《C語(yǔ)言清華大學(xué)》課件

《C語(yǔ)言》清華大學(xué)課件本課件由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系提供，旨在幫助學(xué)生掌握C語(yǔ)言的基本概念和語(yǔ)法，并培養(yǎng)編程能力。課程介紹授課地點(diǎn)本課程由清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系資深教授授課，地點(diǎn)位于清華大學(xué)主樓，歷史悠久，環(huán)境優(yōu)美。課程目標(biāo)幫助學(xué)生掌握C語(yǔ)言編程基礎(chǔ)知識(shí)，培養(yǎng)編程思維，為后續(xù)學(xué)習(xí)其他編程語(yǔ)言打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。課程教材采用經(jīng)典教材《C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)》，內(nèi)容全面，講解細(xì)致，適合初學(xué)者學(xué)習(xí)。C語(yǔ)言歷史與發(fā)展1起源貝爾實(shí)驗(yàn)室，肯·湯普森2發(fā)展丹尼斯·里奇，UNIX操作系統(tǒng)3標(biāo)準(zhǔn)化ANSIC，ISOC4影響廣泛應(yīng)用，編程語(yǔ)言基礎(chǔ)C語(yǔ)言起源于貝爾實(shí)驗(yàn)室，由肯·湯普森于1972年開(kāi)發(fā)，作為UNIX操作系統(tǒng)的編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言在丹尼斯·里奇的領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)一步發(fā)展，成為廣泛使用的通用編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)化由ANSI（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）和ISO（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織）共同進(jìn)行，以確保語(yǔ)言的統(tǒng)一性和可移植性。C語(yǔ)言對(duì)計(jì)算機(jī)編程領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，它被廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，成為許多其他編程語(yǔ)言的基礎(chǔ)。C語(yǔ)言編程環(huán)境搭建C語(yǔ)言編程環(huán)境搭建是學(xué)習(xí)C語(yǔ)言的第一步，需要選擇合適的編譯器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）。1選擇編譯器常見(jiàn)的編譯器包括GCC、Clang、MicrosoftVisualC++等，可以根據(jù)個(gè)人偏好和項(xiàng)目需求進(jìn)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(xiě)第一個(gè)C程序編寫(xiě)一個(gè)簡(jiǎn)單的C程序，例如“HelloWorld”，并嘗試編譯運(yùn)行，驗(yàn)證環(huán)境是否配置成功?；菊Z(yǔ)法結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字C語(yǔ)言中，關(guān)鍵字是預(yù)留的標(biāo)識(shí)符，具有特殊含義，不能用作變量名、函數(shù)名或其他標(biāo)識(shí)符。標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)符是由字母、數(shù)字和下劃線(xiàn)組成的符號(hào)序列，用于標(biāo)識(shí)變量、函數(shù)、結(jié)構(gòu)體等。運(yùn)算符運(yùn)算符用于執(zhí)行各種運(yùn)算，例如算術(shù)運(yùn)算、關(guān)系運(yùn)算、邏輯運(yùn)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(hù)性。數(shù)據(jù)類(lèi)型基本數(shù)據(jù)類(lèi)型整型（int）字符型（char）浮點(diǎn)型（float，double）枚舉類(lèi)型使用枚舉類(lèi)型可以為一組常量定義名稱(chēng)。結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體可以將不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)組織在一起，形成自定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型。共用體共用體允許多個(gè)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(chǔ)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(xiàn)開(kāi)頭，后面可以跟字母、數(shù)字或下劃線(xiàn)。33.常量常量是在程序運(yùn)行期間值不會(huì)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(biāo)準(zhǔn)輸入函數(shù)例如，scanf()函數(shù)用于從標(biāo)準(zhǔn)輸入流（通常是鍵盤(pán)）讀取用戶(hù)輸入的數(shù)據(jù)。使用格式控制符來(lái)指定輸入數(shù)據(jù)的類(lèi)型和格式。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)輸出流（通常是顯示器）?？梢允褂酶袷娇刂品麃?lái)控制輸出數(shù)據(jù)的格式和樣式。表達(dá)式與運(yùn)算符算術(shù)運(yùn)算符加法(+)減法(-)乘法(*)除法(/)取模(%)關(guān)系運(yùn)算符大于(>)小于(<)大于等于(>=)小于等于(<=)等于(==)不等于(!=)邏輯運(yùn)算符邏輯與(&&)邏輯或(||)邏輯非(!)賦值運(yùn)算符簡(jiǎn)單賦值(=)加等于(+=)減等于(-=)乘等于(*=)除等于(/=)取模等于(%=)條件語(yǔ)句if-else1條件判斷if語(yǔ)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(yǔ)句用于在if條件不滿(mǎn)足時(shí)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(yǔ)句可以嵌套使用，創(chuàng)建更加復(fù)雜的邏輯判斷結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足更復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求。循環(huán)語(yǔ)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(jì)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(hù)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(chǔ)在連續(xù)的內(nèi)存位置，方便訪(fǎng)問(wèn)和處理。2相同數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)組中所有元素必須是相同數(shù)據(jù)類(lèi)型，例如int、char、float等。3索引訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)索引值訪(fǎng)問(wèn)數(shù)組元素，例如array[0]訪(fǎng)問(wèn)第一個(gè)元素。4多維數(shù)組二維數(shù)組或多維數(shù)組可以存儲(chǔ)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(lèi)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(guò)函數(shù)名和實(shí)際參數(shù)調(diào)用函數(shù)，函數(shù)執(zhí)行完后返回一個(gè)值。函數(shù)可以沒(méi)有返回值，此時(shí)返回類(lèi)型為void。函數(shù)遞歸1定義函數(shù)調(diào)用自身2機(jī)制棧幀保存參數(shù)3應(yīng)用階乘計(jì)算4注意點(diǎn)終止條件函數(shù)遞歸是指一個(gè)函數(shù)調(diào)用自身，形成循環(huán)調(diào)用。遞歸機(jī)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(fù)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(wèn)題，比如計(jì)算階乘。