《C Primer Plus》- 第二章 C语言概述

本笔记写于2020年1月27日。

本系列文章参考的是《C Primer Plus》(第六版)，其中里面会有笔者自己的相关补充。

以下示例均运行于macOS Catalina 10.15.2上，编译器为clang 11.0.0

PS：如果笔记中有任何的错误，请在下方评论中留言，我会及时回复并修改，谢谢

简单的C示例

首先来看一个非常简单的C程序示例

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    int num;
    num = 1;

    printf("I am a simple ");
    printf("computer.\n");
    printf("My favorite number is %d because it is first.\n", num);

    return 0;
}

结果如下：

ch02_first.c

解析

上述示例看似简单，但也基本展示了C程序的方方面面。本节将详细解释其中的每一行代码

#include和头文件

第一行#include <stdio.h>是一条预处理指令。在第一章笔记的最后一幅图中，可以看到编译器将源代码文件编译为了目标文件，而实际上在编译操作执行前，编译器会对源代码文件进行一些处理操作，这些操作被称为预处理。（有关预处理器的更多知识请看第十六章的笔记）

#include语句是一个文件引用的预处理指令，意思是将stdio.h文件中的所有内容复制到#include <stdio.h>的所在区域，实质上是一种“复制-粘贴”的工作。

引用的文件stdio.h则是C语言的标准库文件之一，该文件中包含了C语言常用的输入输出函数，如：示例中使用的printf函数。由于这类文件常常是在C语言代码文件的头部引用，因此也被称为头文件。

笔者补充：截止到2020年1月27日，C语言共包含标准库文件29个，其中包括C11标准中新增的5个

ch02_预处理流程图

main函数

int main()

C程序包含一个或多个函数，函数是C程序的基本模块。而示例第二行的main()函数，则是C程序的开始函数，所以的C程序都是从main()函数开始的。我们还可以定义很多其他的函数，但main()函数一定是开始函数。程序在执行时首先会寻找main()函数，然后依次执行函数中的语句。

圆括号()表明了main()是一个函数，而不是一个其他什么东西；int是main()函数的返回类型，表明main()函数返回的值是整数；括号中的void表明该函数的参数为空。（有关函数的更多的知识可以查看第九章的笔记）

笔者补充：main函数不一定是C程序的开始函数，只不过绝大部分的C语言编译器都以main()函数作为默认的程序入口点。我们可以通过一定的方法修改C程序的开始函数，如果有时间，笔者会专门写一篇这个笔记来介绍。

注释

上述示例中由于偷懒，笔者没有写注释，这里说一下。

C语言注释共有两种

多行注释：这是C语言原本的注释形式，程序中被/* */符号括起来的部分就是程序的注释

/* 有效的注释 */

/* 分成了两行，
   也是有效的注释 */

/*
    有效的注释
*/

/* 无效的注释，因为缺少了结束标记

单行注释：C99标准新增，以//开始，在双斜线后面处于同一行的所有内容都是程序的注释

// 有效的注释
int num; // 也可以写在这里

花括号、函数体和块

所有的C函数都使用花括号标记函数的开始和结束，而且，只有花括号({})可以标记，圆括号(())和方括号([])都不行。同时，花括号还可以用于把函数中的多条语句合并为一个单元或块。

声明

声明是C语言最重要的特性之一。示例中的int num;语句是一条声明变量语句，它完成了两个工作：

在函数中有一个名为num的变量
num变量的类型是int类型，即整数类型

语句末尾的分号表明该语句已经结束，C语言以分号;作为语句结束的标志。

关键字和标识符

语句中的int是C语言的关键字，它表示了一种基本数据类型（关于基本数据类型请看第三章笔记）。关键字是语言定义的一种具有特定用途的单词，不能用作其他用途。截止到2020年1月17日，C语言中共包含了44个关键字。

语句中的num是一个标识符，它表示了一个变量、函数或其他实体的名称。通过标识符，程序将计算机内存中的特定位置与一个名称联系起来，也确定了存储在该特定位置的信息类型或数据类型。

标识符有以下需要注意的地方：

标识符应该要使用有意义的名称，使人望文生义。同时，如果标识符本身无法清楚的表达自身的用途，可以在注释中进行进一步的阐述
在C语言中，标识符是区分大小写的，也就是说num和Num是两个不同的标识符
标识符中可以包括小写字母、大写字母、数字和下划线，但名称的第一个字符必须是字符或下划线，不能是数字
不能使用关键字作为标识符，因为关键字已经有了其他用途了。同理，C语言中还存在有一些保留标识符（包括以下划线开头的部分标识符标准库函数名）也不应该作为标识符使用

赋值操作

赋值是C语言的基本操作之一。在介绍标识符中曾提到过，通过标识符，程序将计算机内存中的特定位置与一个名称联系起来。但之前的声明仅仅是告诉编译器要在内存中预留出这块空间来，并将这块空间与对应标识符联系起来，并没有使用这块空间。

