《21天学通C语言》第一天

21天学通C语言

第1部分 C语言基础

第1课初识C语言

欢迎学习本课程！本课将是你成为C程序员高手之路的开始。本课将介绍以下内容：

在众多程序设计语言中，为什么C语言是首选
程序开发周期中的步骤
如何编写、编译和运行第1个C程序
编译器和链接器生成的错误消息

1.1 C语言发展简史

读者一定非常好奇C语言的起源及其名字的由来。1972年，丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）在贝尔电话实验室发明了C语言。发明该语言的初衷是为了设计UNIX操作系统（现在用于许多计算机上）。从一开始，C语言就致力于为程序员排忧解难。

C语言因功能强大和灵活，很快便广泛应用于贝尔实验室以外的各领域。世界各地的程序员都开始用它编写程序。不久，各个组织开始使用自己版本的C语言，但是各种版本C语言的实现存在细微差别，这让程序员头疼不已。为解决这一问题，美国国家标准协会（ANSI）于1983年成立了一个委员会，制定了C语言的标准定义，即ANSI C标准。当前的C编译器（极少例外）都支持这个标准。

注意：C语言极少改动，最新的改动是2011年的ANSI C11标准。该标准在C语言中添加了一些新特性（本书已涵盖）。但是，旧的编译器可能不支持目前的最新标准。

为什么叫C语言？ 之所以叫C语言，是因为它的前辈是B语言。B语言由贝尔实验室（Bell Labs）的**肯·汤普逊（Ken Thompson）**发明。至于为什么叫B语言就不言而喻了。

1.2 为何要使用C语言

如今，在计算机程序设计领域，可供选择的高级语言很多，如C、Perl、BASIC、Java、PHP和C#。这些语言都能很好地完成程序设计任务，但是基于以下几个原因，使得C语言仍是众多计算机专业人士的首选：

功能强大、十分灵活：你完全想不到C语言能帮你完成什么工作。语言本身不会给你带来任何限制。C语言可用于各种操作系统、文字处理软件、图形、电子表格、甚至是其他语言的编译器。
非常流行：是众多专业程序员的首选。因此，市面上很容易找到各种C语言的编译器和辅助工具。
可移植性：可移植意味着一台计算机系统（如IBM PC）中写出的C程序，无需修改或少量修改便可在其他操作系统（如DEC VAX系统）中运行。除此之外，在微软Windows操作系统中编写的程序，也可移到Linux系统的机器中（无需修改或少量修改）。ANSI标准进一步改善了C语言的可移植性，为C编译器添加了一系列规则。
短小精悍：只包含少量关键字（keyword）。C语言以关键字为基础构建语言的功能，C语言编程离不开关键字。你可能认为一门语言中关键字（有时也称为保留字）越多功能越强大，其实并非如此。
模块化：C代码可以（且应该）以例程形式编写，这些例程称为函数（function）。函数可复用于其他程序或应用。通过传递信息给函数，可以创建有用且能重复使用的代码。

正是由于上述特性，使得C语言成为程序设计语言的首选。那C++怎样？你可能在别处了解过C++和面向对象程序设计（object-oriented programming）技术。C与C++有何不同？是否应该自学C++？

别担心！C++是C的超集，这意味着C++中不仅包含了C的所有内容，还添加了面向对象程序设计的新特性。如果你继续学习C++，会发现C中所学的知识几乎都可应用于C++。学习C语言，不仅学了一门现在功能最强大、最流行的程序设计语言，而且还为学习面向对象程序设计做好了准备。

另一门备受关注的语言是Java。Java和C++一样，也是基于C语言发展起来的。如果将来学习Java，你会发现在C语言中学过的所有知识点都用得上。

最新的一门语言是C#（发音为"See-Sharp"）。与C++和Java类似，C#也是一门源自C的面向对象语言。同样，在C语言中学到的内容可以直接用于C#程序设计。

注意：许多学过C语言的人，后来都会选择学习C++、Java或C#。先学习C语言，再学其他语言会轻松许多。

1.3 准备编程

解决问题之前肯定要经过一些步骤。首先，必须定义问题。如果不知道问题是什么，根本不可能找到解决方案！知道问题所在，才能设法修正。如果你想到一个解决方案，通常会去实施它。之后，你必须知道问题是否解决了。这样解决问题的逻辑可以应用到各个领域，包括程序设计。

用C语言创建一个程序（或者说，用任意语言编写的计算机程序）时，应该遵循以下步骤的顺序：

确定程序的目标------明确你要解决什么问题
确定在编程时所使用的方法------规划如何解决问题
创建程序解决问题------编写代码实现方案
运行程序查看结果------测试并验证解决方案

