Lập trình C cơ bản - Ứng dụng của ngôn ngữ C

Trong bài viết này, các bạn cùng mình tìm hiểu về ngôn ngữ lập trình C và các ứng dụng nhé.

1. Ngôn ngữ C là gì?

Ngôn ngữ C là một ngôn ngữ lập trình máy tính được phát triển bởi Dennis Ritchie vào những năm 1970 tại Bell Labs. C là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ, có hiệu suất cao, và được sử dụng rộng rãi trong phát triển phần mềm hệ thống, phần mềm nhúng, ứng dụng máy tính cá nhân, và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác.

C được chú trọng vào việc quản lý bộ nhớ và cung cấp nhiều tính năng gần gũi với cấu trúc máy tính, giúp lập trình viên có kiểm soát chi tiết hơn về cách dữ liệu và mã máy được xử lý. Nó cũng có một cú pháp đơn giản và mạnh mẽ, giúp trong việc phát triển phần mềm hiệu quả và dễ bảo trì.

Ngôn ngữ C đã tạo nền tảng cho nhiều ngôn ngữ lập trình khác, bao gồm C++, C#, và nhiều ngôn ngữ khác. Ngoài ra, nó cũng là ngôn ngữ phổ biến cho việc viết hệ điều hành và phần mềm nhúng do khả năng kiểm soát phần cứng của nó.

2. Ứng dụng của ngôn ngữ C

Ngôn ngữ C có nhiều ứng dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực khác nhau do tính linh hoạt, hiệu suất cao và khả năng tương tác gần gũi với cấu trúc máy tính. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của ngôn ngữ lập trình C:

1. Hệ điều hành: C được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển hệ điều hành. Hầu hết những hệ điều hành phổ biến hiện nay đều được viết bằng C như UNIX, Linux, Windows hay MacOS.
2. Phát triển phần mềm hệ thống: C là một ngôn ngữ lý tưởng để phát triển phần mềm hệ thống, chẳng hạn như trình quản lý cơ sở dữ liệu (SQLite, MySQL, Berkeley DB), trình quản lý tập tin (ext4 trên Linux và NTFS trên Windows), và các thành phần quan trọng của hệ thống máy tính.
3. Phát triển ứng dụng nhúng: C thường được sử dụng trong việc phát triển phần mềm nhúng, tức là phần mềm chạy trên các thiết bị như điện thoại di động, thiết bị y tế, thiết bị điều khiển công nghiệp, hệ điều khiển động cơ, trò chơi điện tử và nhiều ứng dụng khác. Ví dụ các hệ máy chơi game như PlayStation và Xbox, hay hệ điều hành Android / iOS, đều được viết bằng C.
4. Phát triển ứng dụng máy tính cá nhân: C vẫn được sử dụng để phát triển ứng dụng máy tính cá nhân, đặc biệt là trong các lĩnh vực đòi hỏi hiệu suất cao như các trò chơi máy tính và phần mềm đồ họa. Ví dụ như các tựa game trên steam được viết bằng Unity và Unreal Engine, phần lõi của các phần mềm này đều được viết bằng C.
5. Phân tích số liệu và tính toán khoa học: C thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến tính toán khoa học và phân tích số liệu. Ví dụ các thư viện sử dụng trong lĩnh vực khoa học dữ liệu và máy học (machine learning) như OpenCV và TensorFlow cung cấp API cho C/C++ để phát triển các ứng dụng trong lĩnh vực này.
6. Viết thư viện và framework: C thường được sử dụng để viết thư viện và framework mà các lập trình viên có thể sử dụng để phát triển ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Một số thư viện được viết bằng C như OpenGL, OpenSSL, GTK+ (GIMP Toolkit),...

