《C清華大學(xué)鄭莉》課件

鄭莉教授簡(jiǎn)介鄭莉是清華大學(xué)電子工程系教授,國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者,在機(jī)器學(xué)習(xí)和信息處理等領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)。她的研究成果在國(guó)際頂級(jí)期刊和會(huì)議上發(fā)表,成果豐碩。計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程回顧從第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生到如今的人工智能時(shí)代，計(jì)算機(jī)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)而令人振奮的發(fā)展歷程。讓我們一起回顧這段豐富多彩的歷史，探索計(jì)算機(jī)技術(shù)如何推動(dòng)人類文明的不斷進(jìn)步。C語(yǔ)言發(fā)展歷程11970年代C語(yǔ)言誕生于貝爾實(shí)驗(yàn)室21980年代C語(yǔ)言快速普及并成為主流編程語(yǔ)言31990年代C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)化并推出ANSIC標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言由丹尼斯·里奇于1972年在貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā),起初作為UNIX操作系統(tǒng)的系統(tǒng)編程語(yǔ)言。隨后C語(yǔ)言迅速普及并成為最廣泛使用的編程語(yǔ)言之一,直到1989年ANSIC標(biāo)準(zhǔn)的推出進(jìn)一步推動(dòng)了C語(yǔ)言的發(fā)展。如今C語(yǔ)言仍然是嵌入式系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序等領(lǐng)域的重要編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言誕生背景計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)50年代和60年代,計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,出現(xiàn)了更加強(qiáng)大和多樣化的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)。隨之而來的是對(duì)更加高級(jí)編程語(yǔ)言的需求。B語(yǔ)言的誕生在這種背景下,貝爾實(shí)驗(yàn)室的肯-湯普遜和丹尼斯-里奇于1972年開發(fā)出B語(yǔ)言,為創(chuàng)造C語(yǔ)言奠定了基礎(chǔ)。C語(yǔ)言的誕生B語(yǔ)言的局限性逐漸顯現(xiàn),于是貝爾實(shí)驗(yàn)室的丹尼斯-里奇在1972年進(jìn)一步開發(fā)出C語(yǔ)言,使其成為一種更強(qiáng)大、更靈活的編程語(yǔ)言。廣泛應(yīng)用普及C語(yǔ)言憑借其簡(jiǎn)潔性、高效性和可移植性,迅速在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域廣泛普及和應(yīng)用,成為最常用的編程語(yǔ)言之一。C語(yǔ)言主要特點(diǎn)高效C語(yǔ)言是一種編譯型語(yǔ)言,可以生成高度優(yōu)化的機(jī)器碼,執(zhí)行效率很高。靈活C語(yǔ)言提供了豐富的語(yǔ)法和靈活的內(nèi)存管理功能,可以用于編寫各類復(fù)雜系統(tǒng)。可移植C語(yǔ)言程序可以在不同硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行,具有很好的可移植性。低級(jí)編程C語(yǔ)言在底層硬件和操作系統(tǒng)中廣泛使用,是一種典型的低級(jí)編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言應(yīng)用領(lǐng)域操作系統(tǒng)開發(fā)C語(yǔ)言是構(gòu)建復(fù)雜操作系統(tǒng)的基礎(chǔ),如Windows、macOS和Linux等。它提供了底層系統(tǒng)控制和內(nèi)存管理的能力。嵌入式系統(tǒng)C語(yǔ)言廣泛應(yīng)用于單片機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的固件開發(fā),確保硬件設(shè)備能夠可靠、高效地運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)核數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的核心組件,如存儲(chǔ)引擎和查詢優(yōu)化器,通常是使用C語(yǔ)言開發(fā)的,以保證高性能和可靠性。