程序员C语言快速上手——基础篇(三)

小拓展:C语言中int的正确使用姿势

上一节已经讲过,由于C语言中,整型的实际长度和范围不固定的问题,会导致C语言存跨平台移植的兼容问题,因此,C99标准中引入了stdint.h头文件,有效的解决了该问题。

 1  #include<stdio.h>
 2  #include<stdint.h>
 3
 4  int main(void){
 5    // 使用stdint.h中定义的类型表示整数
 6    int8_t a = 0;
 7    int16_t b = 0;
 8    int32_t c = 0;
 9    int64_t d = 0;
10
11    // 前面加u,表示unsigned,无符号
12    uint32_t e = 0;
13    printf("int8 size is %d\n",sizeof(int8_t));
14    printf("int16 size is %d\n",sizeof(int16_t));
15    printf("int32 size is %d\n",sizeof(int32_t));
16    printf("int64 size is %d\n",sizeof(int64_t));
17    printf("uint32 size is %d\n",sizeof(uint32_t));
18}

打印结果:

1  int8 size is 1
2  int16 size is 2
3  int32 size is 4
4  int64 size is 8
5  uint32 size is 4

int8_t即表示8位整型,同理,int64_t就是64位整型,类型定义明确清晰,且能兼容多种平台。以上代码,使用32位编译器,编译成32位系统下的程序后,运行得到的结果依然不变。这里一定会有朋友质疑,为什么32位的系统下,还能表示并使用int64这种64位的整型?这当然就是stdint.h库给我们带来的便利了,简单说一下原理,如果当前平台的是32位的,那么经过组合,我们可以使用两个32位拼起来,不就能表示64位了吗?同理,即使是8位的CPU,经过这种拼合思路,照样能表示64位!当然,聪明人一眼就看出了弊端,使用这种拼合的方式,数据需要经过组合转换,处理也更加复杂,同时还会带来性能的损失,但是C99标准库已经为我们处理好了一切,虽然付出了一定的性能损失,但是成功的实现了C语言整型的跨平台兼容,这样的损失是完全值得的。

由于stdint.h头文件是C99标准引入的新特性,前面也说过微软的VC编译器不支持C99,那是不是VC就不能用了呢?好东西,当然人人眼馋,微软虽然表面上说不支持C99,但是这种有用的特性还是会引入,因此VS2010也引入了stdint.h头文件,在VS2010及其以后的版本中,可以放心使用。但是要注意,只是引入了这个新特性,而不是支持C99。这里就要吐槽了,目前还在使用VC6.0教学的,还是上个世纪的人么?说和工具没关系的这些人,害人匪浅。

语法基础

表达式

与其他编程语言不同,C语言强调表达式而不是语句。表达式就如同计算值的公式,通过运算符把变量和常量组合起来。

算术运算符

主要包括加减乘除 +-*/

求余数,即取模运算 %

二元的算术运算还包括自增和自减 ++--

自增和自减运算符可以作为前缀或后缀使用,如下

1  int i = 0;
2  i++;
3  ++i;

那么i++++i的区别是什么呢? 关于这两者的区别,某些教材和网上一些资料是这样解释的,++做前缀,是先让i加1,做后缀则后加1,既在下一行代码前i被加1。类似这种说法其实是不准确的,甚至是错误的,理解太过于表面,只是对现象的概括而已。这里咱们就一次把这个问题彻底搞明白,永不犯迷糊。

前面已经说了,C语言强调的是表达式而不是语句,那么表达式和语句有什么区别呢?我个人认为其中一个区别就是表达式整体一定有一个值,而语句可以没有返回值。有其他编程基础的朋友一定清楚所谓返回值的概念,那么就是说表达式一定有一个返回值,或者应该说是表达式整体的值。

i++作为一个表达式,那么他的表达式的值是什么呢?其实我们可以用一个变量来保存表达式的值int r = i++;

1    int i = 0;
2    int r = i++;
3
4    printf("r=%d\n",r);

可以看到,表达式的r值为0。这个例子就很清楚了,所谓表达式的值,其实就是(i++)整体的一个值,它是一个独立的值。再运行下面的例子

1    int i = 0;
2    int r = ++i;
3
4    printf("r=%d\n",r);

