【C】C系列一 - 基本认识

C 语言是全世界最流行的编程语言之一，在过去几年中长期霸占语言热度排行榜前 3 名（TIOBE）

一、认识 C 语言

1.1. 标准

• 目前最新的标准是：ISO/IEC 9899:2011，简称为C11标准
• 还有部分开发人员在使用ISO/IEC 9899:1999，简称为C99标准

1.2. 用途

基本上大部分的计算机语言都是基于 C 语言进行扩展的，它的性能极其优越，其他编程语言无法取代

• 操作系统（Linux、Unix 等操作系统就是利用 C 语言编写的）
• 数据库开发
• 高性能服务器开发
• 嵌入式开发
• 游戏开发
• ……

1.3. 开发工具

• 记事本（txt）
  • 功能单一、体验差、易出错、开发效率低
• IDE（Integrated Development Environment）：集成开发环境
  • 智能提示、高亮识别、语法检测、开发效率高等强大功能
  • 常见的 C 语言 IDE：Visual Studio、Qt Creator、CLion、Dev-C++、Xcode（Mac 操作系统）

二、程序的结构

任何一个 C 语言程序都由一个或多个函数构成，每个函数都由自己的功能，所以以后编写的 C 语言代码，基本上都是写在函数中。

2.1. main 函数

每一个函数都有自己的名称（标识符），并且每一个函数的名称都是唯一的。

大部分程序运行时都有一个入口，而这个入口就是main函数，C 语言就是这样，如果没有 main 函数，程序就无法运行。

2.2. Hello World

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello World");
    return 0;
}

• printf ：将双引号中的文字显示到屏幕上。

2.3. 语法须知

• C 语言源代码文件的扩展名是.c；
• 每一条语句后面都要以分号;结尾；
• 括号都是成对出现的，小括号()，中括号[]，大/花括号{}；
• 区分大小写；
• 代码中的符号必须是英文符号（注释、字符、字符串等内容除外，其实所有编程语言代码中的符号都是只支持英文符号的，除了易语言）。

三、计算机关联

3.1. 计算机 0 和 1 由来

计算机是由电路机演变而来的，电路的逻辑只有 0 和 1 两种状态，0 表示低电平，1 表示高电平，因此现在的电子计算机只能识别 0 和 1。

• 除了电子计算机、还有光子计算机、量子计算机、生物计算机、纳米计算机等高精端计算机（这些高端计算机不是只能识别 0 和 1 的）
• 我们平时说的计算机，就是指的电子计算机

3.2. 计算机如何识别 C 语言代码

我们编写好的代码交给计算机后，计算机是怎么识别出的？

上面提到计算机只能识别 0 和 1，要想计算机能够正常识别代码，就需要经过以下流程：

源代码(.c) -> 编译(compile) -> 编译文件(.o) -> 链接(link) -> 可执行文件(*.exe)

• 编译：将 C 语言源代码文件编译成目标文件（二进制文件），由编译器完成；
• 链接：将所有的目标文件以及所需要的库文件合并成一个可执行文件，由链接器完成。

3.3. 常见的 C 语言编译器（已内置链接器）

• MSVC：微软出品（用在 Windows 中）
• GCC：GNU Compiler Collection 缩写，GNU 出品
• MinGW：Minimalist GNU for windows 的缩写，GNU 出品
• LLVM：常用在苹果开发工具中
• ……

同一分源代码，用不同的编译器编译出来的目标文件是不一样的，主要体现在体积、格式、运行效率等。

不同操作系统最后链接产生的可执行文件（应用程序）格式也是不同的：

• Windows：PE 格式（常以.exe作为文件扩展名）
• Linux：ELF 格式
• Mac：Mach-O 格式

3.4. 什么是 BUG？

• BUG 一般指的是程序漏洞、缺陷、错误，程序出现 Bug 后可能会导致程序无法正常运行；
• 来源：很早之前一位计算机科学家在调试设备时出现了故障，后来发现是有只飞蛾跑进了设备内部，卡住了机器的电路，导致机器无法运行，于是后来就把程序故障成为 Bug（臭虫），排除程序故障排叫做 DeBug。

