C 程序設計(清華大學課件)

C程序設計什么是C語言通用編程語言C語言是一種廣泛應用的通用編程語言，用于開發(fā)各種軟件，包括操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)和應用程序。結(jié)構(gòu)化編程C語言以其結(jié)構(gòu)化編程范式而聞名，它強調(diào)代碼的組織、模塊化和可讀性。高效性C語言以其接近硬件的特性而著稱，這使其在性能要求苛刻的應用中具有優(yōu)勢。C語言發(fā)展歷史11972年由丹尼斯·里奇在貝爾實驗室設計21970年代用于開發(fā)UNIX操作系統(tǒng)31980年代成為最流行的編程語言之一4至今廣泛應用于系統(tǒng)編程、嵌入式系統(tǒng)、游戲開發(fā)等領域C語言特點1高效性C語言的執(zhí)行效率非常高，因為它可以直接操作硬件，并且代碼編譯后生成的機器碼非常緊湊。2可移植性C語言的標準化使得它可以在不同的操作系統(tǒng)和硬件平臺上移植，這為開發(fā)者帶來了很大的便利。3靈活性C語言的語法靈活，可以進行底層操作，適合開發(fā)各種類型的應用程序，包括操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)等。4廣泛應用C語言被廣泛應用于各種領域，例如操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡編程、游戲開發(fā)等。C語言程序結(jié)構(gòu)1預處理指令以#號開頭的指令，在編譯前由預處理器進行處理。2函數(shù)定義定義程序的功能模塊，包含函數(shù)名、參數(shù)列表和函數(shù)體。3主函數(shù)程序執(zhí)行的入口點，包含程序的執(zhí)行邏輯?；緮?shù)據(jù)類型整型整數(shù)，例如1,2,-3,0。浮點型實數(shù)，例如3.14,2.718,-1.5。字符型單個字符，例如'A','b','!'。變量和常量變量在程序運行過程中可以改變值的存儲單元。常量在程序運行過程中值始終保持不變的存儲單元。表達式和運算符算術(shù)運算符用于執(zhí)行基本的數(shù)學運算，例如加減乘除。關(guān)系運算符用于比較兩個值，例如大于、小于、等于。邏輯運算符用于組合多個條件，例如與、或、非。位運算符用于對單個位進行操作，例如位與、位或、位異或。流程控制語句順序結(jié)構(gòu)程序按照代碼的順序逐行執(zhí)行，這是最基本的結(jié)構(gòu)。選擇結(jié)構(gòu)根據(jù)條件判斷，選擇不同的執(zhí)行路徑，包括if、elseif、else語句。循環(huán)結(jié)構(gòu)重復執(zhí)行一段代碼，直到滿足特定條件，包括for、while、do-while語句。函數(shù)1定義函數(shù)是一段可重復使用的代碼塊，它可以接收輸入?yún)?shù)并返回輸出值。2作用函數(shù)可以提高代碼的可讀性、可維護性和可重用性，并可以簡化程序結(jié)構(gòu)。3類型C語言提供了標準庫函數(shù)和用戶自定義函數(shù)兩種類型的函數(shù)。數(shù)組連續(xù)內(nèi)存數(shù)組元素存儲在內(nèi)存中相鄰的位置。相同類型數(shù)組中的所有元素必須具有相同的數(shù)據(jù)類型。下標訪問使用下標來訪問數(shù)組中的特定元素。字符串處理字符數(shù)組字符串本質(zhì)上是以null結(jié)尾的字符數(shù)組。標準庫函數(shù)C語言提供豐富的字符串操作函數(shù)，例如strcpy、strcat、strlen等。指針操作指針可以高效地訪問和修改字符串中的字符。指針內(nèi)存地址指針是一個變量，它存儲了另一個變量的內(nèi)存地址。間接訪問使用指針可以間接訪問其他變量的值。動態(tài)內(nèi)存分配指針是動態(tài)內(nèi)存分配的關(guān)鍵，允許在程序運行時分配和釋放內(nèi)存。動態(tài)內(nèi)存分配堆內(nèi)存程序運行時，系統(tǒng)提供的一塊內(nèi)存區(qū)域。在程序開始執(zhí)行之前，系統(tǒng)會分配一個固定大小的內(nèi)存空間給程序。當程序運行時，程序員可以使用malloc()函數(shù)在堆內(nèi)存中動態(tài)地分配內(nèi)存空間。自由存儲區(qū)在堆內(nèi)存中，沒有被分配的內(nèi)存空間稱為自由存儲區(qū)。當程序員需要分配新的內(nèi)存空間時，系統(tǒng)會從自由存儲區(qū)中尋找合適的空間進行分配。內(nèi)存泄漏在動態(tài)內(nèi)存分配中，如果程序員忘記釋放已分配的內(nèi)存空間，會導致內(nèi)存泄漏。這會導致程序占用越來越多的內(nèi)存，最終可能導致程序崩潰。結(jié)構(gòu)體自定義數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)體允許您將不同類型的數(shù)據(jù)組合在一起，以創(chuàng)建更復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。成員訪問您可以使用點運算符(.)