C语言教程

# C语言完整教程

## 目录
1. [C语言简介](#1-c语言简介)
2. [基础语法](#2-基础语法)
3. [数据类型](#3-数据类型)
4. [运算符](#4-运算符)
5. [控制流程](#5-控制流程)
6. [函数](#6-函数)
7. [数组和字符串](#7-数组和字符串)
8. [指针](#8-指针)
9. [结构体和联合体](#9-结构体和联合体)
10. [文件操作](#10-文件操作)
11. [预处理器](#11-预处理器)
12. [内存管理](#12-内存管理)
13. [标准库](#13-标准库)
14. [高级特性](#14-高级特性)

## 1. C语言简介

### 1.1 历史背景
C语言由Dennis Ritchie于1972年在贝尔实验室创建，最初是为了开发UNIX操作系统。它是一种通用的编程语言，既可以进行系统编程，也可以开发应用程序。

### 1.2 特点
- 中级语言，结合了汇编语言和高级语言的特点
- 结构化编程语言
- 可移植性强
- 生成的代码效率高
- 灵活性强
- 语法简洁

### 1.3 应用领域
- 操作系统开发
- 嵌入式系统
- 系统软件开发
- 游戏开发
- 编译器开发

## 2. 基础语法

### 2.1 程序结构
```c
#include <stdio.h>

int main() {
    // 程序主体
    return 0;
}
```

### 2.2 标识符规则
- 由字母、数字和下划线组成
- 首字符必须是字母或下划线
- 区分大小写
- 不能使用关键字作为标识符

### 2.3 关键字
```c
auto     double   int      struct
break    else     long     switch
case     enum     register typedef
char     extern   return   union
const    float    short    unsigned
continue for      signed   void
default  goto     sizeof   volatile
do       if       static   while
```

## 3. 数据类型

### 3.1 基本数据类型
1. 整型
   - char: 1字节
   - short: 2字节
   - int: 4字节
   - long: 4字节或8字节
   - long long: 8字节

2. 浮点型
   - float: 4字节
   - double: 8字节
   - long double: 16字节

3. 字符型
   - char

### 3.2 修饰符
- signed
- unsigned
- short
- long

### 3.3 常量
```c
#define PI 3.14159
const int MAX_SIZE = 100;
```

## 4. 运算符

### 4.1 算术运算符
```c
+ - * / % ++ --
```

### 4.2 关系运算符
```c
== != > < >= <=
```

### 4.3 逻辑运算符
```c
&& || !
```

### 4.4 位运算符
```c
& | ^ ~ << >>
```

### 4.5 赋值运算符
```c
= += -= *= /= %= <<= >>= &= ^= |=
```

## 5. 控制流程

### 5.1 条件语句
```c
if (condition) {
    // 代码块
} else if (condition) {
    // 代码块
} else {
    // 代码块
}

switch (expression) {
    case constant1:
        // 代码块
        break;
    case constant2:
        // 代码块
        break;
    default:
        // 代码块
}
```

### 5.2 循环语句
```c
for (initialization; condition; increment) {
    // 代码块
}

while (condition) {
    // 代码块
}

do {
    // 代码块
} while (condition);
```

## 6. 函数

### 6.1 函数定义
```c
return_type function_name(parameter_list) {
    // 函数体
    return value;
}
```

### 6.2 函数原型
```c
return_type function_name(parameter_list);
```

### 6.3 参数传递
- 值传递
- 指针传递
- 数组传递

## 7. 数组和字符串

### 7.1 数组
```c
// 一维数组
int array[SIZE];

// 二维数组
int matrix[ROWS][COLS];

// 数组初始化
int numbers[] = {1, 2, 3, 4, 5};
```

### 7.2 字符串
```c
char str[] = "Hello";
char *str_ptr = "World";

// 字符串函数
strlen() // 长度
strcpy() // 复制
strcat() // 连接
strcmp() // 比较
```

## 8. 指针

### 8.1 基本概念
```c
int *ptr;        // 指针声明
int var = 10;
ptr = &var;      // 获取地址
printf("%d", *ptr); // 解引用
```

### 8.2 指针运算
- 指针加减
- 指针比较
- 指针数组
- 函数指针

### 8.3 空指针
```c
int *ptr = NULL;
```

## 9. 结构体和联合体

### 9.1 结构体
```c
struct Person {
    char name[50];
    int age;
    float height;
};

// 结构体变量
struct Person person1;
```

