C语言基础知识

前言

这个脑图会让你对C语言有一个整体的把控。包括以下主题：

C语言历史

C语言简介

变量和类型

常量

操作符

分支

循环

数组

字符串

指针

函数

输入输出

变量作用域

静态变量

枚举类型

结构

命令行参数

头文件

注释

C语言历史

20世纪60年代，贝尔实验室的研究员Ken Thompson（肯·汤普森）发明了B语言，并使用B语言编写了一个游戏：Space-Travel，Thompson的同事D.Ritchie（丹尼斯.里奇）也想要玩Space Travel，所以加入了Ken Thompson，合作开发，他的主要工作是改进Thompson的B语言，取名为：C语言。

C简介

C语言是最广为人知的编程语言，根据TIOBE编程语言排行榜，C语言目前仍然是使用人数最多的编程语言之一。国内外很多大学都将C，Python或者Java作为相应学科的主修课程。C语言是最接近于底层硬件的高级语言，可以帮助我们从硬件架构的角度来思考问题。C语言的优势在于效率非常高，所以在芯片开发，操作系统等对于执行速度和实时性有比较高要求的场景中，C的使用非常广泛。和Python，Java等语言相比，C语言的缺点在于内存管理容易出错。

C语言是我学习的第一门编程语言。C语言的书很薄，基础语法很简单，但是想用好C语言成为高手却需要花费很多功夫，因为C语言偏底层，和硬件打交道，思维方式偏硬件，而且有很多细节需要注意。

C语言的应用范围很广，比如Android手机的底层是Linux操作系统，Linux就是用C语言写的。各种芯片中的固件或者驱动程序，大多是用C写的。嵌入式设备，音视频编解码等领域C语言用的也比较多。原因在于，这些领域对于程序的执行效率有很高的要求。

为什么这些底层的软件要用C语言来写呢？因为C写出来的程序性能和效率都很高。 举个例子，做手机基带芯片开发，负责手机和基站的通信。C语言写的代码，体积很小，所以芯片可以使用更小的 ROM（大家可以把ROM理解为硬盘）来存储代码。假设因为使用的ROM小，可以节省一毛钱的成本，我们公司的芯片出货量是 10 亿级别的。那么我们可以创造出1亿的利润。这就是量变引起质变，为什么芯片开发需要用C语言的原因。并且芯片内部有很多的数值运算，C的运算效率也是最高的。

我们最熟悉的数学使用的是10进制，数字由0到9组成。表示更大的数值，我们就需要使用多个数字组合起来。比如19，190等等。大家想一想，我们可以将思维延伸一下，既然可以用 0~9 一共十个数字来表示数值，那么也可以用0、1两个数字来表示数值，这就是二进制。比如，数字 0、1、10、111、100、1000001 都是有效的二进制。

二进制加减法和十进制加减法的思想是类似的： 1、对于十进制，进行加法运算时逢十进一，进行减法运算时借一当十；2、对于二进制，进行加法运算时逢二进一，进行减法运算时借一当二。

我们需要明确一点：我们使用的电子设备都是2进制的，CPU只认识二进制的 01 码，比如 01011100。这种二进制 01 码对于我们程序员写代码和阅读代码都非常困难，所以大牛们发明了各种编程语言，使用人类容易读懂的字符进行程序编写。这就是编程语言的由来。不同的编程语言最终都要转换成机器能够识别的二进制，交给机器执行。这是一个翻译的过程。

编程语言有两种，一种是编译型语言，比如 C，Java，Go。另一种是解释型语言，比如 Python，JavaScript

PS：不管是编译型语言还是解释型语言，最终都需要把程序员写的代码翻译成二进制机器代码，交给机器执行。它们的区别在哪呢？编译型语言会先将写好的代码通过编译器，一次性全部编译成二进制文件，然后交给机器执行。解释型语言的执行过程是一边解释一边执行，一条一条来。编译型语言的好处是，已经事先翻译成了机器认识的代码，所以执行效率高，速度快。但是需要事先编译，我们每次写完代码都要编译一遍才能运行，有时候编译的时间很长，需要几分钟，甚至超过一个小时。解释型语言的好处是，写完代码之后直接执行，不需要等待编译。但是缺点是执行效率低，代码跑得慢。因为每一次运行代码，要一边翻译一边执行。

大家可以想象一下，比如咱们有个程序需要运行 100 次。那么对于编译型语言来说，只需要编译一次，后面都是直接运行。解释型语言每次执行时都要同步的一边翻译一边执行。所以编译型语言整体上效率要高。

C语言没有垃圾回收。这意味着我们必须自己管理内存的分配和使用。这就是 C 当中的指针。指针操作非常复杂，程序员需要相当小心，以防止错误。即便是像我一样的老司机程序员也有可能在使用指针时犯错误。C这种手动管理内存，容易出错。但是也有好处，就是C的效率很高，这就使得C是理想的编写物联网设备软件的语言，可以用在 Arduino 之类的平台。

