對理工科新生來說，C語言是隱藏不了的坎。因為進入大學之前很多人根本沒有接觸過編程相關的內容，所以對這門課的接受能力普遍較低，學習起來也非常困難。

這里就總結一些可能在課堂上老師不會詳細講解，但是對于理解 C 語言個人感覺比較重要的一些內容，供大家參考討論。

首先我們來討論一些基礎的內容。由于學校教學時長是有限的，每節(jié)課的時間也比較短，因此在進入具體教學前的緒論環(huán)節(jié)，并不會花費過多的筆墨。很多時候，甚至只會告訴同學如何安裝 IDE、如何新建文件、保存、編譯并運行，但不會告訴同學們?yōu)槭裁匆@么做，每一步背后到底都干了些什么。要搞清楚這些問題，首先需要知道一些編程語言的基本知識，我們從分類講起。

編程語言怎么分類？

編程語言的分類其實有很多種分類方法，首先可以將其分為高級語言與低級語言，而高級語言之中又有著非常多的種類，這些將在下面進行介紹。

高級語言與低級語言

首先按照高級低級來區(qū)分，可以分為機器語言（匯編語言）和其他。高級語言的分類較多，這邊先簡單聊一聊低級語言。

機器語言僅由 0 和 1 組成，是計算機硬件能夠直接理解的語言。不同的架構——如我們熟知的 ARM，x86，RISC-V 等架構——都有著不同的機器語言。機器語言能夠直接操作處理器，其操作碼在計算機內都有著對應的電路來完成。

匯編語言是在機器語言的基礎上誕生的一種語言，每一條語句都與機器語言中的操作碼一一對應，能夠直接翻譯到機器語言。其存在的意義就是能夠方便程序員理解。

上圖：匯編語言與機器語言對比

舉一個簡單的例子：如果想要讓兩個數(shù)進行加法運算，例如計算 2+3 ，那么使用機器語言可能就是 00000011 00000010 00000011 （這里為了方便加入了空格，實際的機器語言中不存在空格，只有 0 和 1 ，且該機器碼為個人杜撰，僅作為例子使用，并非某一架構實際所使用的機器碼），而用匯編語言寫起來則是 ADD 2, 3 這樣較為便于理解的方式。當然，匯編語言可不止這么簡單，不過由于本文并非主要介紹匯編語言，因此就不進行深入討論了。

盡管如此，匯編語言依然非常復雜，而且限制頗多，一旦需要寫一些復雜功能，或是算法運算，很容易寫完后連自己都讀不懂。我在學習微機原理時，寫過一個課程項目，要求是用匯編為 89C51 單片機寫一段搖一搖計數(shù)的代碼，剔除驅動 LCD 屏的代碼，總共不過四五百行，卻又寫了近三百行注釋以便理解。雖然其中有我對于匯編不夠熟練的緣故，但其繁復程度可見一斑。

由此可見，顯然不太可能用機器語言或是匯編語言來進行復雜代碼的編寫。這時高級語言就應運而生。下面就簡單介紹一下高級語言以及其分類。

編譯型、解釋型與混合型

接下來介紹通過語言的翻譯方式來進行的分類，以三種目前非常流行的語言為例，分別為 C 語言，Python 以及 Java。

由于所有寫的代碼最終都會變成機器語言才能執(zhí)行，因此不同的語言最終也會殊途同歸，翻譯回匯編和機器語言，只是不同類型的語言翻譯的方式不同而已。這邊首先介紹 C 語言為代表的編譯型語言。

編譯型語言，顧名思義，就是通過編譯將代碼翻譯到機器語言，再進行執(zhí)行，因此執(zhí)行前會首先將代碼進行編譯，這一步在老師教學的時候，會告訴同學們必須要先點擊編譯再點擊執(zhí)行，或點擊編譯并執(zhí)行，其原因就在這里。編譯會調用現(xiàn)成的編譯器對代碼進行分析，優(yōu)化，處理，其中的過程在這里由于篇幅原因也不過多贅述了，總之最后會將所寫的 .c 代碼編譯為以 .exe（Windows 下）或 .out （macOS 下）結尾可執(zhí)行文件。

C 語言編譯前

C 語言編譯后

這里可以控制編譯器生成匯編語言文件，可以看一下兩者的差距

上圖：C 語言與對應匯編語言

顯然 C 語言的版本更容易理解。

編譯型語言雖然在會在執(zhí)行前進行分析優(yōu)化，運行起來速度也非?？?，但對于大型程序來說，編譯耗時也會非常長。那么能否不進行編譯而直接運行呢？答案顯然是可以的，這就是解釋型語言，如 Python。

