C语言入门：C语言基础知识

目录

一 简介

二 C语言程序结构

B.源代码文件的基本组成（注释、预处理器指令、函数等）

1.预处理器指令 (# 开头)

2.注释

3.函数定义

4.变量声明与定义

5.输入/输出

6.声明与初始化

7.源文件结构

C.程序的生命周期（编译、链接、运行）

三 C语言基本语法元素

A.C语言的数据类型（整型、浮点型、字符型等）

1. 整型（Integer Types）

2. 浮点型（Floating-Point Types）

3. 字符型（Character Type）

B.变量声明与使用

1.变量声明

2.变量定义

变量的作用域和生命周期

变量的命名规则

3.变量的使用

4.示例

C.常量和符号常量

1.常量（Constants）：

2.符号常量（Symbolic Constants 或 Macros）：

D.运算符与表达式

运算符

表达式

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一 简介

本文将从C语言程序结构、C语言基本语法元素两个方面详细的介绍C语言的基础知识

二 C语言程序结构

B.源代码文件的基本组成（注释、预处理器指令、函数等）

C语言源代码文件的基本组成包括以下几个重要部分：

1.预处理器指令 (# 开头)

#include：用于包含其他文件（通常是头文件，包含了函数声明和类型定义），例如 #include <stdio.h>。

#define：用于定义宏，可以在编译阶段进行文本替换，也可以用于定义常量。

#ifdef, #ifndef, #else, #endif：条件编译指令，根据宏定义的存在与否来决定哪些代码块参与编译。

#pragma：用于向编译器发出某种形式的指示，具体的含义取决于编译器。

2.注释

单行注释：以 // 开始，直到行尾的所有内容都被视为注释，例如 // 这是一个单行注释。

多行注释：以 /* 开始，以 */ 结束，中间的内容被视为注释，例如：

/* 
 * 这是一个
 * 多行注释
 */

3.函数定义

C程序通常由一个或多个函数构成，每个函数由函数头部（包括返回类型、函数名和参数列表）和函数体组成。

int main() {          // 主函数，程序的入口点
    // 函数体内的代码
    return 0;         // 返回退出状态
}
 
double square(double x) { // 自定义函数示例
    return x * x;       // 函数体，计算并返回x的平方
}

4.变量声明与定义

• 变量应在使用前声明，可以在函数内部（局部变量）或外部（全局变量）定义。
• 类型声明如 int, float, char 等紧随变量名，例如 int counter;。

语句与表达式

包括赋值语句、控制流语句（如 if...else，switch，for，while，do...while 循环等）、函数调用、算术表达式等。

5.输入/输出

虽然C语言本身没有内建的输入/输出语句，但通过 <stdio.h> 中定义的函数如 printf() 和 scanf() 实现输入输出功能。

6.声明与初始化

变量声明时可以加上初始化，例如 int count = 0;。

7.源文件结构

• 每个C源文件可能包含多个函数定义和其他声明，但只有一个主函数 main()，它是程序执行的起点。
• 头文件引用（如预处理器指令 #include) 通常出现在源文件的开头部分。

总之，C语言源代码文件是一系列预处理器指令、函数定义、变量声明与初始化、表达式和控制结构的有序组合，通过编译链接最终生成可执行文件。注释贯穿在整个源代码中，用于提升代码可读性和文档化功能。

C.程序的生命周期（编译、链接、运行）

C语言程序的生命周期大致分为以下几个阶段：

1. 预处理阶段（Preprocessing）

   • 在此阶段，预处理器（cpp）对源代码进行初步处理。
   • 它处理所有的预处理器指令，比如 #include 引入头文件，展开 #define 定义的宏，执行条件编译指令等。
   • 最终生成一个扩展名为 .i 的预处理文件。

2. 编译阶段（Compilation）

   • 预处理后的文件被编译器（cc1）处理，编译器将其翻译成特定目标架构的汇编代码。
   • 编译器检查语法错误，并确保程序逻辑正确性（语义分析）。
   • 编译后的结果是一个扩展名为 .s 或 .asm 的汇编语言源文件。

3. 汇编阶段（Assembly）

   • 汇编器（as）将汇编语言代码转换为机器语言指令，即生成目标文件（Object File）。
   • 目标文件通常扩展名为 .o（Unix/Linux系统）或 .obj（Windows系统）。
   • 目标文件不仅包含机器语言代码，还包括符号表信息（如函数和变量的名字及地址）以及其他用于链接阶段的信息。