3. Tại sao cần phải học C?

1. Nền tảng kiến thức: C là một trong những ngôn ngữ lập trình cơ bản và cổ điển nhất. Hiểu rõ về C sẽ giúp bạn nắm vững các khái niệm cơ bản trong lập trình, cú pháp, và quản lý bộ nhớ, điều này sẽ giúp bạn dễ dàng học và làm việc với các ngôn ngữ khác. Vì C là nền tảng của mọi ngôn ngữ, các ngôn ngữ lập trình khác đều được xây dựng dựa trên C.
2. Hiệu suất cao: C là một ngôn ngữ hiệu suất cao, cho phép bạn kiểm soát trực tiếp tài nguyên máy tính. Điều này rất quan trọng khi bạn cần phát triển ứng dụng yêu cầu xử lý nhanh hoặc đòi hỏi quản lý tài nguyên hiệu quả, chẳng hạn như hệ điều hành, phần mềm nhúng, hoặc ứng dụng đòi hỏi hiệu năng cao.
3. Học cú pháp cấu trúc: Ngôn ngữ C dạy bạn cách sử dụng cú pháp cấu trúc, một kỹ thuật lập trình quan trọng. Điều này giúp bạn viết mã sạch sẽ, dễ đọc và bảo trì.
4. Phát triển hệ điều hành và phần mềm hệ thống: C là ngôn ngữ phù hợp để phát triển hệ điều hành và các phần mềm hệ thống quan trọng. Nếu bạn quan tâm đến lĩnh vực này, học C là cần thiết.
5. Hiểu cách hoạt động của máy tính: C cho phép bạn hiểu rõ hơn về cách máy tính hoạt động. Điều này sẽ giúp bạn hiểu rõ luồng hoạt động của mọi dòng code bạn viết ra và từ đấy, trở thành một lập trình viên giỏi hơn. Các lập trình viên nằm ở TOP đều phải nắm rõ cách mọi thứ vận hành.
6. Giải quyết vấn đề: Học C giúp bạn phát triển kỹ năng tư duy lập trình và giải quyết vấn đề. Giải quyết nhiều bài toán khác nhau với C giúp bạn tiến tới giải được những bài toán thực tế có độ khó lớn hơn rất nhiều.

4. Ngôn ngữ C hoạt động như thế nào?

Quá trình biên dịch trong C chuyển đổi mã mà con người có thể đọc thành định dạng mà máy có thể đọc được. Đối với C, việc này xảy ra trước khi chương trình bắt đầu thực thi để kiểm tra cú pháp và ngữ nghĩa của mã. Quá trình biên dịch trong C bao gồm 4 bước: tiền xử lý (pre-processing), biên dịch (compiling), tập hợp (assembling) và liên kết (linking), sau đó chúng ta chạy file thực thi thu được để xuất ra màn hình kết quả.

4.1 Biên dịch là gì?

Giả sử có 2 người đang nói chuyện với nhau, anh A đến từ Úc nói tiếng Anh còn anh B đến từ Việt Nam. Để 2 anh này có thể hiểu nhau nói gì thì một trong hai người phải biết ngôn ngữ của người kia, ví dụ anh A sử dụng Google Dịch để dịch tiếng Anh sang tiếng Việt, quá trình dịch này có thể hiểu là quá trình biên dịch.

Đối với máy tính cũng vậy, bản thân máy tính chỉ hiểu các kí tự 01010101000, hay còn gọi là mã máy (Machine Code). Chính vì thế cần có trình biên dịch đứng ở giữa giúp chuyển đổi những dòng code ta viết ra ở dạng con người hiểu (ABC) sang dạng nhị phân (000 0000) để máy tính hiểu, các bạn có thể tìm hiểu thêm về ASCII để hiểu rõ hơn.

4.2 Quá trình biên dịch trong C

Quá trình biên dịch trong C diễn ra qua 4 bước: tiền xử lý (pre-processing), biên dịch (compiling), tập hợp (assembling) và liên kết (linking). Giờ chúng ta sẽ cùng nhau phân tích từng bước thông qua những ví dụ cụ thể nhé.

4.2.1 Pre-processing (tiền xử lý)

Tiền xử lý trong C là bước đầu tiên của quá trình biên dịch để thực hiện các thay đổi hoặc xử lý trước khi mã nguồn được biên dịch thành mã máy. Tiền xử lý trong C đầu tiên sẽ loại bỏ các dòng comment, sau đó sử dụng các hằng số (#define), macro (#define), và các chỉ thị (#include) để thực hiện các nhiệm vụ như định nghĩa hằng số, tạo các phiên bản mã, và nhập các tệp mã nguồn khác vào tệp mã nguồn hiện tại.

Comments Removal (Loại bỏ comment)

Các dòng comment trong chương trình C sẽ được loại bỏ trong bước tiền xử lý, do nó chỉ có chức năng là giải thích đoạn code chứ không được sử dụng khi biên dịch.