訪問結(jié)構(gòu)體成員。內(nèi)存分配結(jié)構(gòu)體變量在內(nèi)存中分配連續(xù)的內(nèi)存空間以存儲其成員。聯(lián)合體內(nèi)存共享聯(lián)合體中的成員共享同一內(nèi)存空間。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換聯(lián)合體可以用于將不同數(shù)據(jù)類型的值存儲在同一內(nèi)存位置。節(jié)省內(nèi)存當需要在不同數(shù)據(jù)類型之間進行轉(zhuǎn)換，并且數(shù)據(jù)類型大小不同時，可以使用聯(lián)合體來節(jié)省內(nèi)存。枚舉類型枚舉類型定義使用`enum`關(guān)鍵字定義枚舉類型，并用花括號括起來列出枚舉常量。枚舉常量枚舉常量是整型常量，默認從0開始遞增。使用枚舉類型可以使用枚舉常量來表示一組離散的值，使代碼更易讀和易于維護。位操作位操作是直接對內(nèi)存中的位進行操作，能夠有效提高程序效率，尤其適用于底層編程和數(shù)據(jù)壓縮等領域。常見的位操作符包括按位與(&)、按位或(|)、按位異或(^)、按位取反(~)和位移操作符(<<,>>)等。例如，我們可以使用位掩碼來設置或清除某個變量的特定位，實現(xiàn)對多個狀態(tài)的控制。預處理宏定義定義常量和代碼段。文件包含包含頭文件。條件編譯根據(jù)條件選擇編譯代碼。文件操作文件打開使用fopen函數(shù)打開文件，指定文件路徑和打開模式。文件寫入使用fwrite函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入文件，指定數(shù)據(jù)指針、數(shù)據(jù)大小和寫入數(shù)量。文件讀取使用fread函數(shù)從文件讀取數(shù)據(jù)，指定數(shù)據(jù)指針、數(shù)據(jù)大小和讀取數(shù)量。文件關(guān)閉使用fclose函數(shù)關(guān)閉文件，釋放文件資源。錯誤處理調(diào)試工具使用調(diào)試器來查找和解決代碼中的錯誤。錯誤處理機制在程序中添加錯誤處理代碼，以便在遇到錯誤時能夠優(yōu)雅地處理。錯誤日志記錄錯誤信息以幫助分析和修復問題。標準庫函數(shù)輸入輸出標準庫提供了豐富的輸入輸出函數(shù)，例如scanf()和printf()，用于與用戶交互。字符串處理字符串處理函數(shù)，例如strcpy()和strlen()，簡化了字符串操作。內(nèi)存管理內(nèi)存管理函數(shù)，例如malloc()和free()，用于動態(tài)分配和釋放內(nèi)存。數(shù)學運算數(shù)學運算函數(shù)，例如sqrt()和pow()，提供常用的數(shù)學運算功能。C語言編程實例通過實際編程實例，加深對C語言知識的理解和應用。例如：編寫一個簡單的計算器程序?qū)崿F(xiàn)一個學生成績管理系統(tǒng)開發(fā)一個簡單的游戲程序命令行參數(shù)1傳遞信息在程序運行時向程序傳遞額外的信息，例如文件名或配置參數(shù)。2靈活控制使程序能夠根據(jù)不同的參數(shù)執(zhí)行不同的操作或選擇不同的行為。3交互性允許用戶在運行時自定義程序的行為，提升用戶體驗。鏈接與編譯1編譯將源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行文件2鏈接將多個目標文件合并成一個可執(zhí)行文件3庫預編譯好的函數(shù)集合，可供程序調(diào)用內(nèi)存管理堆和棧C語言中，內(nèi)存管理主要涉及堆和棧。棧用于存儲局部變量，堆用于動態(tài)內(nèi)存分配。指針和動態(tài)分配指針用于訪問內(nèi)存地址，動態(tài)內(nèi)存分配允許在程序運行時分配和釋放內(nèi)存空間。內(nèi)存泄漏忘記釋放動態(tài)分配的內(nèi)存會導致內(nèi)存泄漏，最終導致系統(tǒng)崩潰。程序效率優(yōu)化算法優(yōu)化選擇更高效的算法，降低時間復雜度，提高程序執(zhí)行速度。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化使用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如哈希表、樹等，減少數(shù)據(jù)訪問時間。代碼優(yōu)化避免不必要的循環(huán)、條件判斷、函數(shù)調(diào)用，提高代碼執(zhí)行效率。編譯器優(yōu)化使用編譯器優(yōu)化選項，例如代碼優(yōu)化、內(nèi)存優(yōu)化等，提高程序性能。系統(tǒng)編程操作系統(tǒng)內(nèi)核交互網(wǎng)絡編程進程管理內(nèi)存管理面向?qū)ο缶幊?封裝將數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的方法封裝在一起，提高代碼的安全性、可維護性和可復用性。2繼承允許創(chuàng)建新的類，繼承現(xiàn)有類的屬性和方法，減少代碼重復，提高代碼可擴展性。3多態(tài)同一操作可以作用于不同的對象，產(chǎn)生不同的結(jié)果，提高