可以看到,此时,表达式(++i)整体的值r变成了1。

来总结一下

  1. ++作为后缀时,自增表达式整体的值等于该变量初始值。如上例中int r = i++;,表达式整体的返回值r 等于i的初始值,而i未做自增运算前的初始值是0,所以r就是0。但是要注意,表达式一旦运行,i的值就会立刻发生变化,因此(i++)中,i的值是1
  2. ++作为前缀时,自增表达式整体的返回值等于该变量运算之后的值。如上例中int r = ++i;r的值等于(++i)表达式运算之后i的实际值。

因此,遇到复杂的自增运算符时,只需要问自己两个问题,自增变量的值是几?表达式整体的返回值又是几?下面我们看一个很常见的问题,问ij打印的值各是几?

1    int i = 0;
2    int j = i++ + ++i;
3    printf("i=%d, j=%d\n",i,j);

按照我们上面讲的知识来分解,先把式子拆分成(i++) + (++i);(i++)这个表达式整体的值是0,但此时i的值已经变成1了。而在(++i)这个表达式中,i的值则是1 + 1,所以执行(++i)后,i的值为2,那么j的值也就是0 + 2

大家千万要记住,不管是i++也好,++i也罢,变量i的值都会立刻增加,所以只看i的值,这两者是没有区别的,它的区别在我们说的另一个概念上,也就是所谓的表达式的返回值。

好了,授人以鱼不如授人以渔,如何证明我说的就是对的,别人的是错误的呢?C语言就是有一个好处,一切纷繁复杂的表象都能回归事物的本质。因为C语言与汇编语言是一一对应的,因此我们只需要查看C语言翻译成汇编语言后,在计算机内部到底发生了什么就能掌握真理,而无需人云亦云。

为了让生成的汇编语言更简单,我们去除头文件,编写最简单的代码test.c

1  int main(void){
2    int i = 0;
3    i++ + ++i;
4    return 0;
5  }

打开cmd命令行,使用gcc命令生成汇编源码,这里学习一个新的gcc参数-S

1gcc -S test.c

打开生成的test.s文件,这里截取关键部分如下:

 1    call    __main
 2    movl    $0, -4(%rbp)
 3    movl    -4(%rbp), %eax
 4    addl    $1, %eax
 5    movl    %eax, -4(%rbp)
 6    addl    $1, -4(%rbp)
 7    movl    $0, %eax
 8    addq    $48, %rsp
 9    popq    %rbp
10    ret

这里call __main相当于main函数入口,ret相当于return 0,这之间一段也就对应我们的两行C语言代码。特别说明一下,这里使用的gnu的工具链生成的是AT&T的x86-64汇编代码,而非大家熟悉的intel 80386汇编。高校教的汇编语言都是intel x86的32位汇编,因此学过汇编的人可能也会感觉非常陌生。实际上这段汇编非常简单,并不需要有什么汇编基础。

简单解释一下指令 movl 对应80386汇编中的mov指令,是单词move的缩写,表示传递数据,addl则对应add指令,表示加法器。这里的-4(%rbp)表示的是一个内存地址,eax则是32位对应的8个寄存器中的第一个。 movl $0, -4(%rbp)这句表示把一个常量0存到一个内存地址中,对应int i = 0;此后,-4(%rbp)这个地址就代指变量i movl -4(%rbp), %eax这句表示将变量i中的值取出来放到一个名叫eax的寄存器中。addl $1, %eax则对应i++,表示将常量1与寄存器eax的值相加,然后存到eax中,那么此时eax的值就是1。紧接着movl %eax, -4(%rbp),表示将寄存器eax的值刷新到变量i中,故而i++后,i的值立刻发生改变。 然后是addl $1, -4(%rbp),这句对应的C语言代码是++i,它表示将常量1直接与变量i的值相加,结果仍然保存到变量i中,那么此时就是1+1,故而变量i最后等于2。

到这里,其实汇编代码就结束了,并没有将(i++)的整体结果与(++i)的整体结果做最后的求和,这是因为我们没有用一个 变量来保存他们的和,所以编译器对C语言代码进行了优化,既然我们不需要结果,它干脆就不计算了。