指針內(nèi)存地址指針變量存儲(chǔ)著內(nèi)存地址，指向內(nèi)存中特定的數(shù)據(jù)位置。間接訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)指針，可以間接訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，修改其內(nèi)容。靈活操作指針允許動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，提高代碼效率，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。安全性指針操作需要謹(jǐn)慎，錯(cuò)誤使用可能會(huì)導(dǎo)致程序崩潰或數(shù)據(jù)損壞。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配內(nèi)存管理動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配允許程序在運(yùn)行時(shí)請(qǐng)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(shí)固定分配所有內(nèi)存。堆內(nèi)存動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配通常從堆內(nèi)存中分配內(nèi)存。堆是一個(gè)大的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存。函數(shù)C語(yǔ)言提供了一組函數(shù)用于動(dòng)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(hù)自定義的數(shù)據(jù)類(lèi)型，它允許將不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)組合在一起。結(jié)構(gòu)體可以用來(lái)表示現(xiàn)實(shí)世界中的對(duì)象，例如學(xué)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(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些數(shù)據(jù)。例如，可以使用一個(gè)學(xué)生結(jié)構(gòu)體來(lái)存儲(chǔ)學(xué)生的姓名、學(xué)號(hào)、成績(jī)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(huì)相互覆蓋。數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換共用體可以方便地將不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的值存儲(chǔ)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(chǔ)多個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型但只需要其中一個(gè)的值的情況。枚舉類(lèi)型11.定義枚舉類(lèi)型使用enum關(guān)鍵字定義枚舉類(lèi)型，并指定枚舉常量。22.枚舉常量枚舉常量是符號(hào)常量，具有整型值，默認(rèn)從0開(kāi)始。33.使用枚舉類(lèi)型枚舉類(lèi)型提高代碼可讀性和可維護(hù)性，便于管理相關(guān)常量。44.優(yōu)點(diǎn)提高代碼可讀性、易于維護(hù)、提高代碼安全性、方便代碼移植。位運(yùn)算位運(yùn)算操作C語(yǔ)言提供了一組位運(yùn)算符，用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行位級(jí)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(yīng)用場(chǎng)景位運(yùn)算常用于優(yōu)化算法、處理數(shù)據(jù)格式、控制硬件設(shè)備、加密解密等場(chǎng)景。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)位運(yùn)算可以高效地處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如：集合、二進(jìn)制樹(shù)、哈希表等。文件操作文件打開(kāi)與關(guān)閉文件操作需要先打開(kāi)文件，然后進(jìn)行讀寫(xiě)操作，最后關(guān)閉文件。文件讀寫(xiě)可以從文件讀取數(shù)據(jù)，也可以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件。不同的讀寫(xiě)模式對(duì)應(yīng)不同的操作。文件定位可以將文件指針移動(dòng)到指定位置，以便在文件中的特定位置進(jìn)行讀寫(xiě)操作。文件錯(cuò)誤處理在文件操作過(guò)程中，可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，需要進(jìn)行錯(cuò)誤處理，確保程序的穩(wěn)定性。預(yù)處理指令作用在編譯之前對(duì)源代碼進(jìn)行處理，進(jìn)行宏定義、文件包含、條件編譯等操作。語(yǔ)法以#開(kāi)頭，例如#include、#define、#ifdef。類(lèi)型常見(jiàn)的預(yù)處理指令包括：文件包含、宏定義、條件編譯、錯(cuò)誤信息輸出等。示例例如#include，用來(lái)包含標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出庫(kù)文件。編譯與鏈接過(guò)程1預(yù)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(jī)器碼4鏈接將目標(biāo)文件與庫(kù)文件鏈接成可執(zhí)行文件編譯過(guò)程將源代碼轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行文件，包含四個(gè)主要步驟。調(diào)試技巧代碼斷點(diǎn)設(shè)置斷點(diǎn)，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(guān)察程序運(yùn)行流程，定位錯(cuò)誤代碼。日志記錄記錄程序運(yùn)行過(guò)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(jiàn)算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)樹(shù)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(xiàn)性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含數(shù)據(jù)和指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(xiàn)性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，由節(jié)點(diǎn)和邊組成，用于表示關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。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(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，提高代碼的可維護(hù)性。繼承子類(lèi)繼承父類(lèi)的屬性和方法，實(shí)現(xiàn)代碼復(fù)用，提高代碼可擴(kuò)展性。多態(tài)相同的方法名，在不同的類(lèi)中具有不同的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)代碼的靈活性和可擴(kuò)展性。移植與跨平臺(tái)1跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)C語(yǔ)言是跨平臺(tái)的編程語(yǔ)言，程序可以在不同的操作系統(tǒng)上編譯和運(yùn)行。2平臺(tái)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(yǔ)言程序在不同平臺(tái)上正常運(yùn)行，需要進(jìn)行移植，例如修改代碼以適應(yīng)平臺(tái)差異。4跨平臺(tái)庫(kù)使用跨平臺(tái)庫(kù)，例如Qt、wxWidgets，可以簡(jiǎn)化移植過(guò)程。C11新特性通用性增強(qiáng)C11標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)了語(yǔ)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(yīng)用場(chǎng)景。性能優(yōu)化C11標(biāo)準(zhǔn)引入了新的內(nèi)存對(duì)齊和類(lèi)型對(duì)齊機(jī)制，以及對(duì)編譯器優(yōu)化方面的改進(jìn)，