開(kāi)門(mén)見(jiàn)山與循序漸進(jìn)一種C語(yǔ)言指針教學(xué)方法-精品文檔

1、開(kāi)門(mén)見(jiàn)山與循序漸進(jìn)：一種 C語(yǔ)言指針教學(xué)方法1 背 景指針是C語(yǔ)言的精髓和靈魂，是C語(yǔ)言中最具魅力和最富活 力的部分，C語(yǔ)言通過(guò)指針來(lái)實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)硬件資源、動(dòng)態(tài)分配和回 收內(nèi)存空間、 降低函數(shù)調(diào)用中參數(shù)傳遞的開(kāi)銷(xiāo)、 減少使用全局變 量、實(shí)現(xiàn)函數(shù)回調(diào)等功能。沒(méi)有指針的C語(yǔ)言不可能進(jìn)行任何有 實(shí)際意義的編程。指針也是C語(yǔ)言中最危險(xiǎn)的部分，程序會(huì)因指針使用不當(dāng)而 潛藏風(fēng)險(xiǎn)，輕則導(dǎo)致程序退出，重則導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)存泄漏，甚至系 統(tǒng)崩潰。使用C語(yǔ)言編程離不開(kāi)指針，但掌握和熟練使用指針卻很 難，對(duì)初學(xué)者尤其如此。指針是 C語(yǔ)言教學(xué)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，很 多教師在教學(xué)中嘗試了多種方法 1-5 ，取得了不錯(cuò)的效果。作 者經(jīng)

2、過(guò)多年C語(yǔ)言教學(xué)實(shí)踐，逐漸摸索出“開(kāi)門(mén)見(jiàn)山”與“循序 漸進(jìn)”相結(jié)合的指針教學(xué)方法， 把指針教學(xué)融合在C語(yǔ)言教學(xué)的 全過(guò)程中。 “開(kāi)門(mén)見(jiàn)山”是在課程開(kāi)始， 通過(guò)介紹計(jì)算機(jī)體系架 構(gòu)和程序運(yùn)行過(guò)程， 引入存儲(chǔ)器及地址概念， 盡早引入指針； “循 序漸進(jìn)”是在之后課堂教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)中， 不斷介紹和強(qiáng)化存儲(chǔ) 器的概念，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)地址的認(rèn)識(shí)。 在正式介紹指針教學(xué)內(nèi)容前， 這種教學(xué)方法使學(xué)生已經(jīng)建立并熟悉指針概念， 對(duì)掌握和使用指 針編程很有幫助。2 指針學(xué)習(xí)困難的原因 學(xué)生在指針學(xué)習(xí)時(shí)，普遍感覺(jué)指針概念抽象，難以理解，影 響學(xué)習(xí)、掌握和使用。主要原因在于如下 3 點(diǎn)。(1) 對(duì)學(xué)生而言，程序設(shè)計(jì)是一門(mén)全

3、新類(lèi)型的課程。其特 點(diǎn)是知識(shí)點(diǎn)分散、邏輯性不強(qiáng)。編寫(xiě)代碼既要符合語(yǔ)法規(guī)則，又 要考慮邏輯關(guān)系， 編碼必須嚴(yán)格遵守語(yǔ)法規(guī)則： 一個(gè)看上去微不 足道的錯(cuò)誤， 比如語(yǔ)句漏寫(xiě)了分號(hào)， 編譯器會(huì)在其他沒(méi)有錯(cuò)誤的 地方報(bào)告很多錯(cuò)誤信息，這使初學(xué)者手足無(wú)措，無(wú)法排錯(cuò)；程序 有了致命錯(cuò)誤， 比如變量沒(méi)有初始化， 但編譯器只會(huì)輕描淡寫(xiě)地 報(bào)個(gè)告警( warning )，程序運(yùn)行時(shí)，卻時(shí)對(duì)時(shí)錯(cuò)。這些特征對(duì) 于初學(xué)者都是陌生的， 他們以往的學(xué)習(xí)方法和經(jīng)驗(yàn)在面對(duì)該課程 時(shí)幾乎沒(méi)有任何借鑒作用， 這導(dǎo)致他們從課程開(kāi)始就遇到很多困 難。(2) 學(xué)生們不了解計(jì)算機(jī)。C語(yǔ)言是伴隨著UNIX操作系統(tǒng) 產(chǎn)生的，它的語(yǔ)言特性和計(jì)算

