第1章 C语言程序设计初步

第一章C语言程序设计的概念1.1程序与程序设计语言1.1.1常量一提起计算机，人们就会联想到键盘、显示器和主机。其实，应用要早得多、并一直流传至今的计算机工具是算盘（见图1.1）。那么，现代电子计算机与算盘的最大区别在哪里呢？关键在于现代计算机可以自动完成计算过程，而算盘进行的计算过程是在人的拨动下才能进行。图1.1算盘那么，为什么现代计算机可以自动完成计算过程呢？这首先要从程序说起。程序实际上是一个非常普通的概念：按照一定的顺序安排的工作步骤。可以说，做任何事情都有相应的程序。做的事情不同，要求的效果不同，程序就不同。例如，用同样的原料，采用不同的程序，会做出不同的菜肴来。一种工具能够自动工作，一是要有记忆功能，能够记住程序；二是具有按照程序控制相关部件操作的能力。如果能让算盘记住做某种计算的口诀和计算的数据，并且有能按照口诀控制算珠自动运动的机制，则只要发出开始执行的命令，算盘就会自动完成计算。可惜这样的机制并没有在算盘中实现。但是，却有另外一种机器却在这方面向前推进了一步。这就是明朝末年宋应星在其《天工开物》中记载的中国古代提花机（见图1.2）。图1.2中国古代的提花机中国提花机大约出现于西汉末年（公元前）。它采用用丝线结成的“花本”（花版）控制经线起落，以织成要求的图样。这是最早的程序控制思想。后来，提花机沿着丝绸之路传到欧洲，历经改进，1805年法国人JosephJacquard制造成功用穿孔卡片（见图1.3）控制连杆（横针）,用有孔和无孔进一步控制经线起落的提花机。图1.3穿孔卡片穿孔卡片把程序控制技术向前推进了一步。这一技术被一位英国数学家CharlesBabbage（见图1.4）引入到了计算机中机，用有孔和无孔的组合来表示数据和程序。图1.4英国数学家CharlesBabbage18世纪末，法国数学界调集大批数学家，组成了人工手算的流水线，经过长期艰苦奋斗，终于完成了17卷《数学用表》的编制，但是，手工计算出的数据出现了大量错误。这件事情强烈刺激了Babbage。1812年20岁的Babbage开始计算机的研制工作，他要把函数表的复杂算式转化为差分运算，用简单的加法代替平方运算，快速编制不同函数的数学用表，并将这种机器称为“差分机”。经过十年的努力，终于于1822年完成了第一台差分机，可以处理3个不同的5位数，计算精度达到6位小数。1833年他又开始投身于一种“会分析的机器”——分析机的研制中。他把机器设计成三个部分，一是用来储存数据信息的“仓库（TheStore）”，二是进行数据运算处理的“工场（Themill）”，三是使用穿孔卡片来输入程序并用穿孔卡片输出数据。这台机器虽然没有制造成功，但它的工作原理——程序存储控制为今天的计算机奠定了基础：（1）任何工具的工作，都是由程序控制的；（2）只有工具具有了记忆程序的功能，并具有了按照程序进行自我控制的功能，该工具才能自动工作。1.1.2计算机程序设计语言程序要需要用某种形式（语言）来描述。例如，用算盘进行计算，程序是用口诀描述的，珠算的语言是口诀。现代计算机的程序则是用计算机程序设计语言来描述的。从计算机诞生到今天，程序设计语言也在伴着计算机技术的进步不断升级换代。1.机器语言一种CPU的指令系统，也称该CPU的机器语言，它是该CPU可以识别的一组由0和1序列构成的指令码。下面是某CPU指令系统中的两条指令：10000000（进行一次加法运算）10010000（进行一次减法运算）用机器语言编程序，就是从所使用的CPU的指令系统中挑选合适的指令，组成一个指令系列。这种程序虽然可以被机器直接理解和执行，却由于它们不直观，难记、难认、难理解、不易查错，只能被少数专业人员掌握，同时编写程序的效率很低，质量难以保证。这种繁重的手工方式与高速、自动工作的计算机极不相称。这种方式仅使用于计算机出现的初期(使用穿孔纸带的时期)的编程（用有孔、无孔，分别代表1、0），现在已经不再使用2.