4. 链接阶段（Linking）

   • 如果程序包含多个源文件，每个源文件经过上述过程后都会得到一个目标文件。
   • 链接器（ld）将所有相关的目标文件合并在一起，解决符号引用，创建完整的可执行程序。
   • 链接过程中还会引入必要的系统库函数，确保程序调用的外部函数能被正确地定位和调用。
   • 完成后，生成的是一个可执行文件（Executable File），在Unix/Linux系统中通常扩展名为 .out 或直接命名为可执行命令，在Windows系统中则是.exe文件。

5. 运行阶段（Execution）

   • 用户通过操作系统加载并执行生成的可执行文件。
   • 当程序开始运行时，内存分配给程序使用的空间，并且程序的各个部分（代码段、数据段、堆栈等）按照预定的方式载入内存。
   • 程序从 main() 函数开始执行，直至程序正常结束或者遇到异常终止。

6. 装载阶段（Loading）

   • 在程序执行之前，操作系统负责将可执行文件加载到内存中，设置好程序计数器指向第一条要执行的指令。
   • 如果程序在运行时还需要动态加载某些模块或库，则在运行时发生动态链接。

以上就是C语言程序从源代码到可执行程序的完整生命周期。在现代集成开发环境中（IDE），这些步骤往往是自动完成并且隐藏在“构建”或“运行”按钮的背后，但对于理解底层编译原理和调试程序来说，明确每个阶段的具体工作是非常重要的。

三 C语言基本语法元素

A.C语言的数据类型（整型、浮点型、字符型等）

在C语言中，提供了多种基本数据类型，主要可以分为整型、浮点型和字符型三大类，以及其他复合类型如数组、结构体、联合体等。下面详细介绍这三大类基本数据类型：

1. 整型（Integer Types）

整型用于存储整数值，C语言中有不同大小和类型的整型变量，包括：

• int：标准整型，其大小通常足够用来表示大部分整数，但具体大小依赖于编译器和平台，一般为16位、32位或64位。
• short int 或 short：短整型，至少能够存储16位的整数。
• long int 或 long：长整型，至少与 int 类型一样大，但在一些平台上可能更大。
• long long int 或 long long：长整型的扩展形式，至少能存储64位的整数，这是C99标准新增的类型。
• unsigned 前缀：与任何整型结合使用（如 unsigned int），表示无符号整型，即该类型的变量只能存储非负整数，并且对应的正数范围比有符号整型大一倍。

2. 浮点型（Floating-Point Types）

浮点型用于存储实数，精度有限，但能表示很大或很小的数值以及小数部分：

• float：单精度浮点型，通常占用32位存储空间，精度较低，但内存占用较少。
• double：双精度浮点型，是C语言默认的浮点类型，通常占用64位存储空间，精度较高。
• long double：扩展精度浮点型，提供的精度高于 double 类型，但具体的精度和存储大小由实现决定，一般情况下占用更多字节。

3. 字符型（Character Type）

字符型用于存储单个字符，通常占8位（1字节），可以存储ASCII码或者其他字符集中的字符：

• char：字符型，除了可以存储字母、数字和其他可见字符外，还可以存储不可见字符，如控制字符。

此外，C语言还提供了枚举类型（enum）、空类型（void）以及指针类型等特殊类型。

对于每种类型，C语言都定义了它们的最大值和最小值（如果适用）。例如，limits.h 头文件中包含了各种整型的最大和最小值常量定义。同时，float.h 头文件中包含了浮点数的相关属性信息。

B.变量声明与使用

1.变量声明

变量声明是指在程序中告知编译器变量的类型和名称，但并不立即分配内存空间。声明变量的主要目的是让编译器提前知道即将使用的变量类型，以便进行类型检查和后续的编译过程。

声明变量的基本语法：

datatype variable_name;

例如：

int age;
float temperature;
char name[20];

这里分别声明了一个整型变量age、一个浮点型变量temperature和一个长度为20的字符数组name。

2.变量定义

变量定义则是不仅声明了变量的类型和名称，同时也为其分配了内存空间。在C语言中，通常声明和定义是同时进行的，除非使用了extern关键字进行外部声明。

定义变量的语法与声明相似，但如果同时初始化变量，也会视为定义：

int age = 20; // 这里既是声明也是定义，同时初始化为20

变量的作用域和生命周期

• 局部变量：在函数内部声明的变量，其作用域限于声明它的函数内部，当函数执行完毕后，局部变量的生命周期结束，内存空间会被释放。
• 全局变量：在函数外部（通常是在所有函数之上）声明的变量，其作用域是整个程序，生命周期从程序开始执行时一直持续到程序结束。

