Hướng dẫn Lập trình C của Beej

Nó đâu từng như vậy. Thời xa xưa khi người ta còn đục thẻ bìa đục lỗ từ đá hoa cương, C là một cách tuyệt vời để thoát khỏi cực hình của các ngôn ngữ cấp thấp hơn như assembly ¹⁹.

Nhưng ở thời hiện đại này, các ngôn ngữ thế hệ mới cung cấp đủ thứ tính năng không tồn tại vào năm 1972 khi C được phát minh. Điều đó có nghĩa là C là một ngôn ngữ khá cơ bản với không nhiều tính năng. Nó có thể làm mọi thứ, nhưng sẽ bắt bạn đổ mồ hôi cho chúng.

Nếu bạn đã quen với một ngôn ngữ khác, nhiều thứ trong C sẽ dễ. C đã truyền cảm hứng cho rất nhiều ngôn ngữ khác, và bạn sẽ thấy mảng mảng của nó trong Go, Rust, Swift, Python, JavaScript, Java, và đủ loại ngôn ngữ khác. Những phần đó sẽ quen thuộc.

Thứ duy nhất trong C làm người ta khựng lại là con trỏ (pointers). Gần như mọi thứ khác đều quen thuộc, nhưng con trỏ là đứa con lạ. Khái niệm đằng sau con trỏ có lẽ bạn đã biết rồi, nhưng C buộc bạn phải tường minh về nó, bằng các toán tử mà có thể bạn chưa từng thấy bao giờ.

Điều đặc biệt khó chịu là một khi bạn đã nắm được²⁴ con trỏ, nó bỗng nhiên trở nên dễ. Còn trước thời điểm đó, chúng cứ trơn tuột như lươn.

Mọi thứ khác trong C chỉ đơn giản là ghi nhớ một cách khác (đôi khi chính là cùng một cách!) để làm một việc bạn đã làm rồi. Con trỏ là phần lạ lẫm. Và, nếu xét kỹ, ngay cả con trỏ cũng chỉ là biến tấu trên một chủ đề có lẽ bạn đã quen.

Vậy chuẩn bị tinh thần cho một chuyến phiêu lưu náo nhiệt gần nhất với lõi của máy tính mà bạn có thể đến được mà không cần đụng đến assembly, bằng ngôn ngữ có ảnh hưởng nhất mọi thời đại²⁵. Giữ chặt!

2.2 Hello, World!

Đây là ví dụ chuẩn mực của một chương trình C. Ai cũng dùng nó. (Lưu ý là các con số ở bên trái chỉ để người đọc tham khảo, chúng không phải là một phần của mã nguồn.)

/* Hello world program */

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("Hello, World!\n");  // Actually do the work here
}

Chúng ta sẽ đeo găng tay cao su loại dày tay áo dài, vớ lấy con dao mổ, và rạch thẳng vào thứ này để xem cái gì làm nó hoạt động. Nào, rửa tay đi, vì ta bắt đầu. Cắt nhẹ thôi…

Ta giải quyết cái dễ trước: mọi thứ nằm giữa hai cặp ký hiệu /* và */ là chú thích (comment) và sẽ bị trình biên dịch bỏ qua hoàn toàn. Mọi thứ nằm trên một dòng sau // cũng vậy. Nó cho phép bạn để lại thông điệp cho chính mình và cho người khác, để khi bạn quay lại đọc code của mình ở tương lai xa, bạn biết cái quái gì mình đang định làm. Tin tôi đi, bạn sẽ quên; chuyện đó xảy ra.

Giờ, cái #include này là gì? KINH QUÁ! Được rồi, nó báo cho C Preprocessor kéo nội dung của một file khác và chèn vào code ngay chỗ đó.

Khoan, C Preprocessor là cái gì? Câu hỏi hay. Việc biên dịch có hai giai đoạn²⁶: preprocessor và compiler. Bất cứ thứ gì bắt đầu bằng dấu pound, dấu thăng, hay “octothorpe”, (#) là thứ mà preprocessor xử lý trước khi compiler thậm chí còn bắt đầu. Các chỉ thị preprocessor (preprocessor directives) thường gặp, như người ta hay gọi, là #include và #define. Bàn thêm về mấy cái đó sau.

