《C程序设计基础》课件精华

程序设计基础C欢迎来到C程序设计基础课程！本课程将带领您深入了解C语言的核心概念和实践应用我们将从C语言的基础语法开始，逐步探讨高级主题，如指针、文件操作和动态内存分配通过理论学习和实践练习相结合的方式，您将掌握C语言编程的精髓，为未来的软件开发奠定坚实基础无论您是编程新手还是有经验的开发者，本课程都将为您提供宝贵的知识和技能让我们一起踏上这段exciting的C语言学习之旅吧！语言概述C年诞生19721C语言由Dennis Ritchie在贝尔实验室创造，最初用于开发UNIX操作系统它的设计理念是信任程序员，提供了强大而灵活的编程能力广泛应用2C语言因其高效性和可移植性，在系统编程、嵌入式系统和应用软件开发等领域广泛应用许多现代编程语言都受到C语言的影响特点3C语言以其简洁的语法、丰富的数据类型和运算符、结构化编程支持以及底层内存操作能力而著称它既可以进行系统级编程，也适用于应用程序开发开发环境搭建选择编译器常用的C编译器包括GCC（GNU CompilerCollection）和MicrosoftVisual C++GCC适用于多平台，而Visual C++主要用于Windows开发安装IDE集成开发环境（IDE）可以提高编程效率推荐使用Code::Blocks（跨平台）、Visual Studio（Windows）或CLion（跨平台）等IDE配置环境变量为了能在命令行中使用编译器，需要将编译器的bin目录添加到系统的PATH环境变量中这样可以在任何位置调用编译器测试环境创建一个简单的Hello,World!程序，编译并运行它来验证开发环境是否正确设置这个步骤可以帮助你熟悉编译和运行C程序的过程语言基本语法C程序结构1C程序由函数组成，必须包含一个main函数作为程序的入口点函数内部包含声明和语句语句和表达式2语句是执行特定操作的指令，以分号结束表达式是进行计算或求值的代码片段注释3单行注释使用//，多行注释使用/**/注释用于解释代码，提高可读性标识符命名规则4标识符由字母、数字和下划线组成，不能以数字开头C语言区分大小写，关键字不能用作标识符数据类型基本数据类型包括int（整型）、float（单精度浮点型）、double（双精度浮点型）和char（字符型）每种类型占用不同的内存空间，有不同的取值范围修饰符short、long、signed和unsigned可以修饰基本数据类型，改变其大小或符号性例如，unsigned int表示无符号整型派生数据类型包括数组、指针、结构体、联合和枚举这些类型建立在基本数据类型之上，用于处理更复杂的数据结构类型void表示无类型，通常用于函数返回值或通用指针void函数不返回值，void指针可以指向任何类型的数据变量和常量变量常量变量是程序中可以改变值的存储单元在C语言中，变量必须先声常量是程序执行过程中值不会改变的量C语言中有几种定义常量明后使用变量声明包括类型说明符和变量名例如int age;的方法float salary;•使用#define预处理指令#define PI

3.14159变量可以在声明时初始化，也可以稍后赋值如int count=0;•使用const关键字const intMAX_SIZE=100;或count=10;•字面常量如整数42，浮点数

3.14，字符A等运算符和表达式算术运算符关系运算符逻辑运算符包括+（加）、-（减）、*（乘）、包括==（等于）、!=（不等于）、包括（与）、||（或）和!/（除）和%（取模）这些运算（大于）、（小于）、=（大（非）用于组合多个条件，返符用于执行基本的数学运算于等于）和=（小于等于）用回布尔值（真或假）于比较两个值位运算符包括（按位与）、|（按位或）、^（按位异或）、~（按位取反）、（左移）和（右移）用于对整数的二进制位进行操作顺序流程控制语句顺序执行C程序中的语句默认按照从上到下的顺序依次执行每个语句执行完毕后，程序流程自动转到下一条语句复合语句由一对花括号{}括起来的语句序列复合语句在语法上被视为单个语句，常用于需要多条语句的地方，如函数体或循环体空语句只包含一个分号的语句虽然不执行任何操作，但在某些情况下很有用，如构造空循环体表达式语句由表达式后跟分号组成常见的表达式语句包括赋值语句、函数调用等表达式的值会被计算，但通常会被丢弃分支流程控制语句if语句if-else if-else1根据条件执行不同的代码块可以单独使用于多条件判断，可以处理多种情况2用，也可以与else配合使用条件运算符语句switch4:运算符提供了一种简洁的条件判断方式，3根据表达式的值选择执行不同的case分常用于简单的if-else替代支适用于多个固定值的判断分支结构允许程序根据不同的条件执行不同的代码块，增加了程序的灵活性和交互性合理使用分支结构可以使程序逻辑更清晰，处理各种情况更有效循环流程控制循环for适用于已知循环次数的情况语法for初始化;条件;更新{循环体}初始化部分在循环开始前执行一次，条件在每次循环开始前检查，更新部分在每次循环结束后执行循环while当条件为真时重复执行循环体语法while条件{循环体}适用于循环次数不确定，但循环条件明确的情况循环do-while至少执行一次循环体，然后在循环尾部检查条件语法do{循环体}while条件;适用于需要至少执行一次的循环循环控制语句break用于跳出当前循环；continue用于跳过本次循环的剩余部分，直接进入下一次循环；goto用于无条件跳转到指定的标签，但不推荐使用数组数组定义1数组是存储相同类型数据元素的有序集合在C语言中，数组的大小必须在定义时确定，且不能改变定义语法类型数组名[元素个数];数组初始化2可以在定义时初始化数组，如int numbers