4、機(jī)的構(gòu)成緊密結(jié)合，甚至可以說(shuō)，C語(yǔ)言是為對(duì)計(jì)算機(jī)了如指掌的專(zhuān)家設(shè)計(jì)的。而大學(xué)中常把C語(yǔ)言課程安排為程序設(shè)計(jì)的常識(shí)教育， 學(xué)生在學(xué)習(xí)C程序設(shè)計(jì)課程 前，還沒(méi)有學(xué)過(guò)計(jì)算機(jī)原理等課程，他們可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)CPU內(nèi)存等概念， 但并不了解這些概念的確切含義， 不了解程序運(yùn)行的過(guò) 程，這會(huì)導(dǎo)致指針概念更加抽象，難以理解、掌握并使用。(3) 學(xué)生們通常是在學(xué)習(xí) C語(yǔ)言遇到困難挫折的情況下， 接觸和學(xué)習(xí)指針的， 這增加了他們的畏懼心理， 影響指針內(nèi)容的掌握?；谂d趣，在課程開(kāi)始階段他們專(zhuān)心聽(tīng)講，努力編寫(xiě)和調(diào) 試簡(jiǎn)單的程序，但隨著變量、函數(shù)、數(shù)組等內(nèi)容逐漸引入，程序 結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜， 程序設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮算法， 這會(huì)使

5、學(xué)生感覺(jué)到 學(xué)習(xí)的壓力和困難， 特別是在編譯程序時(shí)， 排除一個(gè)小小的錯(cuò)誤， 都要耗費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間， 這嚴(yán)重影響他們的學(xué)習(xí)熱情和信心。 在這 種情況下，指針被引入課程中，并且指針概念抽象，又和C 中的變量、函數(shù)、數(shù)組、結(jié)構(gòu)等聯(lián)系緊密，這些都放大了指針的學(xué)習(xí) 難度，影響學(xué)生的理解和掌握。針對(duì)如上問(wèn)題， 作者逐漸探索并使用了“開(kāi)門(mén)見(jiàn)山”與“循 序漸進(jìn)”相結(jié)合的教學(xué)方法。3 開(kāi)門(mén)見(jiàn)山 所謂開(kāi)門(mén)見(jiàn)山，指在第一次課就介紹存儲(chǔ)器和地址的概念。 在介紹“ Hello world ”之后，即介紹計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)器和 地址的概念，隨后介紹“第二個(gè)程序”以加深這些概念的理解。3.1 計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)器初學(xué)者通過(guò)“

6、Hello world ” 了解了 C語(yǔ)言的代碼風(fēng)格、集 成開(kāi)發(fā)環(huán)境和程序編譯、鏈接、執(zhí)行的過(guò)程，隨后介紹計(jì)算機(jī)的 “馮 ?諾依曼”結(jié)構(gòu)，向?qū)W生說(shuō)明程序在計(jì)算機(jī)內(nèi)的運(yùn)行過(guò)程。 課堂主要介紹如下幾個(gè)方面知識(shí)。（1）計(jì)算機(jī)構(gòu)成及程序運(yùn)行的方法。如圖1 所示，其中外存儲(chǔ)器指硬盤(pán)， 操作系統(tǒng)、 應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)都以文件形式保存在 硬盤(pán)上，內(nèi)存儲(chǔ)器保存正在運(yùn)行的程序和程序所要操作的數(shù)據(jù)，這些程序是由操作系統(tǒng)從硬盤(pán)上裝入到內(nèi)存儲(chǔ)器的。CPU (運(yùn)算器、控制器)用于運(yùn)行程序， CPU從程序所在的存儲(chǔ)器起始位置 開(kāi)始，依次讀取指令并執(zhí)行，直到程序結(jié)束。(2) 內(nèi)存儲(chǔ)器是由N個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)單元組成的，每個(gè)單元可以存

