第1 章 C 语言概述
要点:计算机是机器。计算机没有智慧,其“智慧”就是程序员的智慧。因为计算机的
工作过程是程序员通过编写程序使用指令控制其实现的。
1.1 C 语言简介
要点:C语言在算法描述方面是无与伦比的。
1.C语言的发展过程
C语言是在20世纪70年代初问世的。1978年,美国电话电报公司(AT&T)贝尔实验
室正式发布了C 语言。同时,B.W.Kernighan 和D.M.Ritchit合著了著名的The C
ProgrammingLanguage 一书。1983年,美国国家标准协会(Americannationalstandards
institute)在此基础上制定了一个C语言标准,通常称为ANSIC,其是一个面向过程的程序
设计语言。在C 语言的基础上,贝尔实验室的BjarneStroustrup同年推出了C++ 语言,
C++语言进一步扩充和完善了C语言,成为一种面向对象的程序设计语言。因此,掌握了
C语言,再进一步学习C++,就能以一种熟悉的语法来学习面向对象的语言,从而达到事半
功倍的效果。
2.C语言的特点
(1)简洁、紧凑,使用方便,易于理解和记忆。
(2)运算符丰富。C语言的运算符共有34种。C语言把括号、赋值、逗号等都作为运
算符进行处理,从而使C 语言的运算类型极为丰富,可以实现其他高级语言难以实现的
运算。
(3)数据结构类型丰富。C语言中的数据类型从基本数值类型到数组和指针再到自定
义数据类型,为各种复杂算法程序的实现提供了必要的数据存储和操作保障。
(4)具有9个结构化的控制语句。结构化控制语句使程序设计规范,易读性强,可移植
性强,使面向过程的程序设计更加简单。
(5)语句组合灵活,程序设计自由度大。数量有限的控制语句结合丰富的运算符而构
成的表达式和表达式语句,可以设计出各种复杂算法程序和过程控制程序。
(6)C语言具有强大的底层硬件操作能力。C语言允许直接读写物理地址和使用地址
访问对应单元,同时C语言具有位(bit)操作指令,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语言是目前嵌入式系统开发中极为重要的语言工具。
(7)生成目标代码质量高,程序执行效率高。C语言编译器效率与其他高级语言相比,
最接近汇编语言或机器语言。无论是代码存储效益还是处理器执行效率,C语言都是最优
秀的,所以特别适合那些程序存储空间受限和处理器运算处理能力不高的嵌入式系统开发。
1.2 C 语言程序设计基本语法规则
要点:“麻雀”虽小但五脏俱全。
与学习其他高级语言程序设计一样,在全面学习C语言程序设计主要内容之前,通过
简单的几个例程来介绍C语言程序设计的基本结构和基本语法规则。对简单程序进行剖
析可以为后续相关知识的学习打下基础,使理论知识学习与实践操作能够结合进行。
1.结合实例介绍基本语法
【例1-1】 输出“HelloWord!”文字信息的基本程序。
#include<stdio.h>
void main(void)
{
printf("Hello Word!\n");
}
(1)C语言是结构化程序设计语言,也是函数式程序设计语言。所有执行性指令语句
必须写在函数内部。只有部分声明性语句、定义性语句和预处理指令语句才可以写在函数
外部。
(2)每个程序的所有程序代码可以写在一个文件中,也可以写在多个文件中,由项目管
理器将其组织和管理起来。这些文件中可以根据需要书写(严格来讲称为定义)多个函数,
但在这个工程中(即这个程序的所有代码)必须有且只有一个主函数,即名字为main的函
数。注意,main全部是小写字母。
(3)函数由函数首部和函数体(函数定义主体)构成,如例1-1中main字样所在的一行
是位于main函数定义整体代码的第一行,即首行位置,所以称为函数首部。函数首部之下
是由一对“{”“}”界定起来的函数体。函数体是实现本函数功能的所有语句。程序从起括号
“{”后面的第一条语句开始执行,默认按照从上到下、从左到右的顺序执行其中的语句,如果
其中有结构化指令,则按照结构化指令规则执行,一直执行到return语句或回括号“}”位置
结束。函数的具体定义规则在第9章中进行讲解。
(4)main函数中使用“printf("HelloWord!\n");”语句完成向标准输出设备(显示器)