现在修改代码,并再次生成汇编代码

1  int main(void){
2    int i = 0;
3    int j = i++ + ++i;
4    return 0;
5  }

在这里插入图片描述

这次生成的汇编代码稍复杂,简单说明一下,edxeax都是32位通用寄存器,rax则是64位寄存器,在此处,可以把raxeax等同,可以看做是同一个寄存器。那么leal 1(%rax), %edx则表示,将寄存器rax(即eax)中的值加1,然后存到edx寄存器中。-4(%rbp)-8(%rbp)分别是变量i和变量j的内存地址,可以指代这两个变量。

通过上述汇编代码,我们可以清晰的发现,无论是i++还是++i,变量i的值都会立刻被改变。

最后,关于i++++i的辟谣: 有一些陈旧的资料中指出,++i的性能要比i++更好,因为它是直接在内存中加1,在for循环中,推荐使用++i。让我们再次编写C代码,生成汇编代码来验证这个观点

1  int main(void){
2    int i = 0;
3    int j = 0;
4
5    i++;
6    ++j;
7  }

汇编代码

1    call    __main
2    movl    $0, -4(%rbp)
3    movl    $0, -8(%rbp)
4    addl    $1, -4(%rbp)
5    addl    $1, -8(%rbp)
6    movl    $0, %eax
7    addq    $48, %rsp
8    popq    %rbp
9    ret

可以看到,i++;++j;生成的汇编代码一模一样,不存在谁性能更好的说法。现代编译器中,都已做了优化处理,因此你喜欢写那种风格都没问题。

关系运算符

用于比大小的一些运算,其中==表示两者相等 <<=>>===

逻辑运算符

这是任何一种编程语言都具备的,如下,表示逻辑与或非 &&||!

赋值运算符

=表示赋值运算符,在C语言中,存在左值右值的概念。简单说,=左边的叫左值,右边的叫右值。左值只能是计算机内存中的对象,而不能是常量或计算的结果。例如变量可以成为左值,而像5i + 2这样的不能做左值。

注意,重点来了,C语言中=运算符存在赋值陷阱!

首先看C语言的连环赋值语法

1   int i,j,k;
2
3  i = j = k = 0;

=遵循右结合,所有它等价于i = (j = (k = 0)),也就是说0先赋值给k,然后k的值再赋值给j,以此类推。Ok,这样是没问题的。

再看如下代码

1    int i;
2    float j;
3    j = i = 6.1f;

j最终的值变成了6.0,这就是赋值陷阱。也就是说=存在类型自动转换的问题,值传递给i时,自动转化为int型,丢弃了小数部分。

除此外,赋值运算符还存在复合用法如下

 1    int8_t a = 0;
 2    int16_t b = 0;
 3    int32_t c = 0;
 4    int64_t d = 0;
 5
 6    a += 1;  // 等价于 a = a + 1
 7    b -=1;   // 等价于 a = a - 1
 8    c *= 1;  // 等价于 a = a * 1
 9    d /=2;   // 等价于 a = a / 1
10    d %=2;   // 等价于 a = a % 1

运算符优先级

这里给出一个简单常见的优先级顺序

分支与循环

条件分支

C语言的条件分支与其他语言相似 if-else分支,如下结构,这是Linux C语言推荐的代码范式,即将一个花括号紧跟小括号之后,写在同一行。

1  if (1 > 0){
2  // do something
3   }else{
4  // do something
5   }

if后面的条件表达式中存在陷阱,在C语言中没有布尔类型,使用0和非0来表示false和true。因此很多人会想当然的以为0是false,大于0就是true,实际上,-1也是true,要注意,是一切非0值,包括小数也是true。

if-else中只有一句时,语法上是可以省略花括号的,但是不建议这样,尤其包含嵌套的if语句时。C语言语法比较自由,正是如此,才更应该遵守规范。始终写上花括号,养成良好的编程规范,使代码易于阅读和维护。

1  if(a>b) max=a;
2  else max=b;
3
4  // 或者放两行
5  if(a>b) 
6    max=a;
7   else 
8    max=b;

