C语言基础之【C语言概述】

C语言

提到语言这个词语，自然会想到的是像英语、汉语等，这样的自然语言，因为它是人和人交换信息不可缺少的工具。 而今天计算机遍布了我们生活的每一个角落，除了与人相互交流之外，我们也必须学会和计算机交流。 那用什么的什么样的方式和计算机做最直接的交流呢? 人们自然想到的是最古老也最方便的方式一一 语言 ，而 C语言就是人和计算机交流的一种语言。 语言是用来交流沟通的。有一方说，有另一方听，必须有两方参与。 这是语言最重要的功能：

• 说的一方传递信息，听的一方接收信息。
• 说的一方下达指令，听的一方遵循命令做事情。

自然语言是人和人交流的工具，C语言是人和机器交流的工具。 只是，人可以不听另外一个人，但是，计算机是无条件服从。 语言有独特的语法规则和定义，双方必须遵循这些规则和定义才能实现真正的交流。

计算机结构组成

在这里插入图片描述

计算机系统组成

在这里插入图片描述

为什么要学习C语言

C语言特点

优点：

• 执行速度快
  • C语言是一种编译型语言，其编写的程序通常具有很高的运行效率。
• 非常灵活
  • C语言提供了丰富的数据类型和操作符，使得程序员可以灵活地处理各种数据。
• 底层访问
  • C语言允许程序员直接访问内存地址、进行位操作和控制硬件。
• 广泛应用
  • C语言被广泛应用于系统编程、嵌入式系统、操作系统、编译器开发等领域。
• 丰富的库函数
  • C语言拥有丰富的标准库和第三方库，提供了大量的函数和工具，方便开发。

缺点：

• 内存管理复杂性
  • C语言需要程序员手动管理内存分配和释放，容易导致内存泄漏、悬空指针等问题。
• 开发效率相对较低
  • 在开发大型应用程序时，C 语言的开发效率可能不如一些高级编程语言。
• 编写代码容易出错
  • C 语言的灵活性带来了一定的风险，尤其是指针操作。
• 缺乏现代编程特性
  • C 语言缺乏一些高级特性，如面向对象编程（OOP）中的类、对象、继承、多态等机制。

学习C语言理由

在这里插入图片描述

C语言应用领域

1.系统编程

• 操作系统开发：C语言是编写操作系统的主要语言之一。
  • 如：Unix、Linux和Windows操作系统的核心部分都是用C语言编写的
• 设备驱动程序：C语言常用于编写硬件设备的驱动程序。
  • 因为它可以直接与硬件交互

2.嵌入式系统

• 微控制器编程：C语言广泛应用于嵌入式系统开发。
  • 如：家电、汽车电子、工业控制系统等
• 实时操作系统（RTOS）：许多实时操作系统都是用C语言编写的。
  • 特别是用于需要高可靠性和实时响应的应用

3.编译器与解释器开发

• 编译器设计：C语言常用于编写编译器。
  • 如：GCC（GNU Compiler Collection）就是用C语言编写的
• 语言实现：C语言常用于编写解释器和虚拟机。
  • 许多编程语言（如Python、PHP）的解释器和虚拟机是用C语言实现的

4.游戏开发

• 游戏引擎：C语言用于编写高性能的游戏引擎。
  • 特别是在需要直接操作硬件和内存的场景中
• 图形库：
  • 许多图形库（如OpenGL）的底层实现是用C语言编写的

5.网络编程

• 网络协议栈：C语言用于实现网络协议栈和网络设备驱动程序。
  • 如：TCP/IP协议栈
• 服务器开发：高性能的服务器软件常用C语言编写。
  • 如：Web服务器、数据库服务器

6.科学计算与数值分析

• 高性能计算：C语言用于编写科学计算和数值分析软件。
  • 特别是在需要高效处理大量数据的场景中
• 数学库：许多数学库是用C语言编写的。
  • 如：BLAS、LAPACK

7.数据库系统

• 数据库管理系统：许多关系型数据库管理系统的核心部分是用C语言编写的。
  • 如：MySQL、PostgreSQL
• 存储引擎：C语言用于实现高效的存储引擎和数据处理算法。

8.工具开发

• 系统工具：许多系统工具是用C语言编写的。
  • 如：文本编辑器、调试器、版本控制系统
• 脚本语言解释器：一些脚本语言的解释器是用C语言实现的。
  • 如：Lua