C語(yǔ)言基礎(chǔ)語(yǔ)法深入探索C語(yǔ)言的基礎(chǔ)語(yǔ)法要素,包括變量和常量、數(shù)據(jù)類型、運(yùn)算符和表達(dá)式、順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)、分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)以及循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)。掌握這些核心知識(shí)是學(xué)習(xí)C語(yǔ)言編程的基礎(chǔ)。變量和常量變量定義變量是可以被賦予、修改和讀取的數(shù)據(jù)項(xiàng)。它代表存儲(chǔ)在內(nèi)存中的值，在程序運(yùn)行時(shí)可以動(dòng)態(tài)改變。變量名稱遵循命名規(guī)則，如使用有意義的標(biāo)識(shí)符。常量定義常量是在程序中不能被改變的值。常量可以在程序編譯時(shí)被定義，也可以在運(yùn)行時(shí)用宏定義。常量可以是數(shù)值型、字符型或枚舉型。內(nèi)存分配變量和常量在內(nèi)存中占用一定的空間。不同數(shù)據(jù)類型的變量和常量所占據(jù)的內(nèi)存空間大小不同。合理的內(nèi)存管理有助于提高程序的效率和性能。數(shù)據(jù)類型基本類型C語(yǔ)言提供了基本的整型、浮點(diǎn)型和字符型數(shù)據(jù)類型,滿足日常編程需求。它們具有固定的存儲(chǔ)空間和取值范圍。構(gòu)造類型C語(yǔ)言允許用戶自定義數(shù)組、結(jié)構(gòu)體和聯(lián)合體等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型,實(shí)現(xiàn)更靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。指針類型指針是C語(yǔ)言的核心概念之一,用于管理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)地址,支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配等高級(jí)功能。運(yùn)算符和表達(dá)式算術(shù)運(yùn)算符包括加、減、乘、除、取模等基本運(yùn)算符，用于數(shù)值計(jì)算。邏輯運(yùn)算符如與(&&)、或(||)、非(!)等運(yùn)算符，用于布爾邏輯判斷。賦值運(yùn)算符如=、+=、-=等，用于給變量賦值。關(guān)系運(yùn)算符如大于(>)、小于(<)、等于(==)等比較運(yùn)算符。順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)1順序執(zhí)行程序按照代碼編寫的順序逐行執(zhí)行2流程控制程序執(zhí)行的邏輯順序可以通過語(yǔ)句控制3效率優(yōu)化合理安排語(yǔ)句順序可以提高程序運(yùn)行效率在順序結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)中,代碼被逐行順序執(zhí)行,程序員可以通過語(yǔ)句控制語(yǔ)句的執(zhí)行順序,從而實(shí)現(xiàn)特定的功能和邏輯。通過優(yōu)化語(yǔ)句順序,程序可以更有效地運(yùn)行,提高整體性能。分支結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)1條件判斷使用if-else語(yǔ)句根據(jù)條件做出相應(yīng)的選擇和決策，實(shí)現(xiàn)不同路徑的程序執(zhí)行。2多重選擇使用switch-case語(yǔ)句可以根據(jù)多個(gè)條件做出更精細(xì)的選擇和判斷。3嵌套結(jié)構(gòu)可以在分支語(yǔ)句內(nèi)部嵌套其他分支語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的決策邏輯。循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)for循環(huán)使用固定次數(shù)的循環(huán)，用于計(jì)數(shù)和循環(huán)指定次數(shù)的任務(wù)。while循環(huán)只要滿足條件就一直執(zhí)行的循環(huán)，適用于不確定循環(huán)次數(shù)的情況。do-while循環(huán)先執(zhí)行一次循環(huán)體，然后再判斷條件是否滿足的循環(huán)。確保循環(huán)體至少執(zhí)行一次。