输出“HelloWord!”字样的程序任务。该语句由printf函数调用和“;”构成。C语言中除部
分结构控制语句外,其他语句是需要使用“;”结尾的,所以在C语言中的“;”称为语句结束
标志。
(5)在函数体中可以使用(也称调用)开发环境系统中已有的系统函数或之前写好的
功能函数,但一般需要使用#include预编译指令将其对应的头文件包含到本程序中。
#include语句要写在函数外部,一般写在文件最前面(最上面)的行上,如本例中的
#include<stdio.h>就是在main函数中调用的printf函数的对应头文件,注意,其是编译
预处理指令(在第10章中会详细讲解),所以不能在后面加“;”。
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C 语言程序设计
【例1-2】 简单程序。
#include<math.h>
#include<stdio.h>
void main()
{
int a=0;
double x,s;
printf("input number:\n");
scanf("%lf",&x);
x=a+2+x;
s=sin(x);
printf("sine of %lf is %lf\n",x,s);
}(
1)在main函数之前的两行称为预处理命令(详见第10章)。预处理命令还有其他几
种,这里的include称为文件包含命令,其意义是把尖括号<>或引号""内指定的文件包含
到本程序中,成为本程序的一部分。
被包含的文件通常是由系统提供的或者在本工程所在文件夹中的且扩展名为.h的文
件,因此也称为头文件。C语言编辑环境中的头文件中包括程序设计时需要用到的标准库函
数的函数原型,因此,凡是在程序中调用一个库函数,都必须包含该函数原型所在的头文件。
在本例中使用了三个库函数,即输入函数scanf、正弦函数sin和输出函数printf。sin
函数是数学函数,其头文件为math.h文件,因此在程序的主函数前用include命令包含了
math.h。scanf和printf是标准输入/输出函数,其头文件为stdio.h,在主函数前也用
include命令包含了stdio.h文件。
(2)C语言规定对scanf和printf这两个函数可以省去对其头文件的包含命令,所以在
本例中也可以删去第二行的包含命令#include<stdio.h>。同样,在例1-1中使用了printf
函数,也可省略包含命令。
(3)main函数的函数体从结构上分为两部分,是按位置前后来划分的,每个区域中只
能书写符合其要求的代码,不能混排(C++语言中不受此规则限制)。
前面区域是声明区,只能书写声明或定义语句,如“inta=0;”和“doublex,s;”这两个都
是变量定义语句,具体语法在后面章节中进行讲解。只有当所有需要的定义或声明性语句
都写完了,才能写运算或处理性可执行语句,如本例中的“printf("inputnumber:\n");”到
“printf("sineof%lfis%lf\n",x,s);”的所有语句。
(4)程序的功能。程序中先定义一个整数型(int类型)变量a,初值是数字0,再定义两
个双精度(double类型)变量x和s,但没有初值,在后面的程序中要先给变量赋值后才能参
与运算或被其他函数使用。有了变量,后面就是使用这些变量通过计算、存储和处理等操作
程序实现相应功能。本程序完成的功能是使用“printf("inputnumber:\n");”语句输出提
示信息“inputnumber:”后,从键盘输入1个数给x变量,再将a变量的值加上数字2再加
上x变量的值,回写给x变量,之后使用sin函数求x的正弦值,再将得到(函数返回)的正
弦值通过赋值运算符写入s变量中,然后使用“printf("sineof%lfis%lf\n",x,s);”调用
printf函数,在标准输出设备上输出以下结果:
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第1 章 C 语言概述
2.C语言运算或处理性可执行语句
C语言的运算或处理性可执行语句又分单纯的函数调用语句、表达式语句、含有函数调
用的表达式语句、结构控制语句和复合语句等。这里只涉及前三种,其他语句在后续章节中
