C程序设计与案例教程（十三五江苏省高等学校重点教材）

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内容简介

第1章 走进C语言世界
　　本章思维导图
　　学习任务
　　1．了解C语言的特点与应用领域；
　　2．掌握C程序的基本组成与书写规范；
　　3．初步掌握C程序设计的基本思想方法；
　　4．初步掌握C程序设计的算法；
　　5．掌握C程序的开发环境与调试步骤；
　　6．能读懂简单的C程序。
　　1.1 初识常春藤式的 C语言
　　1.1.1 范例：全球首个 C演示程序
　　在计算机发展史上，没有哪一种程序设计语言能像 C语言这样充满魅力。著名的计算机科学家 Brian W. Kernighan与 C语言开发者 Dennis M. Ritchie合著 The C Programme Language于 1978年出版，成为 C语言方面最权威的经典教材之一。该书将“ hello， world”（小写，中间用逗号分隔）作为开篇第一个程序，虽然之后几乎没流传下来这个最初的格式，但从此在学习一门新语言的时候用“ Hello World！”作为起步已成为计算机程序界的一个传统。
　　“Hello World！”程序如下：
　　#include /*编译预处理命令 */
　　#include
　　void main() /*主函数 */
　　 { /*函数体开始 */
　　 printf(\"Hello World! \"); /*输出一行问候语 Hello World! */
　　 system(\"pause\"); /*显示运行结果可暂停，按任意键继续 */
　　} /*函数体结束 */
　　程序运行结果如图1-1所示。
　　【试一试】编写程序，使运行结果如下：
　　我爱你， C语言！
　　我走进了大学校园！！
　　我更加爱你，中国！！！
　　图1-1 “Hello World!”C语言演示程序的运行结果
　　1.1.2 C语言的前世今生 .
　　20世纪 60年代末至 70年代初，美国计算机科学学者 Kenneth L. Thompson在贝尔实验室工作期间，以 BCPL（basic combined programming language）为基础，设计出更接近硬件的 B语言（取 BCPL的首字母），并使用 B语言编写一个游戏 “ Space Travel”，他想使用当时空闲的一台机器 PDP-7玩这个游戏，但是这台机器没有操作系统，于是他用 B语言为 PDP-7开发了操作系统，随后与同在贝尔实验室的另一位高级研究员 Dennis M. Ritchie合作开发，该系统命名为 Unix。Dennis M. Ritchie也很想玩“Space Travel”，于是进一步改进 B语言，取 BCPL第二个字母作为新语言的名字，称为 C语言。1972年 C语言的诞生是程序设计语言发展过程中的一个重要里程碑，此后， C语言一直在系统编程、嵌入式编程等领域占据着主宰地位。其后新生的语言如 C++、Java、C#、Python等都借鉴了 C语言的思想与语法，并在各自领域大获成功。美国国家标准学会（ANSI）于 1983年专门成立 C语言标准委员会，完成 C语言的标准 C89、 C90以及后续出现 C99、C11标准。
　　1．C语言的应用领域
　　世界上编程语言有几百种，其中 C语言是一门通用的、模块化、程序化、高效性和可移植性的编程语言，不仅适合开发操作系统而且适合开发应用软件。例如， Linux、Windows、 macOS、Unix、Vxworks等操作系统的内核都用 C语言编写，一些应用软件如 WPS、Photoshop、 Media Player也用 C语言开发。伴随着嵌入和实时系统的兴起，人工智能（AI）、机器人、自动驾驶、智能电器等用到的芯片驱动以及应用程序绝大部分是用 C语言实现的。利用 C语言可以开发很多游戏，比如推箱子、贪吃蛇等。 C语言的应用领域如图1-2所示。
　　学会 C语言可以做到以一法通万法，这是它经久不衰的主要原因。
　　常春藤式的 C语言近 40年来一直位居 TIOBE排行榜前列，表1-1给出了 1986～2021年计算机编程语言 TIOBE排名前 10的语言。
　　图灵奖是计算机领域的国际最高奖项，被誉为“计算机界的诺贝尔奖”。 1983年， Unix设计者 Kenneth L. Thompson与 C语言开发者 Dennis M. Ritchie成为第十八届图灵奖共同获得者。
　　图1-2 C语言的应用领域
　　表1-1 计算机编程语言 TIOBE排名（1986～2021年）
　　2．C语言的特点
　　C语言按模块化方式组织程序，结构层次清晰，运行效率高，易于调试和维护。 C语言主要有 6方面的优点：
　　（1）C语言集低级语言和高级语言特点于一体。
　　C语言具有低级语言的特点：可以直接对计算机硬件进行操作，允许直接访问内存的物理地址，进行位（bit）一级的操作。例如，数组 int arr[5]，经过编译以后变成了（基地址＋偏移量）的方式。对于计算机来说，没有比加法更快的运算，没有任何一种方法比（基地址＋偏移量）的存取法更快。
　　C语言具有高级语言的特点：程序的编写符合人们的思维习惯，书写形式自由，一行可以写一条或多条语句。
　　（2）C语言允许在编译之前使用预处理命令，提高编程效率。 C语句简练、紧凑，使用方便、灵活。