9.图形用户界面（GUI）开发

• GUI库：C语言用于编写图形用户界面库。
  • 如：GTK、Qt的底层部分
• 桌面应用程序：一些桌面应用程序是用C语言编写的。
  • 如：GIMP

10 .跨平台开发

• 跨平台应用程序：C语言编写的程序可以在多种操作系统上运行，只需进行少量修改或重新编译。

总结：C生万物

C语言关键字、控制语句和运算符

C语言仅有 32个关键字，9 种控制语句，34 种运算符，却能完成无数的功能：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

第一个C语言程序：hello world

编写C语言代码：hello.c

#include <stdio.h>

int main()
{
	printf("hello world\n");
	return 0;
}

C 语言的源代码文件是一个普通的文本文件，但扩展名必须是 .c

通过gcc编译C代码

gcc编译器介绍

编辑器(如 vim、记事本)是指我们用来写程序(编辑代码)的工具。 而我们写的代码语句，电脑是不懂的，我们需要把它转成电脑能懂的语句，编译器就是这样的 转化工具。 也就是说：我们用编辑器编写的程序，由编译器编译后才可以运行

编译器: 将易于编写、阅读和维护的高级计算机语言翻译为计算机能解读、运行的低级机器语言的程序。 gcc (GNU Compiler Collection，GNU 编译器套件)，是由 GNU开发的编程语言编译器。

• gcc 原本作为 GNU 操作系统的官方编译器
  • 现已被大多数类Unix操作系统(如：Linux、BSD、Mac OS X等)采纳为标准的编译器，gcc同样适用于微软的 Windows
• gcc 最初用于编译 C语言
  • 随着项目的发展 gcc已经成为了能够编译 C、C++、Java、Ada、Fortran、Objective-C、Objective-C++、Go 等语言的编译器大家族。

C语言编译命令模板： gcc [-option] ... <filename> C++ 编译命令模板： g++ [-option] ... <filename>

• 命令、选项和源文件之间使用空格分隔。
• 一行命令中可以有零个、一个或多个选项。
• 文件名可以使用文件的绝对路径，也可以使用相对路径。

Windows平台下编译代码

两种运行hello world.c源代码文件的方式:

• 借助VS编辑工具运行
  • 创建项目 —> 创建 helloworld.c 源文件 —> 写 helloworld程序 —> Ctr1 + F5 执行
• 借助记事本、gcc编译工具运行

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

system函数

system函数的使用

函数介绍： system：用于在程序中执行操作系统命令。

• 这个函数定义在<stdlib.h>头文件中

当调用system函数并传入一个有效的命令字符串作为参数时：

• 它会使程序暂停当前的执行流程。
• 然后创建一个新的子进程来执行给定的系统命令。

这个系统命令的执行方式就好像在操作系统的命令提示符（如：Windows 的 CMD 或 Linux 的终端）中输入该命令一样。

函数原型：

int system(const char *command);

• command：要执行的命令字符串。
  • "ls -l"（在 Linux 下列出当前目录的文件）
  • "dir"（在 Windows 下列出当前目录的文件）

system 函数可以执行的命令字符串取决于操作系统的命令行解释器。

• 如：Windows 的 cmd.exe 或 Linux 的 /bin/sh

Windows 和 Linux 操作系统上的一些常见的命令字符串：

Windows 系统中的常见命令：

1 .系统命令

cls：清空控制台窗口。

system("cls");

pause：暂停程序执行，等待用户按下任意键继续。

system("pause");

exit：退出当前命令提示符窗口。

system("exit");

2 .文件操作

dir：列出当前目录的文件和子目录。

system("dir");

cd：切换当前目录。

system("cd C:\\Users");

mkdir：创建新目录。

system("mkdir new_folder");

del：删除文件。

system("del file.txt");

copy：复制文件。

system("copy file.txt new_file.txt");

move：移动文件或重命名文件。

system("move file.txt C:\\new_location\\file.txt");

3.程序启动

calc：启动计算器。

system("calc");

notepad：启动记事本。

system("notepad");

mspaint：启动画图程序。

system("mspaint");

cmd：启动新的命令提示符窗口。

system("cmd");

4 .网络操作

ping：测试网络连接。

system("ping www.google.com");

ipconfig：显示网络配置信息。

system("ipconfig");

5.系统信息

systeminfo：显示系统信息。

system("systeminfo");

tasklist：显示当前运行的进程。

system("tasklist");

Linux 系统中的常见命令：

1.系统命令

clear：清空终端窗口。

system("clear");

sleep：暂停程序执行一段时间。

system("sleep 5"); // 暂停 5 秒

2.文件操作

ls：列出当前目录的文件和子目录。

system("ls -l");

cd：切换当前目录。

system("cd /home/user");

mkdir：创建新目录。

system("mkdir new_folder");

rm：删除文件或目录。

system("rm file.txt");

cp：复制文件。

system("cp file.txt new_file.txt");

mv：移动文件或重命名文件。

system("mv file.txt /new_location/file.txt");