总体来说，C语言的特点是把主动权交给用户，灵活性很高，C并没有隐藏机器的各项能力和复杂性。一旦你精通C语言，你就可以可以精确地控制硬件，能力很强，性能超高，不过也容易出问题:)

拿做饭打比方，C语言就好比是菜刀，什么形状都能切，便宜并且效果还不错。但是有可能会伤手。其他的高级语言就好比高级一些的厨房里面的各种复杂工具，能够很方便的帮我们切出胡萝卜丝，土豆丝，在特定领域很方便，但是不够灵活。

下面进入正题，大家写的第一个程序都是 Hello World。这个程序很简单，目标是在屏幕上打印出一句话：hello world。我们通过它来了解代码的基础知识。
```
#include <stdio.h>
int main(void) {
 printf("Hello, World!");
}
```
我们看一下这个源代码：我们在第一行首先导入stdio库（stdio是standard input output的意思，代表标准输入输出库）。这个库允许我们访问输入/输出功能。也就是这里我们需要用到的printf，把hello world打印出来。

C语言的核心模块很小。非核心的功能都由各种库来提供，就好比厨房装修好了之后就有了做饭的基本条件，有灶台，抽油烟机等。但是我们想要做一桌大餐，我们还需要电饭煲来做米饭，烤箱来烧烤等等工具。这些工具就相当于库，它们提供了C语言核心框架不具备的能力。这些库分为两种:

一些库由普通程序员编写，提供给其他程序员使用。
C 的编译器中内置了一些库。就像stdio这种。

stdio库为我们提供了printf打印函数。这个函数是被包裹在main函数当中的，所有的C语言程序都是从main函数开始执行。

函数

这里出现了一个概念：函数。那什么是函数呢？

函数是组织好的，可重复使用的，用来实现单一或者相关联功能的代码段。这个是鬼话，不好理解。换成人话就是：函数就是一个功能模块。你给他提供一些输入，它完成相关的操作，然后给你返回一个结果。函数的核心就三个步骤，输入，操作，输出。

比如你放一些水和米到电饭煲，过阵子它就做好一锅米饭返回给你了。函数的特点是可以重复使用，你每天都能用电饭煲做米饭。我们使用函数的人，可以不用关心函数的实现细节，只需要知道给他什么输入，它完成什么功能，给你返回什么输出就成了。

用这里的main函数举例。main是它的名字，我们想要用函数的时候，就是通过这个名字来调用函数的。名字之前有一个int，表示函数的返回值是一个整数（integer）。名字之后有一个括号，括号中是这个函数需要接收的参数，这里void表示不需要参数。如果需要两个整型参数，我们就可以写成int max(int a, int b)参数之后是大括号，大括号中是函数的主体，也就是这个函数要干什么。在这个 main 函数中，就是调用 printf 打印 hello world。

所以大家记住函数的四个要素：

函数名
返回值：在函数名之前
参数：函数名之后的括号中
函数主体：参数后的大括号中

这里需要提醒的是，有些同学可能觉得英文不好，该怎么学呢？我的建议是遇到一个不会的英文单词，就搞懂一个。比如这里，你需要搞懂 main，int，include，void 分别是什么意思。一点一点把必须掌握的英文搞定就好了。不需要一下子去背很多单词。

大家注意看这里printf()函数的编写方式和刚才的main函数不同。它没有定义返回值，我们只是在括号中写了一个字符串作为参数，同时我们没有具体说明参数的类型。这是因为刚才的main函数是函数定义。而这里是一个函数调用。printf 的函数定义在 stdio 库中，像这样：

int printf(const char *format, ...);

这样是不是就明白了。函数分为函数定义和函数调用。我们首先要定义一个函数，有了定义之后，才能调用函数。就好像你必须先造出来一个电饭煲，才能使用电饭煲做米饭。

定义函数时，有四要素。大家可以在返回之前的讲解复习一下，调用时，就直接用就好了。目前不需要太纠缠细节，理解大概就成。

#include <stdio.h>

int main(void) {
   printf("Hello, World!");
}

上面是我们main函数的定义，当我们执行程序时，main函数会在操作系统当中被调用。

那么我们如何去执行程序呢？

就像我们前面所讲的，C 语言是一种编译语言。要运行程序，我们必须首先编译它。任何 Linux 或 macOS 计算机都内置了C编译器。对于 Windows 用户，大家可以使用 Windows Subsystem for Linux （WSL）就是 windows 当中的 Linux。或者使用 VC 之类的工具。

我们首先打开一个终端，然后输入gcc。这时应该会返回一个错误，说我们没有指定文件，这就说明我们已经安装了 gcc，可以开始编程了。这里给大家提醒一下，一般我们编程都会遇到错误，错误提示都是英文的，我们怎么办呢？把这个英文拷贝下来，打开 bing，搜翻译。贴进去。整体来讲，翻译质量还是可以的。这样我们就能知道到底出了什么问题。但是只是知道出了什么问题，并没有解决问题，怎么办呢？

在搜索引擎搜索这句话，懂英文的可以上 stackoverflow，不懂英文的，可以上知乎，segmentfault，V2EX 等网站搜索，总能找到解决方案。