3.5. 硬盘和内存

在 CPU、硬盘、内存 3 者之中，对我们开发者来说，最需要关注的内存，因为内存在程序运行过程中才执行的，而程序是运行在内存中的

四、注释

4.1. 什么是注释？

• 注释常用来解释某段代码的具体含义、作用
• 注释并不会被当做正常代码进行编译

4.2. 注释有 2 种书写格式

• 单行注释
• 多行注释

// 导入C语言基础库（这是一段单行注释）
#include <stdio.h>

/*
 这是程序入口函数
 函数运行后会打印一段文字
 （这就是多行注释）
 */
int main() {
    printf("Hello World");
    return 0;
}

4.3. 写注释的好处：

• 方便回忆，检查旧代码
• 方便程序员之间团队协作，提高开发效率
• 方便旧项目的交接

五、变量

变量的作用，可以存储程序运行过程中会变化的数据。

5.1. 如何声明一个变量？

格式：

变量类型 变量名;

示例：

int year;
int month;
int day

• 变量类型决定了变量能够存储什么类型的数据（上面的示例：int 类型决定了变量能够存储整数）。

5.2. 如何给变量赋值？

赋值：将数据交给变量去存储

变量名 = 数据;

• 这个等号表示赋值，会把右边的数据赋值给左边的变量

int month = 12
int day = 30

• 在变量声明完成后，直接通过变量名访问变量（不需要再带上变量类型（也不能带上变量类型））

• 变量可以被多次赋值，新值会覆盖旧值

int num = 10;
num = 20;
printf("%d", num); // 输出：20

• 变量的第一次赋值，一般叫做初始化（init）

// 声明一个变量，未初始化
int num;
// 初始化
num = 20;
// 不是初始化，是赋值
num = 30;
printf("%d", num); // 输出：30

• 变量声明的同时也可以进行初始化（开发中大部分操作）

// 声明变量num，并对变量进行初始化，变量初始值为10
int num = 10;

• 变量在未初始化之前，他的值是不确定的
• 变量在使用之前必须先进行初始化
• 可以同时声明多个同类型的变量

int year, month, day = 30;

• 可以将一个变量的值赋给另一个变量

int num1 = 10;
int num2 = 20;
num1 = num2;
printf("%d--%d", num1, num2); // 输出：20--20

5.3. 变量的作用域

变量的作用域，就是指变量的作用范围，有效使用范围

• 从声明变量的那条语句开始，直到变量所在的大括号结束
• 在同一个作用域内，不允许有同名的变量

六、字符串

字符串由若干个字符组成的一串数据。

• 字符串用双引号包裹

printf("Hello World");

• 如果字符串中出现了变量名，是不会去访问变量的，使用字符串时，会保留原来的字符内容

int day = 30;
printf("day = %d", day); // 输出：day = 30

• 字符串中的%d，是整数的占位符，到时会用对应的整数取代占位符，生成一个新的字符串

七、标识符

标识符，由开发者自定义的一些名称（比如变量名、函数名等）。

7.1. 标识符的命名规则如下：

• 不限长度
• 可以使用数字、下划线、英文字符
• 可以使用\u 及\U 转义记号指定的 Unicode 字符（C99 开始）
• 不能以数字开头
• 不能使用关键字（关键字，也叫做保留字，是编程语言内部已经定义好的一些有特殊含义的符号）

7.2. 命名规范：

• 小驼峰（第一个单词的首字母小写，其他单词的首字母大写），myNameAndAge
• 大驼峰（所有单词的首字母大写），MyNameAndAge
• 下划线连接，my_name_and_age，也有大写MY_NAME_AND_AGE

八、字面量

顾名思义，就是一个固定值。

int age = 20;
double height = 1.88;
char word = "a";