嵌套循環(huán)在循環(huán)中嵌套其他循環(huán)，可以用于處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或多重條件。C語(yǔ)言函數(shù)函數(shù)是C語(yǔ)言中最基本的編程單元。它能夠封裝代碼邏輯,提高程序的復(fù)用性和可讀性。本章將深入探討函數(shù)的定義、調(diào)用、參數(shù)傳遞、局部變量與全局變量,以及遞歸函數(shù)等概念。函數(shù)的定義和調(diào)用函數(shù)的定義函數(shù)是一段完整的程序代碼，用于執(zhí)行特定的任務(wù)。它由返回類型、函數(shù)名稱、參數(shù)列表和函數(shù)體組成。函數(shù)的調(diào)用函數(shù)調(diào)用時(shí)，控制權(quán)會(huì)轉(zhuǎn)移到被調(diào)用的函數(shù)中執(zhí)行。調(diào)用函數(shù)時(shí)需要傳遞實(shí)參與形參相匹配。函數(shù)的返回函數(shù)可以返回一個(gè)值或不返回任何值。返回值通過return語(yǔ)句返回給調(diào)用函數(shù)。函數(shù)參數(shù)傳遞1值傳遞在調(diào)用函數(shù)時(shí),將實(shí)參值復(fù)制給形參,形參的變化不會(huì)影響實(shí)參。這樣可以保護(hù)函數(shù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)。2地址傳遞將實(shí)參的地址傳遞給形參,函數(shù)內(nèi)部可以直接操作實(shí)參的內(nèi)存空間。這樣可以實(shí)現(xiàn)函數(shù)返回多個(gè)值。3數(shù)組傳遞將數(shù)組名作為實(shí)參傳遞給形參,形參可以直接訪問和修改數(shù)組元素。這樣可以提高函數(shù)的靈活性。4指針傳遞將指針作為實(shí)參傳遞給形參,函數(shù)內(nèi)部可以間接訪問和修改指針?biāo)赶虻膬?nèi)存空間。這樣可以更好地控制內(nèi)存。局部變量和全局變量局部變量局部變量是在函數(shù)內(nèi)部定義的變量，只在當(dāng)前函數(shù)內(nèi)部有效。它們?cè)诤瘮?shù)被調(diào)用時(shí)創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行完畢后就會(huì)被銷毀。全局變量全局變量是在函數(shù)外部定義的變量，在整個(gè)程序中都可以訪問和修改。它們?cè)诔绦蜻\(yùn)行期間始終存在。訪問范圍局部變量只能在定義它的函數(shù)內(nèi)使用，而全局變量可以在整個(gè)程序中任意位置訪問。內(nèi)存分配局部變量存儲(chǔ)在棧內(nèi)存中，全局變量存儲(chǔ)在靜態(tài)內(nèi)存區(qū)。這影響了它們的生命周期和訪問速度。遞歸函數(shù)自我調(diào)用遞歸函數(shù)能夠自我調(diào)用,通過這種方式重復(fù)執(zhí)行特定的算法或操作,直到滿足某種停止條件。問題分解遞歸函數(shù)擅長(zhǎng)將復(fù)雜問題分解為更小的子問題,逐步解決,最終得出結(jié)果。效率提升對(duì)于某些問題,遞歸函數(shù)能提供更高效的解決方案,如計(jì)算階乘、斐波那契數(shù)列等。指針的基本概念指針是C語(yǔ)言中一個(gè)非常重要的概念。它可以直接訪問內(nèi)存地址,提高程序的靈活性和效率。通過掌握指針的基本用法,我們可以更好地理解和使用C語(yǔ)言的核心特性。指針的基本概念指針的定義指針是一種特殊的變量,用于存儲(chǔ)另一個(gè)變量的內(nèi)存地址。它讓程序可以間接操作內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。指針聲明聲明指針變量時(shí)需要使用指針類型,如int*p表示p是一個(gè)指向整型變量的指針。指針賦值通過賦值運(yùn)算符可以將一個(gè)變量的地址賦給指針,如p=&x將把變量x的地址賦給指針p。指針與數(shù)組數(shù)組與指針的關(guān)系數(shù)組是一組連續(xù)的內(nèi)存單元,而指針是一個(gè)保存內(nèi)存地址的變量。數(shù)組名是一個(gè)指向數(shù)組第一個(gè)元素的指針。指針運(yùn)算可以對(duì)指針進(jìn)行加減運(yùn)算,以訪問數(shù)組中的其他元素。每次加減的單位是所指向類型的字節(jié)數(shù)。指針數(shù)組指針也可以存儲(chǔ)在數(shù)組中,形成指針數(shù)組。這種方式常用于處理字符串?dāng)?shù)組或函數(shù)指針數(shù)組。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的需求在程序運(yùn)行時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存空間,以應(yīng)對(duì)不同大小和數(shù)量的數(shù)據(jù)。