《C語言清華大學》課件

《C語言》清華大學課件本課件由清華大學計算機系提供，旨在幫助學生掌握C語言的基本概念和語法，并培養(yǎng)編程能力。課程介紹授課地點本課程由清華大學計算機系資深教授授課，地點位于清華大學主樓，歷史悠久，環(huán)境優(yōu)美。課程目標幫助學生掌握C語言編程基礎知識，培養(yǎng)編程思維，為后續(xù)學習其他編程語言打下堅實基礎。課程教材采用經(jīng)典教材《C語言程序設計》，內(nèi)容全面，講解細致，適合初學者學習。C語言歷史與發(fā)展1起源貝爾實驗室，肯·湯普森2發(fā)展丹尼斯·里奇，UNIX操作系統(tǒng)3標準化ANSIC，ISOC4影響廣泛應用，編程語言基礎C語言起源于貝爾實驗室，由肯·湯普森于1972年開發(fā)，作為UNIX操作系統(tǒng)的編程語言。C語言在丹尼斯·里奇的領(lǐng)導下進一步發(fā)展，成為廣泛使用的通用編程語言。C語言的標準化由ANSI（美國國家標準協(xié)會）和ISO（國際標準化組織）共同進行，以確保語言的統(tǒng)一性和可移植性。C語言對計算機編程領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠的影響，它被廣泛應用于各種系統(tǒng)和應用軟件開發(fā)，成為許多其他編程語言的基礎。C語言編程環(huán)境搭建C語言編程環(huán)境搭建是學習C語言的第一步，需要選擇合適的編譯器和集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。1選擇編譯器常見的編譯器包括GCC、Clang、MicrosoftVisualC++等，可以根據(jù)個人偏好和項目需求進行選擇。2安裝IDEIDE提供了代碼編輯、調(diào)試、編譯等功能，常用的IDE包括Code::Blocks、VisualStudioCode、Dev-C++等。3配置環(huán)境變量將編譯器和IDE的路徑添加到系統(tǒng)環(huán)境變量中，方便在命令行或終端中調(diào)用。4編寫第一個C程序編寫一個簡單的C程序，例如“HelloWorld”，并嘗試編譯運行，驗證環(huán)境是否配置成功?；菊Z法結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字C語言中，關(guān)鍵字是預留的標識符，具有特殊含義，不能用作變量名、函數(shù)名或其他標識符。標識符標識符是由字母、數(shù)字和下劃線組成的符號序列，用于標識變量、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體等。運算符運算符用于執(zhí)行各種運算，例如算術(shù)運算、關(guān)系運算、邏輯運算等。注釋注釋用于解釋代碼，提高代碼可讀性，提高代碼可維護性。數(shù)據(jù)類型基本數(shù)據(jù)類型整型（int）字符型（char）浮點型（float，double）枚舉類型使用枚舉類型可以為一組常量定義名稱。結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體可以將不同類型的數(shù)據(jù)組織在一起，形成自定義的數(shù)據(jù)類型。共用體共用體允許多個成員共享相同的內(nèi)存空間，可以節(jié)省內(nèi)存。變量與常量11.變量變量是內(nèi)存中存儲數(shù)據(jù)的容器，使用前需要聲明。22.變量命名變量名必須以字母或下劃線開頭，后面可以跟字母、數(shù)字或下劃線。33.常量常量是在程序運行期間值不會改變的數(shù)據(jù)。44.常量聲明使用關(guān)鍵字const聲明常量，例如：constintMAX_VALUE=100。輸入輸出函數(shù)標準輸入函數(shù)例如，scanf()函數(shù)用于從標準輸入流（通常是鍵盤）讀取用戶輸入的數(shù)據(jù)。使用格式控制符來指定輸入數(shù)據(jù)的類型和格式。標準輸出函數(shù)例如，printf()函數(shù)用于將格式化的數(shù)據(jù)輸出到標準輸出流（通常是顯示器）?？梢允褂酶袷娇刂品麃砜刂戚敵鰯?shù)據(jù)的格式和樣式。表達式與運算符算術(shù)運算符加法(+)減法(-)乘法(*)除法(/)取模(%)關(guān)系運算符大于(>)小于(<)大于等于(>=)小于等于(<=)等于(==)不等于(!=)邏輯運算符邏輯與(&&)邏輯或(||)邏輯非(!)賦值運算符簡單賦值(=)加等于(+=)減等于(-=)乘等于(*=)除等于(/=)取模等于(%=)條件語句if-else1條件判斷if語句用于根據(jù)條件判斷執(zhí)行不同的代碼塊，可以有效控制程序流程。