上面的代码中，等号右边的固定值都叫做字面量。

九、进制

什么是进制？进制是一种数字的表示形式；是一种带进位的计数方法。

计算机领域常见的进制有：十进制、二进制、八进制、十六进制。

9.1. 十进制（逢十进一）

由十个数字符号构成所有的数值：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9

9.2. 八进制（逢八进一）

由八个数字符号构成所有的数值：0、1、2、3、4、5、6、7

9.3. 二进制（逢二进一）

由两个数字符号构成所有的数值：0、1

9.4. 十六进制（逢十六进一）

由十六个数字及字母符号构成所有的数值：0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

• A、B、C、D、E、F 分别表示十、十一、十二、十三、十四、十五
• 也可以用小写字母表示：a、b、c、c、e、f

同一个数可以用不同的进制来表示：比如三十三

• 十进制：33
• 二进制：100001
• 八进制：41
• 十六进制：21

9.5. 基数

进制中有个叫“基数”（或者底数）的概念

• 基数是指可以使用的数字符号的数目
• 十进制的基数是十、二进制的基数是二、八进制的基数是八、十六进制的基数是十六

9.6. 进制转换（任意 R 进制 -> 十进制）

一个 R 进制表示的数转为十进制：$ k_3 k_2 k_1 k_0.s_1 s_2 s_3 $

• 公式：$$ (k_3 _ R^3) + (k_2 _ R^2) + (k_1 _ R^1) + (k_0 _ R^0) + (s_1 _ R^{-1}) + (s_2 _ R^{-2}) + (s_3 * R^{-3})$$

• 二进制 -> 十进制

  • $$(1101.011)_2 = (1 * 2^3) + (1 * 2^2) + (0 * 2^1) + (1 * 2^0) + (0 * 2^{-1}) + (1 * 2^{-2}) + (1 * 2^{-3}) = 13.375$$

• 八进制 -> 十进制

  • $$(537.34)_8 = (5 * 8^2) + (3 * 8^1) + (7 * 8^0) + (3 * 8^{-1}) + (4 * 8^{-2}) = 351.4375$$

• 十六进制 -> 十进制

  • $$(4DA.CB)_16 = (4 * 16^2) + (13 * 16^1) + (10 * 16^0) + (12 * 16^{-1}) + (11 * 16^{-2}) \approx 1242.79$$

9.7. 十进制 -> 任意 R 进制

十进制数转换成 R 进制数，须将整数部分和小数部分分别转换

• 整数转换（除 R 取余法）
  • 用十进制数的整数部分除以 R、取余数作为转换后的 R 进制数据的整数部分最低位数字；
  • 再用所得的商除以 R、取余数作为转换后的 R 进制数据的高一位数字；
  • 重复上面第二次的操作，一直到商为 0 结束。

求 115 的二进制：$$115 = (1110011)_2$$

• 小数转换（乘 R 取整法）
  • 十进制数的小数部分乘以 R、取乘积的整数部分作为转换后 R 进制数据的小数点后第一位数字；
  • 再用所得的乘积的小数部分乘以 R、然后取新乘积的整数部分作为转换后的 R 进制小数的低一位数字；
  • 重复上面第二次的操作，一直到乘积的小数部分为 0 为止，或者一直到已得到要求的精度数位为止。

求 0.625 的二进制：$$0.625 \approx (0.101)_2$$

• 小数转换（整数退位法）
  • 0.321 换成二进制数，保留 7 位
    $$0.321 * 2^7 = 41.088$$
  • 取整数 41 $$41 = (101001)_2$$
  • 只有 6 位但要求保留 7 位，退位，在前面补 0，所以是 0.0101001

9.8. 二进制与十六进制之间的转换

4 位二进制数恰好有 16 种组合状态，也就是说，1 位十六进制数与 4 位二进制数是一一对应的

计算：

• $$(111010110.11)_2 = (0001 1101 0110.1100)2 = (1D6.C){16}$$
• $$(4AF8B.E)_{16} = (0100 1010 1111 1000 1011.1110)_2 = (1001010111110001011.111)_2$$

9.9. 二进制与八进制之间的转换

3 位二进制数恰好有 8 种组合状态，也就是说，1 位八进制数与 3 位二进制数是一一对应的

计算：

• $$(111010110.11)_2 = (011 010 110.110)_2 = (326.6)_8$$
• $$(2476.4)_8 = (010 100 111 110.100)_2 = (10100111110.1)_2$$