多重条件的复合判断

1  if(/*条件1*/){
2    //语句块1
3  } else  if(/*条件2*/){
4    //语句块2
5  } else  if(/*条件3*/){
6    //语句块3
7  }else{
8     //语句块n
9  }

当复合的条件过多时,直接使用if - else if - else会显得代码冗长,因此C语言也提供了另一种语法编写选择分支,与Java、JavaScript等语言的switch相同

 1     int a = 1;
 2
 3     switch(a){
 4        case 1: 
 5            printf("Monday\n"); 
 6            break;
 7        case 2: 
 8            printf("Tuesday\n"); 
 9            break;
10        case 3: 
11            printf("Wednesday\n"); 
12            break;
13        case 4: 
14            printf("Thursday\n"); 
15            break;
16        case 5: 
17            printf("Friday\n"); 
18            break;
19        case 6: 
20            printf("Saturday\n"); 
21            break;
22        case 7: 
23            printf("Sunday\n"); 
24            break;
25        default:
26            printf("error\n"); 
27            break;
28    }

需要注意,case 后面必须是一个整数,或者是结果为整数的表达式,但不能包含任何变量。

循环

while

最简单的循环当是while循环

1  while(/*表达式*/){
2    //语句块
3  }
4
5  int i=1, sum=0;
6  while( i<=100 ){
7    sum+=i;
8    i++;
9  }

除此外,还存在while循环的变体,do - while循环

 1  do{
 2    //语句块
 3  }while(/*表达式*/);
 4
 5   //---------------------------------
 6  int i=1, sum=0;
 7
 8  do{
 9    sum+=i;
10    i++;
11   }while(i<=100);

do-while循环与while循环的不同在于,它会先执行“语句块”,然后再判断表达式是否为真,如果为真则继续循环;如果为假,则终止循环。因此,do-while 循环至少要执行一次“语句块”。再使用do-while循环时,要记住,while(i<=100);的小括号后面必须跟一个分号。

for

C语言中更常用的可能是for循环

for 循环的一般形式

1  for(表达式1; 表达式2; 表达式3){
2    语句块
3  }
  1. 先执行“表达式1”。
  2. 再执行“表达式2”,如果它的值为真(非0),则执行循环体,否则结束循环。
  3. 执行完循环体后再执行“表达式3”。
  4. 重复执行步骤 2 和 3,直到“表达式2”的值为假,就结束循环。
1  // 使用for循环,进行等差数列求和
2  int sum=0;
3  for(int i=1; i<=100; i++){
4    sum+=i;
5  }
6
7  printf("%d\n",sum);

for 循环中的三个表达式都是可选项,都可以省略,但分号必须保留。

 1  int i = 1, sum = 0;
 2  for( ; i<=100; i++){
 3    sum+=i;
 4  }
 5
 6  // 省略两个
 7  for( ; i<=100 ; ){
 8    sum=sum+i;
 9    i++;
10  }
11
12  // 全部省略,表示死循环,等同于while(1){}
13  for( ; ; ){
14  // do something
15  }

实际上,for循环的灵活用法,完全可以替代while循环。另外,for循环中也能使用逗号表达式,当循环体只有一行时,亦可省略花括号

1  //表达式1 和 表达式3都是一个逗号表达式,即用逗号连接了两个表达式。
2  for( i=0,j=100; i<=100; i++,j-- )  k=i+j;

控制循环

在适当的时候,我们需要退出循环或跳过本次循环,这时候就需要控制循环。 控制循环通常使用breakcontinue关键字。

break 关键字用于 while、for 循环时,会终止循环而执行整个循环体后面的代码。break 关键字通常和 if 语句一起使用,即满足条件时便跳出循环

1  int i=1, sum=0;
2  while(1){  //死循环
3    sum+=i;
4    i++;
5    if(i>100) break;  //满足条件退出循环
6  }

continue 的作用是跳过本次循环中剩余的语句而强制进入下一次循环。它只用在 while、for 循环中,常与 if 条件语句一起使用

1  // 打印奇数
2  for(int i=1; i<=100; i++){
3    if(i%2 == 0){   // 遇到偶数时跳过
4        continue;
5    }
6    printf("%d\n",i);
7  }

原文发布于微信公众号 - 编程之路从0到1(artofprogram)

原文发表时间:2019-06-02

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