进行详细讲解。
(1)单纯的函数调用语句。调用已有函数(别人定义好的,一般要使用#include将相
应的头文件包含在调用代码所在的文件中)实现已知的功能,被调用的函数没有返回值(数
学意义上的结果值)或者有返回值但不需要使用,语句以分号结束。如“printf("input
number:\n");”语句和“scanf("%lf",&x);”分别是向标准输出设备(对于嵌入式系统要看
具体定义,一般是串行通信接口)输出信息“inputnumber:”和从标准输入设备输入一个高
精度实数给变量x,这两个函数使用的规则和特点在后面章节中进行讲解。
(2)表达式语句。由运算符和运算对象组合构成的一个语句,语句运行完会得到一个
表达式的值,同时可以将其赋值给一个变量,语句以分号结束。如“x=a+2+x;”语句是完
成a变量的值加上数字2再加上x变量的值,得到的结果再写入x变量中,覆盖掉本指令执
行前x中的值。
(3)含有函数调用的表达式语句。也是表达式语句中的一种,只不过是函数调用的返
回值作为表达式的一个运算对象,再参与表达式的运算过程,语句以分号结束。如本例中
“s=sin(x);”语句,其调用sin函数得到返回值(数学意义上的结果值,具体程序实现方法在
第9章中进行讲解),通过赋值运算符写入变量s中。
3.输入/输出函数简介
在前两个例子中用到了输入/输出函数scanf和printf,以后会详细介绍。这里先简单
介绍一下它们的格式。
scanf和printf这两个函数分别称为格式输入函数和格式输出函数。其意义是按指定
的格式输入/输出数据值。完成计算中存储的二进制数与输入/输出设备上输入/输出的文
字信息之间的转换。这两个函数调用语句中的括号里由格式控制字符串和参数表两部分组
成,中间使用“,”间隔。
(1)“格式控制字符串”是一个由多种功能结构的格式字符串组合起来的一个组合字符
串,所以也可以叫作“格式控制组合字符串”。其必须用双引号括起来,其中包括输入/输出
格式控制子串和非格式控制符。每个格式控制子串控制输入/输出信息或数据量的位置和
格式,一般由%开始,再由多个格式控制符组成,具体内容在第4章中进行详细讲解。
(2)在printf函数中,如果在格式控制字符串内出现非格式控制字符,在标准输出设备
(如显示屏)上原样输出该字符;在scanf函数中,如果在格式控制字符串内出现非格式控制
字符,则要在标准输入设备(如键盘)上的当前位置原样输入该字符。
(3)参数表中给出了输入或输出的数值或可以计算出具体数值的表达式。当有多个输
入或输出的数量时,必须按顺序书写并用逗号间隔。参数表的顺序与格式控制字符串中各
个格式控制字符子串一一对应。格式控制字符子串的位置就是以该格式控制字符子串控制
的格式输入/输出对应数量值的对应位置。例如:
printf ("sine of %lf is %lf\n",x,s);
例1-2中该printf函数调用语句中的两个%lf为格式字符子串,表示按双精度浮点数处理。
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C 语言程序设计
它在格式字符串中两次出现,对应需要输出的x和s两个变量值的输出格式和位置。其余字符
为非格式字符,则照原样输出在显示器上,对应运行输出结果。
【例1-3】 程序的基本结构。
int max(int a,int b); //函数说明
void main() //主函数
{
int x,y,z; //变量说明
//int max(int a,int b); / /函 数 说明
printf("input two numbers:\n");
scanf("%d%d",&x,&y); //输入,赋值给x 和y 变量
z=max(x,y); //调用max 函数
printf("maxmum=%d",z); //输出
}i
nt max(int a,int b) //定义max 函数
{
if(a>b)
return a; //把结果返回主调函数
else
return b; //把结果返回主调函数
}
(1)本程序的功能是由用户输入两个整数,程序执行后输出其中较大的数。
(2)一个程序由多个文件中的多个函数及声明部分组成。多个函数可以由main函数+