這種靈活性是靜態(tài)內(nèi)存無法提供的。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的方式C語(yǔ)言中,可以使用malloc()和free()函數(shù)動(dòng)態(tài)分配和釋放內(nèi)存。calloc()函數(shù)則可以初始化分配的內(nèi)存空間。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的優(yōu)勢(shì)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配可以根據(jù)需求靈活分配所需空間,避免內(nèi)存的浪費(fèi)或溢出,提高程序的效率和健壯性。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的風(fēng)險(xiǎn)如果管理不當(dāng),動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏和懸空指針等問題,需要程序員小心操作。指針與函數(shù)1指針參數(shù)傳遞在C語(yǔ)言中,可以使用指針作為函數(shù)的參數(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的間接訪問和修改。這種傳值調(diào)用的方式更加靈活和高效。2函數(shù)返回指針函數(shù)可以返回指針類型,指向動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存空間或者靜態(tài)存儲(chǔ)區(qū)域,使用時(shí)需謹(jǐn)慎避免內(nèi)存泄漏。3指針數(shù)組通過創(chuàng)建指針數(shù)組,可以靈活地管理多個(gè)指針變量,增強(qiáng)程序的擴(kuò)展性和通用性。4回調(diào)函數(shù)把一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)傳遞給另一個(gè)函數(shù),在特定事件發(fā)生時(shí)調(diào)用,是指針在函數(shù)中的高級(jí)用法。指針與函數(shù)指針可以用來作為函數(shù)的參數(shù)和返回值,實(shí)現(xiàn)更靈活和高效的編程。通過指針,函數(shù)能夠直接操作和訪問外部變量,提供了豐富的功能性。結(jié)構(gòu)體定義和使用結(jié)構(gòu)體概念結(jié)構(gòu)體是C語(yǔ)言中的一種復(fù)合數(shù)據(jù)類型，允許開發(fā)者定義包含不同數(shù)據(jù)類型的變量集合。結(jié)構(gòu)體聲明使用struct關(guān)鍵字定義一個(gè)新的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)類型，包含成員變量和成員函數(shù)。結(jié)構(gòu)體初始化通過逐個(gè)賦值或使用花括號(hào)一次性初始化結(jié)構(gòu)體變量的各個(gè)成員。結(jié)構(gòu)體訪問使用成員訪問運(yùn)算符"."來訪問結(jié)構(gòu)體中的成員變量和成員函數(shù)。結(jié)構(gòu)體數(shù)組1定義結(jié)構(gòu)體數(shù)組可以使用結(jié)構(gòu)體類型聲明一個(gè)數(shù)組變量，每個(gè)元素都是一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體。2初始化結(jié)構(gòu)體數(shù)組可以使用花括號(hào)逐個(gè)初始化數(shù)組中的每個(gè)結(jié)構(gòu)體元素。3訪問結(jié)構(gòu)體數(shù)組元素通過下標(biāo)訪問數(shù)組中的每個(gè)結(jié)構(gòu)體元素，再使用點(diǎn)運(yùn)算符訪問元素中的成員。4結(jié)構(gòu)體數(shù)組應(yīng)用適用于處理大量相同類型的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，如學(xué)生信息管理、商品信息管理等。結(jié)構(gòu)體指針靈活操作結(jié)構(gòu)體通過使用結(jié)構(gòu)體指針，可以動(dòng)態(tài)地分配和訪問結(jié)構(gòu)體內(nèi)存，提高代碼的靈活性和效率。指針的優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)體指針可以簡(jiǎn)化復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體操作，減少不必要的內(nèi)存復(fù)制，提高程序性能。指針訪問結(jié)構(gòu)體通過結(jié)構(gòu)體指針，可以直接訪問結(jié)構(gòu)體成員，