/* This is a 
 multi-line comment in C */

#include<stdio.h>

int main()
{
    // this is a single-line comment in C
    
    return 0;
}

Macros Expansion (Định nghĩa hằng số)

Việc định nghĩa sẵn các hằng số ở đầu chương trình giúp tạo ra một danh mục dễ đọc về các giá trị hằng số được sử dụng trong chương trình. Điều này làm cho mã nguồn dễ hiểu hơn, giúp lập trình viên và đồng nghiệp khác dễ dàng theo dõi và hiểu mã nguồn của bạn.

#define PI 3.14159265
#define MAX_SIZE 100

Ở ví dụ này, #define được sử dụng để định nghĩa hằng số PI và MAX_SIZE. Khi tiền xử lý thực hiện, mọi sự xuất hiện của PI và MAX_SIZE trong mã nguồn sẽ được thay thế bằng giá trị tương ứng.

File inclusion (Nhập mã nguồn từ thư viện)

Để sử dụng được các hàm như printf hay scanf, ta cần sử dụng mã nguồn từ các thư viện bên ngoài. Thư viện điển hình mà chúng ta hay sử dụng trong C là thư viện stdio.h. Để sử dụng thư viện này trong mã nguồn của chúng ta, ta viết như sau:

#include <stdio.h>

4.2.2 Compiling (Biên dịch)

Giai đoạn Compilation (Biên dịch) trong quá trình biên dịch mã nguồn C là bước quan trọng để chuyển mã nguồn C của bạn thành mã máy hoặc mã nguồn trung gian. Trong giai đoạn này, trình biên dịch (compiler) sẽ phân tích mã nguồn C và tạo ra mã máy hoặc mã nguồn trung gian. Dưới đây là một ví dụ cụ thể:

Giả sử bạn có một tệp mã nguồn C đơn giản như sau (ví dụ "hello.c"):

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

Bây giờ, để biên dịch tệp này, bạn sử dụng trình biên dịch C, chẳng hạn như GCC trên hệ thống Unix/Linux. Sử dụng lệnh sau:

gcc -o hello hello.c

Trong lệnh trên:

• gcc là trình biên dịch C.
• -o hello chỉ định tên của tệp thực thi đầu ra sẽ là "hello".
• hello.c là tệp mã nguồn C bạn muốn biên dịch.

Khi bạn chạy lệnh trên, trình biên dịch sẽ thực hiện giai đoạn Compilation. Trong giai đoạn này, nó thực hiện các nhiệm vụ sau:

1. Phân tích cú pháp (Parsing): Trình biên dịch sẽ đọc mã nguồn C từ tệp "hello.c" và phân tích cú pháp của mã nguồn để hiểu cấu trúc và ngữ pháp của chương trình.
2. Kiểm tra lỗi (Error Checking): Trình biên dịch kiểm tra chương trình để tìm lỗi cú pháp và lỗi logic. Nếu có lỗi, trình biên dịch sẽ tạo thông báo lỗi.
3. Tạo mã nguồn trung gian (Intermediate Code): Trình biên dịch tạo mã trung gian (intermediate code) dựa trên mã nguồn C của bạn. Mã trung gian thể hiện các hướng dẫn trung gian cho máy tính về cách thực hiện chương trình.
4. Tối ưu hóa (Optimization): Trong giai đoạn này, trình biên dịch có thể thực hiện tối ưu hóa để cải thiện hiệu suất của chương trình. Các tối ưu hóa bao gồm loại bỏ mã không sử dụng, tối ưu hóa động và tĩnh, và nhiều tối ưu hóa khác.
5. Tạo tệp đối tượng (Object File): Cuối cùng, trình biên dịch tạo ra một tệp đối tượng (object file) hoặc tệp mã máy dựa trên mã trung gian. Tệp đối tượng chứa mã máy hoặc mã nguồn trung gian đã tối ưu hóa.

Sau giai đoạn Compilation, bạn có thể có một tệp đối tượng (với đuôi .o) hoặc tệp thực thi (với tên "hello" trong ví dụ này) tùy thuộc vào cách bạn đã thiết lập trình biên dịch.

Lưu ý rằng một số trình biên dịch có thể tạo mã nguồn trung gian (intermediate code) thay vì mã máy, và mã nguồn trung gian này có thể được thực thi trong một máy ảo hoặc môi trường chạy giả lập (sandbox).

