[C语言基础] 第1章 程序设计与C语言

1.1 什么是计算机程序

程序 = 算法 + 数据结构

程序就是一组计算机能识别和执行的指令。每一条指令使计算机执行特定的操作。

1.2 什么是计算机语言

计算机语言：计算机和人都能识别的语言

经历了以下发展阶段：机器语言，汇编语言，高级语言

1.2.1 计算机语言的发展

高级语言的发展经历以下阶段：非结构化语言，结构化语言，面向对象的语言

1.2.2 计算机语言的特点

机器语言的特点：

• 机器语言是用二进制代码表示的语言，是计算机唯一可以直接识别和执行的语言。

• 它具有计算机可以直接执行、简洁、运算速度快等优点，

• 它直观性差，非常容易出错，程序的检查和调试都比较困难，此外对机器的依赖型也很强。

汇编语言的特点：

• 汇编语言是面向机器的程序设计语言，它是为了解决机器语言难以理解和记忆的缺点，用易于理解和记忆的名称和符号表示机器指令中的操作码。

• 使用汇编语言编写的程序，机器不能直接识别 ，要由一种程序将汇编语言翻译成机器语言，这种起翻译作用的程序叫汇编程序，汇编程序把汇编语言翻译成机器语言的过程称为汇编。

高级语言的特点：

• 高级语言的数据结构要比汇编和机器语言丰富

• 与具体机器结构的关联没有汇编以及机器语言密切

• 更接近自然语言更容易掌握

• 编写的程序要经过编译或解释计算机才能执行

1.3 C语言的发展及其特点

1.3.1 C语言的发展

1972年，美国贝尔实验室的D.M.Ritchie在B语言的基础上设计出了C语言。最初的C语言只是为描述和实现UNIX操作系统提供一种工作语言而设计的。

1973年，KenThompson和 D.M. Ritchie合作把UNIX的90%以上用C语言改写，即 UNIX第5版。随着UNIX的日益广泛使用，C语言也迅速得到推广。

1978年以后，C语言先后移植到大、中、小和微型计算机上。C语言便很快风靡全世界，成为世界上应用最广泛的程序设计高级语言之一。 以UNIX第7版中的C语言编译程序为基础，1978年，Brian W.Kernighan和 DennisM.Ritchie合著了影响深远的名著The C Programming Language，这本书中介绍的C语言成为后来广泛使用的C语言版本的基础，它是实际上第一个C语言标准。

1983年，美国国家标准协会(ANSI) ，根据C语言问世以来各种版本对C语言的发展和扩充，制定了第一个C语言标准草案('83 ANSI C)。

1989年，ANSI公布了一个完整的C语言标准：ANSI X3.159---1989（常称为 ANSI C 或 C 89)。

1990年，国际标准化组织ISO(International Standard Organization)接受C 89作为国际标准ISO/IEC 9899：1990，它和ANSI的C 89基本上是相同的。 1999年，ISO又对C语言标准进行了修订，在基本保留原来的C语言特征的基础上，针对应用的需要，增加了一些功能，尤其是C+中的一些功能，并在2001年和2004年先后进行了两次技术修正，它被称为C 99，C 99是C 89的扩充。

1.3.2 C语言的特点

C语言是一种用途广泛、功能强大、使用灵活的过程性(procedural)编程语言，既可用于编写应用软件，又可用于编写系统软件。

C语言有以下一些主要特点：

• 语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。

  一共只有37个关键字，9种控制语句，主要用小写字母表示。

  C是一个很小的内核语言，只包括极少的与硬件有关的成分，C语言不直接提供输入和输出语句、有关文件操作的语句和动态内存管理的语句等(这些操作是由编译系统所提供的库函数来实现的)，C的编译系统相当简洁。

• 运算符丰富。

  共有34种运算符，把括号、赋值和强制类型转换等都作为运算符处理。

• 数据类型丰富。

  C语言提供的数据类型包括整型、浮点型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型和共用体类型等,C 99又扩充了复数浮点类型、超长整型(long long)和布尔类型(bool)等。