對于解釋型語言，將不會使用編譯器進行翻譯，最終生成機器語言的可執(zhí)行文件，再進行執(zhí)行。它會調用解釋器，逐行翻譯源文件，將每一行實時翻譯到機器碼并執(zhí)行。如此一來，就不需要進行編譯，執(zhí)行前的準備時間大大減少。但是由于解釋器并不會對代碼進行優(yōu)化，而且每次運行時都需要從頭解釋一遍，導致執(zhí)行效率不如編譯型語言。

編譯型語言還存在另一個問題。根據(jù)前文所提到的，每種架構都有獨特的機器語言，而編譯的過程就是將代碼翻譯為機器語言的過程，這就導致每次編譯生成的文件都只能在特定平臺上運行。那能不能做到一次編譯，就能在全平臺運行呢？顯然這也是可以的。這就是混合型語言，如 Java。

這類語言同樣需要編譯，但是編譯后生成的并非機器碼，而是字節(jié)碼。通常這類語言在運行時會再轉換成機器碼執(zhí)行，或直接由虛擬機解釋執(zhí)行。由于編譯到字節(jié)碼而非機器碼，因而編譯得到的執(zhí)行文件是全平臺通用的。

指定數(shù)據(jù)類型

許多同學在學習 C 語言的時候可能會疑惑，數(shù)據(jù)類型到底有什么用？要理解這個問題，我們先來看看數(shù)據(jù)是怎么存儲的。

數(shù)據(jù)類型的意義

在內存中，所有數(shù)據(jù)都會被以二進制進行存儲，即 01001001 等形式。這些數(shù)據(jù)僅僅只是 0 和 1 而已，所表達的意義都是人為規(guī)定的。

通常，第一位會被視為符號位，即 0 位正， 1 為負。然而，如果我希望第二位來表示符號位，也完全是符合規(guī)定的，只是所有涉及到運算的代碼都要重寫罷了。而數(shù)據(jù)類型就是用來規(guī)定每一位所代表的意義。

舉個例子，在 32 位系統(tǒng)中，對于 int 類型而言，第一位表示符號，后 31 位表示具體的值。而對于 float 類型而言，盡管第一位也表示符號，但剩下的 31 位與 int 類型所表示的意義就不同了。緊接著的 8 位是指數(shù)位，剩下的是尾數(shù)，即使用科學計數(shù)法表示為 尾數(shù) * (2 ^ 指數(shù)) 。這里是 2 的原因是計算機中所有數(shù)據(jù)都是二進制存儲的，而非十進制。

上圖：float 類型存儲方式

這里用 0 10000010 00010000 00000000 0000000 來展示一下 float 類型的具體計算。理解這段需要會一些簡單的進制轉換，如果不會建議自學一下。通過二進制計算器，可以很容易得到它對應的十進制數(shù)是 1094975488 。

對于 float 類型來說，其指數(shù)為 10000010 ，即 129 ，再根據(jù)規(guī)定減去 127 ，最終得到其指數(shù)為 2 。對于尾數(shù)而言，由于一定由 1 開頭，因此最開始的這位 1 會被省略，因此其尾數(shù)實際為 10001000 00000000 00000000 ，即為 1.0001 * (2 ^ 2) ，換算成十進制為 4.25 。

如果希望對這兩個類型的數(shù)據(jù)進行簡單的加法運算，而不指定數(shù)據(jù)類型，匯編中會直接進行對位相加，即對應的每一個 0 或 1 相加，并加上前一位的進位。這樣計算會得到 10000010 00010000 00000000 00000000 ，顯然不是我們想要的 1094975492.25 。

如果不指定數(shù)據(jù)類型，計算就會得到錯誤的答案。由此可見，在內存中無意義的一串二進制數(shù)，我們可以通過規(guī)定每一位的意義，來得到不一樣的結果。

為什么要指定這么多數(shù)據(jù)類型

很多同學可能也有這樣的疑惑，為什么光一個整數(shù)就有 short ， int ， lang 三種，浮點數(shù)也有 float ， double 兩種，甚至還有與 int 類型對應的 char 類型呢？只需要 int 和 double 不就夠用了么？

由于現(xiàn)在的計算機內存普遍充裕，不太會遇到內存空間不足的問題，因此可以直接選用高精度的數(shù)據(jù)類型進行存儲與計算。然而，在多年以前，或是在嵌入式領域，這類存儲空間非常緊張的條件下，不同數(shù)據(jù)類型的差距就顯現(xiàn)出來了。

由于在這些條件下，每一個 bit 都顯得彌足珍貴，因此程序員會想方設法地優(yōu)化存儲空間的使用，能夠用低精度的就不會用高精度。

而浮點數(shù)根據(jù)上文對存儲方式的解釋可以看出，精度越高，其所能表示的大小越小，因此在表示較大的，對精度要求高的數(shù)據(jù)時，就必須使用高精度的數(shù)了，反之則可以用低精度的節(jié)省空間。由于 float 所能表示的精度實在是非常低，因此建議在學校編寫 C 程序時，如無特殊要求，一律使用 double 類型。