4.2.3 Assembly (Sử dụng mã hoá)

Assembly (Sử dụng mã hóa) là bước quan trọng sau khi mã nguồn C đã được biên dịch thành mã nguồn trung gian hoặc mã nguồn tương tự C. Trong giai đoạn này, mã nguồn trung gian hoặc mã nguồn tương tự C sẽ được chuyển đổi thành mã hợp ngữ (assembly code). Mã hợp ngữ là một dạng gần gũi với mã máy nhưng được viết bằng ngôn ngữ hợp ngữ, dễ đọc hơn và dễ hiểu hơn cho con người.

Giả sử bạn đã biên dịch tệp mã nguồn C "hello.c" thành tệp đối tượng "hello.o" sử dụng trình biên dịch GCC như sau:

gcc -o hello hello.c

Sau đó, bạn có thể sử dụng trình liên kết để tạo tệp thực thi "hello" bằng cách sử dụng lệnh:

gcc -o hello hello.o

Tại giai đoạn liên kết, mã hợp ngữ được tạo ra bởi trình biên dịch. Để xem mã hợp ngữ, bạn có thể sử dụng các tùy chọn đối với trình biên dịch hoặc trình liên kết để in ra mã hợp ngữ. Ví dụ, bạn có thể sử dụng tùy chọn -S với GCC để tạo tệp mã hợp ngữ:

gcc -S -o hello hello.c

Sau đó, một tệp mã hợp ngữ "hello.s" sẽ được tạo ra, và bạn có thể xem nội dung của tệp này bằng trình soạn thảo hoặc trình biên tập mã nguồn.

Ví dụ nội dung tệp mã hợp ngữ "hello.s" có thể trông giống như sau:

    .section .data
hello:
    .string "Hello, World!\n"

    .section .text
.globl _start

_start:
    movl $4, %eax
    movl $1, %ebx
    movl $hello, %ecx
    movl $13, %edx
    int $0x80

    movl $1, %eax
    int $0x80

Mã hợp ngữ trên thể hiện mã máy tương ứng cho chương trình "Hello, World!" đơn giản. Nó sử dụng các chỉ thị gán giá trị, di chuyển dữ liệu và gọi hàm hệ thống để in ra thông báo "Hello, World!" trên màn hình.

Sau giai đoạn Assembly, mã hợp ngữ này sẽ được chuyển đổi thành mã máy thực thi trên máy tính của bạn.

4.2.4 Linking (Liên kết)

Linking (Liên kết) là bước quan trọng sau khi mã nguồn đã được biên dịch và có thể thực hiện riêng lẻ. Trong giai đoạn này, các tệp đối tượng và thư viện được kết hợp để tạo một tệp thực thi (executable file) hoàn chỉnh. Giai đoạn này cũng giải quyết các tham chiếu đến các hàm và biến từ các thư viện hoặc tệp đối tượng khác.

Giả sử bạn đã biên dịch hai tệp mã nguồn C thành hai tệp đối tượng "file1.o" và "file2.o" như sau:

gcc -c -o file1.o file1.c
gcc -c -o file2.o file2.c

Sau đó, bạn muốn liên kết hai tệp đối tượng này để tạo một tệp thực thi "myprogram". Bạn có thể sử dụng lệnh sau:

gcc -o myprogram file1.o file2.o

Trong ví dụ này:

• gcc là trình liên kết (linker).
• -o myprogram chỉ định tên của tệp thực thi đầu ra sẽ là "myprogram".
• file1.o và file2.o là các tệp đối tượng cần được liên kết lại với nhau.

Khi bạn chạy lệnh trên, trình liên kết sẽ thực hiện các công việc sau:

1. Giải quyết các tham chiếu: Trình liên kết kiểm tra xem các tham chiếu đến hàm và biến trong file1.o và file2.o có thể được giải quyết bằng cách sử dụng mã máy từ các thư viện hoặc tệp đối tượng khác. Nếu có tham chiếu không được giải quyết, trình liên kết sẽ tạo lỗi liên kết.
2. Kết hợp mã máy: Trình liên kết sẽ kết hợp mã máy từ file1.o và file2.o để tạo một tệp thực thi hoàn chỉnh. Điều này bao gồm gắn các đoạn mã máy từ các tệp đối tượng vào một chương trình duy nhất.
3. Xác định điểm bắt đầu: Trình liên kết cũng xác định điểm bắt đầu của chương trình (entry point). Thông thường, điểm bắt đầu là hàm main.

