C語言的20條編程核心知識要點

引言

筆者有十余年的C++開發經驗，相比而言，我的C經驗只有一兩年，C比較簡單，簡單到《The C Programming Language》（C程序設計語言）只有區區的200多頁，相比上千頁的C++大部頭，不得不說真的很人性化了。

C語言精簡的語法集和標準庫，讓我們可以把精力集中到設計等真正重要的事情上來，而不是迷失在語法的海洋里，這對于初學者尤其重要。雖然C語言有抽象不足的缺點，但我更喜歡它的精巧，只需要花少量的時間，研究清楚它每一個知識點，看任何C源碼就不會存在語法上的障礙，大家需要建立的知識共識足夠少，少即是多，少好于多。

我教過6個人編程，教過HTML，教過JAVA，也教過C++。最近，我在教我小孩編程，他只有十歲，很多人建議我選擇Python，但我最終選擇了C語言，因為C語言簡單且強大，現在看來，好像是個不錯的選擇。

類型

C是強類型語言，有short、long、int、char、float、double等build-in數據類型，類型是貫穿c語言整個課程的核心概念。

struct、union、enum屬于c的構造類型，用于自定義類型，擴充類型系統。

變量

變量用來保存數據，數據是操作的對象，變量的變字意味著它可以在運行時被修改。

變量由類型名+變量名決定，定義變量需要為變量分配內存，可以在定義變量的同時做初始化。

int i;

float f1 = 0.5, f2= 0.8;

常量

const int i = 100;

const char* p = "hello world";

運行中恒定、不可變，編譯期便可確定。

數組

光有簡單變量顯然不夠，我們需要數組，它模擬現實中相同類型的多個元素，這些對象是緊密相鄰的，通過數組名+位置索引便能訪問每個元素。

二維、三維、高緯數組本質上還是線性的，二維數組通過模擬行列給人平面的感覺，實際存儲上還是連續內存的方式。

數組是靜態的，在定義的時候，數組的長度就已經確認，運行中無法伸縮，所以有時候我們不得不為應付擴充多分配一些空間。數組元素不管用多用少，它都在哪里，有時候，我們會用一個int n去界定數組實際被使用的元素個數。

函數

函數封裝行為，是模塊化的最小單元，函數使得邏輯復用變得可能。

C語言是過程式的，現實世界都可以封裝為一個個過程（函數），通過過程串聯和編排模擬世界。

用C語言編程，行為和數據是分離的。調用函數的時候，調用者通過參數向函數傳遞信息，函數通過返回值向調用者反饋結果。

函數最好是無副作用的，函數內應該盡量避免修改全局變量或者靜態局部變量，更好的方式是通過參數傳遞進來，這樣的函數只是邏輯的盒子，它滿足線程安全的要求。

有了變量和函數，就可以編寫簡單的程序了。

控制語句

? 分支：if 、else、else if、switch case、?:

? 循環：while、do while、for

? break、continue、goto、default

結構體

build-in數據類型不足以描繪現實世界，或者用build-in類型描述不夠直接，結構體用來模擬復合類型，它賦予了我們擴充類型系統的能力，我們把類型組合到一起構建更復雜的類型，而每個被組合的成分就叫成員變量。

結構體內的成分，對象通過點（.）運算符，指針通過箭頭（->）訪問成員。

指針

C語言的靈魂是指針，指針帶來彈性，指針的本質是地址。

需要區分指針和指針指向的對象，多個指針變量可指向同一個對象，一個指針不能同時指向多個對象。

指針相關的基本操作包括：賦值（修改指針指向），解引用（訪問指針指向的對象），取地址（&variable），指針支持加減運算。

因為指針變量要能覆蓋整個內存空間，所以指針變量的長度等于字長，32位系統下32位4字節，64位系統下64位8字節。

指針的含義遠比上述豐富，指針跟數組結合便有了指針數組（int* p[n]）和數組指針（int (*p)[n]），指針跟函數結合便有了函數指針（ret_type (*pf)(param list)），指針跟const結合便有了const char*/char* const/const char* const，還有指向指針的指針（int **p）。

既可以定義指向build-in數據類型的指針，也可以定義指向struct的指針，void*表示通用（萬能）指針，它不能被解引用，也不能做指針算術運算。

函數指針與回調（callback）

c source code被編譯鏈接后，函數被轉換到可執行程序文件的text節，進程啟動的時候，會把text節的內容裝載到進程的代碼段，代碼段是c進程內存空間的一部分，所以任何c函數都會占一塊內存空間，函數指針就是指向函數在代碼段的第一行匯編指令，函數調用就會跳轉到函數的第一個指令處執行。

函數指針經常被用來作為回調（callback），c語言也會用包含函數指針成員的結構體模擬OOP，本質上是把C++編譯器做的事情，轉給程序員來做（C++為包含虛函數的類構建虛函數表，為包含虛函數的類對象附加虛函數表的指針）。

字符串

char*是一類特殊的指針，它被稱為c風格字符串，因為它總是以‘

char*是一類特殊的指針，它被稱為c風格字符串，因為它總是以‘\0’作為結尾的標識，所以要標識一個字符串，有一個char*指針就夠了，字符串的長度被0隱式指出，跟字符串相關的STD C API大多以str打頭，比如strlen/strcpy/strcat/strcmp/strtok。