7、儲(chǔ)8比特二進(jìn)制數(shù)(稱(chēng)為一個(gè)字節(jié))；N稱(chēng)為內(nèi)存容量。計(jì)算機(jī)為每個(gè)存儲(chǔ)單元分配唯一的編號(hào)，從 0 開(kāi)始編起，直到 N-1，這個(gè)編號(hào)稱(chēng)為該存儲(chǔ)單元的“地址”，CPU使用編號(hào)(地址)訪問(wèn)這些存儲(chǔ)單元。(3) 內(nèi)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的既有代碼，也有數(shù)據(jù)；構(gòu)成程序的 代碼依次存儲(chǔ)在內(nèi)存儲(chǔ)器中； 程序要操作的數(shù)據(jù)也保存在內(nèi)存儲(chǔ) 器中。3.2 第二個(gè)程序第二個(gè)程序展示計(jì)算機(jī)的計(jì)算功能， 該程序引入了變量及數(shù) 據(jù)類(lèi)型概念， 存儲(chǔ)器和地址在程序代碼中首次出現(xiàn)。 代碼如上圖 所示。介紹程序強(qiáng)調(diào)如下幾個(gè)方面的知識(shí)。(1) 計(jì)算機(jī)要計(jì)算兩個(gè)整數(shù)的和，首先需要找兩個(gè)地方來(lái) 保存這兩個(gè)整數(shù)，這兩個(gè)地方就位于內(nèi)存中；(2) 計(jì)算機(jī)在

8、內(nèi)存中為不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)分配大小不同的存 儲(chǔ)空間，“ int a，b，r; ”要求計(jì)算機(jī)分配三塊內(nèi)存空間，分 別用變量“ a，b，r”表示，每塊內(nèi)存空間存儲(chǔ)一個(gè)整數(shù)，變量 的值改變，表示其所代表的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)的內(nèi)容發(fā)生了改變。3） scanf （“%d， %d”， &a ， &b ）表示從標(biāo)準(zhǔn)輸入設(shè)備（鍵盤(pán)）上接收用戶(hù)輸入的兩個(gè)整數(shù)，這兩個(gè)整數(shù)分別保存在“a, b”所代表的內(nèi)存中，內(nèi)存用地址表示，“ &a, &b”分別表 示取“ a, b”的地址，“%d表示每個(gè)空間要保存的數(shù)的數(shù)據(jù)類(lèi) 型為整數(shù)，這確定了每個(gè)空間占據(jù)的字節(jié)個(gè)數(shù)。（4）scanf（）實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)很多條計(jì)算機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)的,這些代碼在

9、程序被裝入內(nèi)存時(shí)，也被裝入了內(nèi)存。CPU執(zhí)行函數(shù)就是從這個(gè)函數(shù)的起始代碼開(kāi)始順序執(zhí)行。 函數(shù)名 scanf 就是起始代碼在內(nèi)存 中的地址,即：函數(shù)名表示的是函數(shù)代碼塊在內(nèi)存中的開(kāi)始地址。通過(guò)第二個(gè)函數(shù), 初步介紹了數(shù)據(jù)類(lèi)型、 變量、函數(shù)的概念, 并從存儲(chǔ)器的角度來(lái)認(rèn)識(shí)這些概念,把概念和地址結(jié)合在一起, 使 3.1 中介紹的存儲(chǔ)器概念具體化,加強(qiáng)對(duì)存儲(chǔ)器及地址的認(rèn) 識(shí),在之后每次使用 scanf （）時(shí),都會(huì)強(qiáng)調(diào)變量、空間、地址 的對(duì)應(yīng)關(guān)系,使學(xué)生熟知這些知識(shí)。4 循序漸進(jìn) 循序漸進(jìn)是指初學(xué)者初步接觸存儲(chǔ)器和地址的概念之后, 課 程會(huì)繼續(xù)從存儲(chǔ)器和地址的角度解釋所學(xué)內(nèi)容, 以加強(qiáng)這些概念 及用法

