CH-02 编程准备 – Fancy Coding

为什么学习C语言

操作系统编程
- 内存管理、服务器
操作系统设计
- 大部分系统使用C语言实现
网络协议实现
- 局域网、互联网数据传输
物联网和嵌入式编程
- Linux编程
实现其他语言
1. 解释形
  - 解析器实现大多数都是C/C++
2. 编译型
  - 高效率编译器的实现也离不开C语言

C语言历史

为了玩游戏编写了一套操作系统

C 语言的产生，还是有一些故事的。在很久很久以前,那个时期的计算机系统还处在批处理阶段，技术不发达导致了运算速度十分缓慢，也使得程序员工作效率低下。当时他们只能在运算速度缓慢笨重的大型机器上工作，操作也十分繁琐：需要先将程序卡片装入设备，然后等一个多小时才能获取运算结果。……在知名的贝尔实验室，有一个叫 Ken Thompson 和另一个叫 Dennis M. Ritchie 的工程师，他们被共同称为“C 语言之父”。
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他们为了在实验室角落里一台 PDP-7 小型机上写一个让自己可以不用花多少钱就可以玩的《星际旅行（Star Travel）》的游戏，用汇编语言编写了一个操作系统，并把这个系统命名成了 Unix。
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后面又出现了B语言替代了汇编，因为B语言编写的程序无法移植到其他类型的机器上，当PDP-11出来后，为了将PDP-7上的B语言移植到PDP-11上又开发了NB语言，这就是C语言的前身，1972年NB语言改名为C语言。在1973年Dennis和Ken一起使用C语言重写了Unix系统。

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后又有大神Linus

Early C

1969: B created, based on BCPL, to replace PDP-7 assembler as the system programming language for Unix
1971: NB ("new B") created when porting B to PDP-11
1972: Language renamed to C
1973: Unix re-written in C
1978: The C Programming Language, 1st edition

Standard C

1988: The C Programming Language, 2nd edition
1989: C89, the ANSI C standard published
1990: C90, the ANSI C standard accepted as ISO/IEC 9899:1990
1995: C95 (ISO/IEC 9899:1990/Amd.1:1995) (online store)
1999: C99 (ISO/IEC 9899:1999)
2011: C11 (ISO/IEC 9899:2011) (ISO store) (ANSI store) (April 12, 2011 draft)
2018: C17 (ISO/IEC 9899:2018) (ISO Store) (Final draft)
2023: C23 Next major C language standard revision

环境准备

C 语言即可以在Windows、也可以在macOS（Unix内核）或者Linux（类Unix）上进行开发, 需要注意平台之间的差异, 例如Windows环境下的一些库文件和函数有些"特立独行", 除了系统的差异, 也存在编译工具的差异，例如微软平台下的宇宙第一IDE的Visual Studio与其他IDE相比就存在明显的区别。

C 语言在 Unix 上被设计出来，也被基于 Unix 的操作系统更好地支持。如果你希望更顺利地学习 C 语言，使用基于 Unix 的操作系统将会是很好的选择。同时，多数情况下你将会需要使用命令行工具来进行操作。

Windows环境配置

一般IDE会自带编译环境。你也可以选择使用自己的编译环境，一般Windows上常用的C/C++编译环境是MinGW（Minimalist GNU for Windows）。为了安装 MinGW，请访问 MinGW 的主页，进入 MinGW 下载页面，下载最新版本的 MinGW 安装程序，命名格式为 MinGW-.exe。

Linux环境配置

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macOS环境配置

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文本编辑器和IDE选择

对于程序语言的初学者来说，不要轻易地使用太复杂的IDE(integrated development environment，集成式开发环境)，如：

Visual Studio Conmmunity(IDE)
Visual Studio Code(IDE)
JetBrain CLion

因为IDE 会隐藏很多本来应该让你学习到的知识，如果坚持要使用 IDE，对于初学者推荐你使用 Dev C++ 或 Code::Blocks 这种相对轻量的 IDE），像VC6.0这种古老的IDE就不推荐使用了。

Dev-C++（IDE）
Code Blocks(IDE)

