Летопись языков. Си

Язык Си не имеет смысла представлять особо. За три десятилетия своей жизни он покорил сердца не одного миллиона программистов всего мира...

Руслан Богатырев

Язык Си не имеет смысла представлять особо. За три десятилетия своей жизни он покорил сердца не одного миллиона программистов всего мира.

На языке Си было создано такое количество программного обеспечения, с которым сравниться не может, пожалуй, ни один другой язык. История Си полна мифов и ложных стереотипов. Один из самых распространенных — авторство языка. Многие зачастую допускают одну и ту же ошибку, причисляя Брайана Кернигана к числу разработчиков Cи. Он не участвовал в создании языка, но был активным его популяризатором и в соавторстве с Деннисом Ритчи написал бестселлер «Язык программирования Си» [1]. Впрочем, разве дело в мифах? Гораздо важнее понять, с чем связан небывалый успех Си, в чем секреты его долголетия и какое будущее ему уготовано? На эти вопросы мы и попробуем найти ответ, обратившись к страницам истории.

Истоки языка Си

Язык Си, как и любой другой, зародившийся в ходе эволюции программирования, появился не на пустом месте. У него были свои предшественники, изучая которые можно отыскать ключ к разгадке свойств и механизмов Си.

Сама атмосфера 1960-х годов способствовала возникновению чего-либо подобного. Питер Мойлан так пишет об этом [2]: «Нужен был язык, способный обойти некоторые жесткие правила, встроенные в большинство языков высокого уровня и обеспечивающие их надежность. Нужен был такой язык, который позволил бы делать то, что до него можно было реализовать только на ассемблере или на уровне машинного кода. Это привело к появлению концепции машинно-ориентированных языков промежуточного уровня. Надо признать, что Си был не единственным подобным языком и уж никак не самым первым. В сущности, в это время машинно-ориентированные языки стали появляться, как грибы после дождя. Все они походили один на другой, как члены единой семьи, но вовсе не потому, что авторы списывали их друг у друга, а потому, что они были под влиянием одних и тех же идей, витавших в то время в воздухе».

Главным прародителем языка Си стал BCPL. Его разработал Мартин Ричардс, когда в 1966-1967 гг. посещал Массачусетский технологический институт (MIT). Это была несколько упрощенная версия языка CPL (Cambridge Programming Language). Первоначально компилятор BCPL был реализован для операционных систем GECOS и MULTICS, работавших на компьютерах компании General Electric моделей GE-635 и GE-645 соответственно. BCPL использовался для реализации операционной системы TRIPOS, которая впоследствии была положена в основу AmigaDOS. Близким по духу к BCPL является язык BLISS (Basic Language for Implementation of System Software), созданный Биллом Вульфом в университете Карнеги-Меллон в 1969 г.

В 1969 г. Дуг Макилрой реализовал язык TMG (Макклар, 1965), придуманный специально для создания компиляторов. Кен Томпсон, вдохновленный работой Макилроя, решил, что для операционной системы UNIX (правда, тогда она еще так не называлась) нужен свой язык системного программирования. После нескольких неудачных экспериментов с Фортраном он создал такой язык и назвал его B (Би). По сути, B* — это синтаксически видоизмененный BCPL, который Томпсону удалось втиснуть в 8 Кбайт памяти. Почему же он получил такое имя? Существует две гипотезы его происхождения: от начальной буквы либо BCPL, либо другого языка Томпсона — Bon, названного в честь его жены Бонни.

Многие знают о том, что компилятор языка Си был написан на самом Си (подобно тому, как несколько раньше группа Никлауса Вирта реализовала компилятор Паскаля [3] на Паскале). Однако гораздо менее известен тот факт, что его создатели во многом пошли по следам компилятора языка B, который был написан Кеном Томпсоном на самом B. В результате работ Макилроя появился компилятор компиляторов TMGL. С его помощью была проведена программная раскрутка (bootstrapping) сначала языка B, а затем и Си. Иными словами, компиляторы для этих языков были написаны на тех же самых языках.

Компилятор языка B впервые появился на компьютере PDP-7, где он генерировал не машинные инструкции, а шитый код — интерпретационную схему, где компилятор генерирует последовательность адресов, обозначающих фрагменты кода. Эти фрагменты и производят элементарные операции. В случае компилятора B операции выполнялись на простой стековой машине. Важным технологическим достижением группы, куда входили Томпсон и Ритчи, стал кросс-компилятор языка B: он был написан на самом B, работал на 18-разрядной PDP-7, генерировал код для 36-разрядной GE-635 и при этом умещался в 4 тыс. слов памяти PDP-7. Интересно, что у языка B первый компилятор занимал объем памяти 8 Кбайт, а у языка Си — 16 Кбайт.

Связанные родственными узами, языки BCPL, B и Си различаются синтаксисом, хотя и имеют общий фундамент. Они ориентированы на системное программирование. Написанные на них программы состоят из последовательности глобальных описаний и описания функций (процедур). Причем в BCPL процедуры могут быть вложенными, а в B и Cи — нет. В отличие от своих потомков, BCPL имел очень широкий набор управляющих конструкций: if-then, test-then-else, unless-do, while-do, until-do, repeat, repeatwhile, repeatuntil, for-to-by-do, loop, break, switchon-into-case-default-endcase. Языки BCPL и B — бестиповые (т. е. не имеют типов), они работают со словом (ячейкой памяти), содержащим фиксированное число разрядов (битов), а память ими рассматривается как линейный массив слов, где значение ячейки памяти можно интерпретировать как индекс в этом массиве. Для всех этих целей BCPL использует оператор «!», а язык B — оператор «*».

