[转]C语言笔记

这篇是寒假的时候写的，本来设想是要写C的很多方面，结果开学以后就再没动过。

对于派生类型的介绍，个人认为还是可以一看的，参考了一些书籍。



1 概述
1.1 发展历史
Ｃ语言是在70年代初问世的。一九七八年由美国电话电报公司(AT&T)贝尔实验室正式发表了Ｃ语言。同时由B.W.Kernighan和D.M.Ritchit合著了著名的“THE C PROGRAMMING LANGUAGE”一书。通常简称为《K&R》，也有人称之为《K&R》标准。但是，在《K&R》中并没有定义一个完整的标准C语言，后来由美国国家标准学会在此基础上制定了一个C 语言标准，于一九八三年发表。通常称之为ANSI C。
Ｃ语言是一种结构化语言。它层次清晰，便于按模块化方式组织程序，易于调试和维护。由于Ｃ语言实现了对硬件的编程操作，因此Ｃ语言集高级语言和低级语言的功能于一体，因此也有人称它为中级语言。此外，Ｃ语言还具有效率高，可移植性强等特点。因此广泛地移植到了各类计算机上，从而形成了多种版本的Ｃ语言。
目前最流行的Ｃ语言有以下几种：
•Microsoft C 或称 MS C
•Borland Turbo C 或称 Turbo C
•AT&T C

1.2 程序结构举例
本文档中列举的代码均在Dev-C++中运行通过。
下面这个程序先重定向标准输入输出流，然后，从文件in.txt中读取数据，调用标准库函数qsort，升序排序后输出到文件out.txt。

#include <stdio.h> /* 包含头文件 */
#include <stdlib.h>

#define MAX_LENGTH 100 /* 宏定义 */

int length; /* 定义全局变量 */
int list[MAX_LENGTH];

int Comp(const void *p1, const void *p2) /* 定义函数体 */
{
int e1 = *((int *)p1); /* 定义局部变量 */
int e2 = *((int *)p2);
if (e1 > e2) /* 分支结构(if-else) */
return 1;
else if (e1 < e2)
return -1;
else
return 0; /* 向主调函数返回值 */
}

int main() /* 主函数 */
{
int i;

freopen("in.txt", "r", stdin); /* 顺序结构 */
freopen("out.txt", "w", stdout);

while (scanf("%d", &length) != EOF) /* 循环结构(while) */
{
for (i=0; i<length; i++) /* 循环(for)控制输入 */
scanf("%d", &list[i]);
qsort((void *)list, length, sizeof(int), Comp);
for (i=0; i<length; i++) /* 循环(for)控制输出 */
printf("%d ", list[i]);
printf("\n");
}

return 0; /* 进程向系统返回值 */
}

1.3 编译、连接
任何一种计算机语言都要从某种人们容易理解的形式（源代码）转化成计算机可以执行的形式（机器指令）。对于C语言程序，首先需要对源代码作预处理，预处理器（preprocessor）对预编译指令进行处理，生成的代码通常存放在一个中间文件中。然后使用编译器（compiler），将中间文件编译成为目标文件。最后经过连接器（linker），将目标模块和库进行连接，并添加启动模块，才能最终成为系统可以加载和执行的程序。
开发环境 编译(compile) 连接(link)
（工具） C源文件 --------------> 目标文件 ------------>最终文件

Windows *.c *.obj *.exe 可执行文件
（VC） *.lib 静态库文件
*.dll 动态库文件

Linux *.c *.o *.--- 可执行文件
（KDevelop） *.a 静态库文件
*.so 动态库文件

因此，将TC、VC等程序设计软件称为编译器是不恰当的，这些软件是集成了编辑、预处理、编译、连接、调试等工具的集成开发环境。以Dev-C++为例，它提供了一个窗口界面的编辑环境和一些配置选项，但内部编译器仍然是gcc/g++、内部调试工具是gdb.exe。

2 数据类型
C语言中，变量和函数有两个属性，数据类型和存储类别。

变量声明和定义的格式为：
[存储类别] 数据类型 变量名; 如：
extern unsigned char g_lumQuantTable[DCT_SIZE][DCT_SIZE];

函数声明的格式为：
[存储类别] 数据类型 函数名(形参列表...); 如：
extern void DCT_8x8(double dct[][DCT_SIZE], const double pic[][DCT_SIZE]);

函数定义的格式为：
[存储类别] 数据类型 函数名(形参列表...) {
...
}
如：
static void DCT_AAN(double dct[], const double pic[]) {
...
}

变量的数据类型有三大类：基本类型、派生类型和指针类型。
基本类型包括字节型（char）、整型（int）和浮点型（float/double）。
定义基本类型变量时，可以使用符号属性signed、unsigned（对于char、int），和长度属性short、long（对于int、double）对变量的取值区间和精度进行说明。