’作為結尾的標識，所以要標識一個字符串，有一個char*指針就夠了，字符串的長度被0隱式指出，跟字符串相關的STD C API大多以str打頭，比如strlen/strcpy/strcat/strcmp/strtok。

內存和內存管理

指針提供了c語言直接操作底層內存的能力，c程序區分棧內存和堆內存，棧內存是函數內的局部變量，它隨程序執行而動態伸縮，所以不要返回臨時變量的指針，棧內存容量有限（8/16M），所以我們要避免在函數內創建過大的局部變量，要警惕遞歸爆棧。

堆內存也叫動態內存，它由一個叫動態內存配置器的標準庫組件管理，glibc的默認動態內存配置器叫ptmalloc，初始版本有性能問題，但后面用線程私有解決了競爭改善了性能。動態內存配置器是介于kernel與應用層的一個層次，從內核視角看ptmalloc是應用程序，從應用層來看ptmalloc又是系統庫。malloc跟free必須配對，這是程序員的職責，動態分配的內存丟失引用就會導致內存泄漏，指向已釋放的內存塊俗稱野（懸垂）指針。

預處理

從c source file到可執行程序需要經過預處理-編譯-匯編-鏈接多個階段，預處理階段做替換、消除和擴充，預處理語句以#打頭。

宏定義，#define，宏定義可以用\做行連接，#用來產生字符串，##用來拼接，宏定義的時候要注意加()避免操作符優先級干擾，可以用do while(0)來把定義作為單獨語句，#undef是define的反操作。

#if #ifdef #ifndef #else #elif #endif用來條件編譯，為了避免頭文件重復包含，經常用#ifndef #define #endif。

#include用來做頭文件包含；#pragma用來做行為控制；#error用來在編譯的時候輸出錯誤信息。

__FILE__、__LINE__、_DATE_、_TIME_、_STDC_等標準預定義宏可以被用來做一些debug用途。

#typedef用來定義類型別名。比如typedef int money_t；money_t比int更有含義。

typedef也能用來為結構體取別名，有時候會這樣寫：

typedef struct

{

int a;

int b;

} xyz_t;

這樣在定義結構體變量的時候就可以少敲幾下鍵盤。

typedef也可以用來重定義函數指針類型，比如 typedef void (*PF) (int a, int b); PF是函數指針類型，而非函數指針變量。

枚舉

枚舉能增加代碼可讀性和可維護性，枚舉本質上是int，只是為了更有含義，將有限取值的幾個int值放在一組，比如定義性別：enum sex { male = 1, female };

可以在定義的時候賦值，比如male=1，后面的值依次遞增1，如果不賦值則從0開始。

聯合體（union）

結構體和聯合體（共用體）的區別在于：結構體的各個成員會占用不同的內存，互相之間沒有影響；而共用體的所有成員占用同一段內存，修改一個成員會影響其余所有成員。

union u_data

{

int n;

char ch;

double f;

};

其實本質上，聯合體就是對一塊內存的多種解釋，大小按最大的來。

位域（bitfield）

struct SNField

{

unsigned char seq:7 ;? ? ? ? // frame sequnce

unsigned char startbit:1 ;? ?// indicate if it's starting frame 1 for yes.

};

節省空間，在面向底層的編碼，或者編寫處理網絡等程序時候用的比較多，注意這個語法特征是跟機器架構相關的。

位操作

1. 位與 &

2. 位或 |

3. 位取反 ~

4. 位異或 ^

5. 位移 << >>

static、extern、register、volatile、sizeof

1. static修飾全局函數，表示模塊內（編譯單元）內可用，不需要導出全局符號。

2. static修飾局部變量，意味超越函數調用的生命周期，不存儲在棧上，只會被初始化1次。

3. extern聲明外部變量。

4. register，寄存器變量，建議編譯器將變量放在寄存器里。

5. volatile，告訴編譯器不要做優化，每次從內存讀取，不做寄存器優化。

6. sizeof求大小，可以作用于變量，類型，表達式

可變參數

void simple_printf(const char* fmt, ...)

va_list、va_start、va_arg、va_end

C的高級感

1. 泛型：linux內核鏈表，通過offset和內嵌node，寫出泛型鏈表，參考：https://www.cnblogs.com/wangzahngjun/p/5556448.html

2. OOP：通過定義帶函數指針成員變量的結構體，在運行中，為結構體對象設置上函數指針，模擬運行時綁定，實現類似OOP多態的感覺。

GNU C擴展

GNU C擴展不是標準C，建議以符合標準C的方式編寫C代碼，但如果你閱讀linux kernel code，你會發現有很多有趣看不懂的語法，它來自GNU C擴展，它確實也帶來了一些便利性。

比如結構體成員可以不按定義順序初始化：

struct test_t { int a; int b; };

struct test_t t1 = { .b = 1, .a = 2 };

比如可以通過指定索引初始化數組：

int a[5] = {[2] 5，[4] 9};

或 int a[5] = { [2] = 4, [4] = 9 };

相當于int a[5] = {0, 0, 4, 0, 9};

或者int a[100] = {[0 ... 9] = 1, [10 ... 98] = 2, 3};

比如0長度數組

struct foo

{

int i;

char a[0];

};

比如用變量作為數組長度

void f(int n)

{

char a[n];

...

}

比如case范圍，case 'A' ... 'Z'? ?case 1 ... 10

比如表達式擴展({...})，比如三元運算符擴展...

c語言 編程 c++

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