C/C++学习笔记——C基础：C语言概述

什么是C语言

一提到语言这个词语，自然会想到的是像英语、汉语等这样的自然语言，因为它是人和人交换信息不可缺少的工具。

而今天计算机遍布了我们生活的每一个角落，除了人和人的相互交流之外，我们必须和计算机角落。

用什么的什么样的方式和计算机做最直接的交流呢？人们自然想到的是最古老也最方便的方式——语言，而C语言就是人和计算机交流的一种语言。

语言是用来交流沟通的。有一方说，有另一方听，必须有两方参与，这是语言最重要的功能：

• 说的一方传递信息，听的一方接收信息；
• 说的一方下达指令，听的一方遵循命令做事情。

语言是人和人交流，C语言是人和机器交流。只是，人可以不听另外一个人，但是，计算机是无条件服从。

语言有独特的语法规则和定义，双方必须遵循这些规则和定义才能实现真正的交流。

计算机介绍

计算机结构组成

计算机系统组成

程序和指令

• 指令是对计算机进行程序控制的最小单位。
• 所有的指令的集合称为计算机的指令系统。
• 程序是为完成一项特定任务而用某种语言编写的一组指令序列。

语言发展历程

机器语言

计算机的大脑或者说心脏就是CPU，它控制着整个计算机的运作。每种CPU，都有自己的指令系统。这个指令系统，就是该CPU的机器语言。

机器语言是一组由0和1系列组成的指令码，这些指令码，是CPU制作厂商规定出来的，然后发布出来，请程序员遵守。

要让计算机干活，就得用机器语言(二级制数)去命令它。这样的命令，不是一条两条，而是上百条。而且不同型号的计算机其机器语言是不相通的，按着一种计算机的机器指令编制的程序，不能在另一种计算机上执行。

汇编语言和编译器

机器语言编程是不是很令人烦恼呢，终于出现了汇编语言，就是一些标识符取代0与1。一门人类可以比较轻松认识的编程语言。

只是这门语言计算机并不认识，所以人类还不能用这门语言命令计算机做事情。这正如如何才能让中国人说的话美国人明白呢？——翻译！

所以，有一类专门的程序，既认识机器语言，又认识汇编语言，也就是编译器，将标识符换成0与1，知道怎么把汇编语言翻译成机器语言。

高级语言

汇编语言和机器语言都是面向机器的，机器不同，语言也不同。既然有办法让汇编语言翻译成机器语言，难道就不能把其他更人性化的语言翻译成机器语言？

1954年，Fortran语言出现了，其后相继出现了其他的类似语言。这批语言，使程序员摆脱了计算机硬件的限制，把主要精力放在了程序设计上，不在关注低层的计算机硬件。这类语言，称为高级语言。

同样的，高级语言要被计算机执行，也需要一个翻译程序将其翻译成机器语言，这就是编译程序，简称编译器。
这类高级语言解决问题的方法是分析出解决问题所需要的步骤，把程序看作是数据被加工的过程。基于这类方法的程序设计语言成为面向过程的语言。C语言就是这种面向过程的程序设计语言。

语言的层次

语言进化史

为什么要学习C语言

C语言特点

1. 优点

• 代码量小
• 执行速度快
• 功能强大
• 编程自由

2. 缺点

• 写代码实现周期长
• 可移植性较差
• 过于自由，经验不足易出错
• 对平台库依赖较多

学习C语言理由

C语言应用领域

C语言的应用极其广泛，从网站后台，到底层操作系统，从多媒体应用到大型网络游戏，均可使用C语言来开发：

• C语言可以写网站后台程序
• C语言可以专门针对某个主题写出功能强大的程序库
• C语言可以写出大型游戏的引擎
• C语言可以写出另一个语言来
• C语言可以写操作系统和驱动程序，并且只能用C语言编写
• 任何设备只要配置了微处理器，就都支持C语言。从微波炉到手机，都是由C语言技术来推动的
  