9.10. 代码中的进制书写形式

C 语言标准规定

• 默认是十进制，比如 89，表示【八十九】
• 以 0 开头的是八进制，比如 024，表示【二十】
• 以 0x 或 0X 开头的是十六进制，比如 0x2B，表示【四十三】

C 语言标准并不支持二进制的书写形式

• 但是部分编译器支持，比如 GCC 规定以 0b 或 0B 开头的是二进制

int i1 = 20; // 十进制
int i2 = 024; // 八进制
int i3 = 0x14; // 十六进制
int i4 = 0b10100; // 二进制
printf("%d %d %d %d", i1, i2, i3, i4) // 输出：20 20 20 20

十、内存

10.1. 存储单位

字节（Byte，B）是一种基本存储单位（在计算机领域用来计量存储容量）。

单位换算：
1 字 = 2B（字的英文是 word，1 字等于 2 字节）

• 1KB = 1024B（千字节）
• 1MB = 1024KB（兆字节）
• 1GB = 1024MB（千兆字节）
• 1TB = 1024GB（太字节）
• 1PB = 1024TB（拍字节）
• 1EB = 1024PB， 1ZB = 1024EB， 1YB = 1024ZB，
• 1BB = 1024YB， 1NB = 1024BB， 1DB = 1024NB，

10.2. 内存地址

4GB 的内存一共有多少字节？
4GB = 41024MB = 410241024KB = 4102410241024B = 4294967296B = 2^32B

内存中的每一个字节都有自己的编号

• 上面图示是 4GB 内存空间
• 如果把内存比作是酒店，
  • 那么字节就是酒店的房间，字节的编号就是房间号
  • 相邻的 2 个房间，房号是连续的，那么相邻的 2 个字节，编号是连续的
  • 房间是拿来住人的，存放物品的，那么字节是拿来存储数据的
• 每一个字节的编号，也叫做字节的内存地址

10.3. 变量的存储空间

变量是用来存储数据的，凡是数据，或多或少会占用一定的存储空间。

变量的数据是存储在硬盘还是内存中呢？

• 内存。因为变量是用来存储程序运行过程中会变化的数据

一个变量会占用多大的存储空间呢？（占用多少字节）

• 取决于变量所存储数据的类型（也就是变量类型）
• 比如 C 语言标准规定，一个 int 类型的变量至少占用 2 个字节的内存空间
• 在 Win64 API 中，一个 int 类型的变量占用 4 个字节的内存空间

在 C 语言中，怎么查看变量占用了多少内存空间呢？

10.4. sizeof 运算符

使用sizeof可以获得某一数据类型的大小（所占多少字节的内存空间）。

int age = 20;
printf("%d", sizeof(age)); // 输出：4
printf("%d", sizeof age); // 输出：4
printf("%d", sizeof(int)); // 输出：4

10.5. 变量的内存地址

int a = 10;
int b = 20;
printf("%p\n", &a); // 输出：0x00bff578
printf("%p\n", &b); // 输出：0x00bff574

• 变量的内存地址：变量首字节（地址值最小的那个字节）的内存地址
• 越晚定义的变量，内存地址越小

十一、位（Bit）

• 由于计算机只能识别 0 和 1，所以每一个字节中的数据都是以二进制形式存储的
• 一个字节包含 8 个二进制位，位是计算机领域最小存储单位，每一个二进制存储一个 0 或 1
• 1Byte = 8bit， 简写： 1B = 8b
  

11.1. 有符号数的二进制表示方法

int类型属于有符号整数类型

• 可以表示正数、负数

int a = 20;
int b = -20;

• 有符号数的二进制有 3 种表示方法：源码、反码、补码
• 三种表示方法均有符号位和数值位两部分
  • 符号位：最高位作为符号位，用 0 表示“正”，用 1 表示“负”
  • 数值位：三种表示方法各不相同