汇编语言为减轻人们在编程中的劳动强度，20世纪50年代中期人们开始用一些“助记符号”来代替0，1码编程。如前面的两条机器指令可以写为A+B＝＞A或ADDA，BA-B＝＞个样A或SUBA，B这种用助记符号描述的指令系统，称为符号语言或汇编语言。用汇编语言编程，程序的生产效率及质量都有所提高。但是汇编语言指令是机器不能直接识别、理解和执行的。用它编写的程序经检查无误后，要先翻译成机器语言程序才能被机器理解、执行。这个翻译转换过程称为“代真”。代真后得到的机器语言程序称为目标程序(objectprogram)，代真以前的程序，称为源程序(sourceprogram)。由于汇编语言指令与机器语言指令基本上具有一一对应的关系，所以汇编语言源程序的代真可以由汇编系统以查表的方式进行。汇编语言与机器语言，都是依CPU的不同而异，它们都称为面向机器的语言。用面向机器的语言编程，可以编出效率极高的程序。但是程序员用它们编程时，不仅要考虑解题思路，还要熟悉机器的内部结构，并且要“手工”地进行存储器分配。这种编程的劳动强度仍然很大，给计算机的普及推广造成很大的障碍。2.高级语言汇编语言和机器语言是面向机器的，不同类型的计算机所用的汇编语言和机器语言是不同的。1954年出现的FORTRAN语言以及随后相继出现的其它高级语言，开始使用接近人类自然语言的、但又消除了自然语言中的二义性的语言来描述程序。这些高级语言使人们开始摆脱进行程序设计必须先熟悉机器的桎梏，把精力集中于解题思路和方法上。第一种高级语言是1954年问世的FORTRAN语言。此后不久，不同风格、不同用途、不同规模、不同版本的面向过程的高级语言便风涌而起。据统计，全世界已有2500种以上的计算机语言，其中使用较多的有近百种。图1.5为几种广泛流行的高级语言的发展变迁情况。20042000199619921988198419801976197219681964196019561952JavaC++CPL—BCPL—B—CPASCALModula-2AdaALGOL68ALGOL60FORTRANBASICQBASICVisualBASICFORTRAN77FORTRAN90PL/1LISPPROLOGCOBOLSimula67Smalltalk80C89C99C#图1.5几种广泛流行的高级语言的发展变迁情况1.1.3高级语言程序的开发过程一般来说，程序开发的一般过程有如图1.6所示几个步骤。图1.6高级语言程序的开发过程1.分析问题，建立模型一般来说，一个具体的问题要涉及许许多多的方面，这是问题的复杂性所在。为了便于求解，往往要忽略一些次要方面。这种通过忽略次要方面，而找出解题规律，就称为建立模型。2.表现模型表现模型就是用一种符号-语言系统来描述模型。一般来说，模型的表现会随着对问题抽象程度的加深和细化，不断由领域特色向计算机可解释、执行靠近，中间也可能采用一些其他的符号系统，如流程图等，直到最后用一种计算机程序设计语言描述出来。3.源程序的编辑源程序的编辑就是在某种字处理环境下，用具体的程序设计语言书写并修改的过程。为此就要掌握一种计算机程序设计语言。还要应用一种专用程序编辑器或通用的文字编辑器进行。4.程序的编译（或解释）与链接写出一个高级语言程序后，并不是就可以立即拿来执行。要让机器直接执行，还要将它翻译成由机器可以直接辨认并可以执行的机器语言程序。为区别它们，把用高级语言写的程序（文件）称为源程序（文件），把机器可以直接辨认并执行的程序（文件）称为可执行程序（文件）。这一过程一般分为两步：第1步：在程序编辑过程中输入到源文件中的是一些字符码，但是机器可以直接处理的是0、1信息。为此，首先要将源程序文件翻译成0、1码表示的信息，并用相应的文件保存。这种保存0、1码信息的文件称为目标程序文件。由源文件翻译成目标文件的过程称为编译。在编译过程中，还要对源程序中的语法和逻辑结构进行检查。编译任务是由称做编译器（compiler）的软件完成的。