C语言的简洁

C语言仅有32个关键字，9种控制语句，34种运算符，却能完成无数的功能：

学习C语言的常见困惑

第一个C语言程序：HelloWorld

编写C语言代码：hello.c

#include <stdio.h>

int main()
{
	//这是第一个C语言代码
	printf("hello world\n");

	return 0;
}

C语言的源代码文件是一个普通的文本文件，但扩展名必须是.c。

1.5.2 通过gcc编译C代码

1. gcc编译器介绍

编辑器(如vi、记事本)是指我用它来写程序的（编辑代码），而我们写的代码语句，电脑是不懂的，我们需要把它转成电脑能懂的语句，编译器就是这样的转化工具。就是说，我们用编辑器编写程序，由编译器编译后才可以运行！
编译器是将易于编写、阅读和维护的高级计算机语言翻译为计算机能解读、运行的低级机器语言的程序。
gcc（GNU Compiler Collection，GNU 编译器套件），是由 GNU 开发的编程语言编译器。gcc原本作为GNU操作系统的官方编译器，现已被大多数类Unix操作系统（如Linux、BSD、Mac OS X等）采纳为标准的编译器，gcc同样适用于微软的Windows。

gcc最初用于编译C语言，随着项目的发展gcc已经成为了能够编译C、C++、Java、Ada、fortran、Object C、Object C++、Go语言的编译器大家族。

编译命令格式：

gcc [-option1] ... <filename>
g++ [-option1] ... <filename>

• 命令、选项和源文件之间使用空格分隔
• 一行命令中可以有零个、一个或多个选项
• 文件名可以包含文件的绝对路径，也可以使用相对路径
• 如果命令中不包含输出可执行文件的文件名，可执行文件的文件名会自动生成一个默认名，Linux平台为a.out，Windows平台为a.exe

gcc、g++编译常用选项说明：

选项	含义
-o file	指定生成的输出文件名为file
-E	只进行预处理
-S(大写)	只进行预处理和编译
-c(小写)	只进行预处理、编译和汇编

2. Linux平台下编译代码

• gcc warning的意思是警告，是有问题，但不影响编译
• error是错误，如果遇到error，那么就不能编译了

3. Windows平台下gcc环境配置
   windows命令行界面下，默认是没有gcc编译器，我们需要配置一下环境。由于我们安装了Qt，Qt是一个集成开发环境，内部集成gcc编译器，配置一下环境变量即可使用gcc。
   a)进入Qt安装目录：
   
   b)拷贝gcc所在的路径（不同安装目录有所差异）
   C:\Qt\Qt5.5.0\Tools\mingw492_32\bin
   
   c) 设置windows环境变量
   计算机（右击）－> 属性：
   
   
   
   如果是win7，双击Path后，把拷贝的路径追加到后面，路径之间需要英文” ; ”分隔：
   
   如果是win10，界面做得友好一下，新建添加路径即可：
   
   d)测试gcc命令：
   
   

4. Windows平台下编译代码
   
   

4. 注意事项
   Linux编译后的可执行程序只能在Linux运行，Windows编译后的程序只能在Windows下运行。

64位的Linux编译后的程序只能在64位Linux下运行，32位Linux编译后的程序只能在32位的Linux运行。

64位的Windows编译后的程序只能在64位Windows下运行，32位Windows编译后的程序可以在64位的Windows运行。

代码分析

1. include头文件包含

• #include的意思是头文件包含，#include <stdio.h>代表包含stdio.h这个头文件
• 使用C语言库函数需要提前包含库函数对应的头文件，如这里使用了printf()函数，需要包含stdio.h头文件
• 可以通过man 3 printf查看printf所需的头文件

#include< > 与 #include ""的区别：

• < > 表示系统直接按系统指定的目录检索
• “” 表示系统先在 “” 指定的路径(没写路径代表当前路径)查找头文件，如果找不到，再按系统指定的目录检索
  stdio.h是在操作系统的系统目录下：
  

2. main函数

• 一个完整的C语言程序，是由一个、且只能有一个main()函数(又称主函数，必须有)和若干个其他函数结合而成（可选）。
• main函数是C语言程序的入口，程序是从main函数开始执行。

3. {} 括号，程序体和代码块

• {}叫代码块，一个代码块内部可以有一条或者多条语句
• C语言每句可执行代码都是";"分号结尾
• 所有的#开头的行，都代表预编译指令，预编译指令行结尾是没有分号的
• 所有的可执行语句必须是在代码块里面

4. 注释

• //叫行注释，注释的内容编译器是忽略的，注释主要的作用是在代码中加一些说明和解释，这样有利于代码的阅读
• /**/叫块注释
• 块注释是C语言标准的注释方法
• 行注释是从C++语言借鉴过来的