目标（步骤1） 可能是编写一个文字处理软件或数据库程序。简单的目标可以是在屏幕上显示你的姓名。没有目标就不可能写出程序，因此，如果要写程序就已经准备好第一步了。

接下来，第2步要确定你编写的程序中所使用的方法。你是否需要计算机程序来解决问题？要记录什么信息？程序中要使用什么公式？在这一步中，应该明确自己需要了解什么知识以及实施方案的具体步骤。

例如，假设你要写一个计算圆面积的程序：

第1步已经完成，因为目标明确：计算圆的面积。
第2步，分析如何确定圆的面积。例如，假设用户提供圆的半径。了解这些以后，便可通过公式π*r²计算得出结果。

现在，可以继续第3步和第4步，进入程序开发周期。

1.4 程序开发周期

程序开发周期的步骤是：

使用编辑器创建磁盘文件保存源代码
编译源代码创建目标文件
链接已编译的代码创建可执行文件
运行程序，看看程序是否能按原计划运行

1.4.1 创建源代码

源代码（source code） 是一系列语句或命令，指导计算机执行特定的任务。如前所述，程序开发周期的第1步是编辑器中输入源代码。例如，下面这行C源代码：

c 复制代码

printf("Hello, Mom!");

这行语句命令计算机在屏幕上显示消息Hello, Mom!（到目前为止，不用管如何执行语句）。

1.4.2 使用编辑器

绝大多数C语言都是在集成开发环境（IDE） 中进行编译的，集成开发环境能让你在它的编辑器中输入程序并编译程序，同时还能调试和创建应用（这些概念今后会学到）。你完全不必使用额外的编辑器。

尽管如此，绝大多数计算机系统仍包含可用作编辑器的程序：

如果使用Linux或UNIX系统，可以使用ed、ex、edit或vi编辑器
如果使用微软Windows系统，可以使用Notepad或WordPad

大部分文字处理软件都使用特殊的代码格式化文档，在其他程序中无法正确读取这些代码。美国信息交换标准码（ASCII） 几乎为所有的程序（包括C）指定了一个标准文本。许多文字处理软件（如WordPerfect、Microsoft Word、WordPad和WordStar）都能以ASCII形式保存源文件（将源文件作为文本文件而不是文档文件保存）。如果要以ASCII文件保存一个文字处理软件的文件，在保存时必须选择ASCII选项或文本选项。

如果不想用上述编辑器，也可以购买其他的编辑器。市面上有许多专门为输入源代码而设计的软件包（包括商业的和共享软件）。

在保存文件之前必须先给文件命名。文件名应描述该程序的用途。另外，保存C程序的源文件时，文件的扩展名是.c。尽管可以为源文件取任意文件名和扩展名，但是.c是公认较合适的扩展名。

1.4.3 编译源代码

虽然你明白C源代码（至少在学习本书后你会明白），但是计算机不明白。计算机只能理解数字或二进制（binary）的机器语言（machine language）指令。在计算机运行C语言之前，必须先将源代码翻译成机器语言。

这个翻译过程属于程序开发的第2步，由编译器（compiler） 来执行（编译器也是一个程序）。编译器将源代码作为输入，生成磁盘文件，其中包含源代码相应的机器指令。编译器创建的机器语言指令被称为目标代码（object code） ，包含目标代码的文件称为目标文件（object file）。

注意：本书涵盖ANSI C标准，这意味着只要编译器遵循ANSI标准，你可以使用任意编译器进行编译。然而，并非所有的编译器都支持该标准。当前的C语言标准名为ISO/IEC 9899:2011 。为简单起见，本书在提到该标准时均用C11代替复杂的标准名。

使用图形集成开发环境来编译程序非常简单。在大多数图形环境中，通过选择"编译"图标或相应的菜单选项即可编译程序清单。在编译代码后，选择"运行"图标或相应的菜单选项来执行程序。在使用编译器之前，应先查看编译器的用户手册，了解编译器编译和运行程序的规范。

Code::Blocks就是一个图形开发环境，有各种操作系统的版本，可免费下载。除此之外，还有许多适用于多平台的其他图形开发环境，读者可依自己喜好免费下载或购买。

编译完成后，生成一个目标文件。如果查看编译目录或文件夹中的文件列表，会发现一个与源文件同名的文件，但是扩展名是.obj（不是.c）。扩展名为.obj的文件是目标文件，供链接器使用。在Linux和UNIX系统中，编译器生成的目标文件扩展名是.o，不是.obj。

1.4.4 链接以创建可执行文件

在运行程序之前，还要完成一步。函数库 是ANSI C语言定义的一部分，其中包含了预定义函数的目标代码（已编译过的代码）。预定义函数（predefined function） 包含已编写好的C代码，在编译器的软件包中可随时使用。