10、。以函數(shù)、數(shù)組、指針、結(jié)構(gòu)為例說(shuō)明。4.1 函 數(shù)C語(yǔ)言函數(shù)采用傳值調(diào)用，在函數(shù)中修改形參的值，不會(huì)改 變實(shí)參的值,如上圖所示。程序輸出為：“ a=10,b=20”。在解釋上述結(jié)果時(shí)，不僅要強(qiáng)調(diào)語(yǔ)法規(guī)則： “函數(shù)內(nèi)不能改變函數(shù)外變量的值”， 還要從存儲(chǔ)器的角度解釋。如圖 2, main ()函數(shù)中兩個(gè)變量“ a, b”(比如占據(jù)空間從 0x01001000開(kāi)始)和swap ()函數(shù)中兩個(gè)變 量“ a，b” (比如占據(jù)空間從 0x01001100開(kāi)始)使用不同的存 儲(chǔ)空間，swap ()函數(shù)中變量“ a，b”的值修改，改變的是 0x01001100開(kāi)始的地址空間的值，但沒(méi)有修改ma in ()函

11、數(shù)中變量“ a，b”所代表的存儲(chǔ)空間的值，因此 main ()中“ a，b” 的值不會(huì)改變。4.2 數(shù) 組數(shù)組是C語(yǔ)言的重要內(nèi)容，也是C語(yǔ)言的難點(diǎn)之一，在指針 章節(jié)開(kāi)始之前，數(shù)組是和存儲(chǔ)器及地址概念結(jié)合最緊密的內(nèi)容， 因此在數(shù)組部分會(huì)更多強(qiáng)調(diào)指針的內(nèi)容。 在介紹數(shù)組概念及例子 中，主要介紹如下知識(shí)。(1 )數(shù)組是由很多相同類(lèi)型的變量組成的集合，C語(yǔ)言通過(guò)下標(biāo)改變的方式， 來(lái)表示數(shù)組中的這些變量， 為寫(xiě)查找和排序 算法提供了方便。(2) 數(shù)組中每個(gè)變量在存儲(chǔ)器中要占據(jù)一塊存儲(chǔ)空間，這些變量所占據(jù)的存儲(chǔ)空間是連續(xù)的。比如數(shù)組float aN (N為常量)表示在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的一塊連續(xù)的存儲(chǔ)器空間，

12、空間大小 為：N * sizeof (float )字節(jié)。(3) 數(shù)組名字 a 是這塊存儲(chǔ)空間的開(kāi)始地址。a0 表示這 N個(gè)變量中的第一個(gè)變量，a和&a0相等，ai的地址和a+i*sizeof （ float ）相等。（4）計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器是有限的，連續(xù)的空閑存儲(chǔ)空間更有 限，因此數(shù)組中變量的個(gè)數(shù) N 是有限的。（5）下標(biāo)i的取值范圍為0N-1，但如果代碼中出現(xiàn)對(duì)不 屬于數(shù)組的空間進(jìn)行讀操作，比如“ float b=aN+1”，程序可 能仍可以運(yùn)行；如果代碼中出現(xiàn)對(duì)不屬于數(shù)組的空間進(jìn)行寫(xiě)操 作，比如“ aN+1 = 11.23”，程序可能可以正常運(yùn)行，但通常 會(huì)立即崩潰。因此，通過(guò)下標(biāo)訪問(wèn)不屬于