11.2. 原码

• 最高位：作为符号位，用 0 表示“正”，用 1 表示“负”
• 其余位：作为数值位，表示绝对值的大小（所以原码又称为带符号的绝对值）

11.3. 反码

• 正数的反码：和原码一样
• 负数的反码：原码保持符号位不变，数值位按位取反（0 变 1，1 变 0），得到反码

11.4. 补码

• 正数的补码：和原码一样
• 负数的补码：反码的末位加 1，得到补码

在计算机中，数值一律用补码来表示和存储。
比如，下面 2 个变量在内存中存储的二进制数值是（假设int类型的变量占用 4 字节）

int a = 20;
int b = -20;

• a: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0100
• b: 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1100

十二、大小端模式

大小端模式：决定了多字节数据的字节存储顺序

• 大端模式：高低低高

  • 高字节放在低地址，低字节放在高地址

• 小端模式：高高低低

  • 高字节放在高地址，低字节放在低地址

不同 CPU 架构的模式不一样，比如 x86 架构师小端模式，有些 CPU 架构师大端模式，目前比较常见的是小端模式。

十三、char 类型

char类型属于字符类型。

• 字符用单引号
• 打印的占位符：%c

char c1 = 'k';
char c2 = '9';
printf("%c %c", c1, c2); // 输出：k 9

• 一个char类型的变量占用 1 个字节的内存，所以它只能存储 1 个单字节字符
• 26 个英文字母（a ~ z，A ~ Z），10 个阿拉伯数字（0~9）都是单字节字符

下面的代码有问题：

// 不能存储超过1个单字节字符
char c1 = 'idbeny';

// 一个中文字符至少占用2个字节
char c2 = '你';

// 字符串是双引号，字符是用单引号
char c3 = "i";

13.1. 字符的存储细节

计算机中的数据都是以二进制形式存储的，字符数据也不例外。每一个字符都会被转化成对应的整数值进行存储。

在 1967 年，美国发布了 ASCII 码表，里面规定了 128 个单字节字符对应的整数值（ASCII 码值）。

• 数字 0 对应的码值是 48
• 大写字母 A 对应的码值是 65
• 小写字母 a 对应的码值是 97

int i = 97;
char c1 = '0';
char c2 = 'a';
char c3 = 'A';
printf(" %p\n %p\n %p\n %p\n", &i, &c1, &c2, &c3);
/*
 输出：
 0x00b7EC19
 0x00b7EC1A
 0x00b7EC1B
 0x00b7EC2C
 */

十四、ASCII 码表

ASCII 被译为“美国信息交换标准码”，是一种标准的单字节字符编码方案。

共 128 个字符，码值范围：0~127（也就是 0x00 ~ 0x7F）

• 33 个是控制字符或通信专用字符，码值范围：0~31，127

  • 控制字符：LF（换行）、DEL（删除）、BS（退格）等
  • 通信专用字符：SOH（文头）、EOT（文尾）、ACK（确认）等

• 95 个可显示字符，码值范围：32~126

  • 48 ~ 57：十个阿拉伯数字（0~9）
  • 65 ~ 90：26 个大写英文字母（A~Z）
  • 97 ~ 122：26 个小写英文字母（a~z）
  • 其余为标点符号、运算字符等

没有必要记住所有字符码值，只需要记住常用的两个就行了：

• 小写字母 a 的 ASCII 码值：97
• 小写字母的 ASCII 码值 = 大写字母 ASCII 码值 + 32
• 大写字母的 ASCII 码值 = 小写字母 ASCII 码值 - 32
• 阿拉伯数字 0 的 ASCII 码值：48

注意使用细节：

char c1 = 'a';
char c2 = 'A';
printf("%d %d\n", c1, c2); // 输出：97 65

int i1 = 97;
int i2 = 65;
printf("%c %c\n", i1, i2); // 输出：a A

char c3 = 'A';
printf("%d\n", c3 + 10); // 输出：75

int i3 = 67;
printf("%c\n", i3 + 10); // 输出：M

int i4 = 'a';
char c4 = 97;
printf("%d %d\n", i4, c4); // 输出：97 97
printf("%c %c\n", i4, c4); // 输出：a a

// 完全可以将char类型当做整数类型来使用
char c5 = 10;
char c6 = c5 + 20;
char c7 = c5 + c6 + 30;
printf("%d", c7); // 输出：70