赋值操作便是使用空间的一种方法。示例中num = 1;表示将数字1放入变量num对应的预留空间中，同时，还可以对该空间进行多次赋值，因此，num被叫做变量。

关于赋值操作更多的详细内容请看第五章笔记

printf()函数

printf("I am a simple ");
printf("computer.\n");
printf("My favorite number is %d because it is first.\n", num);

首先，圆括号()表明了这是一个函数，printf是这个函数的名称，即函数的标识符。而圆括号中的内容是main()函数传递给printf()函数的信息，被称为函数参数。示例中的printf()函数是C语言的一个标准函数，作用是格式化输出参数信息。

关于printf()函数以及函数参数中的\n、%d等更多的信息请查看第四章笔记

return语句

在上面关于main()函数介绍中，曾说”int是main()函数的返回类型，表明main()函数返回的值是整数“。return语句的作用便是返回相应的值。示例的最后一句return 0;表示要返回数字0。

C语言规定，有返回值的C函数必须要求return语句，该语句以return关键字开始，后面待返回的值。如果函数不需要返回任何值的话，则需要在对应位置使用void关键字表明该函数不需要返回任何值。

进一步使用C

在看过第一个简单的C程序之后，再看一个更复杂的C程序

// fathm_ft.c -- 把2英寸转换为英尺
# include <stdio.h>

int main(void)
{
    int feet, fathoms;

    fathoms = 2;
    feet = 6 * fathoms;
    printf("There are %d feet in %d fathoms!\n", feet, fathoms);
    printf("Yes, I said %d feet!\n", 6 * fathoms);

    return 0;
}

结果如下：

ch02_fathm_ft

解析

示例2-2比起示例2-1来说，变化不大，主要新增了

声明多个变量。声明多个变量时，变量与变量之间需要使用逗号隔开int feet, fathoms;
乘法。示例2-2中使用了语句feet = 6 * fathoms;来执行乘法操作，主要意思是将变量fathoms的值乘以6，然后将计算结果赋给变量feet
打印多个值。在第一条printf()语句中使用了两个替换符，替换符与变量一一对应，变量之间用逗号隔开；第二条printf()语句说明待打印的值可以不是变量，只要是合适类型的变量即可

多个函数的C程序

上面的示例中我们都只编写了main()函数，并在main()函数中调用了的printf()函数，但printf()函数是C语言提供的。在示例2-3中我们将使用自己编写的函数，并在main()函数中完成调用。

// two_func.c -- 一个文件中包含了两个函数
#include <stdio.h>

void butler(void); // C99标准的函数原型

int main(void)
{
    printf("I will summon the butler function.\n");
    butler();  // 函数调用
    printf("Yes. Bring me some tea and writeable DVDs.\n");

    return 0;
}

void butler(void) // 函数定义
{
    printf("You rang, sir?\n");
}

运行结果如下：

ch02_two_func

解析

在示例2-3中，butler()函数一共出现了三次。

函数原型，也可以称为函数声明，作用是告知编译器在程序中要使用该函数。在使用函数前，对函数进行声明是非常重要，就像变量一样，如果不进行声明，编译器在编译过程便会报错。同时，函数声明的形式也很重要，要以返回类型函数名称(函数参数);形式，注意后面的分号不能忘记
函数调用，示例中在main()函数中调用了butler()函数
函数定义，函数定义中便是函数本身的源代码

PS：何时执行函数取决于函数在main()中被调用的位置，而不取决于函数定义的位置。即使将bulter()函数定义写在main()函数之前，也不会改变程序的执行顺序，仍然是上面的执行结果

关于函数的更多详细内容请查看第九章笔记

程序中的错误

在编写程序时，很容易就会犯一些错误，程序中出现的错误被称为bugs，而找出并修正错误的过程就叫做debug

程序中出现的错误总结归为以下两类

语法错误，即不遵循C语言的语法规则。最常见的语法错误就是忘记写分号，C语言规定每条语句结尾都应该有分号，如果忘记写分号，编译器就会报错
逻辑错误，程序没有得到预期的结果，即程序中出现逻辑上的错误。比如：本来要计算a的3次方，但由于编写程序失误，计算成了a的4次方。这种情况下，程序的语法没有错误，编译器顺利编译运行，但运行后的结果出错

一般来说，编译器可以直接报出语法错误，但对于逻辑错误，编译器便没有办法了，这时候可以使用调试器debugger来协助发现逻辑错误。

笔者

第二章主要的目的是对C程序有一个简单的了解。

从这章中我学到了

C程序由一个或多个函数组成。函数是C程序的基本模块。每个C程序都有一个main()函数，程序从main()函数开始执行
C语句以分号表示结束
声明是C语言的一个重要特性。在变量和函数使用前，都要进行声明，主要作用是向编译器表明程序中要使用这个变量或函数了
学会了printf()函数；学习了int关键字，表示整型变量，可以在printf()函数中使用%d输出