2分支結(jié)構(gòu)else語句用于在if條件不滿足時執(zhí)行另一段代碼，提供額外的代碼分支。3嵌套結(jié)構(gòu)if-else語句可以嵌套使用，創(chuàng)建更加復雜的邏輯判斷結(jié)構(gòu)，滿足更復雜的業(yè)務需求。循環(huán)語句for,while,do-whilefor循環(huán)for循環(huán)適合執(zhí)行已知次數(shù)的循環(huán)操作，例如遍歷數(shù)組或執(zhí)行固定次數(shù)的計算。while循環(huán)while循環(huán)適合執(zhí)行未知次數(shù)的循環(huán)操作，例如等待用戶輸入或處理數(shù)據(jù)流。do-while循環(huán)do-while循環(huán)至少執(zhí)行一次循環(huán)體，然后根據(jù)條件判斷是否繼續(xù)執(zhí)行。數(shù)組1連續(xù)內(nèi)存分配數(shù)組元素存儲在連續(xù)的內(nèi)存位置，方便訪問和處理。2相同數(shù)據(jù)類型數(shù)組中所有元素必須是相同數(shù)據(jù)類型，例如int、char、float等。3索引訪問通過索引值訪問數(shù)組元素，例如array[0]訪問第一個元素。4多維數(shù)組二維數(shù)組或多維數(shù)組可以存儲表格或矩陣等結(jié)構(gòu)。函數(shù)定義與聲明函數(shù)定義包含函數(shù)名、參數(shù)列表和函數(shù)體。函數(shù)聲明僅指定函數(shù)的返回值類型、函數(shù)名和參數(shù)列表，用于告知編譯器函數(shù)的存在。調(diào)用與返回值通過函數(shù)名和實際參數(shù)調(diào)用函數(shù)，函數(shù)執(zhí)行完后返回一個值。函數(shù)可以沒有返回值，此時返回類型為void。函數(shù)遞歸1定義函數(shù)調(diào)用自身2機制棧幀保存參數(shù)3應用階乘計算4注意點終止條件函數(shù)遞歸是指一個函數(shù)調(diào)用自身，形成循環(huán)調(diào)用。遞歸機制利用棧幀保存參數(shù)和局部變量，以便在遞歸調(diào)用結(jié)束后恢復執(zhí)行狀態(tài)。遞歸函數(shù)通常用于解決一些具有自相似性質(zhì)的問題，比如計算階乘。指針內(nèi)存地址指針變量存儲著內(nèi)存地址，指向內(nèi)存中特定的數(shù)據(jù)位置。間接訪問通過指針，可以間接訪問內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，修改其內(nèi)容。靈活操作指針允許動態(tài)分配內(nèi)存，提高代碼效率，實現(xiàn)復雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。安全性指針操作需要謹慎，錯誤使用可能會導致程序崩潰或數(shù)據(jù)損壞。動態(tài)內(nèi)存分配內(nèi)存管理動態(tài)內(nèi)存分配允許程序在運行時請求和釋放內(nèi)存。程序員可以根據(jù)需要分配和釋放內(nèi)存，而不是在編譯時固定分配所有內(nèi)存。堆內(nèi)存動態(tài)內(nèi)存分配通常從堆內(nèi)存中分配內(nèi)存。堆是一個大的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲動態(tài)分配的內(nèi)存。函數(shù)C語言提供了一組函數(shù)用于動態(tài)內(nèi)存分配，例如malloc、calloc、realloc和free。結(jié)構(gòu)體定義結(jié)構(gòu)體是一種用戶自定義的數(shù)據(jù)類型，它允許將不同類型的數(shù)據(jù)組合在一起。結(jié)構(gòu)體可以用來表示現(xiàn)實世界中的對象，例如學生、商品等。使用結(jié)構(gòu)體可以用于組織相關(guān)的數(shù)據(jù)，并通過一個結(jié)構(gòu)體變量來訪問這些數(shù)據(jù)。例如，可以使用一個學生結(jié)構(gòu)體來存儲學生的姓名、學號、成績等信息。共用體內(nèi)存共享共用體成員共享同一內(nèi)存空間，不同成員的值會相互覆蓋。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換共用體可以方便地將不同數(shù)據(jù)類型的值存儲在同一內(nèi)存位置。內(nèi)存優(yōu)化共用體可節(jié)省內(nèi)存空間，適用于存儲多個數(shù)據(jù)類型但只需要其中一個的值的情況。