Kết quả cuối cùng là một tệp thực thi "myprogram" mà bạn có thể chạy để thực hiện chương trình. Tệp thực thi này bao gồm mã máy đã được kết hợp từ các tệp đối tượng và thư viện, và nó thực hiện toàn bộ ứng dụng C của bạn.

Xem biểu đồ bên dưới để thấy trình tự diễn ra của quy trình biên dịch này

6. Tài liệu học ngôn ngữ C

Có rất nhiều tài liệu giúp bạn học ngôn ngữ C, tuy nhiên lựa chọn đúng tài liệu phù hợp với bản thân cũng như thật sự chất lượng thì không phải chuyện dễ. Dưới đây là một số tài liệu được 200Lab chọn lọc để giúp bạn nắm thật chắc ngôn ngữ C:

1. Sách K&R C: "The C Programming Language" của Brian Kernighan và Dennis Ritchie (K&R C) là một trong những tài liệu cơ bản nhất cho ngôn ngữ C. Cuốn sách này giúp bạn nắm vững cú pháp cơ bản và cách sử dụng C một cách hiệu quả.
2. Sách C Programming Absolute Beginner's Guide: Cuốn sách này của Perry và Miller cung cấp một cách tiếp cận dễ hiểu cho người mới học lập trình C. Nó bao gồm nhiều ví dụ thực tế và dự án để thực hành.
3. Learn-C.org: Trang web này cung cấp một khóa học trực tuyến miễn phí về ngôn ngữ C. Nó bao gồm các bài giảng và bài tập để bạn thử nghiệm kiến thức.
4. GeeksforGeeks C Programming: GeeksforGeeks cung cấp nhiều bài hướng dẫn, ví dụ và bài tập về lập trình C. Đây là nguồn tài liệu tốt để rèn luyện kỹ năng lập trình C.

7. Cách học ngôn ngữ C hiệu quả

Ngôn ngữ C tính đến thời điểm hiện tại mặc dù đã cũ nhưng vẫn được sử dụng để giảng dạy ở rất nhiều trường Đại học, đặc biệt là ở Việt Nam. Chính vì thế nếu bạn đang là sinh viên, bạn cần nắm thật chắc ngôn ngữ này, vì nó sẽ giúp bạn rất nhiều ở chặng đường phía trước.

Dưới đây là các bước thực hiện để học ngôn ngữ C một cách hiệu quả được đúc rút từ kinh nghiệm cá nhân:

Bước 1: Tìm hiểu qua các khái niệm cơ bản

Bước đầu tiên là các bạn cần đọc qua các khái niệm cơ bản trong C, hiểu được chúng dùng để làm gì sau đó nhớ cú pháp của chúng, ở bước này quan trọng nhất là cần nắm được cách sử dụng chúng.

Bước 2: Tiến hành làm bài tập

Hãy bắt đầu với những bài tập theo từng chủ đề trước, từ dễ đến khó. Các bạn có thể tìm trên Google 500 bài code thiếu nhi hoặc làm các bài tập mà thầy cô giao trên trường. Ở bước này điều quan trọng nhất là cố gắng tìm ra lời giải đúng của mỗi bài, từ cách làm đấy đem đi làm những bài tương tự nhưng ở mức độ khó hơn một chút.

Bước 3: Luyện tập, luyện tập, và luyện tập

Đến bước này thì việc còn lại của bạn chỉ là lặp đi lặp lại 3 bước trên, hãy cố gắng làm thật nhiều bài tập, xử lý thật nhiều vấn đề khác nhau. Từ đấy sẽ giúp bạn nắm rõ các khái niệm và nâng cao được tư duy.

8. Kết luận

C là ngôn ngữ cơ bản nhất và là nền tảng cho rất nhiều ngôn ngữ khác về sau. Chính vì thế hiểu về C là rất quan trọng và là cần thiết đối với tất cả lập trình viên ngày nay.

Tìm hiểu thêm các ngôn ngữ lập trình khác tại Blog 200Lab nhé:

1. Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Python cơ bản
2. Golang là gì? Backend Dev có nên học Golang
3. Dart là gì? Giới thiệu cơ bản về ngôn ngữ Dart