1.4.1节中使用的printf()函数就是一个库函数（library function） 。库函数用于执行一些经常需要完成的任务（如，在屏幕上显示信息、从磁盘文件中读取数据等）。如果在程序中使用了这些函数（几乎所有的程序都需要使用库函数），必须将编译源文件时生成的目标文件与库函数的目标文件合并，创建最终的可执行程序（可执行的意思是，可以在计算机上运行或执行程序）。上述过程称为链接（link） ，执行这一过程的程序称为链接器（linker）。

复制代码

计算机 --> 使用编辑器 --> 源代码 --> 编译源代码 --> 目标代码
                                                  ↓
                                             库文件 链接目标文件 --> 可执行文件

1.4.5 完成开发周期

程序经过编译和链接将创建一个可执行文件，点击"运行"按钮即可运行该文件（假设在集成开发环境中进行操作）。如果运行程序后得到的结果与预期不符，则需要回到第1步。必须找出问题所在，并更正源代码。一旦改动了源代码，就要重新编译和重新链接程序，以创建更正后的可执行文件。重复这个过程直至程序的执行情况与预期相符。

关于编译和链接还要注意一点，虽然本书将编译和链接分成两个独立的步骤来讲解，但是大多数编译器都将其合为一个步骤。通常，图形开发环境会提供一个选项，让用户设置是分开完成编译和链接还是一步完成。无论以哪种方式完成编译和链接，都要明白，即使只使用一条命令来完成编译和链接，它们仍是两个独立的行为。

C程序的开发周期如下：

步骤	操作	输入	输出	说明
1	使用编辑器编写源代码	想法和算法	源代码文件（.c）	传统上，C源代码文件的扩展名是.c（如myprog.c、database.c）
2	使用编译器编译程序	源代码文件（.c）	目标文件（.obj或.o）	如果编译器发现错误会报错。必须返回步骤1，在源代码中更正错误
3	使用链接器链接程序	目标文件 + 库文件	可执行文件（.exe）	如果不出错，链接器将创建可执行程序
4	执行程序	可执行文件	程序运行结果	测试程序，判断它是否如期正常运行。如果不是，返回步骤1

除最简单的程序外，在完成程序前，几乎所有的程序都要按顺序执行这些步骤多次。即使是经验丰富的程序员也不可能一蹴而就，写出没有任何错误的程序！因为要多次重复编辑-编译-链接环节，所以必须熟悉你所使用的工具：编辑器、编译器和链接器。

1.5 第1个C程序

按以下步骤输入和编译hello.c程序。

推荐开发环境：

Dev C++
VS Code
Visual Studio 2022/2025
Code::Blocks
CLion

第一个C程序：hello.c

c 复制代码

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

程序解释：

#include <stdio.h>：包含标准输入输出头文件，让程序可以使用printf()等函数
int main(void)：程序的主函数，每个C程序都必须有且只有一个main函数
{ }：花括号内是函数体，包含要执行的语句
printf("Hello, World!\n");：在屏幕上显示"Hello, World!"，\n表示换行
return 0;：函数返回值，0表示程序正常结束

编译运行步骤：

打开你选择的IDE
创建新项目或新文件
输入上面的代码
保存文件为hello.c
点击编译按钮（通常是一个齿轮或锤子图标）
点击运行按钮（通常是绿色三角形）

如果一切正常，你将在控制台看到输出：Hello, World!

1.6 小结

本章介绍了C语言的基础知识，为后续学习奠定了坚实的基础。我们学习了：

C语言的历史：从贝尔实验室的丹尼斯·里奇发明C语言，到ANSI标准化，再到今天的C11标准。
为什么选择C语言：因其功能强大、流行、可移植、简洁和模块化等优点。
编程准备：明确问题、规划方案、编写代码、测试结果的四步法。
程序开发周期：编辑->编译->链接->测试的循环过程。
第一个C程序：编写并运行了经典的"Hello, World!"程序。

C语言不仅是学习编程的绝佳起点，也是理解计算机底层工作原理的重要工具。掌握C语言后，学习其他语言（如C++、Java、C#）将更加容易。

1.7 答疑

问：如果要将自己编写的程序提供给他人，应提供哪些文件？

答：通常只需要提供**可执行文件（.exe）**即可。但是，如果你希望他人能够修改或学习你的代码，应该提供：

源代码文件（.c文件）
头文件（.h文件，如果有的话）
项目文件（如果使用IDE）
使用说明文档

如果程序依赖于特定的库，还需要提供相关信息或动态链接库（DLL）。

问：创建可执行文件后，是否还要保留源代码或目标代码？

答：强烈建议保留源代码，因为：

未来可能需要修改或升级程序
调试时需要参考源代码
学习或教学目的
作为个人项目作品集的一部分

目标文件（.obj/.o）通常可以删除，因为它们可以从源代码重新生成。但是，在大型项目中，保留目标文件可以加快编译速度（增量编译）。

问：如果只有C++编译器没有C编译器，怎么办？

答：大多数C++编译器都可以编译C代码，但需要注意：

将文件扩展名改为.cpp可能使编译器按C++规则编译
最好保持.c扩展名，并在编译器设置中指定按C语言编译
C++是C的超集，但有一些细微差别：
- C++要求函数原型，C不强制
- C++中const变量的处理方式不同
- C++有更严格的类型检查
使用extern "C"链接说明符可以确保C++正确处理C函数