大小写字母之间的转换

char c1 = 'n';
char c2 = c1 - 32;

char c3 = 'Q';
char c4 = c3 + 32;
printf("%c %c", c2, c4); // 输出：N q

14.1. 数字整数、数字字符在内存中的区别

int i = 9;
char c = '9';
printf("%d %d", i, c); // 输出：9 57

• 变量 i 在内存中利用 4 个字节存储数值 9
• 变量 c 在内存中利用 1 个字节存储数值 57

疑问：中文、日文、韩文等非英文字符是如何存储在计算机中的？
可以肯定的是，必然是以二进制的形式存储在计算机中的，只是每个字符对应的二进制数值取决于具体的编码方案（GBK、UTF-8、Unicode 等），
GBK 主要支持的是 CJK 汉字字符（C-中国、J-日本、K-朝鲜），而 UTF-8 支持几乎世界上所有的字符。

14.2. 转义序列

转义序列，一般也叫作转义字符，是一些有特殊含义的字符

printf("我叫'idbeny'，在\"1024星球\"等你"); // 输出：我叫'idbeny'，在"1024星球"等你
char c1 = '\'';
char c2 = '"';
printf("\n%c\t%c\\", c1, c2); // 输出：'    "\

char c3 = '\063';
printf("%d %c", c3, c3); // 输出：51 3

// "\0115"是"\011"和"5"的组合
// "\011"就是水平制表符"\t"
printf("\0115"); // 输出：	5

错误写法：
char c1 = '\X4A'; // 不能是大写X
char c1 = '\0x4A'; // 不能是0x
char c1 = '\0X4A'; // 不能是0X

十五、scanf 函数

• printf函数的功能是：输出（output），将数据显示在屏幕上
• scanf函数的功能是：输入（input），读取数据（比如读取通过键盘输入的数据）

int age = 10;
scanf("%d", &age); // 终端输入：20
printf("age: %d", age); // 输出：age: 20

• scanf 函数开始执行后，会等待用户输入
  • 程序会卡在 scanf 函数，不会执行 scanf 函数后面的代码
  • 当用户敲 Enter 键（回车键）时，表示输入完毕
  • 程序才会开始执行 scanf 函数后面的代码

15.1. 匹配的细节

int i = 10;
scanf("%d", &i);
printf("你输入的整数是: %d", i);
/*
  输入：30idbeny
  输出：你输入的整数是: 30

  输入：22.88
  输出：你输入的整数是: 22

  输入：a
  输出：你输入的整数是: 10 // 原因：变量i默认值是10

  输入：你好1024
  输出：你输入的整数是: 10
  */

char c = 'a';
scanf("%c", &c);
printf("你输入的字母是：%c\n", c);
printf("对应ASCII码值是：%d", c);
/*
  输入：i
  输出：
      你输入的字母是：i
      对应ASCII码值是：105

  输入：hello
  输出：
      你输入的字母是：h
      对应ASCII码值是：104

  输入：97
  输出：
      你输入的字母是：9
      对应ASCII码值是：57
  */

总结：

• 从左到右开始字符匹配，当中途匹配失败时，将结束匹配
• 当尝试把输入的数字赋值给字符变量时，scanf 把输入的数字当成是数字字符来处理，而不是把输入的数字当成字符的 ASCII 码值来处理

15.2. scanf 函数的空白字符

空白字符包括：空格（’ ‘）、Tab（’\t’）、Enter（’\n’）

• 如果在输入整数的开头，有一段任意长（长度 ≥0）连续空白字符，是不需要与格式化字符串中的字符进行匹配的。

  int age = 10;
  scanf("%d", &age);
  printf("age is %d", age);
  /*
    输入：        30
    输出：age is 30
  */

• 在格式化字符串中，任意长（长度 ≥0）连续空白字符，能匹配输入的任意长（长度 ≥0）连续空白字符

  int age = 10;
  scanf("  %d", &age); // %d左边有空格
  printf("age is %d", age);
  /*
    输入：        30
    输出：age is 30
  */
  
  int age = 20;
  scanf("%d   ", &age); // %d右边有空格
  printf("age is %d", age);
  /*
    输入：        30
    输出：age is 30
  */