• 具有结构化的控制语句

  (如 if...else语句, while语句,do...while语句, switch语句和for语句)。

  用函数作为程序的模块单位,便于实现程序的模块化。C语言是完全模块化和结构化的语言。

• 语法限制不太严格,程序设计自由度大

  例如，对数组下标越界不进行检查。对变量的类型使用比较灵活。例如，整型量与字符型数据以及逻辑型数据可以通用。

• C语言允许直接访问物理地址，能进行位(bit)操作，能实现汇编语言的大部分功能，可以直接对硬件进行操作。

  因此，C语言既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，可用来编写系统软件。

  C语言的这种双重性，使它既是成功的系统描述语言，又是通用的程序设计语言。

• 用C语言编写的程序可移植性好。

  由于C的编译系统相当简洁，因此很容易移植到新的系统。而且C编译系统在新的系统上运行时，可以直接编译"标准链接库"中的大部分功能，不需要修改源代码，因为标准链接库是用可移植的C语言写的。因此，几乎在所有的计算机系统中都可以使用C语言。

• 生成目标代码质量高,程序执行效率高。

  目前C的主要用途之一是编写嵌入式系统程序。由于具有上述优点，使C语言应用面十分广泛，许多应用软件也用C语言编写。

1.4 C语言程序

1.4.1 C语言程序的构成

一个C语言程序由一个或多个源程序文件组成。

一个C语言程序不论由多少个源文件组成，都有一个且只能有一个main函数，即主函数。

函数是C程序的基本单位。

在一个源程序文件中可以包括3个部分：

• 预处理指令，如#include <stdio.h>

  • 所有的#开头的行，都代表预编译指令，预编译指令行结尾是没有分号的

• 全局声明

• 函数定义

  

1.4.2 C语言程序的结构特点

C语言程序的结构具有以下特点：

• 一个程序由一个或多个源程序文件构成。

  在一个源程序文件中可以包括3个部分：

  • 预处理指令，如#include <stdio.h>

  • 全局声明

  • 函数定义

• 函数是C程序的主要组成部分

  一个C语言程序是由一个或多个函数组成的，其中必须包含一个main函数(且只能有一个main 函数)。

  为了便于调试和管理,可以使一个程序包含若干个源程序文件,每个源程序文件又包含若干个函数。一个源程序文件就是一个程序模块,即将一个程序分成若干个程序模块。 在进行编译时是以源程序文件为对象进行的。在分别对各源程序文件进行编译并得到相应的目标程序后,再将这些目标程序连接成为一个统一的二进制的可执行程序。 C语言的这种特点使得容易实现程序的模块化。

• 一个函数包括两个部分

  • 函数首部。即函数的第1行，包括函数类型、函数名、函数参数(函数参数类型、参数名）。

    

  • 一个函数名后面必须跟一对圆括号，括号内写函数的参数名及其类型。

  • 如果函数没有参数，可以在括号中写void，也可以是空括号，如：int main(void) 或 int main()

  • 函数体。即函数首部下面的花括号内的部分。

    如果在一个函数中包括有多层花括号,则最外层的一对花括号是函数体的范围。 函数体一般包括以下两部分： （1）声明部分。声明部分包括：定义在本函数中所用到的变量，对本函数所调用函数进行声明。 （2）执行部分。由若干个语句组成，指定在函数中所进行的操作。 在某些情况下也可以没有声明部分，甚至可以既无声明部分也无执行部分。也就是空函数，是合法的。

• 程序总是从 main函数开始执行的，在main函数结束

  main函数是程序的入口

  不论main函数在整个程序中的位置如何(main函数可以放在程序最前头，也可以放在程序最后，或在一些函数之前、另一些函数之后)。

• 程序中要求计算机的操作是由函数中的C语句完成的。

  如赋值、输入输出数据的操作都是由相应的C语句实现的。

  C程序书写格式是比较自由的。一行内可以写几个语句，一个语句可以分写在多行上。

  但为清晰起见，习惯上每行只写一个语句。

• 在每个数据声明和语句的最后必须有一个分号

  分号是C语句的必要组成部分。

  语句最后加分号，标志这条语句的结束。

• C语言本身不提供输入输出语句

  输入和输出的操作是由库函数scanf和 printf等函数来完成的。C语言对输入输出实行"函数化"。

• 程序应当包含注释

  一个好的、有使用价值的源程序都应当加上必要的注释，以增加程序的可读性。

1.4.3 典型的源程序书写格式

• 头文件：#include <stdio.h>，它包含了输入输出相关的函数

• 主函数（main函数）

• 必要的注释

/*最简单的C语言程序*/
# include <stdio.h>
int main(){
 
    /*第一个C语言程序*/
    printf("Hello,world! \n");
    return 0;
 