也推荐使用 Atom、Sublime、NotePad++、Gedit、Nano、Emacs、Vim 这些编辑器，其中Vim、Atom、Sublime经过适当的配置也是可以达到接近IDE的效果的。如果可能，你都可以试一试，找到你最顺手的那个。

Sublime
Vim(Editor)

Windows系统运行Linux

运行Linux虚拟机
- VMwareStation/VirtualBox
- Centos 7
运行WSL（WindowSubLinux）
- Win10

Hello World 程序代码及说明

C语言版本

#include <stdio.h>

int main()

{

printf("hello, world!\n");

return 0;

}

#编译预处理行
#include文件预处理命令 – 包含文件
#include<stdio.h>让C语言负责标准输入输出流库的头文件包含到此处
main()主函数,代表程序的执行入口, 主函数有一个整数返回值
printf()格式化输出函数, 声明自stdio.h头文件
return 0;退出main()函数，向调用线程返回执行结果（返回0代表程序正常退出, 返回非0代表异常退出）.

C++语言版本

C++介绍
从C++(读作 C Plus Plus)的名字看, 就知道它比标准C多出太多东西了, C几乎是C语言的超集, 但也有少量特性是C所不支持的。C++ 比 C 多了 classes、templates、exceptions 这些部分，而每个部分也有很多新增的东西。这还只是语言部分，还未谈及标准库。C 有 29 个标准库头文件，C++ 有 87 个，除了量，C++ 标准库的功能要复杂得多。是目前最难掌握也是最为复杂的语言。

我们课程学习所使用的C++只用到C++特性中最简单的部分，并且不涉及面向对象、模板、异常等复杂的部分。

编写C++的hello world程序很简单, 注意后缀使用cpp或者cc, 表示这是C++的源代码文件.

#include <iostream>

using namespace std;

int main()

{

cout << "hello world" << endl;

return 0;

}

iostream C++定义的输入输出流库, 定义了输入流对象cin和输出流对象cout对象
using namespace std;使用std命名空间, 命名空间用于避免命名冲突问题, std是C++自带的名称空间, 其种cout,cin和endl都位于这个名称空间下.
cout是iosteam库中ostream类型对象，用于将<<右侧的内容输出到显示屏
endl是iostream库中定义的IO操纵符，表示换行并刷新流

GCC

GCC:GNU Compiler Collection(GUN 编译器集合)，它可以编译C、C++、Java、Fortran、Pascal、Object-C、Ada等语言。

gcc是GCC中的GUN C Compiler（C 编译器）
g++是GCC中的GUN C++ Compiler（C++编译器）

gcc和g++的主要区别

对于 .c和.cpp文件，gcc分别当做c和cpp文件编译（c和cpp的语法是不一样的）
对于 .c和.cpp文件，g++则统一当做cpp文件编译
使用g++编译文件时，g++会自动链接标准库STL，而gcc不会自动链接STL

主要参数

-g - turn on debugging (so GDB gives morefriendly output)

-Wall - turns on most warnings

-O or -O2 or -O3 - turn on optimizations level 1~3

-o - name of the output file

-c - output an object file (.o)

-I - specify an includedirectory

-L - specify a libdirectory

-l - link with librarylib.a

GCC编译的4个阶段

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预处理阶段：预处理器（cpp）

Shell

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$ gcc -E hello.c -o hello.i
# 加上-P可以生成内容弄个更精简的文件
$ gcc -E -P hello.c -o hello.i

预处理阶段主要做的事情是：
- 删注释
- 替换宏定义
- 替换#inlcude文件
编译阶段：编译器（ccl）

Shell

1

$ gcc -S hello.i -o hello.s

编译器将预处理的文件编译成汇编指令。
汇编阶段：汇编器（as）

Shell

1

$ gcc -c hello.s -o hello.o

汇编器将汇编指令转换为二进制目标文件。
也可以把汇编和链接阶段合称为编译阶段，生成的.o目标文件可以使用nm命令列出所有符号，其中U表示的是未定义的符号。

Shell

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➜ nm hello.o
              U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
0000000000000000  T main
              U puts
链接阶段：链接器（ld）

Shell

1

$ gcc hello.o -o hello

也可以使用-save-tmps选项保存中间生成的临时文件，如：

Shell

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➜ gcc -Wall -save-temps hello.c -o hello
➜ ls
hello hello.c hello.i hello.o hello.out hello.s
- -Wall 显示所有编译警告信息