3.程序启动

gedit：启动文本编辑器（GNOME 桌面环境）。

system("gedit file.txt");

gnome-calculator：启动计算器（GNOME 桌面环境）。

system("gnome-calculator");

4.网络操作

ping：测试网络连接。

system("ping -c 4 www.google.com");

ifconfig：显示网络配置信息。

system("ifconfig");

5.系统信息

uname：显示系统信息。

system("uname -a");

ps：显示当前运行的进程。

system("ps aux");

函数返回值：

• 如果 command 是 NULL，system 会检查系统中是否存在命令行解释器：
  • 如果存在，返回非零值
  • 如果不存在，返回 0
• 如果 command 不是 NULL，system 会返回命令的执行状态：
  • 如果命令成功执行，返回值通常是命令的退出状态
  • 如果命令执行失败，返回 -1

函数使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	system("dir");
	return 0;
}

解决Microsoft Visual Studio提示窗一闪而过的方法：

1. 通过system()函数解决 在return 0;之前添加system(“pause”);函数调用。
2. 借助VS工具解决 在项目上 —> 右键 —> 属性 —> 配置属性 —> 连接器 —> 系统 —> 子系统 —> 在下拉框中选择控制台 (/SUBSYSTEM:CONSOLE) —> 应用 —> 确定

C语言编译过程

C程序编译步骤

在这里插入图片描述

选项含义：

文件后缀含义：

gcc编译4步骤：

预处理：gcc -E xxx.c -o xxx.i

• 头文件展开-------将指定的头文件内容插入到源代码中。（不检查语法错误）
• 宏定义替换-------将所有使用 #define 定义的宏替换为对应的值或代码。
• 删除注释-------删除源代码中的所有注释，原注释的行变成空行。
• 条件编译处理-------通过 #if、#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif 等指令，来决定哪些代码需要保留，哪些代码需要忽略。

编译：gcc -S xxx.i -o xxx.s

• 逐行检查语法错误-------（整个编译4步骤中最耗时的过程）
  • 词法分析（Lexical Analysis）-------识别出关键字、标识符、常量、运算符等。
  • 语法分析（Syntax Analysis）-------检查代码是否符合 C 语言的语法规则。
  • 语义分析（Semantic Analysis）-------检查变量是否已声明、类型是否匹配、函数调用是否正确等。
• 代码优化-------对中间代码进行优化，以提高程序的运行效率或减少资源消耗。

汇编：gcc -c xxx.s -o xxx.o

• 将汇编代码转换为机器指令-------将汇编代码（人类可读的低级代码）转换为机器指令（二进制代码）

链接：gcc xxx.o -o xxx.exe

• 符号解析-------解析目标文件中的符号引用。
  • 链接器会查找所有未定义的符号（如函数名、变量名），并在其他目标文件或库中找到其定义。
• 重定位-------调整符号的地址。
  • 在汇编阶段生成的目标文件中，符号的地址可能是临时的，链接器会根据符号的实际地址调整目标文件中的引用。
• 合并目标文件-------将多个目标文件合并为一个可执行文件。
• 处理库文件-------链接静态库和动态库。

gcc编译过程

分步编译

预处理：gcc -E hello.c -o hello.i 编 译：gcc -S hello.i -o hello.s 汇 编：gcc -c hello.s -o hello.o 链 接：gcc hello.o -o hello.exe

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

一步编译

gcc hello.c -o hello.exe（也是经过了：预处理、编译、汇编、链接过程的）

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

CPU内部结构与寄存器

64位与32位系统区别

数据总线宽度

• 32 位系统：
  • 数据总线宽度为 32 位，意味着 CPU 一次可以处理 32 位的数据。
• 64 位系统：
  • 数据总线宽度为 64 位，意味着 CPU 一次可以处理 64 位的数据。

内存寻址能力

• 32 位系统：
  • 最大支持 4 GB（

  2^{32}

  字节）的内存地址空间。

  • 实际可用内存通常小于 4 GB，因为部分地址空间被硬件保留。
• 64 位系统： 理论上支持 16 EB（2^{64} 字节）的内存地址空间。尽管实际支持的内存大小受操作系统和硬件的限制通常远低于这个理论值，但通常远大于 4 GB（如 128 GB 或更高）