Trước khi đi tiếp, tại sao tôi lại dày công chỉ ra rằng dấu pound được gọi là octothorpe? Câu trả lời đơn giản: tôi thấy từ octothorpe nó buồn cười xuất sắc, nên phải rải bừa cái tên đó ra mọi khi có dịp. Octothorpe. Octothorpe, octothorpe, octothorpe.

Nên dù sao đi nữa. Sau khi C preprocessor xử lý xong mọi thứ, kết quả được trao cho compiler để nó sản xuất ra mã assembly ²⁷, mã máy ²⁸, hay bất cứ cái gì nó định làm. Mã máy là “ngôn ngữ” mà CPU hiểu, và nó có thể hiểu rất nhanh. Đây là một trong những lý do chương trình C thường chạy nhanh.

Đừng lo về các chi tiết kỹ thuật của quá trình biên dịch lúc này; cứ biết rằng code của bạn chạy qua preprocessor, rồi output của nó chạy qua compiler, rồi cái đó tạo ra một file thực thi để bạn chạy.

Còn phần còn lại của dòng thì sao? Cái <stdio.h> là gì? Đó là thứ người ta gọi là header file. Chính cái chấm-h ở cuối đã tiết lộ điều đó. Thực ra nó là header file “Standard I/O” (stdio) mà bạn sẽ dần dần quen và yêu mến. Nó cho ta quyền truy cập vào một loạt chức năng I/O²⁹. Với chương trình demo của ta, ta đang xuất chuỗi “Hello, World!”, nên cụ thể là ta cần truy cập đến hàm printf() để làm việc đó. File <stdio.h> cho ta quyền truy cập đó. Nói cơ bản, nếu ta cố dùng printf() mà không có #include <stdio.h>, compiler sẽ rền rĩ phàn nàn với ta về chuyện đó.

Sao tôi biết phải #include <stdio.h> cho printf()? Câu trả lời: nó nằm trong tài liệu. Nếu bạn đang trên hệ Unix, gõ man 3 printf và nó sẽ cho bạn biết ngay ở đầu trang man cần những file header nào. Hoặc xem phần tham khảo trong cuốn sách này. :-)

Trời đất ơi. Ngần ấy chỉ để cover dòng đầu tiên! Nhưng, nói thẳng ra, nó đã bị mổ xẻ hoàn toàn. Không còn bí ẩn nào sót lại!

Vậy thở một hơi đi… nhìn lại mã mẫu. Chỉ còn vài dòng dễ nữa thôi.

Chào mừng quay lại sau kỳ nghỉ! Tôi biết bạn chẳng nghỉ thực sự đâu; tôi chỉ chiều lòng bạn thôi.

Dòng tiếp theo là main(). Đây là định nghĩa của hàm main(); mọi thứ giữa cặp dấu ngoặc nhọn ngoằn ngoèo ({ và }) là một phần của định nghĩa hàm.

(Vậy thì gọi một hàm khác như thế nào nhỉ? Câu trả lời nằm ở dòng printf(), ta sẽ đến đó trong một phút nữa.)

Giờ, hàm main là đặc biệt theo nhiều nghĩa, nhưng có một nghĩa nổi bật hơn cả: nó là hàm sẽ được gọi tự động khi chương trình của bạn bắt đầu chạy. Không có gì của bạn được gọi trước main(). Trong ví dụ của ta, điều này ổn vì tất cả những gì ta muốn làm là in một dòng rồi thoát.

À, còn chuyện này: một khi chương trình chạy qua khỏi cuối main(), chỗ dấu ngoặc nhọn đóng ở dưới đó, chương trình sẽ thoát, và bạn sẽ trở lại với dấu nhắc dòng lệnh.

Vậy giờ ta biết rằng chương trình đó đã kéo vào một header file, stdio.h, và khai báo một hàm main() sẽ chạy khi chương trình được khởi động. Bên trong main() có những món ngon gì?