[5]={1,2,3,4,5};如果初始值少于数组大小，剩余元素会被自动初始化为0数组访问3使用下标访问数组元素，下标从0开始如numbers

[0]表示第一个元素越界访问会导致未定义行为，需要特别注意数组应用4数组广泛应用于存储和处理大量相同类型的数据，如存储学生成绩、图像像素等结合循环可以高效处理数组数据二维数组定义和初始化访问和操作二维数组可以看作数组的数组定义语法类型数组名[行使用两个下标访问元素数组名[行索引][列索引]例如，数][列数];例如matrix

[1]

[2]表示第2行第3列的元素遍历二维数组通常使用嵌套循环int matrix

[3]

[4]={{1,2,3,4},for inti=0;i3;i++{{5,6,7,8},for intj=0;j4;j++{{9,10,11,12}printf%d,matrix[i][j];};}printf\n;}也可以省略行数，但列数必须指定初始化时可以省略部分或全部花括号指针指针基础1指针是存储内存地址的变量通过指针可以间接访问和操作内存中的数据指针声明和初始化2声明语法类型*指针名;如int*p;初始化p=variable;指针操作3*操作符用于解引用，获取指针指向的值操作符获取变量的地址指针与数组4数组名本质上是指向数组第一个元素的指针指针可以用于数组遍历和操作指针算术5指针可以进行加减运算，用于在内存中移动指针相减得到元素个数字符串处理字符串表示字符串输入输出字符串操作函数字符串查找和处理C语言中的字符串是以null字符使用scanf和gets函数输入strlen计算长度，strcpy复strchr查找字符，strstr查\0结尾的字符数组可以使字符串，printf和puts函数制，strcat连接，strcmp比找子串，strtok分割字符串用字符数组或字符指针表示字输出字符串注意缓冲区溢出较这些函数定义在string.h头可以结合循环进行复杂的字符符串问题文件中串处理函数函数定义函数由返回类型、函数名、参数列表和函数体组成语法返回类型函数名参数列表{函数体}函数声明在使用函数之前需要声明函数原型，通常放在头文件或源文件的开头声明包括返回类型、函数名和参数类型函数调用通过函数名和适当的参数调用函数调用时传递的参数必须与函数定义的参数列表匹配参数传递C语言使用值传递方式如需修改原始值，可以传递指针或使用引用参数（在C++中）返回值使用return语句返回函数结果void函数可以不使用return或使用return;函数递归递归定义基本案例递归是函数直接或间接调用自身的过程1递归必须有一个基本案例（结束条件），它将复杂问题分解为更简单的子问题2以防止无限递归返回结果递归调用43递归函数将子问题的解组合成原问题的解函数通过调用自身来解决更小规模的子问题递归在解决某些问题时非常有效，如树结构遍历、分治算法等但过深的递归可能导致栈溢出，因此需要谨慎使用有时可以通过迭代方法替代递归，以提高效率结构体结构体定义结构体是C语言中用户自定义的复合数据类型，可以包含不同类型的数据成员定义语法struct结构体名{成员类型1成员名1;成员类型2成员名2;//...};结构体变量可以像基本数据类型一样声明结构体变量例如struct Students1;也可以在定义时直接声明变量访问成员使用点运算符.访问结构体成员如果是结构体指针，则使用箭头运算符-例如s

