[开发工具]【在更】C 语言基础笔记（使用 Visual Studio 2019）

一、简介

历史

语言：C 语言 ← B 语言 ← A 语言
开发环境：编辑器 + 编译器 + 调试器
系统：Linux ← UNIX

不同语言之间的区别

C/C++：可移植性强的语言，Windows 和 Linux 的接口有差异，汇编语言。
Java/Python：跨平台语言，可从 Windows 平台移植到 Linux 平台使用

学习目标

1. 理解程序的执行过程
2. 掌握程序调试能力

断点及调试窗口设置

内存的变化过程

在编译器行号左侧灰色部分点击出现红点（断点）。
当程序运行到断点时（上图出现黄色箭头），执行步骤截止至断点之前。此时 i 的地址内容未发生改变。


点击逐过程，程序运行下一步后，i 地址的内存发生改变，变为 i 的取值 10（十六进制表示为 0a。小端显示：低地址在前，高地址在后，实际存储内容为 00 00 00 0a）。

点击逐过程，程序执行打印 hello world


点击逐过程，程序运行 2019 版隐藏的 system("pause")，打印【按任意键关闭此窗口】。此时程序执行 C 语言内镶嵌语言的命令 pause。
C 语言也可嵌套其他语言，如微软的语言 BAT（微软处理脚本）、Python 等。

C/C++/Java 出错

编译错误：代码编写错误，无法编译生成
执行错误：打印结果不符合预期

编译原理解析

程序的编译过程

关于编译器解决方案与项目

• 一个解决方案可以存在多个项目；一个项目可以存在多个 .c 文件，但只能存在一个 main 函数。
• 添加已有 .c 文件：①拖拽进源文件 ②源文件右击添加现有项。
• .obj 文件（目标文件）：存储及其指令（0/1 字符串）。位于项目的 Debug 文件夹中，生成失败依旧会产生 .obj 文件。
• 将需要运行的项目右击选择“设为启动项目”，调试时默认运行该项目。
• 编译器中的“生成”为增量编译，“重新生成”为重新编译。

编译与链接的区别：

• 编译：C 语言 → 汇编语言 → 机器指令。
• 链接：将函数符号替换为地址。

报错时出现 error LNK2019 为链接错误。双击报错可定位，可能是链接源的错误或链接位置的错误。

二、数据类型、运算符与表达式

学习目标

• 数据类型
• 常量与变量的差异
• 整型、浮点型、字符型的原理及应用
• scanf 函数的原理及应用
• 运算符与表达式

2.1 数据类型的分类

2.2 常量

程序运行过程中值不发生改变的量。

例：int i = 10 10 为常量 / 立即数

内存：

PC 指针：程序计数器，存储一个地址值，指向当前马上要给 CPU 译码器的指令。每执行一条则向下走一条指令（每条指令不一定等长）。

译码器读取 i = 10，在栈空间开辟 4 字节内存，将 10 复制到栈空间。
变量：在栈空间上有一个存储的位置，可改变。
常量：在编译后即被放入译码器的代码段，不可改变。

64位文件可用的虚拟地址空间大小：$2^{32}\times 4G$

2.3 变量

• 变量名：以一个名字代表一个对应的存储单元地址。不能与关键字同名。
• 从变量中取值：通过变量名找到内存中存储单元的地址，并从该存储的单元中读取数据。
• 命名规则：标识符只能由字母、数字和下划线组成，第一个字符必须为字母或下划线。
• C语言区分大小写。
• 先定义后使用。

2.4 整型数据

2.4.1 符号常量

定义：#define 变量名 常量（末尾不加分号）。
程序中用到的常量名位置直接替换为常量内容。

例：输出为 7

3+2*2=7
其中，查看预处理效果方法：右击项目 → 属性 → 配置属性 → C/C++ / 预处理文件 → 是。重新生成后在项目 → Debug 文件夹 → 打开 main.i 文件，前几万行为头文件（.c 文件中开头带 # 行）的展开，文件末尾为预处理结果即需要查看的部分 → 查看后将“是”改回为“否”，否则之后运行报错。

作用：提高程序可读性、便于修改。

2.4.2 整型常量的不同进制表示 2 / 4 / 8 / 16

进制转换：
1个字节（byte） = 8 位（bit）。
1 KB = 1024 byte；1 MB = 1024 KB；1 GB = 1024 MB。

CPU 寻址时最小访问单元为 1 字节。
数据总线每次从内存中取 8 字节。
内存为小端模式存储。

2.4.3 补码

CPU 中的处理单元：译码器、加法器、乘法器等，不存在减法器。进行减法运算需要使用加法器与补码。

• 补码是计算机对负数的表示方式，是原码（去掉符号后字符的二进制表示）取反后加 1 的结果。
• 当最高位为 1 时表示负数。

例：2-5=2+(-5)，存储 (-5) 时需要用补码表示，即需要将源码 5=0x0000 0005 取反后得 0xffff fffa，加 1 后得 0xffff fffb。加 2（有进位）后得到计算结果 0xffff fffd。
当最高位为 1 时，要得到源码才能知道 0xffff fffd 的值，即堆其取反后加 1（也可减 1 后取反或取反后加 1，结果相同）得到 3，所以其值为 3。

