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C 語言的歷史與演變：從誕生到現在的系統性解析

C語言基礎
目次

1. 前言

C 語言是什麼？以及為何至今仍受到關注

C 語言是於 1972 年在美國 AT&T 貝爾實驗室誕生的程式語言。現代雖有許多語言存在，C 語言仍然擁有根深蒂固的高人氣。特別是在嵌入式系統與作業系統的開發現場，C 語言仍然是第一線使用的語言。

了解歷史的意義

在學習程式設計時，了解該語言的背景與誕生過程、以及如何演變是非常重要的。了解 C 語言的歷史不僅能加深技術知識，亦能了解其思想與設計哲學。這也是培養在學習其他語言或框架時可應用的「觀點」的訓練。

本文的目的

本文將從 C 語言的起源說起，闡述開發經過、標準化的流程、對其他語言的影響，以及目前的定位，依照時代的脈絡加以說明。內容以易於初學者理解的結構編排，無論是剛開始學習 C 語言的讀者，或是已在使用卻不熟悉其背景的人，都能獲得新的發現。

2. C語言的起源

成為C語言誕生基礎的BCPL

追溯C語言的根源，會發現它源於1960年代開發的BCPL（Basic Combined Programming Language）。BCPL由劍橋大學的馬丁·理查茲於1966年設計，旨在製作編譯器，是一種簡單且彈性的語言。 這個BCPL的設計沒有明確的「型」概念，所有資料皆以單一的「字」來處理。因此，在撰寫程式時具備高度的彈性，能在當時有限的電腦資源中實現高效的處理。然而，缺乏型別也容易導致錯誤與異常，成為後續語言設計的重要改進點。

B語言的誕生與特點

從BCPL衍生而誕生的是B語言。約1970年，AT&T貝爾研究所的肯·湯普森（Ken Thompson）將BCPL簡化，設計成可在迷你電腦「DEC PDP-7」上運行的B語言。 B語言同樣採用了與BCPL相同的無型別設計。因此，程式的彈性仍得以保留，但隨著當時更高效能機器的出現，對更嚴謹的控制與資料管理的需求提升。特別是隨著16位元與32位元等硬體環境的演進，「型別」的明確化成為不可避免的課題。

C語言誕生的鋪墊

B語言曾用於UNIX早期版本的開發，但語言規格的限制逐漸成為開發的障礙。尤其是複雜的結構體與指標操作、型別安全性的確保變得困難，顯露出B語言的局限性。 在此情況下，作為B語言的改良版誕生的是「C語言」。下一章將詳細說明C語言是如何誕生以及具備哪些特徵。

3. C 語言的誕生

Dennis Ritchie 的開發

1972 年，在美國新澤西州的AT&T貝爾實驗室，由Dennis Ritchie（Dennis M. Ritchie）開發了 C 語言。 他在同事 Ken Thompson 設計的 B 語言的限制下，將其改良為 C 語言。新引入型別概念，並賦予能有效利用硬體資源的結構，從而打造出更精緻的低階語言。

C 語言命名的由來

C 語言的名稱來源於它的前身「B 語言」的發展。簡單的理由是字母順序中「B」之後是「C」。其中也蘊含了它是 B 語言延伸的改良版的訊息。並非取自特定詞彙的首字母。

C 語言的創新特點

C 語言最大的特點是介於高階語言與低階語言之間的設計理念。也就是說，它具有人類易於理解的語法，同時又能接近機器語言進行指令控制，是一種極具平衡性的語言。 以下列出 C 語言的主要特點：
  • 型（Type）系統的引入：明確定義變數所使用的資料型別（int、char、float 等）。
  • 指標（Pointer）：能直接操作記憶體位址的功能。藉此可實現動態記憶體管理與函式位址傳遞。
  • 結構（struct）：可將多種不同型別的資料集合在一起。
  • 以函式分割：將處理以函式為單位分割，使模組化與可重用性提升。
  • 前處理指令：如#define、#include等，可在編譯前寫入指令的機制。
透過這些功能，C 語言能夠開發出高效、具彈性且效能優異的應用程式。之後也深度參與了後續出現的 UNIX 作業系統的再實作。