1.name或ps-name结构体数组和嵌套可以创建结构体数组，也可以在结构体中嵌套其他结构体，用于表示更复杂的数据关系枚举枚举定义1枚举是C语言中的用户定义类型，用于定义一组命名的整型常量定义语法enum枚举名{枚举常量列表};枚举值2默认情况下，第一个枚举常量的值为0，后续常量值依次加1可以显式指定枚举常量的值枚举变量3可以声明枚举类型的变量，这些变量只能赋予枚举中定义的常量值应用场景4枚举常用于表示一组相关的常量，如星期几、月份、状态码等，增加代码的可读性和可维护性联合联合定义联合特点和应用联合是一种特殊的数据类型，允许在相同的内存位置存储不同的•内存共享联合的所有成员共享同一块内存数据类型定义语法•节省空间当需要在不同时间存储不同类型的数据时，联合可以节省内存union联合名{•类型重叠可以用于查看数据的不同表示方式，如整数的字节成员类型1成员名1;表示成员类型2成员名2;•注意事项使用联合时需要小心，确保正确解释当前存储的数//...据类型};联合的大小等于其最大成员的大小输入输出标准输入标准输出格式化输入输出使用scanf函数从键盘读取格printf函数用于格式化输出使用格式说明符（如%d,%f,式化输入gets函数用于读到屏幕puts函数用于输出%s等）控制输入输出的格式取一行字符串（不推荐使用，字符串并自动添加换行可以指定宽度、精度和对齐方因为不安全）式缓冲处理fflush函数用于刷新输出缓冲区getchar和putchar用于字符级的输入和输出文件操作打开文件使用fopen函数打开文件，指定文件名和打开模式（如r读取，w写入，a追加等）返回FILE指针读写操作使用fscanf和fprintf进行格式化读写，fgets和fputs读写字符串，fread和fwrite读写二进制数据文件定位fseek函数用于移动文件指针，ftell返回当前文件位置，rewind将文件指针重置到文件开头错误处理使用ferror检查文件操作是否出错，feof检查是否到达文件末尾perror用于打印错误信息关闭文件使用fclose函数关闭文件，释放相关资源始终确保在程序结束前关闭所有打开的文件预处理命令1#include用于包含头文件，可以是系统头文件（filename）或用户自定义头文件（filename）2#define用于定义宏可以是简单的常量定义，也可以是带参数的宏函数条件编译3#ifdef,#ifndef,#if,#else,#elif,#endif用于条件编译，可以根据不同条件编译不同的代码块其他指令4#undef用于取消宏定义，#pragma用于编译器特定的指令，#error用于生成编译错误信息编译链接过程预处理1处理所有预处理指令（如#include,#define），展开宏定义，生成.i文件编译2将预处理后的代码转换为汇编代码.s文件这一步进行语法分析、语义分析和代码优化汇编3将汇编代码转换为机器码，生成目标文件.o文件每个源文件都会生成一个对应的目标文件链接4将多个目标文件和库文件链接在一起，生成最终的可执行文件解决外部引用，重定位代码和数据动态内存分配malloc calloc用于分配指定字节数的内存空间返回void*指针，需要强制转换为分配指定数量的元素，每个元素占用指定字节数分配的内存会被适当的类型语法ptr=cast-type*mallocte-size初始化为零语法ptr=cast-type*callocn,element-sizerealloc free调整之前分配的内存块的大小可以扩大或缩小内存块语法ptr释放之前分配的动态内存使用完动态分配的内存后，必须使用=reallocptr,new-size free释放，否则会造成内存泄漏语法freeptr位运算按位与按位或按位异或位移|^,对两个操作数的每一位执行与对两个操作数的每一位执行或对两个操作数的每一位执行异左移和右移操作左移操作常用于掩码操作，提取操作常用于设置特定位或操作常用于翻转特定位相当于乘以2的幂，右移相当于特定位除以2的幂错误处理错误代码1许多C标准库函数在出错时返回特定的错误代码或设置全局变量errno可以通过检查返回值和errno来判断操作是否成功2perror用于打印最近的错误信息它会输出一个用户定义的错误消息，后跟一个冒号、一个空格和当前errno值对应的错误描述3strerror返回指向错误消息字符串的指针可以用于获取特定错误代码的文本描述4assert用于在调试期间插入诊断信息如果断言的条件为假，程序会立即终止并提供错误信息标准库概述字符串处理（）string.h输入输出（）stdio.h2包含字符串操作函数，如strcpy,提供输入输出功能，如printf,scanf,strcat,strcmp等1fopen,fclose等数学函数（）math