　　（3）C语言具有固定的关键字和灵活定义的标识符，以及丰富的运算符和数据类型。 C语言定义标识符时严格区分大小写字母，例如， pi 与 PI 是 2个不同的标识符；具有 32个关键字，如： int、char、float、for、do、case、switch 等；有 34种运算符，如：算术、赋值、逻辑、关系、强制类型转换等；有多种数据类型，如：整型、实型、字符型、数组、指针、结构体、共用体等，尤其是指针类型数据，使用十分灵活和多样化；还有 9种控制语句，如： if-else，switch（)、while（)、do-while（)、for（)、continue、break、goto（不提倡使用）、return。
　　（4）C语言是一种典型的结构化程序设计语言。 C语言具有三种基本结构：顺序结构、选择结构（分支结构）、循环结构（重复结构）。
　　（5）C语言是一种模块化程序设计语言。 C语言程序由一系列函数构成，由函数实现模块功能，模块间通过函数调用实现数据通信。
　　（6）C语言可移植性好，生成的目标代码质量高。由于 C语言本身不依赖于机器硬件，因此可以被广泛地移植到各种类型的计算机上。
　　C语言也有缺点，例如， C语言因其程序设计自由的特点，同时也意味着容错性差，出现的错误往往难以察觉，数组下标越界不报错，不检查常识性、逻辑性错误，操作硬件出错有时不报错，可能会造成难以预测的后果。
　　1.1.3 C程序基本结构
　　一个完整的 C程序有且仅有一个主函数 main（)和若干个函数，特殊情况仅由一个 main（)函数构成。
　　【例 1-1】用 C语言编程计算矩形的面积。
　　程序代码如下：
　　// 计算矩形的面积
　　#include
　　void main()
　　{
　　int length， width， area;
　　length=7;
　　width=3;
　　area= length * width;
　　printf(\"length=7， width=3\\n\" );
　　printf(\"area=%d\\n\"，area);
　　}
　　解析：此程序仅由主函数 main（)构成，使用了编译预处理命令 #include。
　　#include命令一般放在程序的开头。 C语言提供两类函数：自定义函数和库函数，其中，用户在 C程序中自行编写的函数，称为自定义函数；以库的形式存放在系统中的，称为库函数。使用库函数时，要用编译预处理命令 #include将有关的“头文件”包含到用户源文件中，例如，使用标准输入 scanf（)、输出 printf（)库函数时，要用到 stdio.h头文件，该文件后缀中的 h是 head的缩写。 stdio是 standard input & output的缩写，它是以标准的输入输出设备作为输入输出对象。所有 C标准库头文件都应该位于编译器安装目录的“include”子目录下。
　　主函数 main（)是程序的入口处，不论把 main（)写在程序的开头、中间还是最后位置，一个 C程序总是从 main（)开始执行，并在 main（)结束时而结束。
　　主函数 main（)的书写形式有以下几种：
　　main（)
　　void main（)
　　int main(void)
　　“main（)”中括号 （)内可以不带任何参数，也可以用关键字 void明确表示不带参数。
　　若 main（)之前的指定关键字为 void，表示主函数不给操作系统返回任何信息；若指定关键字为 int，则表示主函数返回一个整数值给操作系统，且程序的最后一行必须是语句 “return 0;”。
　　【读一读】C语言中的自定义函数与注释语句
　　用户自定义的函数通常由函数说明部分和函数体两部分组成。函数说明部分：包括函数名、函数类型、函数形式参数（形参）名、形参的类型。函数体：指函数说明部分下面的花括号 { }里的内容。如果一个函数内有多层花括号，则最外层的一对 { }为函数体的范围。函数体一般包括：
　　◆变量定义。如例 1-1中 main（)函数体中的“ int length， width， area;”。
　　◆执行部分。由若干个语句组成。
　　为提高 C程序的可读性，对程序中的组成部分进行解释，称为注释。注释仅用来向用户提示或解释程序的意义。 C语言的注释符有 //和 /* */ 两种格式，通常用 //格式表示注释语句单独成为一行，用 /* */ 格式表示在一行语句的最右侧添加注释。
　　注释可出现在程序中的任何位置，通常出现在源程序的开头、函数的开头或程序的中间。程序编译时，不对注释作任何处理，所以可以用汉字或中英文字符表示。初学者要养成在程序适当的地方加注释的良好编程习惯。在调试程序中对暂不使用的语句也可用注释符括起来，使编译跳过不作处理，待调试结束后再去掉注释符。
　　【例1-2】编写程序，计算从键盘上输入的两个整数之和，要求调用自定义函数。程序代码如下：
　　#include
　　int main（)
　　{ int add(int num1，int num2); /*声明被调用函数add（)*/
　　int x，y，sum=0; /*定义变量x，y，sum为整型， 并为sum赋初值0*/
　　printf(\"请输入整数x与y的值：\");
　　scanf (\"%d%d\"，&x，&y); /*从键盘上输入变量x、y的值*/
　　sum=add(x，y); /*调用函数add（)，将返回值赋给sum*/
　　printf(\"x+y=%d\\n\"，sum); /*输出x、y之和sum的值*/
　　return 0;
　　}
　　//计算两整数之和的函数
　　int add(int num1，int num2) /*定义函数add（)，形式参数num1， num2为整型 */