编程基础知识(计算机专业：老师也许会跳过的 C 语言基础知识，赶紧补上一课)

对于理工科新生，C语言这是一道不可逾越的障碍。在进入大学之前，许多人根本没有接触过与编程相关的内容，这导致这门课程的接受能力低，学习难度大。下面是一些内容的总结，这些内容在课堂上可能不会详细解释，但对于理解C语言更为重要，以供参考和讨论。

首先，让我们讨论一些基本内容。由于学校的教学时间有限，且每节课的时间相对较短，因此有必要在进入具体教学之前进行介绍链接，而且不会花费太多笔墨。大多数时候，我甚至告诉我的同学如何安装它IDE、如何创建一个新的文件，保存，编译和运行它，但它不会告诉学生为什么这样做，以及他们在每一步后面做了什么。为了解决这些问题，我们首先需要知道一些事情编程语言让我们从分类开始。

事实上，编程语言有很多分类方法。首先，它们可以分为高级语言和低级语言高级语言有很多种，下面将介绍。

首先，它可以根据高级和低级分为机器语言（汇编语言）和其他语言。高级语言有很多种类。让我们先谈谈低级语言。

机器语言仅由0和1组成。它是一种可以被计算机硬件直接理解的语言。不同的体系结构——如arm、x86、risc-v等——有不同的机器语言。机器语言可以直接操作处理器操作码计算机中有相应的电路。

汇编语言是在机器语言基础上诞生的语言。每条语句都对应于机器语言中的操作代码，可以直接翻译成机器语言。它存在的意义在于程序员很容易理解它。

上图：汇编语言和机器语言的比较

举个简单的例子：如果你想加两个数字，比如2+3，那么机器语言可能是000000110000001000000011（为了方便起见，这里添加了空格。在实际的机器语言中没有空格，只有0和1，机器代码由个人组成，只是用作示例，而不是某个架构实际使用的机器代码），虽然它是用汇编语言编写的ADD2，但这是一种更容易理解的方式。当然，汇编语言远不止这些，但由于本文不主要介绍汇编语言，因此不会深入讨论。

然而，汇编语言仍然非常复杂，并且有很多限制。一旦你需要编写一些复杂的函数或算法操作，很容易在编写后无法自己阅读。我在学习微机原理我写了一个课程项目。要求用89C51单片机编写一段摇计数代码，不包括驱动液晶屏的代码。总共只有四五百行，但有将近三百行的笔记是为了理解而写的。虽然我不擅长编译有一些原因，但可以看出它的复杂性。

因此，显然不可能用机器语言或汇编语言编写复杂的代码。这时，高级语言应运而生。下面简要介绍高级语言及其分类。

其次，通过语言翻译介绍了分类。以三种非常流行的语言为例，它们是C语言、Python和Java。

因为所有编写的代码最终都会变成机器语言来执行，不同的语言最终会达到相同的目的。只有通过不同的方式，不同类型的语言才能转换回汇编语言和机器语言。这里，我们首先介绍以C语言为代表的编译语言。

编译语言顾名思义就是通过编译将代码翻译成机器语言，然后执行。因此，代码将在执行之前先编译。当老师授课时，他会告诉学生，他们必须单击编译，然后单击执行，或者单击编译并执行。这就是为什么。编译器将调用现成的编译器来分析、优化和处理代码。由于空间原因，此过程在此不再重复。简而言之，在C代码被编译为Exe（在Windows下）或Out（在MacOS下）后，所写的内容将被总结可执行文件。

在编译C语言之前

C语言编译后

在这里，您可以控制编译器生成汇编语言文件。你可以看到两者之间的差距

上图：C语言和相应的汇编语言

显然，C版本更容易理解。

虽然编译后的语言会在执行前进行分析和优化，运行速度非常快，但对于大型程序来说，编译时间也会非常长。那么，您可以不编译就直接运行它吗？答案显然是肯定的。这是一种解释性语言，比如python。

对于解释语言，编译器将不用于翻译，最终生成机器语言的可执行文件以供执行。它将调用解释器，逐行翻译源文件，实时将每一行翻译成机器代码并执行。这样，就不需要编译，并且大大减少了执行前的准备时间。然而，由于解释器没有优化代码，每次都需要从头开始解释，因此执行效率不如编译语言。

编译语言还有另一个问题。如上所述，每个体系结构都有一种独特的机器语言，而编译过程就是将代码翻译成机器语言的过程，这导致每次编译生成的文件只能在特定的平台上运行。你能编译一次并在整个平台上运行吗？显然，这也是可能的。这是一种混合语言，比如Java。

这类语言也需要编译，但编译后生成的不是机器代码，而是字节码。通常，这种语言会被转换成机器代码，以便在运行时执行，或者由虚拟机直接解释和执行。因为它被编译成字节码而不是机器码，所以编译后的执行文件对于整个平台来说是通用的。