如果编译成功，我们在同一个目录下可以得到一个编译后的可以执行的hello文件，可以在同一目录下使用./hello命令运行。

如果你选择了使用 IDE，你需要了解一下自己的 IDE 的编译和运行功能被设计成了什么样的菜单选项或按钮。每次先编译，确认编译通过后再运行。

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输出流对象`cout`

cout 是C++中 ostream 类型的对象，该类被封装在 <iostream> 库中，该库定义的名字都在命名空间 std 中，所以 cout 全称是 std::cout 。

cout使用方式

std::cout

Shell

1

std::cout << "Welcome to Tsinghua" << std::endl;
使用 std 命名空间后，简写成 cout

Shell

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use namespace std;
......
cout << "Welcome to Tsinghua" << endl;

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算术运算符

C/C++支持5种常见的算术运算符（operator），分别是：

+ 加
- 减
* 乘
/ 除
% 取余（取模）

除了取余运算符要求两边的操作数(operand)是整数外，其余加、减、乘、除运算要求两边操作数是实数即可。

数学函数

计算 sin(20°) + cos(20°) - cos(20°) / tan(20°)

需要引入cmath库的三角函数, 参数单位为弧度

弧度与角度之间的转换公式：

弧度＝角度 /180 × π

#include <iostream> // 预编译 - io流库 - 输入输出

#include <cmath> // 预编译 - cmath库 - 三角函数

using namespace std; // 使用命名空间

int main() { // 主函数

const float PI = 3.14159;

printf("%f \n", sin(30.0 / 180 * PI));

cout << sin(20.0 / 180 * PI) +

cos(20.0 / 180 * PI) -

cos(20.0 / 180 * PI) /

tan(20.0 / 180 * PI)

<< endl;

return 0; // 返回0 代表程序正常结束

}

注意，上面程序30.0/180如果改成30/180则结果为0，这时因为计算时发生了隐式类型转换

其他常用数学函数

****************************************

Author: Delucia

Ver.: 0.0

Date: 2020年1月5日01:06:14

Description:

附录B - 库函数 B.1数学函数

弧度转角度 2π = 360°

正弦函数, 参数x为弧度值 - double sin (double x)

*****************************************/

#include <iostream>

#include <cmath>

#include <cstdlib>

using namespace std;

int main()

{

// 对不同类型的 n, 计算 |n|

cout << abs(-4294967295) << endl;

cout << labs(-4294967296L) << endl;

cout << fabs(-3.1415926535) << endl;

// sin 90 = 1

cout << sin(3.1415926/2.0) << endl;

cout << asin(1) << endl;

cout << cos(3.1415926535/2.0) << endl;

cout << acos(4.48966e-011) << endl;

cout << tan(45.0*3.1415926535/180.0) << endl;

cout << atan(1) << endl;

cout << exp(1) << endl;

cout << exp(2.302585093) << endl;

cout << log(exp(1)) << endl;

cout << log10(10) << endl;

cout << pow(2.0, 3.0) << endl;

cout << sqrt(25.0) << endl;

cout << floor(4.8) << endl;

cout << floor(-4.8) << endl;

return 0;

}

注释

文件头注释

//***************************************

// FileName: 2-4-1comments.cpp *

// Author: Delucia *

// Date: 2020年1月4日20:13:03 *

// Description: How to use Comments *

//***************************************

int main()

{

return 0;

}

单行注释

// 被注释的行

多行注释

被注释的行

编程初学者尽量多写注释
有经验的程序员会尽量让代码达到自解释效果，只对必要的地方写上注释
建议养成写注释的习惯（难）

作业

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将上面练习改写为C++的版本,并手动编译运行.

学习资源参考

NIIT云课堂
慕课网（imooc）
网易云课堂

学习文档资源参考

Google/Baidu
StackOverFlow
GitHub
CSDN
菜鸟教程
Cpp Reference

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文本编辑器和IDE选择

Windows系统运行Linux

Hello World 程序代码及说明

GCC

GCC编译的4个阶段

输出流对象cout

算术运算符

数学函数

注释

作业

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学习文档资源参考

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