3 派生类型
包括数组、结构体（struct）、共用体（union）和枚举类型（enum）。其中前三种也合称为构造类型。
除数组类型以外，后三种类型在定义变量（实例）之前，均需要向编译器说明该类型的具体信息，struct和union需要说明组成成员，而enum则需要明确取值值域和枚举元素。

3.1 数组类型
是一种简单聚合构造方式，在变量名后加“[ ]”即可。数组中每个元素可以是任何基本类型、派生类型、指针类型，甚至也可以是数组类型，这时定义的也就是多维数组。
例如：unsigned char g_compQuantTable[2][DCT_SIZE*DCT_SIZE];
在g_compQuantTable[DCT_SIZE*DCT_SIZE]的基础上，在数组名g_compQuantTable后再加“[2]”，就定义了一个二维数组，它由两个长度为DCT_SIZE*DCT_SIZE的unsigned char一维数组型元素组成。

3.2 结构体（struct）
结构是一种复杂聚合构造方式，通常用作：

(1) 将一般作为一个整体来使用的数据元素结合到一起，如：
typedef struct {
DWORD buffer;
BYTE ptr;
FILE *fp;
}StrmType;

(2) 从函数中返回多个数据元素，如利用输出参数回传：
int LoadBMPHeader(struct BMP_Header *image, const char *fileName) {
...
}
或者返回结构体实例：
TokenType Operate(TokenType a, TokenType theta, TokenType b) {
TokenType r;
...
return r;
}

(3) 构造链式数据结构，如二叉树节点的定义：
typedef struct HuffNode {
BYTE val;
struct HuffNode *left;
struct HuffNode *right;
}HuffNode, *HuffTree;

(4) 映射数据在硬件设备、网络链接和存储介质上的组织方式,如BMP文件头：
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {
WORD bfType;
DWORD bfSize;
WORD bfReserved1;
WORD bfReserved2;
DWORD bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER
结构内字段的次序依赖于所处的架构和所用的编译器，结构内各元素的表达也依赖于架构和操作系统。即使是基本类型的数据，比如整型，字节的存储方式也会有所不同。因此，这种应用天生不可移植。

(5) 实现抽象数据类型

(6) 以面向对象的方式编程
将数据元素和函数指针聚合成结构，模拟类的字段和方法，创建与类相仿的实体。由于“对象”可以使用不同的“方法”（函数指针）来初始化，并通过相同的界面来使用（通过同一结构成员名调用），这种技术实现了面向对象语言中的虚方法（virtual method）和多态编程（polymorphic programming）。

3.3 共用体（union）
与聚合构造不同，共用体是一种联合构造类型，多个成员共享同一存储区域。通常用于：

(1) 有效地利用存储空间

(2) 实现多态（polymorphism），例如表达式分析中记号（token）的定义：
typedef enum {
OPTR,FUNC,OPND
}TagType;
typedef union {
char optr;
FuncType func;
double opnd;
}DataType;
typedef struct {
TagType tag;
DataType data;
}TokenType;
每个记号只能是操作符、函数或操作数，利用标记成员进行区分和识别。
同一对象（结构）用于代表不同的类型，这些不同类型的数据都存储在独立的共用体成员中，这种方法实现了面向对象语言中的多态数据（polymorphic data）。

(3) 使用不同的内部表达方式对数据进行访问，例如为了方便地对WORD的每位进行访问而定义如下共用体：
typedef union {
WORD val;
struct {
WORD bit0: 1; WORD bit1: 1;
WORD bit2: 1; WORD bit3: 1;
WORD bit4: 1; WORD bit5: 1;
WORD bit6: 1; WORD bit7: 1;
WORD bit8: 1; WORD bit9: 1;
WORD bit10: 1; WORD bit11: 1;
WORD bit12: 1; WORD bit13: 1;
WORD bit14: 1; WORD bit15: 1;
}bits;
}WORD_REG_TYPE;

3.4 枚举类型（enum）
枚举类型不是一种构造类型， 因为它不能再分解为任何类型。因此，C语言教科书上将它归为基本数据类型。
从本质上来看，它可以算作是整型的一种变体。
这里暂且将它看作派生类型，是因为在定义枚举变量前，需要向编译器提供额外的信息，这点与结构体、共用体相似，而且类型声明的结构也极为相象。

4 指针类型
指针变量中存放的是内存地址，若该地址处存放的是变量，则称该指针为指向变量的指针；若该地址对应某函数的入口，则称该指针为指向函数的指针，简称函数指针。