而 char 類型則較為特殊，可以與整數(shù)類型進行相互轉換。在單片機等環(huán)境中，由于存儲空間有限，因此更傾向于使用 char 這一只消耗一字節(jié)的數(shù)據(jù)類型，而不是 int 等更大的。另外， char 一般用來表示字符，因此如果要表示例如 'A' 這種字符型的數(shù)據(jù)時，一般用 char 類型。 char 類型在后文有關字符串的部分還會提到。

然而， short 類型不一定就比 int 類型消耗的空間少， long 也不一定就比 int 表示的精度高，一切由編譯器決定（只需要遵守 2 <= short <= int <= long 就是符合規(guī)定的）。因此如果真的有需要，可以用 char 來降低消耗，而不是使用 short 。

上圖：數(shù)據(jù)類型在不同操作系統(tǒng)下的大小

由此可見，雖然常用的數(shù)據(jù)類型就這么幾個，但是其他的類型也都有其存在的意義，可以不用，但不能沒有。數(shù)據(jù)類型一旦確定，該變量在內存中所分配的大小，以及每一位所代表的意義，也就隨之確定下來了。

數(shù)組與指針

明白數(shù)據(jù)類型，接下來就可以定義數(shù)組了。一個數(shù)組是由一定數(shù)量的，相同數(shù)據(jù)類型的變量組成的一種數(shù)據(jù)結構，也就是說，一個數(shù)組可以由一定數(shù)量的其他數(shù)組組成，而這些數(shù)組也可以由數(shù)組組成，形成套娃。

在 C 語言中，數(shù)組在定義時必須顯式指定其長度與數(shù)據(jù)類型，而在一些其他語言——如 Java、 Python 中——可以不斷擴展數(shù)組的長度，但 C 語言中卻不能這樣做。這又是為什么呢？這需要從如何在內存中生成一個數(shù)組說起。

數(shù)組的生成

我們在 C 語言中創(chuàng)建數(shù)組時，會指定數(shù)組的數(shù)據(jù)類型和長度，而編譯器可以根據(jù) 數(shù)據(jù)類型 * sizeof(數(shù)據(jù)類型) 推算出這一數(shù)組具體需要占據(jù)多大的內存空間，進而在程序運行到這一步，需要創(chuàng)建數(shù)組時，為其在內存中申請符合要求的，連續(xù)的一段空間進行數(shù)組的生成。但為什么要連續(xù)的空間，而不能斷斷續(xù)續(xù)呢？

數(shù)組在訪問時，會首先找到其內存地址。數(shù)組在創(chuàng)建時的變量名，實際也是一個指向數(shù)組第一項的一個指針（后面會講到）。隨后，根據(jù)具體訪問哪一項，如第 n 項，就會將這一地址加上 n * sizeof(數(shù)據(jù)類型) ，就能直接找到這一項的內存地址。因此數(shù)組在生成時需要申請連續(xù)的內存地址，否則就無法做到這么高效的訪問速度。

C 語言中的數(shù)組與其他語言的數(shù)組

那么問題來了：為什么別的語言能做到擴展數(shù)組長度，通過變量來初始化數(shù)組，而不是通過常數(shù)來指定呢？

事實上，在最底層的實現(xiàn)中，它們也是會指定一個具體的值來生成數(shù)組，其原理與 C 語言完全相同。但是在需要更長的數(shù)組時，會申請一段更長的連續(xù)內存空間來存放新數(shù)組，并將原來的舊數(shù)組完全復制一份過去。當然，各種語言會存在一定的優(yōu)化，申請的空間會比所需的空間略大一些，防止重復不斷的復制降低運行效率。

上圖：數(shù)組動態(tài)擴容

由于 C 語言的數(shù)組是最原始的數(shù)組，語言本身不會自行進行申請新地址，復制舊數(shù)組等操作，因此需要在初始化時就指定好長度。

指針的作用

另外一個初學時難以理解的概念就是指針了。 先來看下指針到底是什么。指針是一個存放內存地址的變量，也就是說可以直接訪問并操作內存。

上圖：指針示意圖

圖中 a 表示一個整數(shù)類型的變量，值為 100，在內存中存放在 0x0010 這一地址中。因此可以定義一個指針 x 指向這一地址。可以理解為 x 中存放了 0x0010 這一地址，訪問這一指針就相當于訪問這一地址。這就引出了一個問題：既然指針存放的是地址，訪問的也是地址，那么為什么還要定義一個類型呢？