Кен Томпсон (слева) и Деннис Ритчи в начале 1970-х годов за знаменитой PDP-11

Деннис Ритчи вспоминает [4]: «В 1971 г. я начал расширять язык B, добавляя тип сhar, а также переписал его компилятор таким образом, чтобы он впрямую генерировал инструкции для PDP-11, а не шитый код. Таким образом, переход от B к Си происходил одновременно с созданием компилятора, способного порождать достаточно быстрые и компактные программы в сравнении с языком ассемблера. Я назвал несколько расширенный язык NB — «новый B» (new B). В язык NB Ритчи ввел первые типы: int и char. Вместе с массивами и указателями они составили его систему типов.

Откуда же появилось название Си? Ритчи разъясняет это так: «Создав систему типов, соответствующий синтаксис и компилятор для нового языка, я почувствовал, что он заслуживает нового имени: NB показалось мне недостаточно четким. Я решил следовать однобуквенному стилю и назвал его C (Си), оставляя открытым вопрос, являлось ли после B это следующей буквой в алфавите или в названии BCPL».

Си, UNIX и PDP-11

Успех Си был неразрывно связан с тем, что в одном месте в одно и то же время появились сразу три грандиозных творения, ставших культовыми: язык программирования Си, операционная система UNIX и мини-компьютер PDP-11. (В Советском Союзе аналогом PDP-11 были семейства СМ-4 и СМ-1420.) За прошедшие десятилетия PDP-11 и сменивший его VAX-11 уступили место более совершенным техническим решениям, но Си и UNIX продолжают оставаться на передовых позициях программной индустрии. Они связаны друг с другом столь тесно, что невольно хочется перефразировать слова Маяковского: мы говорим «Си», подразумеваем «UNIX», мы говорим «UNIX», подразумеваем «Си».

Связка Си—UNIX во многом отразила творческий союз Ритчи и Томпсона. Кен Томпсон считает: «Наше сотрудничество было образцом совершенства. За те десять лет, что мы проработали вместе, можно вспомнить только один случай нескоординированной работы. Я тогда обнаружил, что мы написали одинаковую ассемблерную программу из 20 строк. Я сравнил наши тексты и поразился, обнаружив, что они совпадают посимвольно. Результат нашей совместной работы получился намного более значительным, чем вклад нас обоих по отдельности».

В создании UNIX участвовали шесть человек. Ритчи вспоминает [5]: «UNIX была разработана Кеном Томпсоном. Я написал много системного ПО, Кен — большую часть остального. Среди других участников были Джо Оссанна, Дуг Макилрой и Боб Моррис». Шестым, о ком забыл упомянуть Ритчи, был Ричард Кенедей.

Катализатором появления UNIX стала система MULTICS (Multiplexed Information and Computing Service), которая, как и UNIX, используется по сей день. Она возникла как результат проекта MAC (Multiple Access Computers), стартовавшего в ноябре 1962 г. в MIT. В конце 1964 г. к MIT присоединились компания General Electric и лаборатории AT&T Bell Labs. Неудовлетворенность руководства Bell Labs темпами работ привела его к решению выйти из проекта. Разрыв состоялся в апреле 1969 г., и небольшой коллектив, куда помимо Томпсона и Ритчи входили Джо Оссанна, Дуг Макилрой, Боб Моррис и Ричард Кенедей, оказался не у дел. Все их попытки убедить руководство в необходимости приобрести подходящий полигон для реализации идей по созданию новой ОС (речь тогда шла о мэйнфреймах DEC PDP-10 и SDS Sigma 7) ни к чему не привели. Вооружившись мелом и пером, Томпсон, Ритчи и Кенедей начали проектировать новую иерархическую файловую систему. Она стала, по словам Ритчи, сердцем UNIX, а все остальное строилось именно на ее основе.

Как вспоминает Деннис Ритчи [6], название UNIX предложил Брайан Керниган. Оно перекликалось с названием системы MULTICS. Причем существуют две версии образования имени UNIX: по одной — это просто трансформация названия Multics («multi» заменяется на «uni», а «cs» — на «x»), по другой — видоизмененная аббревиатура UNiplexed Information and Computing System (UNICS). Если вспомнить, что MULTICS само по себе сокращение, то обе версии сливаются в одну.

Деннис Ритчи вспоминает [7]: «Операционная система UNIX внезапно стала новинкой, хотя таковой и не была. Она зародилась в 1969 г., когда Кен Томпсон открыл для себя малоиспользуемую машину PDP-7 и решил оснастить ее программной средой на свой вкус. Его работа скоро привлекла меня, и я присоединился к нему. Следует уточнить: многие идеи и основная часть работы по их воплощению принадлежали ему».

Несколько слов о той технике, на которой все это создавалось. В те времена первый компьютер фирмы Digital (DEC), PDP-1, стоил дешевле, чем канал ввода-вывода, применявшийся на лучшей тогда модели IBM 7090. Он представлял собой 18-разрядную машину, что сейчас некоторым может показаться странным. Преемницей PDP-1 (1960) стала PDP-4 (1962), а на смену ей пришла PDP-7 (1965). К началу 1970-х годов было продано 120 таких машин. Система ввода-вывода компьютера PDP-7 обладала довольно интересной особенностью: в то время промышленность переходила на стандарт ASCII, поэтому PDP-7 спроектировали так, чтобы можно было принимать как ASCII, так и 5-разрядный код Бодо, ранее активно применявшийся на телетайпе.

01.10.2001г