4.1 指向变量的指针
在变量名之前添加“*”号，即可实现指针的定义。注意，这里说“在变量名之前”，而不是“在类型说明之后”，因为后一种做法容易引起误解。后一种做法看似是顺理成章的：类型说明之后加“*”号，构造了一种新的数据类型——指向该类型的指针类型。
但是，如果程序中出现这样的定义：
ArcNode* p, q;
那么，q是指针吗？回想一下数组的定义，如果程序中出现：
int zlen[DCT_SIZE*DCT_SIZE], cnt;
没有人会认为cnt也是数组。“*”和“[ ]”的作用对象都是紧邻它们的变量。那么为什么要将“*”紧靠在类型说明之后，故意造成误解？一个折中的办法是：在涉及指针的定义时，一行定义一个变量，于是上面的定义也就成了：
ArcNode* p;
ArcNode q;

还有两个容易混淆的概念，指针数组和指向数组的指针：
int *ptr;
ptr是指向整型的指针变量，在变量名后加“[ ]”，变为：
int *(ptr[MAX_LENGTH]); 或 int *ptr[MAX_LENGTH];
这时，ptr就成了长度为MAX_LENGTH指针数组，它的元素是指向整型的指针变量。
类似地：
int val[MAX_LENGTH];
val是整型数组，在变量名前后加“*”，变为：
int (*val)[MAX_LENGTH];
由于默认运算符结合优先级的关系，必须加上括号，以强调结合次序。
这时，val成了指向整型数组的指针。
这与前面所述“变量名后加‘[ ]’，原变量类型简单聚合，成数组；变量名前加‘*’，成指针，指向原变量类型。”的规则相符。

4.2 函数指针
函数指针是将函数参数化的工具，许多C库函数使用函数指针作为参数，如bsearch、qsort：
qsort((void *)list, length, sizeof(int), Comp);
函数名Comp标识了函数的入口地址，将它作为实际参数，传递给qsort的函数指针形式参数，该形参被定义为：
int (*fcmp)(const void *, const void *)
对比一下Comp函数的定义：
int Comp(const void *p1, const void *p2) {
...
}
qsort通过形参fcmp调用Comp函数对数组中的元素比较排序。

函数指针还可以参数化代码体内的控制。另外，利用函数指针数组，也可以创建基于表格驱动的应用程序。

4.3 指针的应用

(1) 构造链式数据结构，见结构体的应用(3)

(2) 引用动态分配的数据结构，如线性链表的构造：
void CreateList_L(LinkList *L, int n) {
LinkList p;
int i;
*L = (LinkList)malloc(sizeof(LNode));
(*L)->next = NULL;
for(i=n; i>0; --i) {
p = (LinkList)malloc(sizeof(LNode));
scanf("%d", &p->data);
p->next = (*L)->next;
(*L)->next = p;
}
}

(3) 实现引用调用（call by reference），见结构体的应用(2)

(4) 访问和迭代数据元素，如：
Status GetElem_L(LinkList L, int i, int *e) {
int j = 1;
LinkList p = L->next;
while(p!=NULL && j<i) {
p = p->next; ++j;
}
if(p==NULL || j>i) return ERROR;
*e = p->data;
return OK;
}

(5) 传递数组参数，如：
void MakeHuffTable(DWORD code[], BYTE size[], const BYTE bit[], const BYTE val[]){
...
}
code、size、bit和val虽然均以数组形式定义，用以接收数组实参，但其实是指针变量。

(6) 引用函数，例如二叉树遍历中，访问函数的调用：
Status PreOrderTraverse(BiTree T, Status (* Visit)(char)) {
if(T != NULL) {
if(Visit(T->data))
if(PreOrderTraverse(T->lchild, Visit))
if(PreOrderTraverse(T->rchild, Visit)) return OK;
return ERROR;
}
else return OK;
}

(7) 作为其它值的别名

(8) 代表字符串，如：
LPCTSTR lpszMenuName = "TestBMPMenu";

(9) 直接访问系统内存，以下是DOS环境中，访问显示存储器的代码片段：
#define MK_FP(seg, ofs) ((void far *)(((unsigned long)(seg)<<16)|(unsigned)(ofs)))
...
BYTE *p = MK_FP(0xa000, offset);
...
if (T_bpp == 1)
*p = g;
else
memcpy(p, &T_color[g], T_bpp);
DOS存储空间的布局为：
段地址 长度 用途
0000H 640K 基本内存
A000H 128K 映射显示存储器
C000H 256K BIOS ROM区
宏MK_FP用于按给定的段地址（16位）和段内偏移（16位）构造远端指针（32位，段地址<<16 + 段内偏移）。而实际存储位置的物理地址值为20位（段地址<<4 + 段内偏移）。8086/8088只有20根地址线，因此，最大寻址空间为1M。
此时，远指针p指向的内存区域没有被定义为变量，它直接访问了系统内存。

5 函数的数据类型
函数的数据类型也就是函数返回值的数据类型，原则上可以是除了数组类型以外的任何类型。当然，函数也可以没有返回值，这时函数的数据类型为void。