Tôi rất vui là bạn đã hỏi. Thật đấy! Ta chỉ có đúng một món ngon thôi: lời gọi đến hàm printf(). Bạn có thể nhận ra đây là một lời gọi hàm chứ không phải định nghĩa hàm qua nhiều cách, nhưng một dấu hiệu là không có cặp dấu ngoặc nhọn ngoằn ngoèo đi sau nó. Và bạn kết thúc lời gọi hàm bằng một dấu chấm phẩy để compiler biết đây là điểm kết của biểu thức. Bạn sẽ đặt dấu chấm phẩy sau gần như mọi thứ, bạn sẽ thấy.

Bạn đang truyền một đối số (argument) cho hàm printf(): một chuỗi sẽ được in ra khi bạn gọi nó. À đúng rồi, ta đang gọi một hàm! Ta giỏi thế! Khoan, khoan, đừng vội tự mãn. Cái \n khùng khùng ở cuối chuỗi là gì? Ờ, phần lớn các ký tự trong chuỗi sẽ được in ra đúng như cách chúng được lưu. Nhưng có một số ký tự không thể in trên màn hình một cách đẹp đẽ nên được nhúng dưới dạng mã hai ký tự bắt đầu bằng dấu chéo ngược. Một trong những cái phổ biến nhất là \n (đọc là “backslash-N” hoặc đơn giản “newline”) tương ứng với ký tự xuống dòng. Đây là ký tự làm cho việc in tiếp theo bắt đầu ở đầu dòng tiếp chứ không ở dòng hiện tại. Giống như bạn nhấn return ở cuối dòng.

Vậy chép đoạn code đó vào một file tên là hello.c và build nó. Trên nền tảng kiểu Unix (ví dụ Linux, BSD, Mac, hay WSL), từ dòng lệnh bạn sẽ build bằng lệnh kiểu thế này:

gcc -o hello hello.c

(Có nghĩa là “biên dịch hello.c, và xuất ra file thực thi tên là hello”.)

Sau khi xong, bạn sẽ có một file tên là hello mà bạn có thể chạy bằng lệnh này:

./hello

(Phần ./ ở đầu bảo shell “chạy file từ thư mục hiện tại”.)

Hello, World!

2.3 Chi tiết về biên dịch

Nói thêm một chút về cách build chương trình C, và chuyện gì xảy ra hậu trường.

Giống các ngôn ngữ khác, C có mã nguồn (source code). Nhưng, tùy vào ngôn ngữ bạn đến từ đâu, có thể bạn chưa bao giờ phải biên dịch mã nguồn của mình thành một file thực thi (executable).

Biên dịch là quá trình lấy mã nguồn C của bạn và biến nó thành một chương trình mà hệ điều hành có thể thực thi.

Dân JavaScript và Python không hề quen với một bước biên dịch tách biệt, dù rằng hậu trường nó vẫn đang diễn ra! Python biên dịch mã nguồn của bạn thành thứ gọi là bytecode mà máy ảo Python có thể chạy. Dân Java thì quen với việc biên dịch, nhưng cái đó sinh ra bytecode cho Java Virtual Machine.

Khi biên dịch C, mã máy được sinh ra. Đây là các số 1 và 0 mà CPU có thể chạy trực tiếp và nhanh chóng.

Trình biên dịch C (C compiler) là chương trình làm việc biên dịch đó.

Như đã nói, gcc là một trình biên dịch được cài sẵn trên rất nhiều hệ điều hành kiểu Unix ³⁰. Và thường được chạy từ dòng lệnh trong terminal, nhưng không phải luôn luôn. Bạn cũng có thể chạy nó từ IDE.

2.4 Build với gcc

Nếu bạn có một file nguồn tên là hello.c trong thư mục hiện tại, bạn có thể build nó thành một chương trình tên là hello bằng lệnh gõ trong terminal sau:

gcc -o hello hello.c

Cờ -o có nghĩa là “xuất ra file này”³¹. Và ở cuối là hello.c, tên của file ta muốn biên dịch.

Nếu mã nguồn được tách làm nhiều file, bạn có thể biên dịch tất cả cùng nhau (gần như thể chúng là một file, dù các quy tắc thực sự có phần phức tạp hơn) bằng cách đưa tất cả các file .c lên dòng lệnh:

gcc -o awesomegame ui.c characters.c npc.c items.c

và tất cả chúng sẽ được build cùng nhau thành một file thực thi to.