### 9.2 联合体
```c
union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};
```

### 9.3 位域
```c
struct Flags {
    unsigned int flag1 : 1;
    unsigned int flag2 : 1;
};
```

## 10. 文件操作

### 10.1 文件操作函数
```c
FILE *fopen()  // 打开文件
fclose()       // 关闭文件
fprintf()      // 写入格式化数据
fscanf()       // 读取格式化数据
fread()        // 读取数据块
fwrite()       // 写入数据块
fseek()        // 设置文件位置
```

### 10.2 文件访问模式
- "r" - 读
- "w" - 写
- "a" - 追加
- "r+" - 读写
- "w+" - 读写
- "a+" - 读写追加

## 11. 预处理器

### 11.1 预处理指令
```c
#include    // 包含头文件
#define     // 宏定义
#undef      // 取消宏定义
#ifdef      // 条件编译
#ifndef     // 条件编译
#if         // 条件编译
#else       // 条件编译
#elif       // 条件编译
#endif      // 条件编译
#pragma     // 编译器指令
```

### 11.2 宏定义
```c
#define MAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define SQUARE(x) ((x) * (x))
```

## 12. 内存管理

### 12.1 动态内存分配
```c
malloc()    // 分配内存
calloc()    // 分配并清零
realloc()   // 重新分配
free()      // 释放内存
```

### 12.2 内存操作函数
```c
memcpy()    // 内存复制
memmove()   // 内存移动
memset()    // 内存设置
memcmp()    // 内存比较
```

## 13. 标准库

### 13.1 常用标准库
```c
<stdio.h>   // 输入输出
<stdlib.h>  // 通用工具
<string.h>  // 字符串操作
<math.h>    // 数学函数
<time.h>    // 时间相关
<ctype.h>   // 字符类型
<assert.h>  // 断言
<limits.h>  // 数值限制
<float.h>   // 浮点限制
```

### 13.2 输入输出函数
```c
printf()    // 格式化输出
scanf()     // 格式化输入
getchar()   // 获取字符
putchar()   // 输出字符
gets()      // 获取字符串
puts()      // 输出字符串
```

## 14. 高级特性

### 14.1 多线程编程
- POSIX线程库（pthread）
- 线程创建与同步
- 互斥锁和信号量

### 14.2 网络编程
- Socket编程
- TCP/IP协议
- 客户端/服务器编程

### 14.3 错误处理
```c
errno       // 错误码
perror()    // 打印错误信息
strerror()  // 获取错误描述
```

### 14.4 调试技巧
- 使用assert()
- 条件编译
- 调试宏
- GDB调试器使用

## 最佳实践

1. 代码规范
   - 使用有意义的变量名
   - 适当的注释
   - 一致的缩进风格
   - 模块化设计

2. 性能优化
   - 减少循环中的计算
   - 使用合适的数据类型
   - 避免内存泄漏
   - 优化算法复杂度

3. 安全编程
   - 边界检查
   - 输入验证
   - 内存管理
   - 错误处理

4. 可移植性
   - 使用标准C
   - 避免平台相关代码
   - 使用条件编译
   - 考虑字节序

## 示例程序

### 完整的C程序示例
```c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define MAX_STUDENTS 100

struct Student {
    char name[50];
    int id;
    float score;
};

void printStudent(struct Student *s);
void sortStudents(struct Student *students, int count);

int main() {
    struct Student students[MAX_STUDENTS];
    int count = 0;
    
    // 添加学生信息
    strcpy(students[count].name, "张三");
    students[count].id = 1001;
    students[count].score = 85.5;
    count++;
    
    strcpy(students[count].name, "李四");
    students[count].id = 1002;
    students[count].score = 92.0;
    count++;
    
    // 排序
    sortStudents(students, count);
    
    // 打印
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        printStudent(&students[i]);
    }
    
    return 0;
}

void printStudent(struct Student *s) {
    printf("姓名: %s\n", s->name);
    printf("学号: %d\n", s->id);
    printf("分数: %.1f\n\n", s->score);
}

void sortStudents(struct Student *students, int count) {
    for (int i = 0; i < count-1; i++) {
        for (int j = 0; j < count-1-i; j++) {
            if (students[j].score < students[j+1].score) {
                struct Student temp = students[j];
                students[j] = students[j+1];
                students[j+1] = temp;
            }
        }
    }
}
```

## 结语

C语言作为一种功能强大的编程语言，在系统级编程中仍然占据重要地位。掌握C语言不仅能帮助我们更好地理解计算机系统，还能为学习其他编程语言打下坚实的基础。在实际编程中，建议：

1. 从基础开始，扎实掌握每个概念
2. 多做练习，特别是指针和内存管理
3. 注意代码的可读性和维护性
4. 关注安全性和性能优化
5. 养成良好的编程习惯

持续学习和实践是提高C语言编程水平的关键。希望这份教程能帮助你更好地理解和使用C语言。