C 語言的出現所帶來的變化

C 語言一出現，就使得以往在組合語或非結構化語言中難以實現的「高可移植性程式碼」成為可能。只要有編譯器，就能在各種硬體上執行相同的程式，這一突破性的概念顛覆了後續軟體開發的常識。

4. 與 UNIX 的關係

UNIX 開發的幕後與 C 語言的出現

1970年代初期，AT&T貝爾實驗室正將「UNIX」作為下一代作業系統進行開發。早期的 UNIX 是以組合語言撰寫，依賴於各平台不同的指令集，導致可移植性差，且修改與維護都相當困難。 在此情況下，在 Dennis Ritchie 與 Ken Thompson 的主導下，開始了以 C 語言重新實作 UNIX 的大膽嘗試。這一選擇對後來的程式設計界產生了難以估量的衝擊。

C 語言重新實作 UNIX（1973 年）

1973 年，UNIX 被以 C 語言重新構建。在當時這是極具突破性的事實，作業系統這類關乎核心的軟體以不依賴硬體的高階語言撰寫，實屬前所未有。 這種以 C 語言實作的好處非常大，產生了以下的優勢。
  • 高可移植性：以 C 語言撰寫的 UNIX，只要有相應的編譯器，就能在其他機器上運行。
  • 提升維護性與擴充性：語法易讀且條理分明，使開發效率大幅提升。
  • 開發者社群的擴大：其他大學與企業也開始使用 C 語言與 UNIX，知識更易於共享。
因此 UNIX 在大學、研究機構與技術人員之間迅速普及，C 語言也藉此勢頭在全球範圍內廣為流傳。

UNIX 與 C 語言、相互發展的關係

UNIX 與 C 語言之間是相互補足而演進的關係。C 語言的可移植性與效率支撐了 UNIX 多樣的硬體部署，而 UNIX 的成功則作為 C 語言的使用案例，證明了其可靠性與實用性。 在此期間確立的「UNIX + C 語言」開發模式，成為之後軟體開發的標準模型，並構築了延伸至 Linux、BSD，甚至 macOS 與 Android 等現代作業系統的技術系譜。

5. 標準化與演進

K&R C的出現（1978年）

C語在廣泛普及的1978年，由布萊恩·卡尼漢（Brian W. Kernighan）與丹尼斯·里奇共同著作的書籍《The C Programming Language》成為事實上的標準，對全世界產生了影響。此版本的C語以作者的首字母命名為「K&R C（卡尼漢＆里奇C）」。 K&R C允許省略函式原型、型別檢查較寬鬆，從現代觀點看是相當自由的寫法。然而，過於彈性的設計在大型開發與安全性方面逐漸被視為問題。

ANSI C（C89/C90）標準化

當C語在全球被廣泛使用時，各編譯器之間的行為差異讓開發者感到困擾。為了解決此問題，1983年ANSI（美國國家標準協會）開始著手C語的標準化，並於1989年正式制定為「ANSI C（C89）」標準。 此外，1990年亦被國際標準化組織（ISO）認可為國際標準，亦稱為「C90」。 ANSI C加入了以下改進：
  • 明確的函式原型（加強型別檢查）
  • 擴充標準函式庫（<stdio.h>, <stdlib.h> 等）
  • 引入 enum 型以及 const、volatile
  • 更嚴謹的型別與記憶體操作定義
因此，C語在可移植性、可維護性與安全性方面大幅進化，企業與教育機構也能更安心地使用。

C99、C11、C17、以及C23

在ANSI C之後，C語仍持續依照時代需求進行修訂。
  • C99（1999年） 允許變數宣告位置自由化、使用 // 註解、可變長度陣列、inline 關鍵字等，引入了現代化的寫法。
  • C11（2011年） 加入多執行緒處理（<threads.h>）、原子操作、Unicode 支援、強化安全性等，使語言更堅固且通用。
  • C17（2017年） 主要進行錯誤修正與既有規格的明確化，可說是維護性版本。
  • C23（預計2023年 → 已獲最終案批准） 在考慮與現代 C++ 的相容性下，預計將加入類似 constexpr 的功能以及更簡潔的寫法支援，推動 C 語的現代化。