.h3提供数学运算函数，如sqrt,sin,cos,log等标准工具（）stdlib.h5提供内存分配、随机数生成、排序等功能，字符处理（）ctype.h如malloc,free,rand,qsort等4包含字符分类和转换函数，如isalpha,isdigit,toupper等字符串函数常用字符串函数安全字符串函数•strlen:计算字符串长度为了避免缓冲区溢出，可以使用一些更安全的字符串函数•strcpy:复制字符串•strncpy:限制复制的字符数•strcat:连接字符串•strncat:限制连接的字符数•strcmp:比较字符串•snprintf:格式化字符串到缓冲区，限制写入的字符数•strchr:查找字符这些函数可以帮助防止常见的字符串操作错误，提高程序的安全•strstr:查找子串性数学函数三角函数指数和对数平方根绝对值和取整sin,cos,tan,asin,exp,log,log10用于计算sqrt用于计算平方根cbrt fabs计算浮点数绝对值ceilacos,atan等用于计算三角指数和对数pow用于计算幂用于计算立方根向上取整，floor向下取整函数值时间日期函数1time获取当前时间，返回从1970年1月1日00:00:00UTC开始的秒数2localtime将time返回的时间转换为本地时间，返回tm结构体指针3strftime将时间格式化为字符串，可以指定输出格式4difftime计算两个时间点之间的差值，返回秒数设备函数I/O标准输入输出stdin,stdout,stderr是预定义的文件指针，分别对应标准输入、标准输出和标准错误可以使用fprintf,fscanf等函数操作这些流文件I/Ofopen,fclose,fread,fwrite等函数用于文件操作可以读写文本文件和二进制文件底层I/Oopen,close,read,write等函数提供了更底层的文件操作，可以直接操作文件描述符缓冲控制setvbuf,fflush等函数用于控制I/O缓冲可以设置缓冲模式或强制刷新缓冲区内存管理函数malloc calloc分配指定字节数的内存返回void*指针，需要强制转换为所需类分配指定数量的元素，每个元素占用指定字节数分配的内存会被型如果分配失败，返回NULL初始化为0比malloc多一步初始化realloc free调整之前分配的内存块的大小可以增加或减少内存块的大小如释放之前通过malloc,calloc或realloc分配的内存释放后的果原地址无法扩展，可能会返回新地址指针应该设置为NULL，避免悬挂指针通用实用工具随机数生成排序和搜索转换函数rand生成伪随机数srand qsort用于快速排序数组atoi,atof,atol将字符串设置随机数种子time常用bsearch在排序数组中进行转换为整数、浮点数和长整数作种子二分查找系统函数system执行系统命令abort异常终止程序exit正常终止程序命令行参数参数传递通过main函数的参数接收命令行参数int mainintargc,char*argv[]参数解析argc表示参数数量（包括程序名），argv[]是一个指向字符串的指针数组，存储各个参数参数处理通常使用循环遍历argv数组，处理每个参数可以使用strcmp函数比较参数选项解析对于复杂的命令行选项，可以使用getopt函数来简化解析过程错误处理应该检查参数数量和格式，对无效输入进行适当的错误处理程序环境环境变量程序参数环境变量是操作系统维护的一种命名的字符串C程序可以访问和除了通过main函数的参数接收命令行参数外，还可以使用全局变修改环境变量量访问程序参数•getenv:获取指定环境变量的值•extern char**environ:指向环境字符串数组的指针•setenv:设置环境变量的值程序可以通过修改这些环境变量来影响其他程序的行为，或者根•putenv:将字符串添加到环境中据环境变量调整自身的行为信号处理信号概念1信号是一种软件中断，用于通知进程发生了某个事件可以由硬件异常、软件条件或显式的用户请求产生信号处理函数2signal函数用于设置信号处理函数可以为特定信号设置自定义的处理函数，或者使用SIG_IGN忽略信号，SIG_DFL恢复默认处理发送信号3raise函数用于向当前进程发送信号kill函数（需要signal.h）可以向指定进程发送信号常见信号4SIGINT（中断信号），SIGTERM（终止信号），SIGSEGV（段错误），SIGALRM（闹钟信号）等每个信号都有特定的含义和默认行为多线程编程线程创建1使用pthread_create函数创建新线程指定线程函数和参数线程同步2使用互斥锁（pthread_mutex_t）和条件变量（pthread_cond_t）实现线程同步线程通信3通过