13、程序的空間是不安全的， 編程中要嚴(yán)格禁止。（6）若函數(shù)的參數(shù)定義為數(shù)組，則函數(shù)對(duì)形參數(shù)組內(nèi)變量 修改，會(huì)同時(shí)改變實(shí)參數(shù)組變量的值， 這是因?yàn)楹瘮?shù)的形參數(shù)組 是地址， 實(shí)參和形參表示的是同一地址空間， 內(nèi)部對(duì)形參數(shù)組的 訪問(wèn)，就是對(duì)實(shí)參表示空間的訪問(wèn)。通過(guò)數(shù)組，進(jìn)一步建立變量和存儲(chǔ)空間（連續(xù)存儲(chǔ)空間）、 地址的關(guān)系，為指針學(xué)習(xí)進(jìn)一步建立基礎(chǔ)。4.3 指 針 經(jīng)過(guò)不斷重復(fù)、鋪墊，在指針教學(xué)開(kāi)始時(shí)，學(xué)生已經(jīng)熟悉了 地址的概念， 也更容易理解指針， 之后的學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于指針的用 法，并逐漸習(xí)慣使用指針編程。指針部分的主要內(nèi)容包括： 第一， 指向變量的指針及其在函 數(shù)參數(shù)傳遞中的作用， 函數(shù)的形參定義為指

14、針， 可以在函數(shù)內(nèi)部 改變函數(shù)外部變量的值，實(shí)現(xiàn)地址調(diào)用；第二，指針與數(shù)組的關(guān) 系，引入動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，學(xué)習(xí) C 語(yǔ)言的存儲(chǔ)器管理技術(shù)；第三， 指向函數(shù)的指針， 在指針指向的存儲(chǔ)空間中， 存儲(chǔ)的是函數(shù)的代 碼，函數(shù)名字就是該存儲(chǔ)空間的開(kāi)始地址， 初步介紹回調(diào)函數(shù)的 概念；第四，指針數(shù)組的定義和使用，支持行和列都可變的二維 數(shù)組定義及用法。4.4 結(jié) 構(gòu)結(jié)構(gòu)內(nèi)容放在指針內(nèi)容之后介紹， 主要是因?yàn)橹羔樋梢允墙Y(jié) 構(gòu)的成員變量，如果結(jié)構(gòu)中指針變量指向的數(shù)據(jù)類(lèi)型和結(jié)構(gòu)相 同，則可以生成鏈表。介紹結(jié)構(gòu)要和存儲(chǔ)空間以及指針的概念緊密結(jié)合。 定義結(jié)構(gòu) 時(shí)，要同時(shí)強(qiáng)調(diào)該結(jié)構(gòu)類(lèi)型變量所占據(jù)的存儲(chǔ)空間， 如以上結(jié)構(gòu)

15、定義圖。結(jié)構(gòu)變量的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖 3所示，從中可以看到：結(jié) 構(gòu)型變量中的變量， 在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)順序和結(jié)構(gòu)中變量定義的 順序相同； 基本變量、 數(shù)組等占據(jù)的空間和其單獨(dú)定義時(shí)占據(jù) 的空間可能不同，與編譯選項(xiàng)有關(guān)（是否設(shè)置了對(duì)齊要求）； 指針變量（pNext）占據(jù)的空間大小固定，與指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù) 類(lèi)型沒(méi)有關(guān)系。結(jié)構(gòu)定義是否合法， 主要看是否能夠計(jì)算出結(jié)構(gòu)變量所占據(jù) 的存儲(chǔ)器空間。 結(jié)構(gòu)里面不能聲明同一個(gè)結(jié)類(lèi)型的變量， 該遞歸 定義會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變量所占據(jù)的空間無(wú)窮大， 但可以定義指向該結(jié) 構(gòu)類(lèi)型的指針，因?yàn)橹羔槾笮」潭ā＝Y(jié)構(gòu)變量和普通變量一樣， 變量賦值操作本質(zhì)上是存儲(chǔ)器復(fù) 制。比如： Student a ， b ； a=b ；是把 b 變量所占據(jù)的存儲(chǔ)空 間的內(nèi)容， 全部復(fù)制到 a 變量所占據(jù)的存儲(chǔ)空間中。 如果結(jié)構(gòu)中 定義了數(shù)組， 則實(shí)現(xiàn)了數(shù)組的賦值操作， 而數(shù)組自己是不支持賦 值操作的。但對(duì)于指針變量的復(fù)制，會(huì)導(dǎo)致 a.pNext 和 b.pNext