1972-C編譯器與可攜性#

案件摘要#

1969 年，Bell Labs 從 Multics 這個龐大專案的失敗中撤出，Ken Thompson 在廢棄的 PDP-7 上重新找到寫小型系統的樂趣——Unix 誕生了，但它是用組合語言寫的，綁死在機器上。Dennis Ritchie 從 Martin Richards 的 BCPL 中找到線索：可攜的編譯器技術。經過 B 的實驗與 PDP-11 位元組定址的逼迫，1971–1972 年 C 語言成型：B 加上型別、加上結構。1978 年 K&R 的《The C Programming Language》成為聖經；Unix 用 C 重寫，成為史上第一個可攜作業系統。本案的真相是：C 不只是語言，而是「讓系統軟體獲得自由」的移植工程。

前因 -- 為什麼會有這個案子#

• Multics 的教訓：1964–1969 年 Bell Labs、MIT、GE 合作的 Multics 是巨型分時系統，目標宏大卻曠日廢時。Bell Labs 退出後，Thompson 與 Ritchie 反而懷念「小而美」：一個程式做一件事。
• PDP-7 上的 Unix：1969 年 Thompson 用組合語言在 PDP-7 寫出最早的 Unix 與 B 的前身。組合語言的代價：換機器就要全部重寫。
• BCPL 的線索：Martin Richards（1969）的 BCPL 是無型別、word 導向的語言，一切資料都是一個機器字。它的編譯器設計成可攜——前端與機器無關，只有碼產生器需要換。這是本案最重要的物證。
• PDP-11 的逼迫：1970 年 Bell Labs 買進 PDP-11——它是位元組定址（byte-addressable）而非字定址機器。B 的「一切皆 word」模型在它上面效能低落，無法表達 byte 與浮點數——型別系統被硬生生逼了出來。

線索與推理 -- 數學式、程式、理論#

BCPL → B → C：演進對照表#

型別被逼出來的數學#

字定址機器上，第 \(i\) 個 word 的位址是 \(\text{base} + i \cdot w\) （ \(w\) 為字長）。B 的指標算術假設 \(w=1\) （以 word 為單位），因此在 PDP-11（ \(w=1\) byte）上每次間接存取都多付了錯誤倍率。Ritchie 的解法：型別攜帶大小資訊，指標算術按所指型別縮放：

\(\text{sizeof}(T)\) 由型別系統在編譯期決定——這就是 C 型別系統存在的核心理由。同時 Ritchie 保留 Thompson 的關鍵決定：陣列名即位址，得到 C 最著名的恆等式：

最後一式在語法上完全合法——加法交換律使 i[a] 與 a[i] 同義，這是「陣列名退化解為指標」這條語意規則的極端推論。

指標與陣列的數學關係：驗證程式#

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a[4] = {10, 20, 30, 40};
    int *p = a;                    /* 陣列名退化解為指向首元素的指標 */

    /* a[i] ≡ *(a+i) ≡ *(i+a) ≡ i[a] —— 同一個位址算術 */
    printf("%d %d %d %d\n", a[2], *(a+2), *(2+a), 2[a]);  /* 30 30 30 30 */

    /* sizeof(T) 縮放：p+1 前進 4 bytes（int），不是 1 byte */
    printf("%p -> %p\n", (void*)p, (void*)(p+1));
    return 0;
}

輸出顯示四種寫法同值、且 p+1 的位址差正好是 sizeof(int)——型別系統與位元組定址的妥協由此可驗。

可攜編譯器的關鍵技巧#

BCPL/C 的編譯器分層：前端（詞法、語法、語意、中間碼）與機器無關；後端（碼產生器）針對機器重寫。移植成本從整個編譯器降為後端：

原始碼 C ──→ [前端：與機器無關] ──→ 中間碼/抽象碼 ──→ [後端：每機器一份] ──→ 機器碼

Ritchie 的 PDP-11 C 編譯器早期採「七種表示式碼」的中間形式；後續 Portable C Compiler（John Reiser, 1970s 末）把後端機器描述進一步壓縮。配合 Pascal 的自舉手法（見 1970-Pascal與自舉），移植一台新機器的成本降到「寫後端 + 自舉」兩步。

小型 C 編譯器骨架（偽代碼）#

一個單趟小 C 編譯器（如後來 Robert Pike 等示範的風格）的骨架：

compile(原始檔):
    tokens   = lex(src)                 # 詞法分析：字元流 → 符號流
    ast      = parse(tokens)            # 語法分析：遞迴下降/運算子優先
    symtab   = semantic(ast)            # 語意：型別檢查、sizeof 標注
    ir       = gen_ir(ast, symtab)      # 中間碼：與機器無關
    asm      = emit(ir, target)         # 後端：目標機器碼
    return asm

# 運算式解析的優先級爬升（precedence climbing），C 的核心語法引擎:
parse_expr(min_prec):
    lhs = parse_unary()
    while (op = peek()) 且 prec(op) >= min_prec:
        consume(op)
        rhs = parse_expr(prec(op) + 1)   # 左結合：+1；右結合：不升
        lhs  = Node(op, lhs, rhs)
    return lhs

parse_expr 的優先級爬升正是 C 運算式（a + b * c < d = e 那種惡名昭彰的優先序）被正確解析的引擎——* 的優先級高於 +、賦值最低且右結合，全部藏在 prec() 這張表裡。

結案 -- 後果與影響#

• 史上第一個可攜作業系統：1973 年 Unix 用 C 重寫完成；從此 Unix 移植到 Interdata 8/32（1977）、VAX（1978）——「作業系統跟著機器走」的時代結束。
• K&R 聖經（1978）：Kernighan 與 Ritchie 的《The C Programming Language》只有 228 頁，卻定義了此後十年的 C；1989 年 ANSI C 標準化（C89）。
• 語言帝國：C++（1983）、Objective-C、Java、C#、Go 的語法血統皆源自 C；今日從核心到韌體到嵌入式，C 仍是系統軟體的通用語。
• 編譯器工程：前端/後端分離成為標準架構，GCC、LLVM 的整體設計皆循此案；「用 C 寫 C 編譯器並自舉」成為所有新語言的入場券。

關鍵人物與文獻#

• Dennis Ritchie（Bell Labs）：C 之父，1983 圖靈獎（與 Thompson 共得）。
• Ken Thompson（Bell Labs）：Unix 與 B；Martin Richards：BCPL。
• 文獻：
• D. M. Ritchie, "The Development of the C Language," HOPL-II, 1993.
• B. W. Kernighan, D. M. Ritchie, The C Programming Language, Prentice-Hall, 1978.
• M. Richards, "BCPL: A Tool for Compiler Writing and System Programming," SJCC, 1969.