共享内存、消息队列或管道实现线程间通信线程终止4线程可以通过返回、pthread_exit函数或被其他线程取消而终止线程管理5使用pthread_join等待线程结束，pthread_detach分离线程进程间通信管道消息队列共享内存pipe函数创建匿名管道，用msgget,msgsnd,shmget,shmat,shmdt于父子进程通信命名管道msgrcv等函数用于创建和操等函数用于创建和操作共享内（FIFO）可用于无关进程间通作消息队列，实现进程间的消存，实现高效的数据共享信息传递信号量sem_init,sem_wait,sem_post等函数用于创建和操作信号量，实现进程同步网络编程套接字创建使用socket函数创建套接字，指定通信域（如AF_INET forIPv4）、类型（如SOCK_STREAM forTCP）和协议地址绑定使用bind函数将套接字与特定的IP地址和端口号绑定服务器端通常需要这一步连接建立服务器使用listen和accept函数监听和接受客户端连接客户端使用connect函数连接到服务器数据传输使用send,recv函数（面向连接）或sendto,recvfrom函数（无连接）进行数据传输连接关闭使用close函数关闭套接字，释放相关资源嵌入式编程硬件交互中断处理使用内存映射I/O或特定的设备驱动程序与硬件交互需要了解目标编写中断服务例程（ISR）处理硬件中断需要注意中断处理的时效硬件的特性和寄存器映射性和资源使用内存管理代码优化考虑内存限制，合理使用静态分配和动态分配避免内存碎片和泄注重代码效率和空间占用使用内联函数、位操作等技巧优化性能漏考虑使用特定的编译器优化选项算法分析空间复杂度时间复杂度分析算法执行所需的额外空间增长率同2分析算法执行所需的时间增长率常用大样使用大O表示法描述1O表示法描述最坏情况下的时间复杂度渐进分析关注输入规模变大时算法性能的变化趋3势，忽略常数因子和低阶项算法比较5最佳最坏平均情况//比较不同算法在相同问题上的性能，选择4最适合特定场景的算法考虑不同输入情况下的算法性能最坏情况分析通常更有意义性能优化算法优化代码优化内存管理123选择合适的数据结构和算法例如，使用循环展开、内联函数等技巧避减少动态内存分配，使用内存池技术使用哈希表代替线性查找，或使用快免不必要的函数调用和内存分配利避免内存泄漏和碎片化合理使用缓速排序代替冒泡排序用编译器优化选项存以提高访问速度并发编程优化45I/O利用多线程或多进程并行处理任务注意同步和负载均衡问减少I/O操作次数，使用缓冲I/O考虑使用内存映射文件等题技术编码规范命名规范格式规范•使用有意义的变量和函数名•使用一致的缩进（通常4个空格）•常量使用全大写，单词间用下划线连接•函数大括号单独成行•函数名使用动词或动词短语•每行不超过80个字符•变量名使用小写，多个单词用下划线连接•运算符两侧加空格，逗号后加空格调试技巧打印调试使用调试器断言内存检查工具使用printf函数在关键点输出如GDB，可以设置断点、单步使用assert宏在代码中插入检使用Valgrind等工具检测内存变量值和程序状态，帮助定位执行、检查变量值等IDE通常查点，在开发阶段捕获意外情泄漏和访问错误问题集成了图形化调试工具况常见问题解决段错误（）1Segmentation Fault通常由非法内存访问引起检查数组越界、空指针解引用、栈溢出等问题使用调试器定位错误发生的具体位置内存泄漏2由于未正确释放动态分配的内存导致使用Valgrind等工具检测，确保每个malloc都有对应的free栈溢出3可能由递归层数过深或局部变量过大引起检查递归终止条件，考虑使用动态内存分配代替大型局部数组死锁4多线程程序中由于互相等待资源而导致的僵局仔细设计锁的获取顺序，使用超时机制，避免嵌套锁课程总结基础知识掌握1理解C语言的基本语法、数据类型、控制结构和函数进阶概念应用2熟练运用指针、结构体、文件操作等高级特性系统级编程3掌握内存管理、多线程、网络编程等系统编程技能优化与最佳实践4能够进行代码优化，遵循良好的编程实践通过本课程，您已经建立了坚实的C语言编程基础这不仅为您今后学习其他编程语言打下了基础，也为您进入系统编程、嵌入式开发等领域提供了必要的知识储备继续练习和实践，将理论知识应用到实际项目中，是提高编程技能的最佳方法拓展阅读推荐《程序设计语言》1CBrian W.Kernighan和Dennis M.RitchieC语言的经典著作，由语言的创造者编写，深入浅出地介绍了C语言的核心概念《陷阱与缺陷》2CAndrew Koenig揭示了C语言中常见的编程错误和陷阱，帮助读者避免这些问题《专家编程》3CPeter vander Linden深入探讨了C语言的高级特性和技巧，适合有一定基础的读者《和指针》C。