5. printf函数

• printf是C语言库函数，功能是向标准输出设备输出一个字符串
• printf(“hello world\n”);//\n的意思是回车换行

6. return语句

• return代表函数执行完毕，返回return代表函数的终止
• 如果main定义的时候前面是int，那么return后面就需要写一个整数；如果main定义的时候前面是void，那么return后面什么也不需要写
• 在main函数中return 0代表程序执行成功，return -1代表程序执行失败
• int main()和void main()在C语言中是一样的，但C++只接受int main这种定义方式

system函数

system函数的使用

#include <stdlib.h>
int system(const char *command);
功能：在已经运行的程序中执行另外一个外部程序
参数：外部可执行程序名字
返回值：
成功：不同系统返回值不一样
失败：通常是 - 1

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	//system("calc"); //windows平台
	system("ls"); //Linux平台, 需要头文件#include <stdlib.h>

	return 0;
}

system返回值不同系统结果不一样

C语言所有的库函数调用，只能保证语法是一致的，但不能保证执行结果是一致的，同样的库函数在不同的操作系统下执行结果可能是一样的，也可能是不一样的。

在学习Linux发展史时，我们得知Linux的发展离不开POSIX标准，只要符合这个标准的函数，在不同的系统下执行的结果就可以一致。

Unix和linux很多库函数都是支持POSIX的，但Windows支持的比较差。
如果将Unix代码移植到Linux一般代价很小，如果把Windows代码移植到Unix或者Linux就比较麻烦。

Qt图形界面调用system

void Widget::on_pushButton_clicked()
{
    //system("calc"); //需要头文件：#include <stdlib.h>
    WinExec("calc", SW_NORMAL); //需要头文件：#include <windows.h>
}

void Widget::on_pushButton_2_clicked()
{
    system("notepad");
}

void Widget::on_pushButton_3_clicked()
{
    system("mmc");
}

MFC图形界面调用system

void CvssystemDlg::OnBnClickedButton1()
{
	// TODO:  在此添加控件通知处理程序代码
	//WinExec("calc", SW_NORMAL); 需要头文件：#include <windows.h>
	system("calc"); //需要头文件：#include <stdlib.h>
}

void CvssystemDlg::OnBnClickedButton2()
{
	// TODO:  在此添加控件通知处理程序代码
	//WinExec("notepad", SW_NORMAL);
	system("notepad");
}

C语言编译过程

C程序编译步骤

C代码编译成可执行程序经过4步：
1）预处理：宏定义展开、头文件展开、条件编译等，同时将代码中的注释删除，这里并不会检查语法
2）编译：检查语法，将预处理后文件编译生成汇编文件
3）汇编：将汇编文件生成目标文件(二进制文件)
4）链接：C语言写的程序是需要依赖各种库的，所以编译之后还需要把库链接到最终的可执行程序中去

gcc编译过程

1. 分步编译

预处理：gcc -E hello.c -o hello.i
编  译：gcc -S hello.i -o hello.s
汇  编：gcc -c hello.s -o hello.o
链  接：gcc    hello.o -o hello_elf

选项	含义
-E	只进行预处理
-S(大写)	只进行预处理和编译
-c(小写)	只进行预处理、编译和汇编
-o file	指定生成的输出文件名为 file

文件后缀	含义
.c	C 语言文件
.i	预处理后的 C 语言文件
.s	编译后的汇编文件
.o	编译后的目标文件

2) 一步编译
gcc hello.c -o demo（还是经过：预处理、编译、汇编、链接的过程）：

查找程序所依赖的动态库

1）Linux平台下，ldd(“l”为字母) 可执行程序：

2）Windows平台下，需要相应软件(Depends.exe)：

CPU内部结构与寄存器(了解)

64位和32位系统区别

• 寄存器是CPU内部最基本的存储单元
• CPU对外是通过总线(地址、控制、数据)来和外部设备交互的，总线的宽度是8位，同时CPU的寄存器也是8位，那么这个CPU就叫8位CPU
• 如果总线是32位，寄存器也是32位的，那么这个CPU就是32位CPU
• 有一种CPU内部的寄存器是32位的，但总线是16位，准32位CPU
• 所有的64位CPU兼容32位的指令，32位要兼容16位的指令，所以在64位的CPU上是可以识别32位的指令
• 在64位的CPU构架上运行了64位的软件操作系统，那么这个系统是64位
• 在64位的CPU构架上，运行了32位的软件操作系统，那么这个系统就是32位
• 64位的软件不能运行在32位的CPU之上