变量的命名规则

• 变量名必须以字母或下划线 _ 开始，后面可以跟字母、数字或下划线。
• 不得使用C语言的关键字作为变量名。
• 变量名区分大小写。

3.变量的使用

在声明和定义变量后，就可以在程序中使用它们进行各种操作，包括赋值、读取、传递给函数以及在表达式中使用等。

4.示例

#include <stdio.h>
 
int main() {
    int myNumber; // 声明并定义了一个整型变量myNumber
    myNumber = 10; // 给变量赋值
 
    printf("The value of myNumber is: %d\n", myNumber); // 输出变量的值
 
    char myString[] = "Hello World!"; // 声明并定义了一个字符串变量，并初始化
 
    return 0;
}

在这个例子中，myNumber 是一个整型变量，首先声明并定义，然后赋值并输出。myString 是一个字符数组（字符串）变量，声明并定义的同时进行了初始化。

C.常量和符号常量

在C语言中，常量和符号常量是用来表示程序中固定不变的值的术语。

1.常量（Constants）：

常量是程序执行过程中其值始终保持不变的数据对象。C语言中的常量分为几种类型：

1. 整型常量：如 -123、0xFF（十六进制）、022（八进制）等。
2. 实型常量（浮点数）：如 3.14、3.14f（单精度浮点数）、3.14L 或 3.14lf（双精度浮点数）。
3. 字符常量：用单引号括起来的单个字符，如 'A'、' '(空格)、'\n'（换行符）等。字符常量在内存中是以整型的形式存储其ASCII码值的。
4. 字符串常量：用双引号括起来的字符序列，如 "Hello World"。注意，字符串常量实际上是一个字符数组，末尾有一个隐含的结束符\0。

2.符号常量（Symbolic Constants 或 Macros）：

符号常量是通过预处理器（preprocessor）定义的，其特点是用一个标识符来代替一个固定的值，一旦定义后，在整个程序中该标识符就代表了这个固定值。符号常量有两种主要定义方式：

宏定义（Macro）：使用#define关键字定义，例如：

#define PI 3.14159265358979323846
#define MAX_ELEMENTS 100

这里的 PI 和 MAX_ELEMENTS 是符号常量，编译时会被相应的值替换。

const关键字定义：在C99标准以后，也可以使用const关键字定义常量，这种方式定义的常量具有类型，并在编译阶段确定其值，而不是简单地文本替换。例如：

const int MY_CONSTANT = 12345;

1. 此处的 MY_CONSTANT 是一个具有类型为 int 的常量，其值在编译时就不能再更改。

符号常量的优点在于提高代码的可读性和可维护性，当某个值在程序中多处使用时，只需修改一处定义即可更新所有引用该符号常量的地方。

D.运算符与表达式

运算符

运算符是C语言中用于执行特定操作的符号，它们可以改变、比较或合并变量和值。C语言中的运算符分为以下几类：

1. 算术运算符：

   • +（加）
   • -（减）
   • *（乘）
   • /（除）
   • %（取模或求余数）

2. 关系运算符：

   • ==（等于）
   • !=（不等于）
   • <（小于）
   • >（大于）
   • <=（小于或等于）
   • >=（大于或等于）

3. 逻辑运算符：

   • &&（逻辑与）
   • ||（逻辑或）
   • !（逻辑非）

4. 位运算符：

   • &（按位与）
   • |（按位或）
   • ^（按位异或）
   • ~（按位取反）
   • <<（左移）
   • >>（右移）

5. 赋值运算符：

   • =（简单赋值）
   • +=、-=、*=、/=、%=、<<=、>>=、&=、^=、|=（复合赋值）

6. 条件运算符（三目运算符）：

   • condition ? expr1 : expr2，根据条件condition的真假，计算并返回expr1或expr2的结果。

7. 自增自减运算符：

   • ++（前置或后置自增）
   • --（前置或后置自减）

8. sizeof运算符：

   • sizeof用于计算数据类型或变量所占内存空间的大小。

表达式

表达式是由运算符、操作数（可以是变量、常量、函数调用或其它表达式）以及括号组成的合法序列。C语言中的表达式根据运算符的优先级和结合性规则进行计算。表达式的结果可以是一个值，也可以是一个新的变量值（如赋值表达式的结果是赋值后变量的新值）。

例如：

int a = 5, b = 10;
int result;
 
// 算术表达式
result = a + b; // 结果为15
 
// 关系表达式
bool equal = a == b; // 结果为false
 
// 赋值表达式
a += b; // 相当于 a = a + b; a的值变为15
 
// 条件表达式
char grade = (score >= 90) ? 'A' : 'B'; // 根据分数给出等级
 
// 位运算表达式
int flag = a & 1; // 获取a的最低位

C语言中表达式的求值严格遵循运算符优先级和结合性规则，必要时可以通过圆括号(())来强制改变运算顺序。