简介

这一部分，是C语言的重中之重。学习完C语言之后，懂得原理比记得住怎么写代码更重要。因为后面写代码很少遇到C语言（目前用到C的地方是机器人电控代码编写）。但是原理是你精通C++、Java等的基础。

这些内容，如果今天不讲我真的也不会去细看，也算一起进步了。

一些前置知识

存储分类

速度排序：寄存器（register）、L1、L2、L3（CPU三级缓存）、内存、外存（固态）

存储单位

最小的存储单位：比特（bit），表示一个二进制位

规定：1个字节由8个比特位表示，原因和历史发展有关系，这也是char类型由来：

在计算机科学发展的早期，8位（bit）被选为处理字符的合适大小。当时，大多数计算机系统是基于8位的，因为8位足以表示所有的英文字母（大写和小写）、数字、以及其他常用的符号（如标点符号），这些字符集后来被称为ASCII码。

位：英文名称叫做”bit”，表示一个二进制位。32位就是用32个bit表示内存地址，64位就是用64个bit表示内存地址。因此可以简单理解为：”位数=寻址能力”。

内存地址

操作系统为了管理内存，将内存每一个字节编上号，这样每一个号码我们称为内存地址。

内存地址=门牌号：也是一个整数（比如0001、0002……），这个整数有多少就表示操作系统能管理多少内存。

为了方便表示（十进制太长了），我们惯用十六进制表示内存地址，例如”0x5FFE8C“：0x表示这是个十六进制的数字。

32位与64位

内存地址由整数表示，那这个整数有没有最大上限呢？实际上，这个上限就是计算机能管理的最大内存。要找到这个上限，其实我们只需要知道计算机能够表示的最大整数就行了。

两者最大支持内存

知道了位的概念，就可以作出如下计算：

• 32位：可以寻址2³²个不同的地址，即4GB大小的内存。
• 64位：可以寻址2⁶⁴个内存地址，即16EB（1EB = 1024PB，1PB=1024TB，1TB=1024GB）的内存。

一些俗称

• x86：x86或80×86是英特尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称，为32位系统，因此一般在作为32位系统的代名词。
• amd64：x64于1999年由AMD设计，AMD首次公开64位集以扩展给x86，称为“AMD64”，因此一般作为64位系统的代名词。

C语言内存模型

C/C++和Java的区别：C/C++可以直接操作系统内存、手动回收、手动释放内存，Java：不能直接操作系统内存（Java代码运行在JVM中，Java Virtual Machine），自动管理内存

Tips：重点掌握堆区、栈区。这一部分到数据结构你们会学，谁先学到谁薄纱。

栈区

定义

存放函数的参数值、局部变量等，由编译器自动分配和释放，通常在函数执行完后就释放了，其操作方式类似于数据结构中的栈。

底层实现

• 一段连续的存储空间
• 数据结构的栈（数组实现方式）

声明方法

省流：你代码中没有指针的变量、定长的数组就是位于栈区的，如下代码所示：

int num = 20;
int nums[20];

上面这两种方式声明的变量存储的位置就在栈区，为什么？因为大小是固定的，运行时无法改变，编译器在编译的时候就确定了。

特点

• 静态：在栈区申请空间的变量都是预先由开发者设定好大小的，编译器分配，程序运行时无法改变。
• 快速：底层实现为数据结构的栈，类似于受限制的数组，由CPU直接管理，非常适合数据的快速读写（例如函数的调用栈也是一个道理）
• 容量小：栈区空间非常小过大会发生栈溢出，常见错误为：段错误（segmentation fault）或者是缓冲区溢出（Buffer overflow）

堆区

就是通过new、malloc、realloc分配的内存块，编译器不会负责它们的释放工作，需要用程序区释放。分配方式类似于数据结构中的链表。“内存泄漏”通常说的就是堆区。

#include <stdlib.h>
int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * number_of_elements);
if (ptr == NULL) {
    // 处理内存分配失败的情况
    exit(EXIT_FAILURE);
}
// 使用分配的内存
// 用完后记得释放内存
free(ptr);

堆区的特点：排序二叉树、链表存储（高效利用空间、但是读取速度满（需要寻址）、消耗内存多（需要存储每一个元素的内存地址））

静态区

全局变量和静态变量的存储是放在一块的，初始化的全局变量和静态变量在一块区域，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量在相邻的另一块区域。程序结束后，由系统释放。