单位换算表： 单位名称缩写换算关系位（Bit）b1 Byte = 8 bits字节（Byte）B1 KB = 1024 Bytes千字节（Kilobyte）KB1 MB = 1024 KB兆字节（Megabyte）MB1 GB = 1024 MB吉字节（Gigabyte）GB1 TB = 1024 GB太字节（Terabyte）TB1 PB = 1024 TB拍字节（Petabyte）PB1 EB = 1024 PB艾字节（Exabyte）EB1 ZB = 1024 EB泽字节（Zettabyte）ZB1 YB = 1024 ZB尧字节（Yottabyte）YB目前最大的数据存储单位

• 位（Bit）：计算机中最小的数据单位
• 字节（Byte）：计算机中存储的基本单位

提示：

• 16 EB = 16,777,216 TB
• 16 EB = 17,179,869,184 GB

寄存器名字

寄存器、缓存、内存三者的关系

寄存器（Register）

• 速度极快，但容量非常有限。
• 由硬件直接管理，程序员通常通过汇编语言或编译器间接使用。

缓存（Cache）

• 速度较快，容量适中。
• 由硬件自动管理，程序员通常无法直接控制。

内存（Memory，通常指 RAM）

• 速度较慢，但容量较大。
• 由操作系统管理，程序员可以通过编程语言（如 C、C++）直接操作。

寄存器、缓存、内存

1. 速度：寄存器 > 缓存 > 内存
   • 寄存器是 CPU 直接操作的数据存储单元，速度最快。
   • 缓存是寄存器和内存之间的缓冲，速度介于两者之间。
   • 内存是 CPU 和外部存储（如硬盘）之间的桥梁，速度最慢。
2. 容量：内存 > 缓存 > 寄存器
   • 内存容量最大，可以存储大量数据和程序。
   • 缓存容量适中，用于存储近期可能使用的数据。
   • 寄存器容量最小，只能存储少量数据。
3. 协作方式：
   • 当 CPU 需要数据时，首先检查寄存器中是否有数据。
   • 如果寄存器中没有，则检查缓存。
   • 如果缓存中没有，则从内存中加载数据到缓存，再加载到寄存器。
   • 如果内存中也没有，则从硬盘（或其他外部存储）中加载数据到内存。
4. 局部性原理：
   • 时间局部性：最近访问的数据很可能再次被访问。
   • 空间局部性：访问某个数据时，其附近的数据也可能被访问。
     • 缓存和寄存器利用局部性原理，提高数据访问效率。

寄存器、缓存和内存共同构成了 计算机的存储层次结构，通过协作实现高效的数据存储和访问

汇编语言

VS中C语言嵌套汇编代码

#include <stdio.h>

int main()
{
	//定义整型变量a, b, c
	int a;
	int b;
	int c;

	__asm
	{
		mov a, 3	//3的值放在a对应内存的位置
		mov b, 4	//4的值放在b对应内存的位置
		mov eax, a	//把a内存的值放在eax寄存器
		add eax, b	//eax和b相加，结果放在eax
		mov c, eax	//eax的值放在c中
	}

	printf("%d\n", c);//把c的值输出
	return 0;//成功完成
}

VS反汇编

#include <stdio.h>

int main()
{
	//定义整型变量a, b, c
	int a;
	int b;
	int c;

	a = 3;
	b = 4;
	c = a + b;
	
	printf("%d\n",  c);//把c的值输出
	return 0;//成功完成
}

1. 设置断点

在这里插入图片描述

1. 进行调试

在这里插入图片描述

1. 选择反汇编按钮

在这里插入图片描述

1. 根据汇编代码分析程序

在这里插入图片描述

集成开发环境IDE

Microsoft Visual Studio

Visual Studio简介

Microsoft Visual Studio（简称VS）是美国微软公司的开发工具包系列产品。 Visual Studio ：一个集成开发环境（IDE）

• 为软件开发者提供了整个软件生命周期中所需的大部分工具。
  • 如：UML工具、代码管控工具、集成开发环境（IDE）等。
• 所写的目标代码适用于微软支持的所有平台。
• 目前最流行的Windows平台应用程序的集成开发环境。

Visual Studio快捷键大全

1. 代码编辑快捷键

2. 导航快捷键

3. 调试快捷键

Qt Creator

Qt Creator简介

Qt Creator ：一个跨平台的集成开发环境（IDE）

• 专门用于开发基于 Qt 框架的应用程序，支持在多种操作系统（如：Windows、Linux、macOS 等）上进行开发。

Qt ：一个强大的 C++ 框架。

• 广泛用于开发图形用户界面（GUI）应用程序、嵌入式系统、移动应用和跨平台桌面应用。

Qt Creator常用快捷键