多个系统函数的调用构成,也可以由一个main函数+多个程序员定义的函数及调用构成,
还可以由一个main函数+多个程序员定义的函数+调用多个系统函数构成。
(3)本程序由两个自定义函数及系统函数调用构成。函数之间是并列关系。main函
数和max函数是用户函数,需要编程者定义;scanf函数和printf函数是系统函数,是已经
存在的函数,调用前只要有对应的、必要的头文件包含预处理指令就可以,包含指令写在文
件开头的声明部分。
(4)程序执行从主函数开始,主函数中可以调用其他函数,如max函数。max函数的
功能是比较两个数,然后把较大的数返回给主函数。
(5)max函数是用户自定义函数。如果定义在调用点[“z=max(x,y);”语句]之后或
在别的文件中,需要在调用点之前的声明部分(可以是调用点所在函数的声明部分,也可以
是本文件的声明部分)使用声明语句(函数首部加分号)进行声明。在此例中也可以放在
main函数体的“{”后的声明部分,这种方式现在使用得较少,所以使用//改成注释文字。
可见,在程序的说明部分中,不仅可以有变量说明,还可以有函数说明。关于函数的详
细内容将在第9章中进行介绍。
(6)在程序的每行后用//可以开始写注释文字,该注释文字不被编译软件编译。//开
始的注释文字只能写一行,不能换行,如果要写多行注释,必须在每行的注释文字前加//。
另外有的时候需要写很多行注释,或者把大面积的代码注释掉,不让编译软件对其进行
编译,这时可以使用/*和*/将所有需要注释的文字括起来。
注意:/*和*/要成对使用,并且/*在前、*/在后。
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第1 章 C 语言概述
(7)本例程序的执行过程是按main函数体中的语句和其调用的函数体中的语句的书
写顺序和结构控制语句执行的:首先在屏幕上显示提示串,请用户输入两个数,按Enter键
后由scanf函数语句接收这两个数并送入变量x和y中,然后调用max函数,并把x和y的
值传送给max函数的参数a和b。在max函数中比较a和b的大小,返回大者并赋值给主
函数的变量z,最后使用printf函数在显示器上输出z的值。
4.C语言程序的基本语法规则总结
(1)一个C语言源程序可以由一个或多个源文件组成。
(2)每个源文件可由一个或多个函数组成。
(3)每个函数的定义体部分由说明性或定义性语句以及运算或处理性语句组成。
(4)一个源程序无论由多少个文件组成,都有且只有一个main函数,即主函数。
(5)源程序中可以有预处理命令(include命令仅为其中的一种),预处理命令通常应放
在源程序文件的最前面。
(6)每一个说明性或定义性语句以及每一个运算或处理性语句(结构化程序设计语句
除外)都必须以分号结尾。
注意:预处理命令不是C语言的执行指令,结尾不必须加分号。函数首部和花括号“{”
之后不能加分号。
(7)标识符与关键字之间必须至少加一个间隔符,一般为空格。如果已有语法规则中
要求的明显间隔符,也可不再加空格符来间隔。
(8)原则上一个说明性或定义性语句或一个运算或处理性语句占一行,也可以一行写
多条这样的执行性语句。同一行的多条语句,语句执行顺序是从左向右依次执行。复合的
结构化语句一般写成多行,必要时使用{}限定复合内容。
1.3 C 语言的字符集及词汇
要点1:语言是由文字传承的,因此语言是由文字组成的。掌握了对应的文字组成元素
和用途,就掌握了语言。
要点2:同样的文字有不同的用法,其代表不同含义。
1.字符集
字符是组成语言最基本的元素。C语言程序设计使用的是键盘上的英文半角,可输入
字符集。只有在字符常量、字符串常量和注释中可以使用汉字或其他ASCII码表中的图形
符号。具体字符集如下。
(1)字母:a~z,共26个;A~Z,共26个。C语言是区分大小写的,关键字必须使用小
写字母,其他自定义名称中字母的大小写不同时,系统认为是不同名称。
(2)数字:0~9,共10个。
(3)空白符:空格符、制表符、换行符等统称为空白符。空白符只在字符常量和字符串
常量中起作用。在其他地方出现时,只起间隔作用,称作标准间隔符。因此在程序中使用空
白符个数多少,对程序的编译不发生影响,但在程序中适当的地方使用空白符将增加程序的
清晰性和可读性。