常量区

常量存储在这里，不允许修改。

代码区

顾名思义，存放代码。

指针与变量

很多人会说，指针就是内存地址，其实我之前也是这么理解的，实际上是错的。

在C语言中，指针的理解应该为：指针=内存地址+数据类型。

定义指针变量（int*）

阅读下列的代码：

int *pointer_1,*pointer_2;

这两行代码声明了pointer_1和pointer_2是两个指针变量（存放指针的变量）。

取出一个变量的地址（&）

阅读下列的代码：

int var1 = 1,var2 = 2;
int *pointer_1 = &var1,*pointer_2 = &var2;

简单看看，”&”就是取出变量的内存地址，并将地址赋值给指针变量。但实际上这个理解有问题。

让我们对这个代码做一下修改：

int var1 = 1,var2 = 2;
double *pointer_1 = &var1,*pointer_2 = &var2;

对代码进行编译，就会报下面的错误：

error: initialization of ‘double *’ from incompatible pointer type ‘int *’ [-Wincompatible-pointer-types]

如果单单是地址，那么只要是指针变量，都应该能接收，根据报错来看，”&”返回的指针既包括了内存地址，也包括了数据类型。

在C语言中，一个变量的指针的含义包括两个方面，一是以存储单元编号表示的内存地址（如编号为2000的字节），一是它指向的存储单元的数据类型（如int，char，float等）。

访问指针（*p）

*：指针运算符（也叫”间接访问”运算符），*p代表指针变量指向的对象。

int a = 1; // 定义一个变量a
int *p = &a; // 取a的地址并用指针变量p存储
*p = 3; // 使用"*"操作符（"间接访问"运算符）修改p指向的变量a的值为3

所以有个经典的问题：我能否用int存放指针并操作对应的变量？

答案显然，是不行的。在上文中你可以发现，C语言的指针并不是单一的内存地址，而是包含了数据类型。但是，你可以将一个指针作为整数输出，直观感受什么是指针。（也就是说，这个过程是不可逆的）

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

int main(){
    int value = 10;
    int *ptr = &value; // ptr指向value的地址
    int *arr = (int*)malloc(sizeof(int)*13);

    // 输出指针变量的地址（即ptr存储的值）
    printf("Pointer address: %X\n", ptr);
    printf("Pointer address: %X\n", arr);
    return 0;
}

指针与二维数组

sizeof运算符

在C语言中，sizeof运算符用于确定变量或数据类型的大小（以字节为单位）。sizeof是一个编译时运算符，它的结果是由所使用平台的字节大小决定的，计算是通过编译器计算的，而不是通过运行后测量的。

int arr[10];
printf("Size of array arr: %zu bytes\n", sizeof(arr));

数据类型	大小（字节）	比特位
char	1	8 bit
int	4	32 bit
float	4	32 bit
double	8	64 bit
long long int	8	64 bit

数组的本质

在C中声明一个数组，实际上这个标识符只记录了数组的第一个元素的指针。

数组是一组有序数据的集合，其存储方式是连续的，也就可以通过计算确定每个元素的指针位置并操作它。

指针的运算

指针的加法与减法，实际上是在内存地址的基础上，加上对应数据类型的整数倍。例如下面的代码：

int a[10];
*(a+2)=5; //将a中第三个元素赋值为5
a[2]=5; //这两个写法是等效的

等效原因：[]实际上是变址运算符，即将a[i]按a+i计算地址，然后找出此地址单元中的值。这里a+2运算过后得到的新指针地址为：a的首元素内存地址+sizeof(int)*2，数据类型不变，为int。

因此访问数组元素有两种方法：

• 下标法：a[i]
• 指针法：*(a+i)或*(p+i)

动态内存分配

根据程序运行状态，动态申请空间，返回的均为首元素的指针。

malloc：申请对应大小的空间

calloc：申请n个对应大小的空间并初始化为0

realloc：重新分配动态存储区。

int* ptr1 = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); // 申请10个整型的空间
int* ptr2 = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 申请10个整型的空间并初始化为0
int* ptr3 = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); // 初始分配5个整型的空间
int* new_ptr = (int*)realloc(ptr3, 10 * sizeof(int));// 调整内存大小
// 用完了记得释放空间
free(ptr1);
free(ptr2);
free(new_ptr);

字符串

ASCII

在C语言中，字符用char表示，一个字符相当于一个整数，对应的为ASCII表（附录A）：

// 一般来说，用char存放字符
char c = 'a';
// 由于字符相当于一个整数，当然也可以通过int存放
int c = 'a';

