C 语言程序设计实践教程

理论知识篇 第1章 绪论 本章主要介绍程序、程序设计以及程序设计语言的基本概念，概述C语言的发展、特点以及C语言的标准，通过几个C语言源程序的实例结构，介绍C语言程序基本结构与书写规则，并对本书组织结构和主要内容作简单说明。 1.1 程序与程序设计语言 1.1.1 计算机与程序 计算机是当今信息化社会必不可少的工具。它是一种按照事先编写的程序，自动对数据进行输入、处理、输出和存储的系统。计算机要完成不同的工作，就要运行不同的程序。程序就是为完成某项任务而编写的一组计算机指令序列。编写程序的过程称为程序设计。程序设计是软件开发的关键步骤，软件的质量主要是通过程序的质量来体现的。在进行程序设计之前必须根据实际需求确定使用什么程序设计语言来编写程序。 1.1.2 程序设计语言 人与人之间交流需用相互理解的语言沟通，人与计算机交流也要使用相互理解的语言。程序设计语言就是用来实现人与计算机之间交流的，它经历了从机器语言、汇编语言到高级语言的发展历程。 1.**代语言——机器语言 机器语言是由 0和1组成的指令序列。例如，指令1011011000000000表示要计算机执行一次加法操作；而指令1011010100000000则表示要计算机执行一次减法操作。它们的前八位表示操作码，后八位表示地址码。 机器代码可以直接被计算机所识别，因此机器语言*大的特点是效率高、执行速度快。但是采用机器代码编写程序，要求程序员熟记所用计算机的全部指令代码和代码的含义，编程序时，程序员必须自己处理每条指令和每一个数据的存储分配、输入 /输出，还要记住编程过程中每步所使用的工作单元处在何种状态。可想而知，用机器语言编写程序是一件十分烦琐且容易出错的工作。 2.第二代语言——汇编语言 由于用机器语言编程存在工作量大、易于出错等问题，因此人们考虑采用一些简洁的英文字母、符号串替代特定指令的二进制串，使表达方式更接近自然语言。例如，用“ ADD”代表加法，“MOV”代表数据传送等，这样人们就很容易读懂并理解程序在干什么，纠错及维护都很方便。这种采用英文缩写的助记符标识的语言称为汇编语言。 但是，计算机并不认识这些符号，因此需要一个专门的程序，负责将这些符号翻译成二进制数形式的机器语言才能被计算机执行，这种翻译程序称为汇编程序。 汇编语言是一种与机器语言一一对应的程序设计语言，虽然不是用 0、1代码编写，但实质是相同的，都是直接对硬件进行操作，只不过指令采用助记符标识，更容易识别和记忆。机器语言和汇编语言均与特定的计算机硬件有关，程序的可移植性差，属于低级语言。由于汇编语言源程序的每一句指令只能对应实际操作过程中一个很细微的动作，如移动、加法等，因此汇编源程序一般比较冗长、复杂，容易出错，而且使用汇编语言编程需要有更多的计算机专业知识，所以人们只有在直接编写面向硬件的驱动程序时才采用它。 3.第三代语言——高级语言 到了20世纪 50年代中期，人们研制了高级语言。高级语言是用接近自然语言表达各种意义的“词”和常用的“数学公式”形式，按照一定的“语法规则”编写程序的语言。这里的“高级”，是指这种语言与自然语言和数学公式相当接近，而且不依赖于计算机的型号，通用性好。高级语言的使用，改善了程序的可读性、可维护性和可移植性，大大提高了编写程序的效率。 用高级语言编写的程序称为高级语言源程序，不能被计算机直接识别和执行，也要用翻译的方法把高级语言源程序翻译成目标程序才能执行。 高级语言的出现大大简化了程序设计，缩短了软件开发周期，显示出强大的生命力。此后，编制程序已不再是软件专业人员才能做的事，一般工程技术人员花上较短的学习时间，也可以使用计算机解题。随着计算机应用日益广泛地渗透到各学科和技术领域，后来发展了一系列不同风格的、为不同对象服务的程序设计语言，其中较为著名的有 FORTRAN、BASIC、COBOL、ALGOL、LISP、LP/1、PASCAL、C等十几种语言。 1.1.3 高级语言程序的开发过程 有人认为程序设计是一门艺术，而艺术在很大程度上是基于人的灵感和天赋，它往往没有具体的规则和步骤可循。对于一些小型程序的设计，上述说法可能有一些道理。但是，对于大型复杂程序的开发，灵感和天赋不是很好的解决之道，几十年的程序开发实践已表明这一点。事实上，程序设计是一门科学，程序的开发过程是有规律和步骤可循的。通常，高级语言程序的开发遵循以下步骤。 1.明确问题 用计算机解决实际问题，首先要明确解决什么问题，即做什么。如果对问题都没有搞清楚或理解错了，就试图解决它，其结果是可想而知的。 2.算法设计 明确问题之后，就要考虑如何解决它，即如何做。计算机解决问题的方式就是对数据进行处理，因此，首先要对问题进行抽象，抽取出能够反映问题本质特征的数据并对其进行描述，然后设计计算机对这些数据进行处理的操作步骤，即算法设计。 3.选择某种语言进行编程 算法设计完成后，就必须要用某种实际的程序设计语言来表达，即编程实现。现在的程序设计语言很多，用哪一种语言来编程呢？从理论上讲，虽然各种语言之间存在着或多或少的差别，但它们大多数都是基于冯 ？诺依曼体系结构的，它们在表达能力方面是等价的，因此对于同一个设计方案，用任何一种语言都能实现。 在实际中，采用哪一种语言来编程可以考虑以下因素决定： （1）设计方案。例如，对于采用功能分解的设计方案，用某种过程式程序设计语言进行编程比较合适；对于面向对象的设计方案，采用面向对象的程序设计语言来实现，就比较自然和方便。 （2）编程语言效率的高低、使用的难易程度、数据处理能力的强弱等。 （3）一些非编程技术的因素。