作為長壽語言的C的優勢

從這些標準化的演變可見，C語是如何在靈活回應時代需求的同時，仍持續維持其根本設計理念。能持續使用數十年的語言實屬罕見，足以說明 C 語設計的普遍性。

6. C語言的影響與衍生語言

C語言對其他語言的巨大影響

C語言不僅僅是一種程式語言，它直接影響了之後出現的許多語言設計。C語言的語法、記憶體管理理念，以及控制結構（if、for、while等）甚至可以稱為程式語言的「共通語」。 特別顯著受影響的語言如下：
  • C++ C語言擴充加入物件導向元素後形成的語言是C++。在保持與C相容的同時，引入了類別、繼承、多型（Polymorphism）等高階概念。
  • Java 受到C++的強烈影響，但排除指標操作，透過在虛擬機（JVM）上執行以追求安全性與可移植性。語法以C系為基礎，只要懂C就能相對順利地學習Java。
  • C# 由微軟開發的語言，語法基於C系，但與 .NET 框架緊密結合。常被說是 Java 與 C++ 之間的中間語言。
  • Objective‑C、Swift（Apple 系） Objective‑C 將 C 語言與 Smalltalk 的訊息傳遞功能結合，而 Swift 作為其後繼，採用現代寫法，同時仍保留濃厚的 C 系語法影響。

嵌入式與 OS 開發中 C 語言的強大之處

C 語言最大的優勢在於「能在接近硬體層級進行控制」這一點。正因此特性，以下領域至今仍以 C 語言為主力活躍：
  • 嵌入式系統：家電、車載設備、醫療器材等，許多微控制器（MCU）皆使用 C 語言。
  • OS 開發：Linux 核心是以 C 語言撰寫，macOS 與 Windows 內部亦有 C 扮演重要角色。
  • 系統程式設計全般：裝置驅動程式、編譯器、資料庫引擎等。
C 語言能設計出最大化利用硬體有限資源的程式，因而在需要即時性與穩定性的場合持續受到重視。

即使在現代，學習 C 語言的價值是什麼？

許多人因為把 C 語言視為「老舊語言」而敬而遠之，事實上它是了解程式設計本質與低層機制的最佳教材。
  • 學習指標可使記憶體操作變得清晰
  • 學會型別與結構體的使用，掌握資料設計的基礎
  • 簡潔的語法有助於鍛鍊邏輯思考
這些能力是無論使用何種高階現代語言，都必須具備的基礎。因此，至今仍有許多大學與技術教育機構將 C 語言列入課程。

7. 總結

回顧 C 語言的歷史

C 語言自 1972 年由 Dennis Ritchie 開發以來，作為 奠定軟體開發基礎的語言，長期受到支持。 它的根源在於 BCPL 與 B 語言，因 UNIX 的重新實作而契機，於全球的研究者與工程師之間迅速普及。 其後，經過 ANSI 的標準化（C89/C90），再到 C99、C11、C17、C23，隨著時代持續更新，即使已超過 50 年仍是活躍的程式語言，持續被使用。

C 語言帶來的事物

C 語言為技術者社會提供了以下重要價值：
  • 跨平台的可移植性
  • 接近硬體層級的控制性
  • 程式語言的基礎語法
  • 對 C++、Java 等衍生語言的影響
如此，C 語言對於當前軟體開發與資訊技術的發展，是不可或缺的基礎，這並不誇張。

學習的價值仍未改變

在現代，像 Python 與 JavaScript 這樣的高階語言受到矚目，但學習 C 語言至今仍具重大意義。 為了培養記憶體管理、資料結構、低階控制等 「程式設計的根本功力」，學習 C 語言非常有效。 特別是對於以下類型的人，對 C 語言的理解將成為強大的武器：
  • 以嵌入式系統或 IoT 開發為目標的技術者
  • 對作業系統、編譯器等系統程式設計有興趣的人
  • 想正式掌握 CS（電腦科學）基礎的學生
學習 C 語言，就是在打造未來無論進入哪個領域都通用的「思考力」與「技術力」的基礎。
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