可以记住几个特殊值，后面用起来方便

ASCII	字符
48	‘0’
65	‘A’
97	‘a’

认识字符串

C语言中没有字符串类型，也没有字符串变量，字符串是存放在字符型数组中的。

char c[]={"China"};
printf("%s\n",c);

这段代码中，c的实际存储情况如下：

这里c的长度编译器自动计算了，得出的应该是6。为什么是6呢？因为结尾还有个”\0″，如果使用printf输出，就是识别到”\0″结束输出的，如果没有”\0″，会输出一堆乱码。

你说我非要操作char[9]或者char[10]会怎么样？Java等高级编程语言编译就会报错导致不通过，但是C无所谓，这也就给黑客带来了机会：”缓冲区溢出攻击“

字符串相关函数

格式化（sprintf、fprintf、printf）

• sprintf：字符数组
• fprintf：文件流（可以是标准输出、文件等）
• printf：标准输出（通常是屏幕）

可以用sprintf把信息输出到字符串，用法和printf、fprintf类似。但应当保证字符串足够大，可以容纳输出信息。

sprintf的用法：输出到字符串

#include <stdio.h>

int main() {
    char buffer[100];
    int num = 42;
    sprintf(buffer, "The answer to life, the universe, and everything is %d.", num);
    // buffer now contains the formatted string
    // Use another function to print the buffer, or use it in another context
    printf("%s\n", buffer); // This line is just to demonstrate the content of buffer
    return 0;
}

fprintf的用法：输出到文件

#include <stdio.h>

int main() {
    FILE *file = fopen("output.txt", "w"); // Open file for writing
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file");
        return 1;
    }
    int num = 42;
    fprintf(file, "The answer to life, the universe, and everything is %d.\n", num);
    fclose(file); // Close the file
    return 0;
}

printf的用法：输出到终端（略）

输入与输出（puts、gets、getchar）

• puts(字符数组)：输出一个字符到终端。
• gets(字符数组)：输入一个字符串到字符数组。（现在常用getchar）

gets和getchar：

• gets 函数用于读取一行文本直到遇到换行符（‘\n’）或EOF（文件结束标志），然后它会丢弃换行符，并用空字符（‘\0’）替换它，作为字符串的结束标志。gets 函数会将读取的字符串存储在由其参数指定的字符数组中。
• getchar 函数用于读取下一个可用的字符，通常是用户输入的第一个字符，并返回读取的字符作为 int 类型的值。如果遇到文件结束或读取错误，则返回EOF。

注意：

• gets 函数是不安全的，因为它不检查目标缓冲区的大小，可能会导致缓冲区溢出，这是一个严重的安全漏洞。因此，在新的代码中不应使用 gets 函数。
• getchar 是安全的，因为它一次只读取一个字符，不会导致缓冲区溢出。

getchar读取整个文本（包括空格回车），核心是判断是否到EOF（End of File，为一个-1的常量）：

#include <stdio.h>

int main() {
    char ch;

    printf("Enter your article (press Ctrl+D or Ctrl+Z to end):\n");

    // 循环读取字符直到EOF
    while ((ch = getchar()) != EOF) {
        putchar(ch); // 将读取的字符输出到标准输出
    }

    return 0;
}

操作类函数（strcat、strcpy、strncpy、strcmp、strlen、strlwr、strupr）

参阅P158，用到再查，没必要一次性记那么多……

strlen：测出的长度不包括”\0“

杂七杂八的

还有啥没讲

• 整数的原码、反码与补码表示
• 从堆区申请空间，实现动态数组（要考）
• 指针与多维数组
• 全局变量与局部变量、变量存储位置
• 指针与函数、函数指针的应用
• void* 等
• 二重指针、多重指针

建议怎么学

先学C：老老实实地把我说的这些原理学透就行，语法后面忘记了都是无所谓的，但是得记住原理。

然后上C++/Java：两个对比学习

最后你就发现Python、PHP、JavaScript不用学了

想要深究计算机原理：推荐去学习汇编语言

参考

• 书籍名称：C语言程序设计（第五版）——谭浩强、算法竞赛入门经典（紫书）
• 章节名称：第6章 利用数组处理批量数据

[整理] 浅谈堆、栈、堆区、栈区的概念和区别 – 哆啦梦乐园 – 博客园 (cnblogs.com)

浅析C语言中的内存模型我正在参加「掘金·启航计划」 前言 近来学习深觉自己在语言的底层方面理解欠缺， 正好之前有看过一点 – 掘金 (juejin.cn)