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C 语言程序设计
(4)键盘可输入的半角标点和特殊字符。
2.词汇
在C语言中使用的词汇分为6类,即关键字、标识符、运算符、分隔符、常量和注释符。
1)关键字
关键字是由C语言规定的具有特定意义的字符串,通常也称为保留字。标准C语言一
共有32个关键字,分别是auto、break、case、char、const、continue、default、do、double、else、
enum、extern、float、for、goto、if、int、long、register、return、short、signed、static、sizof、struct、
switch、typedef、union、unsigned、void、volatile和while。
后期不同版本的C语言对其关键字和语法进行了扩充。C语言的关键字分为以下几类。
(1)类型说明符。用于定义和说明变量、函数或其他数据结构的类型,如前面例题中用
到的int和double等。
(2)语句功能符。用于表示一个语句的功能部分,如例1-3中用到的if和else就是条
件语句的两个语句功能符,即条件语句关键字。
(3)预处理命令字。用于表示一个预处理命令,如前面各例中用到的#include。
2)标识符
在程序中使用的变量名、函数名、标号等自定义名称统称为标识符。C语言规定,标识
符只能是由A~Z、a~z、0~9和下画线“_”组成的字符序列,并且其第一个字符必须是字母
或下画线,标识符不能与C语言关键字相同。
例如,以下标识符是合法的:
a,x,x3,BOOK_1,sum5,_abc,_asd_d,_12h
例如,以下标识符是非法的:
3s (以数字开头)
s*T (出现非法字符*)
-3x (以减号开头。如果是下画线“_”就是正确的)
bowy-1 (出现非法字符"-",如果是下画线“_”就是正确的)
在使用标识符时还必须注意以下几点。
(1)标准C语言不限制标识符的长度,但对于各种不同版本的C语言编译系统,其限制
长度是不同的。例如,在某版本C语言中规定标识符前8位有效,当两个标识符前8位相同
时,则被认为是同一个标识符。
(2)在标识符中,大小写是有区别的。例如,BOOK和book是两个不同的标识符。
(3)标识符虽然可由程序员随意定义,但标识符是用于标识某个量的符号。因此,命名
应尽量有相应的意义,以便于阅读理解,做到“顾名思义”,而且尽量不重复。虽然有些标识
符是可以重名的,但要掌握重名标识符的性质和使用规则才行。
3)运算符
C语言中含有相当丰富的运算符,如算术运算符+、-、*、/等。运算符与常量、变量和
函数调用返回值一起组成表达式,表示各种运算功能。运算符由一个或多个字符组成,在后
续章节中进行详细讲解。
4)分隔符
在C语言中采用的分隔符有逗号、分号、冒号和空格等。逗号主要用在类型说明和函
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第1 章 C 语言概述
数参数表中,用于分隔各个变量。空格多用于语句各组成部分的关键字和标识符之间,作间
隔符,其他的在一些特定语句里使用。在关键字、标识符之间必须要有一个以上的空格符作
间隔,否则将会出现语法错误。
例如,把“inta;”写成“inta;”,C编译器会把inta当成一个标识符来处理,其结果必然
出错。
5)常量
C语言中使用的常量可分为数字常量、字符常量、字符串常量、符号常量和转义字符等
多种,在后面章节中将专门给予介绍。
6)注释符
C语言的注释符是//、/*……*/。在与//同一行之后的任何文字和/*……*/之间
的任何文字符号都为注释。程序编译时,不对注释做任何处理。注释可出现在程序中的任
何位置。注释用来向用户提示或解释程序的意义。在调试程序中对暂不使用的语句也可用
注释符注释掉,使程序编译过程跳过该行或不对该段代码做编译。
1.4 习 题
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第1章课后习题
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C 语言程序设计
第2 章 算法及算法描述