寄存器名字(了解)

8位	16位	32位	64位
A	AX	EAX	RAX
B	BX	EBX	RBX
C	CX	ECX	RCX
D	DX	EDX	RDX

寄存器、缓存、内存三者关系

按与CPU远近来分，离得最近的是寄存器，然后缓存(CPU缓存)，最后内存。

CPU计算时，先预先把要用的数据从硬盘读到内存，然后再把即将要用的数据读到寄存器。于是 CPU<—>寄存器<—>内存，这就是它们之间的信息交换。

那为什么有缓存呢？因为如果老是操作内存中的同一址地的数据，就会影响速度。于是就在寄存器与内存之间设置一个缓存。

因为从缓存提取的速度远高于内存。当然缓存的价格肯定远远高于内存，不然的话，机器里就没有内存的存在。

由此可以看出，从远近来看：CPU〈—〉寄存器〈—> 缓存 <—> 内存。

汇编语言

VS中C语言嵌套汇编代码(了解)

#include <stdio.h>

int main()
{
	//定义整型变量a, b, c
	int a;
	int b;
	int c;

	__asm
	{
		mov a, 3	//3的值放在a对应内存的位置
		mov b, 4	//4的值放在a对应内存的位置
		mov eax, a	//把a内存的值放在eax寄存器
		add eax, b	//eax和b相加，结果放在eax
		mov c, eax	//eax的值放在c中
	}
	
	printf("%d\n",  c);//把c的值输出

	return 0;//成功完成
}

VS反汇编

#include <stdio.h>

int main()
{
	//定义整型变量a, b, c
	int a;
	int b;
	int c;

	a = 3;
	b = 4;
	c = a + b;
	
	printf("%d\n",  c);//把c的值输出

	return 0;//成功完成
}

1)设置断点F9

2)选择反汇编按钮

3)根据汇编代码分析程序

集成开发环境IDE

集成开发环境（IDE，Integrated Development Environment ）是用于提供程序开发环境的应用程序，一般包括代码编辑器、编译器、调试器和图形用户界面工具。集成了代码编写功能、分析功能、编译功能、调试功能等一体化的开发软件服务套。所有具备这一特性的软件或者软件套（组）都可以叫集成开发环境。

Qt Creator

Qt Creator是跨平台的 Qt IDE， Qt Creator 是 Qt 被 Nokia 收购后推出的一款新的轻量级集成开发环境（IDE）。此 IDE 能够跨平台运行，支持的系统包括 Linux（32 位及 64 位）、Mac OS X 以及 Windows。根据官方描述，Qt Creator 的设计目标是使开发人员能够利用 Qt 这个应用程序框架更加快速及轻易的完成开发任务。

快捷键	含义
Ctrl + i	自动格式化代码
Ctrl + /	注释/取消注释
Alt + Enter	自动完成类函数定义
F4 .h	文件和对应.cpp 文件切换
F9	设置断点
F5	调试运行
Ctrl + r	编译，但不调试运行
Ctrl + b	编译，不运行
F10	next调试
F11	step调试

Microsoft Visual Studio

Microsoft Visual Studio（简称VS）是美国微软公司的开发工具包系列产品。VS是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代码管控工具、集成开发环境(IDE)等等,所写的目标代码适用于微软支持的所有平台。Visual Studio是目前最流行的Windows平台应用程序的集成开发环境。

1. VS常用快捷键

快捷键	含义
Ctrl + k,Ctrl + f	自动格式化代码
Ctrl + k,Ctrl + c	注释代码
Ctrl + k,Ctrl + u	取消注释代码
F9	设置断点
F5	调试运行
Ctrl + F5	不调试运行
Ctrl + Shift + b	编译，不运行
F10	next调试
F11	step调试

2. VS2013的C4996错误
   由于微软在VS2013中不建议再使用C的传统库函数scanf,strcpy,sprintf等，所以直接使用这些库函数会提示C4996错误：
   
   VS建议采用带_s的函数，如scanf_s、strcpy_s，但这些并不是标准C函数。

要想继续使用此函数，需要在源文件中添加以下指令就可以避免这个错误提示：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS     //这个宏定义最好要放到.c文件的第一行
#pragma warning(disable:4996)	//或者使用这个