在学习C语言时，许多学生可能会想，数据类型的用途是什么？为了理解这个问题，让我们先看看数据是如何存储的。

在内存中，所有数据都将二进制的用于存储，即01001和其他形式。这些数据只有0和1，表达的含义是人为指定的。

通常，第一位被视为符号位，即0位为正，1位为负。然而，如果我想让第二位代表符号位，它也完全符合规定，但所有涉及操作的代码都必须重写。数据类型用于指定每个位的含义。

例如，在32位系统中，对于int类型，第一位表示符号，最后31位表示特定值。为了float就类型而言，尽管第一位也代表一个符号，但其余31位的含义与int类型不同。接下来的8个数字是指数字，其余的是尾数，即科学计数表示法是尾数*（2^索引）。这里使用2的原因是计算机中的所有数据都是以二进制而不是十进制存储的。

上图：float式存储方法

这里，使用10000001000100000000000000000000000来显示float类型的具体计算。理解这一段需要一些简单的步骤二进制转换，如果没有，建议自己学习。通过二进制计算器，很容易得到它对应的十进制数是1094975488。

对于float类型，其指数为10000001，即129，然后根据规定减去127，得到其指数2。对于尾数，因为它必须以1开头，所以第一个1将被省略。因此，它的尾数实际上是1000000000000000000，即1.0001*（2^2），转换成4.25的十进制。

如果只想添加这两种类型的数据而不指定数据类型，程序集将直接添加位，即添加每个对应的0或1，并添加前一位的进位。这个计算将得到10000001000100000000000000000，这显然不是我们想要的1094975492.25。

如果未指定数据类型，计算将得到错误答案。可以看出，对于内存中无意义的二进制数字符串，我们可以通过指定每个位的含义来获得不同的结果。

许多学生可能也有这样的疑问，为什么它只是一个整数短的，Int、Lang、浮点数、Jet-Li、double和偶数字符类型对应于Int类型？int和double还不够吗？

由于现在计算机内存普遍充足，不太可能遇到内存空间不足的问题。因此，可以直接选择高精度数据类型进行存储和计算。然而，多年前，或者在嵌入式领域，在存储空间非常紧张的情况下，不同数据类型之间出现了差距。

在这种情况下，每一点都是宝贵的。因此，程序员将尽最大努力优化存储空间的使用。如果他们能使用低精度，他们就不会使用高精度。

和浮点数根据上面对存储模式的解释，精度越高，它所能代表的大小就越小。因此，当以高精度要求表示大数据时，有必要使用高精度数字。相反，它可以节省空间，但精度较低。由于float表达的准确度非常低，建议在学校里写C程序如无特殊要求，应采用双联式。

和烧焦类型是特殊的，可以用整数类型转换。在MCU和其他环境中，由于存储空间有限，我们更喜欢使用char，一种只消耗一个字节的数据类型，而不是更大的数据类型，如int。此外，char通常用于表示字符，因此如果您想表示，例如'；A'；这种类型的字符数据通常是char类型的。字符类型将在后面的字符串部分中提到。

然而，短类型不一定比int类型占用更少的空间，长类型也不一定比int表示具有更高的精度。这一切都取决于编译器（只有2<；=short<；=int<；=long是兼容的）。因此，如果你真的需要它，你可以使用char来减少消耗，而不是short。

上图：不同操作系统下数据类型的大小

可以看出，虽然常用的数据类型很少，但其他类型也有其存在的意义。它们不能被使用，但不能缺席。一旦确定了数据类型，就可以确定内存中分配的变量的大小和每个位的含义。

了解数据类型，然后就可以定义数组了。数组是由一定数量的相同数据类型的变量组成的数据结构，也就是说，一个数组可以由一定数量的其他数组组成，这些数组也可以由数组组成，形成玩偶。

在C语言中，数组的长度和数据类型必须在定义时显式指定，而在其他一些语言中，如Java和python，数组的长度可以连续扩展，但在C语言中无法做到这一点。为什么？这需要从如何在内存中生成数组开始。

当编译器创建一个大的数据数组时，它可以根据C语言所需的特定数据类型计算数组的长度。在这一步中，编译器可以计算它需要在数组中占用多少数据，一个数组是在一个连续的空间中生成的。但为什么是连续的空间而不是间歇性的？

访问阵列时，首先会找到其内存地址。创建数组时，数组的变量名实际上是指向数组第一项的指针（后面将讨论）。然后，根据特定的访问项，例如项n，该地址将添加n*sizeof（数据类型），并且可以直接找到该项的内存地址。因此，阵列在生成时需要应用连续内存地址，否则无法实现如此高效的访问速度。