目标程序文件还不能被执行，它们只是一些目标程序模块。第2步：将目标程序模块以及程序所需的系统中固有的目标程序模块（如执行输入输出操作的模块）链接成一个完整的程序。经正确链接所生成的文件才是可执行文件。完成链接过程的软件称为链接器（linker）。图1.7为编译和链接过程的示意图。程序在编译、链接过程中，也可能发现错误。这时要重新进入编辑器进行编辑。#includestdio.hintadd(int,int);intmain(void){ints;s=add(2,3);printf(“Thesumis:%d”,s);return0;}intadd(inta,intb){intsum;sum=a+b;returnsum;}编译器0101100101110101101010001010001000110010101111010001000101000100011001010111101000100111011101链接程序源文件1源文件2目标文件1目标文件2110001101011100010100010001100101011110100010011101110110010010010000000000可执行文件10001000101000100011001010111101000100111011101100110011其他目标文件图1.7编译和链接过程的示意图5.程序的测试与调试经编译、链接的程序文件，生成可执行文件，就可以让计算机执行了。但是，并不是就可以得到预期的结果而交付用户使用了，因为程序仍然会存在某些错误。因此，每一个人编写出一个程序后，在正式交付使用前，总要试通一下。“试通”就是试运行程序，也就是对程序进行测试。测试是以程序通过编译、没有语法和链接上的错误为前提，目的是找出程序中可能存在的错误并加以改正。因此，应该测试程序在不同情况下运行的情况，输入不同的数据可以检测出程序在不同情况下运行的情况。测试的数据应是以“程序是会有错误的”为前提精心设计出来的，而不是随心所欲地乱凑而成的。它不仅应含有被测程序的输入数据，而且还应包括程序执行它们后预期的结果。每次测试都要把实际的结果与预期的结果相比较，以观察程序是否出错。6.编写程序文档经过了问题分析、设计、程序编码、测试后，程序开发的工作基本上结束了。但是，这时还不能交付使用。因为，随着程序规模的增大和日益复杂化，程序的使用和运行也越来越不那么直接，用户要运行程序，还需要知道许多信息，如：程序的功能需要输入的数据类型、格式和取值范围需要使用的文件数量、名称、内容以及存放位置等程序运行需要的软、硬件环境程序的装入、启动方法以及交互方式等。为此，程序开发者需要向用户提供这些资料——称为程序使用说明书或用户文档。需要说明的是，在许多软件中，这些内容已经部分或全部地以“readme”或“help”的形式提供。目前，程序文档已经成为软件开发产品的必要部分。文档在程序使用和维护中的重要性也改变了软件的概念，使之由早期的“软件是计算机程序的总称”演化为“软件是计算机的程序连同计算机化的文档的总称。”7.程序的维护程序交付用户使用之后，并不是万事大吉了。由于多种原因，还可能要对程序进行修改。交付之后对程序的修改称为程序的维护。维护程序的原因主要有：原来的程序没有完全满足用户要求；用户要求的改变；程序中遗留有错误，在运行中被发现。程序的维护可以由开发者进行，也可能是由别人进行。为能便于程序的维护，开发者应当提供必要的技术资料，并且要保证程序的可读性好——能让人看懂。1.2C语言及其标准1.2.1C语言的出现C语言是目前程序设计领域中最有影响力的一种程序设计语言。可是，它却是“漫不经心”地开发出来的。20世纪60年代，Bell实验室的KenThompson（见图1.8）着手开发后来对计算机产生了巨大影响的UNIX操作系统。为了描述UNIX，Thompson首先将当时的一种专门用来描述系统程序的BCPL语言改进为他称为B的语言。1970年Thompson发表了用汇编语言