原因很簡單，因為要取出該地址具體存放的值。前面說過，數(shù)據(jù)類型決定了該數(shù)據(jù)所占的大小，以及每一位具體所代表的內容。因此，要取出該地址具體存放的值，必須要知道其數(shù)據(jù)類型才行。這就是為什么 C 語言中定義指針時要指定數(shù)據(jù)類型，指明該內存地址存放數(shù)據(jù)的具體數(shù)據(jù)類型。

指針與數(shù)組的關系

指針與數(shù)組的關系也非常緊密。定義數(shù)組時取的名稱就是指向數(shù)組第一個元素的指針，也就是說，要訪問數(shù)組 a 中的 a[0] ，可以直接訪問 *a 。以此類推，可以通過訪問 *(a+1), *(a+2)來訪問 a[1], a[2] 。這是因為在定義數(shù)組時已經指定了數(shù)據(jù)類型，因此這里的 +1 就不是簡單的加法，而是在指針存儲的地址的基礎上，加上 sizeof(a[0]) （這里的 sizeof 用來獲取某一變量在存放時使用的內存大?。纳蠄D可以看出，每個 int 類型如果占了 4 個字節(jié)，那么每次 +1 都會將內存地址 +4 再訪問。

需要注意的是，通過這種方式訪問數(shù)組會有數(shù)組越界的問題。也就是說，如果定義了一個長為 n 的數(shù)組，但是通過 *(a+n) 來訪問第 n+1 位，C 語言并不會有任何的錯誤提示，只會返回一個存儲在該內存地址的，根據(jù)定義的數(shù)據(jù)類型來計算得出的值。很多情況下無法分辨到底是否越界，因此使用這種方式訪問需要小心謹慎。

另外，雖然數(shù)組名是一個指針，但是是一個常量，因此不能給其賦值。

字符與字符串

之前提到， char 類型多用于表示字符。字符串是由字符組成的，其底層是一串由 char 類型的變量組成的數(shù)組，因此可以通過 char* 或是 char[] 來生成字符串。賦值時，可以通過數(shù)組一個一個字符賦值，也可以通過雙引號直接賦值。

在一些其他編程語言中，會專門有一個數(shù)據(jù)類型 String 來表示字符串，但在 C 語言中并沒有。因此對字符串的處理就等價于對字符數(shù)組的處理。

在處理字符串時需要注意，數(shù)組長度是包含最后的 \0 的，而 strlen 函數(shù)則不會。另外，如果通過數(shù)組的方式一個個添加字符，且在最后沒有加上 \0 ，那么則由于數(shù)組越界進而使得字符串中的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。為了防止出現(xiàn)這一錯誤，最好直接通過雙引號進行賦值。另外，不論字符數(shù)組有多長，第一次出現(xiàn) \0 就代表著字符串的結束。

由于 char 實際就是一個數(shù)字，因此在解決如 大小寫轉換 之類的問題時，可以通過 +- 32 來解決。這里的 32 來自于 ASCII 碼表，每一個數(shù)字都對應著一個字符。 碼表 可以在網上輕松找到。如果不記得具體的大小，可以通過格式化輸出 %d 直接查看對應的數(shù)字，如果記不得大小寫間差了 32，可以用 'a' - 'A' 來臨時湊合使用一下。

一些要注意的語法格式

老師可能不會著重提語法格式，但是實際上良好的格式能夠顯著提升代碼的可讀性，方便理解與找錯。

main 函數(shù)

首先，根據(jù) C99 標準， main 函數(shù)應當定義為 int main(void) {...} 或是 int main(int argc, char *argv[]) {...} 。前一種在現(xiàn)在學習的階段更為常用，其中的 void 一般是可以省略的。但是，最后的 return 0; 是可以被省略的，如果不寫將會默認返回 0。有些老師或者書上可能會寫成 void main() {...} ，或是說一定要顯示地寫出 return 0; 。這些都是錯誤的。具體標準可以參考 標準文檔 。

main 函數(shù)定義

上圖：main 函數(shù)返回值

縮進

縮進與換行的使用也是很重要的。 { 與 } 應當獨占一行，其中所包裹的內容應當進行一次縮進。另外，盡管 if 語句或是 for 語句等，如果大括號內只包含一條語句，很多老師會去掉大括號，并寫在一行內。這并不是一個好習慣，應當照樣換行，加上大括號與縮進，方便閱讀與之后的修改。

可以使用在線格式化，或是 astyle 等格式化軟件來進行代碼格式化。

其他一些小 tips

除了以上的這些老師可能會一筆帶過的內容外，還有一些我在編程中所學到的一些小 tips：

Warning（敲代碼是不可忽略的警告）

希望所有看到這篇文章的、需要學習 C 語言的同學們能夠順利學好這門課，取得一個好成績。

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