问：是否可以忽略警告消息？

答：不推荐忽略警告消息，因为：

警告通常是潜在问题的指示器
某些警告可能预示着未定义行为
在调试阶段，警告可以帮助发现逻辑错误
良好的编程习惯是处理所有警告，使程序"零警告"编译

但是，在某些情况下，如果确定警告不影响程序正确性，并且是由于编译器过于严格导致的，可以使用编译器选项暂时禁用特定警告。例如，在GCC中使用-Wno-xxx选项。

1.8.1 简答题

简述C语言的发展历史及其名称的由来

C语言由丹尼斯·里奇于1972年在贝尔实验室发明，最初用于开发UNIX操作系统。它的名称来源于其前身B语言（由肯·汤普逊发明），B语言本身又源自BCPL语言。
列举至少三个选择C语言而不是其他高级语言的理由

(1) 功能强大且灵活，几乎可用于任何编程任务

(2) 可移植性好，同一代码可在不同平台运行

(3) 执行效率高，接近汇编语言的性能

(4) 为学习其他语言（C++、Java、C#）打下坚实基础
描述程序开发周期的四个主要步骤

(1) 编辑：使用文本编辑器编写源代码（.c文件）

(2) 编译：使用编译器将源代码转换为目标代码（.obj/.o文件）

(3) 链接：使用链接器将目标代码与库文件合并生成可执行文件（.exe文件）

(4) 测试：运行可执行文件，验证程序功能
解释编译器和链接器在程序开发中的作用

编译器将人类可读的源代码翻译成机器可执行的目标代码，检查语法错误；链接器将多个目标文件及库文件组合成单一的可执行文件，解析外部引用和函数调用。
为什么说学习C语言有助于学习C++、Java等其他语言？

因为C++、Java、C#等现代编程语言都深受C语言影响，共享相似的语法结构、控制流程和编程概念。C语言的核心思想（如指针、内存管理）在这些语言中都有体现或变体。
什么是ANSI C标准？为什么它很重要？

ANSI C标准是美国国家标准协会制定的C语言规范，确保不同编译器生成的代码具有一致性和可移植性。它很重要因为它定义了C语言的核心特性，使程序员可以编写跨平台的代码。

1.8.2 练习题

环境配置练习

下载并安装一个C语言开发环境（如Code::Blocks、Dev C++或VS Code的C/C++扩展），配置编译器路径，确保能够成功编译和运行C程序。

第一个程序修改

修改"Hello, World!"程序，使其显示以下内容：

复制代码

====================
欢迎学习C语言编程！
这是第1章的学习内容
作者：[你的名字]
====================

编译错误调试

故意在程序中制造以下错误，观察编译器的反应：
- 删除#include <stdio.h>
- 将main拼写为mian
- 删除语句末尾的分号
- 删除一个花括号
  记录每种错误对应的错误消息，并理解其含义。
多文件编译练习

创建两个源文件：
- main.c包含main函数，调用print_message()函数
- message.c包含print_message()函数，显示一条消息
  分别编译这两个文件，然后链接它们生成可执行程序。

程序结构分析

分析以下程序，预测其输出，然后实际运行验证：

c 复制代码

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Line 1\n");
    printf("Line 2\n");
    printf("Line 3");
    printf(" still Line 3\n");
    printf("Line 4\n");
    return 0;
}

注意\n换行符的作用和多个printf语句在同一行的效果。

扩展练习：简单计算器

编写一个程序，计算并显示以下内容：
- 半径为5.0的圆的面积（公式：π*r²，π取3.14159）
- 边长为3和4的矩形的周长
- 1到10的整数和
程序输出格式如下：
复制代码
```
圆面积：78.53975
矩形周长：14
1到10的和：55
```

学习建议：

实际动手敲代码，不要只看不练
遇到错误时仔细阅读错误信息，学会自己排查问题
养成写注释的好习惯，解释代码的意图
尝试修改示例代码，观察不同的效果
加入编程社区，参与讨论和分享

学习编程就像学习游泳，只有跳进水里才能真正学会。不要害怕犯错，每个程序员都是从"Hello, World!"开始的。祝你学习愉快，编程之路一帆风顺！

《21天学通C语言》第一天