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深入理解C語言

  語言只是一種工具,任何語言之間都是相通的,一通則百通,關鍵是要理解語言背後的思想,理解其思想,任何語言,拿來用就行了。語言沒有好壞之分,任何語言既然存在自然有它存在的價值。

  在一個到處是OOP的年代,為何面向過程的C語言依然可以如此活躍?這主要得益於C語言本身的語言特性。C語言小巧靈活,而且還有一個直接與硬件打交道的指針的存在,所以它是嵌入式開發唯有的高級語言;正因為他的小巧靈活,我們可以用它來開發一系列的小工具,Unix/Linux就是由這些小工具組成的操作系統;同時用C語言可以開發高性能的應用程序。

1、數據類型。C是一門面向過程的語言,但它依舊可以實現大多數面向對象所能完成的工作。比如面向對象的三大特性:封裝、繼承、多態。

  封裝:C中有一種復雜的數據結構叫做struct。struct是C裡面的結構體。

  假如我們要對person進行封裝,person可能包括姓名、性別、年齡、身高、體重等信息。我們就可以對它封裝如下:

struct Person{
    char name[20];//姓名
    char gender;    //性別 
    int age;        //年齡
    int height;        //身高
    int weight;      //體重
};

  當我們要像OOP那樣新建一個對象時,我們就可以:

struct Person p;

  我們就可以直接對p進行賦值:

p.name = "whc";
p.gender = 'b';  //'b' = boy; 'g' = girl
p.age = 25; 
p.height = 175;
p.weight = 65;

  繼承:同樣利用struct,我們來創建一個學生結構,同時繼承結構體Person,如下:

struct Student{
    struct Person p;
    char number[20]; //學號
    int score;              //成績
};

    對Student進行創建對象,並賦值:

struct Student s;
s.p.name = "whc";
s.p.gender = 'b';
s.p.age = 25;
s.p.height = 175;
s.p.weight = 65;
s.number = "20150618";
s.score = 90;

  多態:C中對於多態的實現可以借助函數指針來實現。為了簡單起見,我們假設Person這個結構體中,只有一個函數指針。

struct Person{
    void (*print)(void *p);
};

struct Student{
    struct Person p;
};

  而Person和Student這兩個結構體的print函數實現如下:

void printPerson(void *person){
    if(NULL == person)
        return ;
    struct Person *p = (struct Person *)person;
    printf("run in the person!!\n");
}
void printStudent(void *person){
    if(NULL == person)
        return ;
    struct Person *p = (struct Person *)person;
    printf("run in the student!!\n");
}

  我們寫一個函數來調用他們:

void print(void *person){
    if(NULL == person)
        return ;
    struct Person *p = (struct Person *)person;
    p->print(person);
}
int main(){
    struct Person person;
    struct Student student;
    person.print = printPerson;
    student.p.print = printStudent;

    print(&person);    //實參為Person的對象
    print(&student);  //實參為Student的對象

    return 0;
}

  他們的輸出為:

  其實這個也不難理解,無論是Person還是Student,他們在內存中只有一個變量,就是那個函數指針,而void*表示任何類型的指針,當我們將它強制轉換成struct Person*類型時,p->print指向的自然就是傳入實參的print地址。

2、 指針和內存管理

  無論問哪一個C工程獅:C語言中最容易出錯的地方在哪?我們基本上會得到同一個答案,那就是指針和內存溢出。那麼指針是什麼,指針其實就是一個地址,這個地址可以是一個變量的地址,也可以是一個函數的地址,不管是什麼,反正都是內存中的一個地址。

  例如有一個變量a,我們定義一個指針來保存變量a的地址:

int a = 0;
int *p = &a;

  如果是一個函數呢?我們定義一個函數,然後用一個函數指針來保存這個函數地址:

int min(int a,int b){
  return a<b?a:b; 
}

int (*f)(int,int);
f = min;

  可能我們有時候會想,難道我們只能先定義一個變量或者函數,然後把它的地址給指針麼?不能直接使用指針,或者直接給指針賦一個常量麼?首先,我們不知道內存中哪些是可用的地址,哪些是不可用的,每當我們定義一個指針時,這個指針指向的是一個未定義的內存,這個就是傳說中的野指針。如果我們給這個指針所指向的內存賦值,就有可能覆蓋了一些很重要的數據,所以每當我們定義一個指針時,最好給它賦一個初始地址或者NULL;如果我們給一個指針賦常量,同樣的道理。

  指針的類型要與變量的類型一致(如果我們不是故意要他們不一致),所謂類型,只是變量的一直表現形式,其實在內存中,他們不過是0101的二進制,當我們用32bits的原碼表示時,它就是unsigned;當我們用32bits補碼表示時,就是signed;當用浮點表示時就是float;當用更復雜的自定義表示時就是struct;用union可以很好的理解這些。

  現在我們來講一下內存,這裡我們只討論用戶內存區域:

  一般分為5個區域:

  (1)程序代碼區:存放代碼指令的地方

  (2)全局(靜態)變量區:包括初始化、未初始化的全局變量和靜態變量

  (3)字符常量區:存放一些字符串常量,在C語言裡面,這個很容易與棧中定義的字符數組搞混,當我們定義如下:

int main(){
  char *str0 = "Hello World!";    //字符常量區
  char  str1[] = "Hello World!";  //棧區
                       
  return 0;           
}

  str0所指向的字符串就是在字符常量區,但是str0本身的這個指針變量是在棧區的,這個變量存放的是字符常量區中"Hello World!"的首地址。

  str1是字符數組,所以str1中所存放的字符串是在棧區,這裡利用的不過是字符數組初始化的一種形式,其實它可以寫成如下形式:

char str1[] = {'H','e','l','l','o',' ','W','o','r','l','d','!','\0'};

  (4)棧區:局部變量,形參,函數返回地址等,由系統來管理,在內存裡面是由高地址往低地址生長,所以棧空間大小是有限的,當在棧中定義一個很大的數組或者使用很深的遞歸調用時,就有可能棧溢出。

  (5)堆區:由malloc、calloc、realloc函數分配的空間,由我們自己來管理,每次用完之後,必須用free釋放內存,否則,就會產生內存洩漏,每次釋放內存後,雖然不再占用著這塊內存中,但是對應的指針依然指向這塊區域,這個指針就是野指針,所以釋放內存後,建議給指針賦NULL。如下:

int main(){
  int *p = (int*)malloc(100*sizeof(int)); 
  /*
    執行語句 
  */ 
  free(p);//這時p依然指向那塊內存,成了野指針
  p = NULL;  //對p賦值NULL
  return 0; 
}

3、C語言的I/O輸入輸出

  C語言本身並不帶有輸入輸出的特性,所以它的所有I/O操作都是通過系統調用來實現。幸運的是C標准庫,已經給我們封裝好了一系列的I/O操作的函數。

  putchar ():把變量中的一個字符常量輸出到顯示器屏幕上;

  getchar ();從鍵盤上輸入一個字符常量,此常量就是該函數的值;

  printf ();把鍵盤中的各類數據,加以格式控制輸出到顯示器屏幕上;

  scanf  ();從鍵盤上輸入各類數據,並存放到程序變量中;

  puts    ():把數組變量中的一個字符串常量輸出到顯示器屏幕上

  gets    ():從鍵盤上輸入一個字符串常量並放到程序的數組中

  一些為對文件的操作,由於一切皆可看作是文件,標准輸入,輸出也可以當作文件來操作,文件描述符:標准輸入(0)、標准輸出(1)、標准錯誤(2)

  fputs();輸出到文件

  fgets();從文件輸入

  fscanf();格式化文件輸入

  fprintf();格式化文件輸出

  另外兩個很重要的函數,當然還有他們的派生函數也是類似的

  sscanf(); 從一個字符串中提取各類數據。

  sprintf(); 把格式化的數據寫入某個字符串

  這裡不對每個函數進行詳解,主要對格式化函數進行分析:

  (1)當我們要把一個字符串轉換成一個整數或者把一個整數轉換成一個字符串時,我們一般會想到atoi()或者itoa()(非標准函數),但是我們可以通過流來實現:

int main(){
    int num = 10;
    char str[10] = {0};
    sprintf(str,"%d",num); //把int轉換成char[]
    num = 0;
    sscanf(str,"%d",&num);//把字符串轉換成int
    printf("num:%d str:%s\n",num,str);

    return 0;
}

  輸出結果如下:

  把字符串轉與其它類型之間的轉換:比如float,16進制,unsigned等都可以用流實現。

  (2)格式化函數中的正則表達式

  所有的格式化函數都可以定制自己的掃描集 %[abc]、%[a-z]、%[^abc]、%[^a-z],其中[]內是匹配的字符,^表示求反集。

  當我們要從標准輸入輸入一個可能帶空格的字符串時,直接用scanf("%s",str);當讀到空格時就返回,此時就可以使用正則表達式:

char str[100] = {0};
scanf("%[^\n]",str);//直到遇到回車才寫入

  從標准輸入中只要讀小寫字母a-z,遇到其它字符則返回:

char str[100] = {0};
scanf("%[a-z]",str);

  其他格式化函數的用法相同,不一一舉例。

4、總結

  從大一開始學習C語言也有四五年了,個人認為:C語言中最大的成功在於它的指針,但是也是最容易出錯的,想要理解C,必須要掌握指針。雖然說,語言只是一門工具,但是這是基礎。或許,你可以說,現在是JAVA的天下了,滿大街都是招聘JAVA工程師;或者你可以說C太底層,現在都是OOP的時代了,誰還會用面向過程的......你們不要忘了操作系統是用什麼寫的?是C;C實現的nginx的並發量是C++實現的apache的幾十倍。無論是什麼編程語言,好好學,深入學就行,不要因為它今天流行就拋棄昨天所學的。

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