解析C語言與操作系統(tǒng)

大家有沒有想過，為什么大部分操作系統(tǒng)都使用C語言來編寫而不是其它語言呢？這篇文章給你答案。

C語言在處理器界很受歡迎

首先不得不說的是C語言真的非常簡單，看看K&R經(jīng)典的"The C Programming Language"，薄薄的一本書就把C語言講完了。

再去看看Java、C#等，要是介紹這些語言的書不能厚到去墊顯示器你都不好意思去讀。

由于C語言很簡單，被移植到了許多CPU架構(gòu)上，甚至許多CPU設(shè)計(jì)者第一件事就是把C語言移植過來。

假設(shè)你自己打造了一款CPU，有自己獨(dú)特的機(jī)器指令，現(xiàn)在CPU有了，接下來的問題是你該怎么編寫程序讓你的CPU開始工作呢？

我們知道，CPU只能執(zhí)行機(jī)器指令，程序員都使用高級語言來編寫程序，因此必須將高級語言翻譯成機(jī)器指令，接下來的問題是選擇什么語言呢？使用極為復(fù)雜的Java/C#還是簡單的C呢？答案不言而喻。

因此你接下來需要的就是為你設(shè)計(jì)的CPU打造一款C編譯器，之前都是通過魔改gcc來完成，現(xiàn)在你也可以使用LLVM（注意，這絕不是一件想象中那么簡單的事情）。

看到了吧，處理器設(shè)計(jì)者想到的第一個(gè)用來驅(qū)動CPU的高級語言就是C，那么針對該CPU編寫的操作系統(tǒng)該用什么語言還用得著說嗎？

C語言最獨(dú)立

為什么說C語言最獨(dú)立呢？

想一想Java、Python、C#等是不是需要一大坨運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)（runtime system），包括解釋器、線程模型、垃圾回收等等。

而C語言就簡單太多了，C語言不需要依賴任何運(yùn)行時(shí)系統(tǒng) （不考慮標(biāo)準(zhǔn)庫），它不需要內(nèi)存管理系統(tǒng)、不需要解釋器、不需要線程模式等等，這就意味著你編寫的C語言程序可以直接在硬件上跑起來。

直接操作硬件的能力

讓我們來看一下在整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中操作系統(tǒng)位于哪里：

可以看到操作系統(tǒng)位于應(yīng)用程序與硬件中間，這就意味著操作系統(tǒng)必須對上層屏蔽硬件，這同時(shí)也意味著編寫操作系統(tǒng)時(shí)必須能直接控制硬件，尤其是內(nèi)存管理，而C語言就是為此而生的。

C語言本身不像Java等自帶內(nèi)存管理系統(tǒng)，在C語言中這一工作完全由程序員控制，這種控制權(quán)在開發(fā)操作系統(tǒng)時(shí)是極為重要的，再加上指針這一大殺器，程序員可以方便地直接操作內(nèi)存，像創(chuàng)建頁表（page table）、DMA控制器、Memory mapped IO等等。

有的同學(xué)可能對指針（pointer）心生畏懼，的確，對于大部分工作在應(yīng)用層的程序員來說，沒有指針我們一樣可以編寫出有用的程序，像Java程序、Python程序等等，這些語言中沒有指針，我們也不需要直接面對硬件，而這恰恰是因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)幫我們屏蔽掉了，而在操作系統(tǒng)這一層我們無可逃避，C語言可以干凈利落地解決問題。

最接近底層的高級語言

C語言中沒有復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，像各種容器、hash表、樹等，程序員必須自己來實(shí)現(xiàn)這些，這也是很多人覺得不方便的地方，然而 這樣設(shè)計(jì)的初衷是為了讓程序員能確切地知道C代碼是怎樣影響硬件的，C語言也是最接近機(jī)器指令的高級語言 ，C語言是非常透明的，而這一點(diǎn)在其它高級語言中幾乎不可能，因?yàn)镃語言的設(shè)計(jì)哲學(xué)之一就是：

Trust the programmer.

使用C語言的程序員應(yīng)該清楚地知道自己在干啥，這非常適合編寫操作系統(tǒng)這種貼近硬件涉及大量底層細(xì)節(jié)需要精密微調(diào)的程序，當(dāng)然缺點(diǎn)就是剛才所說的沒有內(nèi)置的一些常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

本文介紹了為什么大部分操作系統(tǒng)都使用C語言來編寫，也介紹了C語言的許多優(yōu)點(diǎn)，但值得注意的是每種語言都有自己的使用場景，C語言也不例外，C語言非常適合系統(tǒng)編程等偏向底層的方向，但在應(yīng)用層你的選擇則有很多。

希望這篇文章對大家理解C語言與操作系統(tǒng)有所幫助。