} 

1.4.4 C语言的注释

C语言支持两种注释方式：

• 单行注释

  从//开始，以换行符结束，不可跨行。

  注释内容可以单占一行，也可以在一行代码的右侧。

  //我是一个单行注释

• 多行注释

  以/*开始，以*/结束的块注释，可以跨行。

  /* 我是一个可以
  跨行的注释 */

1.4.5 头文件

C语言中的头文件是扩展名为.h的文件，包含了C函数声明和宏定义，被多个源文件中引用共享。

有两种类型的头文件：程序员编写的头文件和编译器自带的头文件。

在程序中要使用头文件，需要使用C预处理指令#include来引用它。

头文件的作用是为了方便管理和重用代码，它可以被多个源文件共享，从而实现代码的重用和模块化。

#include< > 与 #include ""的区别：

• < > 编译系统从存放C编译系统的子目录中去找所要包含的文件。表示系统直接按系统指定的目录检索，这种是标准方式

• "" 表示系统先在 "" 指定的路径(没写路径代表当前路径)查找头文件，如果找不到，再按系统指定的目录检索

常用的头文件：

#include <assert.h>     //设定插入点
#include <ctype.h>      //字符处理
#include <errno.h>      //定义错误码
#include <float.h>      //浮点数处理
#include <fstream.h>    //文件输入／输出
#include <iomanip.h>    //参数化输入／输出
#include <iostream.h>   //数据流输入／输出
#include <limits.h>     //定义各种数据类型最值常量
#include <locale.h>     //定义本地化函数
#include <math.h>       //定义数学函数
#include <stdio.h>      //定义输入／输出函数
#include <stdlib.h>     //定义杂项函数及内存分配函数
#include <string.h>     //字符串处理
#include <strstrea.h>   //基于数组的输入／输出
#include <time.h>       //定义关于时间的函数
#include <wchar.h>      //宽字符处理及输入／输出
#include <wctype.h>     //宽字符分类

1.5 C语言程序的运行

1.6 程序设计的任务

• 问题分析

• 设计算法：一般使用流程图

• 编写程序

• 对源程序进行编辑、编译和连接，得到可执行文件

• 运行程序，分析结果

  对程序进行测试。通过设计多组测试数据，检查程序对不同数据的运行情况，从中尽可能发现程序中存在的漏洞，并修改程序，使之能适用于各种情况。

• 编写程序文档

  提供给用户使用的程序，必须向用户提供程序说明书(也称为用户文档)。内容应包括程序名称,程序功能、运行环境、程序的装入和启动、需要输入的数据，以及使用注意事项等。 程序文档是软件的一个重要组成部分，软件是计算机程序和程序文档的总称。

1.7 程序 = 算法+数据结构

一个程序主要包括以下两个方面的信息：

• 对数据的描述。在程序中要指定用到哪些数据,以及这些数据的类型和数据的组织形式。这就是数据结构(data structure)。

• **对操作的描述。**要求计算机进行操作的步骤,也就是算法(algorithm)。

数据是操作的对象，操作的目的是对数据进行加工处理，以得到期望的结果。

作为程序设计人员，必须认真考虑和设计数据结构和操作步骤(即算法)。

著名计算机科学家沃思(Nikiklaus Wirth)提出一个公式：程序 = 算法 + 数据结构

实际上，一个过程化的程序除了以上两个主要要素之外，还应当采用结构化程序设计方法进行程序设计，并且用某一种计算机语言表示

因此算法﹑数据结构、程序设计方法和语言工具4个方面是一个程序设计人员所应具备的知识。在这4个方面中，算法是灵魂，数据结构是加工对象，语言是工具，编程需要采用合适的方法。

算法是解决"做什么"和"怎么做"的问题。程序中的操作语句,实际上就是算法的体现。