注：Windows 中先定义的地址较大，微软在两个变量间设置了 8 个字节的保护空间。

2.4.4 整型变量

整型变量包括 6 种类型，分别为：

• 有符号基本整型 (signed) int
• 有符号短整型 (signed) short (int)
• 有符号长整型 (signed) long (int)
• 无符号基本整型 unsigned int
• 无符号短整型 unsigned short (int)
• 无符号长整型 unsigned long (int)

注：括号表示其中的内容是可选的。

有符号基本整型与无符号基本整型的最高位所代表的意义如下：

不同整型变量表示的整型数范围如下表，超出范围会发生溢出导致计算出错。
只有整型数会产生溢出。

注：32 位的 long 长 4 字节，64 位的 long 长 8 字节。一般为 64 位（服务器）。

例：将 short 类型的 i=32767 加 1，得到 -32768。


32767 转换为二进制表示为 0111 1111 1111 1111，加 1 后得到 1000 0000 0000 0000，最高位为符号位，表示 -32768。
-32768 的原码与补码相同。
注：有符号类型输出时用%d（十进制）、%o（八进制）、%x（十六进制），无符号类型输出时用%u，具体如下：

2.5 浮点型数据（精度丢失）

2.5.1 浮点型常量

两种形式如下，常用的为指数形式：

注意：字母 e（或 E）表示 10 的幂次，e 前底数部分必须有数字，e 后的指数必须为整数。
注：形如 -.1e-3 为正确写法，表示 -0.0001。

2.5.2 浮点型变量

浮点数的数值范围与有效数字：

浮点型数据的组成（标准 4 字节浮点型 float）：

指数部分表示 2 的幂次，小数部分表示输入数值的二进制表示中的小数部分。

浮点型数据按照指数形式存储：

• 系统把一个浮点型数据分成小数部分（M）和指数部分（E）并分别存放。
• 指数部分采用规范化的指数形式，指数也分正、负（符号位，用 S 表示）。

IEEE-754 浮点型变量存储标准（以 4.5=0100 0000 1001 0000 0000 0000 0000 0000 为例）：

S：符号位。S=1 时为负（$(?1{)}^1$），S=0 时为正（$(?1{)}^0$）。
E：指数部分。十进制数输入转为二进制数。存储前，指数部分都要加 127=0111 1111（IEEE-754 规定），因为需要表示负数。
M：小数部分。在二进制数小数点前保留一位（即小数点前有且只有一个 1）的前提下，小数点后的部分被存储在这里。
十进制数 4.5 分为整数部分 4 与小数部分 0.5，二进制表示为 100.1：

• 整数部分 $4=2^2=100$。
• 小数部分 $0.5=2^{?1}=0.1$。

使用指数形式表示为 $1.001\times 2^2$，由于此处为二进制数，故指数为 2 的 2 次幂。
符号位 S=0，指数部分 E=2 存储为 2+127=129=1000 0001，小数部分 M 即 001。存入结果如上表。

精度丢失：

1. 数值范围
   以 float 类型为例。浮点型数据指数部分占 8 位。
   由于特殊数（1111 1111）与非规格数（0000 0000）的存在，指数部分最大取到 1111 1110，最小取到 0000 0001。
   指数的最大表示范围到 $11111110?01111111=(2^9?2)?127=254?127=127$ 比特。二进制浮点数的指数部分最大到 $2^{127}\approx 1.701412e38$，即数值范围最大到 $10^{38}$；同理，计算 $2^{?126}\approx 1.175494e?38$ 可得到数值范围最小到 $10^{?38}$。
2. 有效数字
   以 float 类型为例。小数部分 23 位，能够表示的有效数字 $2^{23}=8388608$，即最大到 0.8388608。因此小数部分可表示 1~6 位的所有小数（如 0.999999）与 7 位小于 0.8388608 的小数。

由于浮点型变量计算时为二进制指数部分 E 与小数部分 M 相乘（即进行移位），则有效数字在 6~7 位之间，达到逼近效果。

例 1：float f = 1.23456789e10 加 20


f 在赋值存入时即产生精度丢失。

例 2：float f == 1.456？


单步调试：


f 值精确到小数点后 7 位，不等于 1.456。
正确写法：判断两个浮点数是否相等，直接用减法。
两数相减的绝对值在精度范围内。

存在部分浮点数相乘（移位）相等（如 4.5），但为保证准确性仍需直接计算。

例 3：double f =1.23456789e10


由于 double 型浮点数有效数字为 15~16 位，输出结果正确。