要点:程序=数据结构+算法。
关于程序的定义在程序设计语言领域有很多不同的说法,但大家都比较认可的是
NikiklausWirth提出的公式:程序=数据结构+算法。
数据结构(datastructure)是数据组织形式,包括原始数据的存储、处理过程中的数据存
储和结果数据的存储。原始数据为程序提供必要的数据来源;中间过程数据存储为程序处
理完成程序功能提供保障;结果数据存储为程序功能实现后必要的人机交互和各个程序间
的信息交互提供载体。
算法(algorithm)是对数据的处理过程或操作过程的描述。可以简单理解为对完成任
务需求(即程序功能)的各个指令或语句或功能代码的排列顺序的描述。算法设计首先根据
程序功能要求设计数据结构以用于存储数据,再根据数据结构设计相应的处理过程来完成
任务,处理过程中同时考虑在必要的地方进行人机交互或程序间交互。
程序设计语言和软件编辑环境是完成程序设计和实现任务需求的工具,同一个功能程
序可以使用不同的程序设计工具实现。每种工具各有优点,程序员或开发人员根据需要选
择不同的工具使用。
C语言由于其特性优秀、功能强大和能够更接近底层硬件进行功能程序设计,衍生出各
种不同的编译软件和集成编辑环境。不同编译软件和集成编辑环境面向不同处理器系列的
程序设计,不仅可以用于计算机领域的桌面系统程序设计,而且在嵌入式系统程序设计中应
用得更为广泛。目前是物联网与人工智能快速发展的时代,嵌入式处理器相关程序设计需
求得以爆发式发展,所以对于电子信息类学生和科技工作者来说,掌握C语言程序设计方
法,特别是与嵌入式系统程序设计相关的重点内容尤为重要。
2.1 算法举例及描述
要点:算法是程序的灵魂,程序功能由算法决定,程序代码是功能实现的具体表现。同
一个算法可以使用不同语言和不同代码实现。
1.算法举例
【例2-1】 求1×2×3×4×5。
(1)原始算法如下。
S1:先求1×2,得到结果2。
S2:将步骤1得到的乘积2再乘以3,得到结果6。
C
语言程序设计
S3:将6乘以4,得到结果24 。
S4:将24 再乘以5,得到结果120 。
这样的算法虽然正确,但太烦琐。
(2)改进的算法如下。
S1:使t=1。
S2:使i=2。
S3:使t×i,乘积仍然放在变量t中,可表示为t×i→t 。
S4:使i的值+1,即i+1→i 。
S5:如果i≤5,返回S3;否则输出结果,算法结束。
如果计算100!, 只需将S5 的“如果i≤5”改成“如果i≤100”即可;如果求1×3×5×7×
9×11,只需对算法做以下很小的改动。
S1:1→t 。
S2:3→i 。
S3:t×i→t 。
S4:i+2→i 。
S5:如果i≤11,返回S3;否则结束。
该算法不仅正确,而且简洁高效,因为计算机是高速运算的自动机器,实现循环轻而易
举,特别是对于那些迭代次数比较多的计算机处理任务尤为突出。
【例2-2】有50 个学生,要求将他们之中成绩在80 分以上者打印出来。
如果n表示学生学号,ni表示第i个学生的学号,g表示学生成绩,gi表示第i个学生的
成绩,则算法可表示如下。
S1:1→i 。
S2:如果gi≥80,则打印ni和gi;否则不打印。
S3:i+1→i 。
S4:如果i≤50,返回S2;否则结束。
【例2-3】判定2000—2500 年中的每一年是否是闰年,将结果输出。
(1)闰年的条件如下。
如果年份是4的倍数,且不是100 的倍数,为普通闰年;如果年份是100 的倍数,且是400
的倍数,为世纪闰年。归结起来就是:四年一闰;百年不闰,四百年再闰。具体描述如下。
①能被4整除,但不能被100 整除的年份;
②既能被100 整除,又能被400 整除的年份。
(2)设y为被检测的年份,则该算法的一种表示形式如下。
S1:2000→y。
S2:如果y不能被4整除,则输出y“不是闰年”,然后转到S5 。
S3:如果y能被4整除,不能被100 整除,则输出y“是闰年”,然后转到S4 。
S4:如果y能被4整除,且能被100 和400 整除,则输出y“是闰年”; 否则输出y“不是
闰年”,然后转到S5 。
S5:y+1→y。
S6:当y≤2500 时,返回S2 继续执行;否则结束。
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