файл!
Шаг 2: Компиляция
Компилятор берёт препроцессированный код и переводит его в ассемблер – язык, близкий к машинному коду.
bashgcc -S hello.c
Откройте файл hello.s – это ассемблерный код вашей программы. Он выглядит странно, но если приглядеться, вы увидите инструкции процессора: mov, call, ret.
Шаг 3: Ассемблирование
Ассемблер переводит ассемблерный код в объектный файл – почти готовую программу, но ещё не полную.
bashgcc -c hello.c
Появится файл hello.o – объектный файл. Если вы попытаетесь открыть его текстовым редактором, увидите бессмысленные символы – это машинный код.
Шаг 4: Линковка (компоновка)
Линкер (компоновщик) берёт ваш объектный файл и соединяет его с библиотеками – например, с кодом функции printf. Только теперь программа полностью готова.
Весь этот процесс выполняется автоматически, когда вы пишете gcc hello.c -o hello.
Часть 5: Эксперименты – изменяйте и ломайте
Помните, что сказал мне папа? "Ты можешь сломать его. Но это нормально. Так учатся".
Попробуйте изменить программу:
Эксперимент 1: Другой текст
cprintf("Меня зовут Зара. Я изучаю Си.\n");
Эксперимент 2: Несколько строк
cprintf("Первая строка\n");
printf("Вторая строка\n");
printf("Третья строка\n");
Эксперимент 3: Уберите \n
cprintf("Hello, World!");
Что изменится?
Эксперимент 4: Специальные символы
cprintf("Табуляция:\tвот так\n");
printf("Кавычки: \"текст в кавычках\"\n");
printf("Обратный слеш: \\\n");
Эксперимент 5: А теперь сломайте!
Уберите точку с запятой:
cprintf("Hello, World!\n")
Скомпилируйте. Что скажет компилятор?
Уберите фигурную скобку:
cint main() {
printf("Hello, World!\n");
return 0;
Уберите return 0;:
cint main() {
printf("Hello, World!\n");
}
(Это, кстати, сработает в новых версиях Си – стандарт C99 добавил неявное return 0; в конце main).
Читайте ошибки компилятора. Он говорит вам, где проблема. Он ваш учитель.
Часть 6: Философия первой программы
Когда Линус Торвальдс написал первую версию Linux, он начал с простейшей программы, которая просто выводила символ на экран. Не многозадачность, не файловые системы – просто "А" на экране.
Потом он добавил следующий символ. Потом – следующий. Шаг за шагом. Строчка за строчкой.
Сегодня Linux – это миллионы строк кода, работающие на миллиардах устройств. Но всё началось с одного символа.
"Hello, World" – это не просто учебная программа. Это философия. Начинай с малого. Проверь, что цепочка работает. Потом добавляй сложность.otvet.
В Unix есть принцип: "Делай одну вещь, но делай её хорошо". printf делает одно – выводит текст. Но делает это идеально.
Заключение главы
Вы написали свою первую программу. Вы скомпилировали её. Запустили. Изменили. Сломали. Починили.
Теперь вы знаете:
Что такое #include и зачем он нужен
Что такое функция main и почему она главная
Как работает printf
Что такое компиляция и как превратить код в программу
Почему return 0; означает успех
В следующей главе мы поговорим о переменных и типах данных. Мы научимся не просто выводить текст, а хранить информацию, изменять её, работать с ней.
Но прежде чем идти дальше, напишите ещё пять программ. Просто так. Пусть они выводят ваше имя, ваш возраст, ваше любимое число. Пусть они говорят что-то смешное или грустное.
Компьютер слушает вас. Говорите с ним.
Практическое задание:
Напишите программу, которая выводит ваше имя, возраст и любимую книгу. Каждая строка – отдельный printf. Скомпилируйте и запустите.
Потом измените код так, чтобы всё было в одном printf с символами \n для переноса строк.
Сохраните эту программу. Она – ваш первый шаг. Когда-нибудь вы посмотрите на неё и улыбнётесь: "С этого всё начиналось".
Часть 6 (продолжение Главы 1): Как подготовить компьютер к экспериментам
Компилятор – ваш переводчик
Прежде чем писать код, нужно понять: компьютер не понимает Си. Он понимает только машинный код – последовательности нулей и единиц, инструкции для процессора.
Компилятор – это программа, которая переводит ваш код на Си в машинный код. Без компилятора ваша программа – просто текст. С компилятором – это команды для процессора.