枚舉類型11.定義枚舉類型使用enum關(guān)鍵字定義枚舉類型，并指定枚舉常量。22.枚舉常量枚舉常量是符號常量，具有整型值，默認從0開始。33.使用枚舉類型枚舉類型提高代碼可讀性和可維護性，便于管理相關(guān)常量。44.優(yōu)點提高代碼可讀性、易于維護、提高代碼安全性、方便代碼移植。位運算位運算操作C語言提供了一組位運算符，用于對數(shù)據(jù)進行位級別的操作，例如：按位與（&）、按位或（|）、按位異或（^）、按位取反（~）、左移（<<）和右移（>>）。應用場景位運算常用于優(yōu)化算法、處理數(shù)據(jù)格式、控制硬件設備、加密解密等場景。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)位運算可以高效地處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如：集合、二進制樹、哈希表等。文件操作文件打開與關(guān)閉文件操作需要先打開文件，然后進行讀寫操作，最后關(guān)閉文件。文件讀寫可以從文件讀取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)寫入文件。不同的讀寫模式對應不同的操作。文件定位可以將文件指針移動到指定位置，以便在文件中的特定位置進行讀寫操作。文件錯誤處理在文件操作過程中，可能出現(xiàn)錯誤，需要進行錯誤處理，確保程序的穩(wěn)定性。預處理指令作用在編譯之前對源代碼進行處理，進行宏定義、文件包含、條件編譯等操作。語法以#開頭，例如#include、#define、#ifdef。類型常見的預處理指令包括：文件包含、宏定義、條件編譯、錯誤信息輸出等。示例例如#include，用來包含標準輸入輸出庫文件。編譯與鏈接過程1預處理處理宏定義、包含頭文件等2編譯將C代碼轉(zhuǎn)換為匯編代碼3匯編將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機器碼4鏈接將目標文件與庫文件鏈接成可執(zhí)行文件編譯過程將源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行文件，包含四個主要步驟。調(diào)試技巧代碼斷點設置斷點，暫停程序執(zhí)行，檢查變量的值和程序狀態(tài)。單步調(diào)試逐行執(zhí)行代碼，觀察程序運行流程，定位錯誤代碼。日志記錄記錄程序運行過程中的關(guān)鍵信息，幫助分析程序執(zhí)行軌跡。調(diào)試工具使用調(diào)試工具，如GDB，VisualStudio調(diào)試器，可以更方便地調(diào)試程序。常見算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于表示層次關(guān)系，例如文件系統(tǒng)或組織結(jié)構(gòu)。鏈表鏈表是一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由節(jié)點組成，每個節(jié)點包含數(shù)據(jù)和指向下一個節(jié)點的指針。排序算法排序算法用于將數(shù)據(jù)按照特定順序排列，例如從小到大或從大到小。圖圖是一種非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由節(jié)點和邊組成，用于表示關(guān)系網(wǎng)絡。面向?qū)ο缶幊趟枷敕庋b將數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)的方法封裝在一起，隱藏內(nèi)部實現(xiàn)細節(jié)，提高代碼的可維護性。繼承子類繼承父類的屬性和方法，實現(xiàn)代碼復用，提高代碼可擴展性。多態(tài)相同的方法名，在不同的類中具有不同的實現(xiàn)，實現(xiàn)代碼的靈活性和可擴展性。移植與跨平臺1跨平臺開發(fā)C語言是跨平臺的編程語言，程序可以在不同的操作系統(tǒng)上編譯和運行。2平臺差異不同的操作系統(tǒng)，例如Windows、Linux、MacOS，具有不同的底層架構(gòu)和API。3移植策略為了使C語言程序在不同平臺上正常運行，需要進行移植，例如修改代碼以適應平臺差異。4跨平臺庫使用跨平臺庫，例如Qt、wxWidgets，可以簡化移植過程。C11新特性通用性增強C11標準增強了語言的通用性，引入了一些新的特性，如泛型編程，支持可變參數(shù)宏等，使其更適用于各種應用場景。性能優(yōu)化C11標準引入了新的內(nèi)存對齊和類型對齊機制，以及對編譯器優(yōu)化方面的改進，