课程笔记

4.2 C程序设计基础

8 分钟阅读

阅读入口

类型与字节数

C的每个对象在编译时就有确定的类型，类型决定三件事：占多少个字节、这串位按什么规则解释、能做哪些运算。变量必须先声明类型再使用。

char、short、int、long、long long是整数类型，float、double是浮点类型，size_t是无符号整数类型，void * 是指针类型。标准只保证大小顺序，不规定具体位数：sizeof(char) 恒为1，且sizeof(char) <= sizeof(short) <= sizeof(int) <= sizeof(long) <= sizeof(long long)。具体的位数由平台ABI决定。32位和Windows 64位（ILP32 / LLP64）中long是4字节，Linux与macOS的64位（LP64）中long是8字节。

常见取值如下。大小一列以常见平台为准，写代码时应使用sizeof而不是记住具体数字。

类型	常见大小	有符号范围	说明
`char`	1 byte	$-128\sim 127$	至少8位；是否有符号由实现决定
`short`	2 bytes	$-32768\sim 32767$
`int`	4 bytes	$-2^{31}\sim 2^{31}-1$	约 $\pm 21$ 亿
`long`	4或8 bytes	随平台	Windows 64位为4，Linux/macOS 64位为8
`long long`	8 bytes	$-2^{63}\sim 2^{63}-1$	约 $\pm 9\times 10^{18}$
`float`	4 bytes	约 $6\sim 7$ 位有效数字	单精度
`double`	8 bytes	约 $15\sim 16$ 位有效数字	双精度
`size_t`	4或8 bytes	无符号	`sizeof`的返回类型
`void *`	4或8 bytes	无符号	指针的字节宽度

整数在内存中用补码表示，负数编码与范围见补码与带符号整数运算；浮点数的字段划分与精度见浮点数与IEEE 754。

普通char是否有符号取决于编译器和平台，需要明确范围时应写signed char或unsigned char，不要依赖char的符号性。

来源：C数据类型与大小

本节先给类型表，再讨论溢出与截断；题目未指定环境时按LP64取long为8字节，其余按表处理。

格式串的细节

一个转换说明可包含标志、最小字段宽度、精度、长度修饰符和转换字符。宽度不足时默认在左侧补空格；- 改为左对齐，0可在数值左侧补零。宽度是最小值，不会截短更长的输出。

对于 %f，精度表示小数点后的位数；对于 %s，精度限制最多输出的字符数。不同转换字符对精度的解释可能不同。

写法	含义	示例输出
`%5d`	右对齐，宽度至少为5	`12`
`%-5d`	左对齐，宽度至少为5	`12`
`%05d`	不足的宽度补零	`00012`
`%8.3f`	宽度至少为8，小数点后3位	`3.142`

来源：C格式化输出

%d需要int *，%f需要float *，%lf需要double *。字符数组作为实参时通常转换为首元素指针，例如char word[16] 可传word。用 %15s最多读取15个字符，并为结尾的 \0留出空间；不限制宽度可能导致数组越界。

大多数转换会跳过前导空白；%c、%[ 和 %n是例外。格式串中的空白会匹配任意多个输入空白，因此 " %c" 会先跳过空白再读取一个字符。%s在空白处停止；需要读取一整行时可使用fgets。

返回值是成功赋值的项数。例如scanf("%d %d", &a, &b) 在输入12 abc时返回1。在第一次成功转换或匹配失败之前发生输入失败，返回EOF。应按期望的赋值数检查返回值。

来源：C格式化输入

格式串是本节最容易在选择题里失分的部分。读的时候把宽度与精度、空白符、返回值分成三组记，后面“与4.1的对应关系”再把两门语言逐项对照。

预处理与存储类

C的翻译过程包含预处理、编译和链接等阶段。预处理器处理包含、宏替换与条件编译。预处理指令以 # 开头、独占一行、不以分号结尾，常见的有三类：

#include：把头文件的内容原地插入；
#define：定义宏，编译前做文本替换；
#if / #ifdef / #ifndef / #elif / #else / #endif：条件编译，按条件保留或丢弃一段文本。

宏替换按预处理记号进行，不执行C的类型检查。

来源：C预处理

存储类说明符auto、register、static、extern描述对象的三个不同属性：作用域（名字在哪些代码里可见）、存储期（对象何时创建、何时销毁）、链接（哪些翻译单元能看到这个名字）。

存储类	用在哪里	作用域	存储期	链接
`auto`	块内局部变量，可省略	块	自动	无
`register`	块内局部变量	块	自动	无
`static`	块内局部变量	块	静态（程序全程）	无
`static`	文件作用域的变量、函数	文件	静态	内部
`extern`	变量、函数的声明	由声明位置决定	对象通常为静态存储期	通常为外部，也可能继承已有内部链接

来源：C存储类说明符

学习安排

本节汇总C程序中需要按考试细节核对的规则。四块内容分别回答四类问题：

一个值占几个字节、能表示多大范围：类型、sizeof、溢出与截断；
读进来的是什么、输出长什么样：格式串、空白符、返回值与缓冲区；
地址怎么算、数组和指针是什么关系：退化、指针算术与结尾的 \0；
编译之前源码被改了什么：宏替换、头文件、条件编译与存储类。

四块之间有依赖，建议按教材顺序读：先类型，它决定后面所有格式符和指针步长；再输入输出，可以立刻用上类型；然后指针，地址要按元素大小算；最后比较预处理和存储类：前者在翻译时处理源码，后者描述对象的存储期等属性。

格式串和指针运算最容易在选择题里失分，留到最后复查。每块读完先合上表格手算两三个表达式，再用题集核对。

与4.1的对应关系

4.1与4.2是同一批考点的两种语言版本，可以逐项对照：Python的整数与切片对应C的定宽整数与数组下标，str.format与 % 对应printf、scanf的格式串，Python的优先级表对应C的15级表。

差异集中在三处：整数除法与取模的符号、可变参数的类型提升、字符串用 \0还是长度来标记结尾。做题前先确认手里是哪种语言，再套该语言的规则。

课程约定

题目没给环境时按64位平台（LP64）作答：int 4字节、long 8字节、指针8字节。同一份代码在Windows上long只有4字节；题目给了环境就以题目为准。
整数除法按C的规则向零截断，不要沿用4.1的向下取整：-5 / 2是 -2，-5 % 2是 -1。
scanf读double用 %lf，printf输出double用 %f；格式符与参数类型必须配对。
题中的“字符串长度”默认指strlen的结果，不含结尾的 \0。
运算符优先级按C的表判断，完整顺序、经典陷阱与两种语言的差异见运算符优先级。
本节只讨论C。Python的规则见4.1 Python程序设计基础。

易错点

格式符与类型不匹配不是“输出一个奇怪的值”，而是未定义行为：整数与浮点参数走不同的传递方式，%d配double读到的是无关数据。
%c不跳过空白，读字符前要先处理上一行留下的换行。
数组名作实参后退化成指针，函数里sizeof拿不到数组长度，长度必须另传。
对static只记住“延长生命周期”不够：修饰文件作用域的变量或函数时，它改变的是链接，名字变成只在当前文件可见。
宏展开后在纸面上补括号再计算，SQUARE(1 + 2) 得到5而不是9。

复习要点

复习时按“声明 → 读入 → 定位 → 展开”自测一遍：先默写各类型的字节数与格式符；再手写一段scanf并检查返回值；然后把 *p++、(*p)++、a[i]、*(a+i) 各展开一次；最后用SQUARE(1 + 2) 检查宏的括号。

指针题只要把地址和值分两列写，基本不会混。