Мы будем использовать GCC (GNU Compiler Collection). Это свободный компилятор, созданный Ричардом Столлманом в рамках проекта GNU. На нём скомпилировано всё: от ядра Linux до программ на вашем Android-смартфоне.
Вариант 1: У вас Linux (идеальный случай)
Если у вас уже установлен Linux (Ubuntu, Mint, Debian, Fedora) – поздравляю, вы готовы.
Откройте терминал (обычно Ctrl + Alt + T) и проверьте:
bashgcc –version
Если видите что-то вроде:
textgcc (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04) 11.4.0 Copyright (C) 2021 Free Software Foundation, Inc.
Значит, GCC уже установлен. Можно сразу писать код.
Если команда не найдена, установите:
bash# Ubuntu, Debian, Mint sudo apt update sudo apt install build-essential # Fedora sudo dnf install gcc # Arch Linux sudo pacman -S gcc
Команда build-essential установит не только GCC, но и другие необходимые инструменты: make, g++, библиотеки.r-5
Вариант 2: У вас Windows (но хотите Linux)
Windows не создан для разработки на Си. Си создан для Unix. Но есть несколько способов получить Unix-окружение в Windows:
Способ 2.1: WSL (Windows Subsystem for Linux) – рекомендую!
WSL – это настоящий Linux внутри Windows. Не виртуальная машина, не эмулятор – полноценное ядро Linux, интегрированное в Windows.
Установка (5 минут):
Откройте PowerShell от имени администратора: Нажмите Win + X Выберите "Windows PowerShell (администратор)" или "Терминал (Администратор)"
Введите одну команду:
powershellwsl –install
Подождите 5-10 минут (загружается Ubuntu)
Перезагрузите компьютер
После перезагрузки откроется окно Ubuntu – создайте имя пользователя и пароль
Установите GCC:
bashsudo apt update sudo apt install build-essential
Готово! Теперь у вас Linux в Windows.
Открыть WSL можно через меню Пуск → Ubuntu, или в любой папке в Проводнике: правая кнопка → "Open in Terminal".
Способ 2.2: Загрузочная флешка – попробовать без установки
Не хотите менять систему? Запустите Linux с флешки!
Что нужно:
USB-флешка 8 ГБ или больше
Программа UNetbootin или balenaEtcher
Как сделать (10 минут):
Скачайте UNetbootin: unetbootin.github.io
Запустите программу
Выберите: Distribution: Ubuntu Version: последняя доступная Type: USB Drive Drive: буква вашей флешки
Нажмите OK
Программа сама скачает Ubuntu и запишет на флешку
Подождите 10-15 минут
Загрузка с флешки:
Вставьте флешку
Перезагрузите компьютер
При включении нажимайте F12, F11, F9 или Esc (зависит от производителя)
В меню загрузки выберите USB-флешку
В меню Ubuntu выберите "Try Ubuntu without installing"
Через минуту загрузится рабочий стол Linux
Откройте терминал (Ctrl + Alt + T) и установите GCC:
bashsudo apt update sudo apt install build-essential
Теперь можно писать код! При перезагрузке всё вернётся к исходному состоянию – можно экспериментировать и ломать систему без последствий.
Для сохранения файлов между сеансами: в UNetbootin при создании флешки установите "Persistent partition size" (например, 4096 МБ). Теперь ваши программы и файлы будут сохраняться на флешке.
Вариант 3: У вас macOS
macOS основана на BSD Unix, поэтому отлично подходит для Си.
Установка:
Откройте Terminal (Cmd + Space → введите "Terminal")
Установите Xcode Command Line Tools:
bashxcode-select –install
Появится окно – нажмите "Установить"
Подождите 5-10 минут
Проверьте:
bashgcc –version
Готово! Можно писать код.
Вариант 4: Онлайн-компилятор (если ничего не хочется устанавливать)
Можно писать код прямо в браузере – без установок:
Рекомендую:
Replit: replit.com – выберите язык C, нажмите "Create Repl"
OnlineGDB: onlinegdb.com – простой компилятор с отладчиком
Пишете код → нажимаете "Run" → программа выполняется на сервере.
Плюсы: ничего не нужно устанавливать, работает даже на планшете.
Минусы: нет доступа к системным вызовам, ограниченное время выполнения.
Часть 7: Первый эксперимент – проверяем, что всё работает