所以问题来了：为什么其他语言可以扩展数组的长度，并通过变量初始化数组，而不是通过常量指定数组？

实际上，在最低的实现中，它们还将指定一个特定的值来生成数组，其原理与C语言完全相同。但是，当需要更长的阵列时，将应用更长的连续内存空间来存储新阵列，并且原始的旧阵列将在过去完全复制。当然，各种语言都会有一些优化，应用空间会略大于所需空间，以防止重复复制，降低运营效率。

上图：数组的动态扩展

由于C语言的数组是最原始的数组，因此该语言本身不会应用新地址、复制旧数组等操作，因此需要在初始化期间指定长度。

另一个在开始学习时很难理解的概念是指针。让我们看看指针是什么。指针是一个存储内存地址的变量，也就是说，它可以直接访问和操作内存。

上图：指针图

在图中，a代表一个值为100的整数变量，它存储在内存中0x0010的地址中。因此，可以定义指向该地址的指针x。可以理解，地址0x0010存储在X中，访问该指针相当于访问该地址。这就引出了一个问题：既然指针存储地址并访问地址，为什么要定义类型？

原因很简单，因为需要取出地址的特定存储值。如前所述，数据类型决定了数据的大小以及每个位所代表的内容。因此，要获取存储在地址中的值，必须知道其数据类型。这就是为什么在用C语言定义指针时应该指定数据类型，指示存储数据的内存地址的特定数据类型。

指针也与数组密切相关。定义数组时，取的名称是指向数组第一个元素的指针，也就是说，要访问数组a中的[0]，可以直接访问*a。通过类比，可以通过访问*（a+1），*（a+2）访问a[1]，a[2]。这是因为在定义数组时指定了数据类型。因此，这里的+1不是一个简单的加法，而是一个sizeof（a[0]）被添加到指针存储的地址中（这里的sizeof用于获取存储期间变量使用的内存大小）。从NicholasTse可以看出，如果每个int类型占用4个字节，那么每次+1都会再次访问内存地址+4。

需要注意的是，以这种方式访问数组会导致数组越界的问题。换句话说，如果定义了长度为n的数组，但n+1位是通过*（a+n）访问的，C语言将不会有任何错误提示，只会返回存储在内存地址中并根据定义的数据类型计算的值。在许多情况下，不可能判断它是否超出范围，因此以这种方式访问时需要小心。

此外，尽管数组名是指针，但它是一个常量，因此不能为其赋值。

如前所述，chartype主要用于表示字符。字符串由字符组成，其底层是由char类型的变量组成的数组。因此，字符串可以通过char*或char[]生成。赋值时，可以通过数组或直接通过双引号逐字符赋值。

在其他一些编程语言中，会有一个数据类型字符串来表示该字符串，但在C语言中不会。因此，字符串的处理相当于字符数组的处理。

在处理字符串时，应该注意数组长度包含最后的0，以及斯特伦功能不起作用。此外，如果以数组的方式逐个添加字符，而不在末尾添加0，则字符串中的数据将是错误的，因为数组是越界的。为了防止这种错误，最好通过双引号直接赋值。此外，无论字符数组有多长，第一次出现的0代表字符串的结尾。

由于char实际上是一个数字，所以在解决大小写转换等问题时，可以用+-32来解决。这里来自ASCII码表，每个数字对应一个字符。代码表在互联网上很容易找到。如果不记得具体的大小，可以通过格式化输出%d直接查看相应的数字。如果不记得大小写和大小写之间的差异是32，可以使用'；a'；-'A'；等它来的时候就凑合着吧。

教师可能不会关注语法格式，但事实上，好的格式可以显著提高代码的可读性，促进理解和发现错误。

首先，根据C99标准，main函数应定义为intmain（无效的){...}或者intmain（int-argc，char*argv[]）{…}。前者更常用于当前的学习阶段，在这个阶段，空白通常可以省略。然而，最后一次返回是0；可以省略。如果未写入，则默认返回0。有些老师或书可能会写空，或者一定要写返回0；明确地这些都是错误的。具体标准参见标准文件。

main函数定义

上图：main函数的返回值

压痕和直线进给的使用也很重要。{和}应该在一行上，并且包的内容应该缩进一次。此外，不管if语句还是for语句，如果大括号中只有一个语句，许多老师都会去掉大括号，把它写在一行上。这不是一个好习惯。你仍然应该换行，添加大括号和缩进，以便于阅读和后续修改。

您可以使用联机格式，或阿斯泰尔和其他格式化软件来格式化代码。

除了上面老师可能一笔带进来的内容之外，我在编程中还学到了一些小tips：

Warning（敲门代码是一个不容忽视的警告）

我希望所有读过这篇文章并需要学习C语言的学生都能学好这门课程并取得好成绩。

对于那些准备成为一名优秀程序员的人来说，如果你想更好地提高你的核心编程能力（内部技能），让自己成为一名拥有真实素材的强大程序员，你最好现在就开始！C/C++，一种永恒的编程语言~

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