Thế là đủ để bắt đầu, sau này ta sẽ bàn chi tiết về nhiều file nguồn, object files, và đủ thứ vui khác.

2.5 Build với clang

Trên máy Mac, trình biên dịch mặc định không phải gcc, mà là clang. Nhưng cũng có một wrapper được cài sẵn để bạn vẫn chạy gcc được.

Bạn cũng có thể cài đúng trình gcc qua Homebrew ³² hay cách khác.

2.6 Build từ IDE

Nếu bạn đang dùng Môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment, IDE), có lẽ bạn không phải build từ dòng lệnh.

Với VS Code, bạn có thể nhấn F5 để chạy qua debugger. (Bạn sẽ phải cài C/C++ Extension.)

Với XCode, bạn có thể build bằng COMMAND-B và chạy bằng COMMAND-R. Để có bộ command line tools, Google “XCode command line tools” và bạn sẽ tìm được hướng dẫn cài đặt.

Để bắt đầu, tôi khuyến khích bạn cũng thử build từ dòng lệnh, nó là lịch sử mà!

2.7 Các phiên bản C

C đã đi một chặng đường dài qua nhiều năm, và nó có nhiều số hiệu phiên bản được đặt tên để chỉ ra phương ngữ của ngôn ngữ mà bạn đang dùng.

Nổi tiếng nhất là C89, C99, C11, và C23. Ta sẽ tập trung vào cái cuối cùng trong cuốn sách này.

Phiên bản	Mô tả
K&R C	1978, bản gốc. Đặt tên theo Brian Kernighan và Dennis Ritchie. Ritchie thiết kế và viết ngôn ngữ, còn Kernighan đồng tác giả cuốn sách về nó. Ngày nay ít khi thấy code K&R gốc. Nếu có thấy, nó sẽ trông lạ, giống như tiếng Anh Trung cổ trông lạ với người đọc tiếng Anh hiện đại.
C89, ANSI C, C90	Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) cho ra một bản đặc tả ngôn ngữ C đặt nền tảng cho C kéo dài đến tận hôm nay. Một năm sau, dây cương được trao cho Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO), cho ra C90 giống hệt.
C95	Một bản bổ sung ít được nhắc tới cho C89 có thêm hỗ trợ ký tự rộng.
C99	Đợt đại tu lớn đầu tiên với rất nhiều bổ sung về ngôn ngữ. Thứ mà hầu như ai cũng nhớ là thêm kiểu chú thích `//`. Đây là phiên bản C phổ biến nhất còn được dùng tính đến thời điểm viết cuốn sách này.
C11	Bản cập nhật lớn này gồm hỗ trợ Unicode và đa luồng. Lưu ý rằng nếu bạn bắt đầu dùng các tính năng ngôn ngữ này, có thể bạn đang đánh đổi tính dễ chuyển với những nơi còn mắc kẹt ở C99. Nhưng, nói thật, 1999 cũng đã khá lâu rồi.
C17, C18	Bản cập nhật sửa lỗi cho C11. C17 có vẻ là tên chính thức, nhưng việc xuất bản bị hoãn đến 2018. Theo tôi thấy, hai tên này có thể thay nhau, C17 được ưa chuộng hơn.
C23	Bản đặc tả mới nhất.

Bạn có thể ép GCC dùng một trong các chuẩn này bằng tham số dòng lệnh -std=. Nếu muốn nó soi kỹ chuẩn, thêm -pedantic.

gcc -std=c11 -pedantic foo.c

Với cuốn sách này, tôi biên dịch chương trình cho C23 với toàn bộ cảnh báo bật lên:

gcc -Wall -Wextra -std=c23 -pedantic foo.c

2 Hello, World!

2.1 Kỳ vọng gì từ C

2.2 Hello, World!

2.3 Chi tiết về biên dịch

2.4 Build với `gcc`

2.5 Build với `clang`

2.6 Build từ IDE

2.7 Các phiên bản C

2 Hello, World!

2.1 Kỳ vọng gì từ C

2.2 Hello, World!

2.3 Chi tiết về biên dịch

2.4 Build với gcc

2.5 Build với clang

2.6 Build từ IDE

2.7 Các phiên bản C

2.4 Build với `gcc`

2.5 Build với `clang`