例如，编程人员的个人喜好。 选定了编程语言之后，下面就是使用该语言编写程序。对于同一个设计方案，不同的人会写出不同风格的程序。程序设计风格的好坏会影响到程序的正确性和易维护性。程序设计风格取决于编程人员对程序设计的基本思想、技术以及语言掌握的程度。 4.测试与调试 程序写好之后，其中可能含有错误。程序错误通常有3种： （1）语法错误：是指程序没有按照语言的语法规则来书写，这类错误可由编译程序来发现。 （2）逻辑（或语义）错误：是指程序没有完成预期的功能。 （3）运行异常错误：是指对程序运行环境的非正常情况考虑不周而导致的程序异常终止。这些错误可能是编程阶段导致的，也有可能是设计阶段甚至是问题定义阶段的缺陷。程序的逻辑错误和运行异常错误一般可以通过测试来发现。测试方法有很多，比如： （1）静态测试，不运行程序，而是通过对程序的静态分析，找出逻辑错误。 （2）动态测试，利用一些测试数据，通过运行程序，观察程序的运行结果是否与预期的结果相符。 值得注意的是，不管采用何种测试手段，都只能发现程序有错，而不能证明程序正确。例如，想要用动态测试技术来证明程序没有错误，就必须对所有可能的输入数据来运行程序并观察运行结果，这往往是不可能的，并且也没有必要。测试的目的就是要尽可能多地发现程序中的错误。 测试工作不一定要等到程序全部编写完成才开始进行，可以采取编写一部分、测试一部分的方式来进行，*后再对整个程序进行整体测试。即先进行单元测试，再进行集成测试。 如果通过测试发现程序有错误，那么就需要找到程序中出现错误的位置和原因，即错误定位。给错误定位的过程称为调试（debug）。调试一般需要运行程序，通过分段观察程序的阶段性结果来找出错误的位置和原因。 5.运行与维护 程序通过测试后就可交付使用了。由于所有的测试手段只能发现程序中的错误，而不能证明程序没有错误，因此在程序的使用过程中可能会不断发现程序中的错误。在使用过程中发现并改正错误的过程称为程序的维护。程序维护可分成3类： 正确性维护，是指改正程序中的错误。 完善性维护，是指根据用户的要求使得程序功能更加完善。 适应性维护，是指把程序移植到不同的计算平台或环境中。 1.2C语言的发展和特点 1.2.1C语言的发展历史 1969年，美国贝尔实验室的 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie开始研制 UNIX操作系统。UNIX的早期版本是用汇编语言编写的。但汇编语言依赖于计算机硬件，程序的可读性和可移植性都比较差。为了提高程序的可读性和可移植性，希望改用高级语言编写系统软件，但一般的高级语言不能像汇编语言一样直接对硬件进行操作。因此，他们决定开发一种高级语言来编写 UNIX操作系统。 1970年，Ken Thompson以 BCPL语言为基础，设计出了既简单又能访问硬件的 B语言 （BCPL的**个字母），并用 B语言对用汇编语言编写的 UNIX操作系统进行了部分改写，此时的 B语言过于简单，功能有限。1972~1973年，Dennis Ritchie在 B语言的基础上设计出了C语言（BCPL的第二个字母）。C语言既保持了 BCPL和 B语言精练和访问硬件的优点，又克服了它们过于简单和无数据类型等缺点。1973年，Ken Thompson和 Dennis Ritchie将 UNIX操作系统的 90%用C语言改写。 多年来，UNIX V系统配备的C语言一直是公认的C语言标准，这在由 Brian Kernighan和 Dennis Ritchie合著的 TheC Programming Language（Prentice -Hall于1987年出版，国内在2004年出版了该书的中译本《C程序设计语言（第2版）》）中介绍。 在C语言的发展过程中还有两个重要的标准：C89和C99标准。1983年，美国国家标准协会（ANSI）着手制定C语言的标准，于1989年正式被批准为 ANSX3.159 -1989，一年以后，该标准也被 ISO（国际标准化组织）接收，定为 ISO/IEC 9899:1990。通常仍称C89标准。 随着C语言的继续发展，1999年C99标准应运而生。C99保持了几乎所有C89的特征。总的来说，C99与C89之间有3种变化： （1）在C89基础上增加的特性。其中*主要的是C99增加了 5个新的关键字（C89具有32个关键字，而C99达到37个关键字）：_Bool、_Imaginary、restrict、Complex和 inline。 增加的其他特性主要包括：变长数组；单行注释；long long int数据类型；可以在语句出现的任何地方定义变量；对预处理程序的增加；for语句内的变量声明；柔性数组结构成员；新的库和头文件等。 （2）删除了C89中的某些特性。例如，“隐含的 int”。在C89中，大多数情况下，当没有明确指定类型标识符时，通常认为其为 int类型，但这一点在C99中是不允许的。 此外C99中还删除了函数的隐含声明。在C89中，如果一个函数在使用前未被声明，将被视为隐含的函数声明，但C99不支持这一点。 （3）修改了C89中的某些特性。例如，放宽的转换限制、扩展的整数类型、增强的整数类型提升规则、对 return语句的约束等。 1.2.2C语言的特点 与其他高级语言相比，C语言之所以发展迅速，成为*受欢迎的语言之一，主要原因是它具有强大的功能。归纳起来，C语言具有以下一些特点。 1.C语言是中级语言 通常，C语言被称为中级语言。这并不是说它功能差、难以使用，而是C语言既具有高级语言的基本结构和语句，又具