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#cs61c

C语言核心笔记（lec02）¶

核心概念

C语言设计哲学：贴近硬件、高效灵活，强调手动控制内存和底层操作
类型系统：强静态类型，需显式声明，支持指针和位级操作
执行模型：编译型语言，直接生成机器码，无运行时环境

1. 数据类型与表示¶

1.1 整数类型¶

类型	位宽	范围（32位）	备注
`int`	≥16位	-2,147,483,648 ~ 2,147,483,647	平台相关
`unsigned`	≥16位	0 ~ 4,294,967,295	内存地址专用
`int32_t`	精确32位	-2³¹ ~ 2³¹-1	需包含
`uint64_t`	精确64位	0 ~ 2⁶⁴-1	精确控制时使用

C

// 二进制字面量示例（C23支持）
uint8_t mask = 0b10101010; 
int32_t big_num = 0x7FFFFFFF;

1.2 浮点类型¶

类型	位宽	精度	范围
`float`	32位	6-7位小数	±3.4e38
`double`	64位	15-16位小数	±1.7e308

C

const double PI = 4 * atan(1.0); // 精确计算π值

1.3 布尔与枚举¶

C

#include <stdbool.h>
bool is_valid = true;

enum Week {MON=1, TUE, WED, THU, FRI}; // 显式初始化

2. 内存管理与指针¶

2.1 指针基础¶

C

int x = 42;
int *ptr = &x;      // 声明并初始化
*ptr = 100;         // 通过指针修改值
int **pptr = &ptr;  // 二级指针

指针陷阱

野指针：未初始化的指针包含垃圾地址
悬垂指针：指向已释放内存的指针
类型混淆：void*强制转换需谨慎

2.2 动态内存管理¶

函数	功能	最佳实践
`malloc`	分配未初始化内存	总是检查返回值是否为NULL
`calloc`	分配并清零内存	适合数组初始化
`realloc`	调整已分配内存大小	可能触发内存拷贝
`free`	释放内存	释放后立即置空指针

C

int *arr = malloc(10 * sizeof(int));
if (!arr) {
    perror("Memory allocation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
free(arr);
arr = NULL;  // 防御性编程

2.3 结构体与指针¶

C

typedef struct {
    int x;
    char name[20];
} Point;

Point p1 = {5, "origin"};
Point *p_ptr = &p1;
printf("X: %d\n", p_ptr->x);  // 箭头运算符访问成员

3. 函数与程序结构¶

3.1 函数指针¶

C

int add(int a, int b) { return a + b; }
int (*func_ptr)(int, int) = add;  // 声明函数指针

// 回调函数应用
void calculator(int (*op)(int, int), int x, int y) {
    printf("Result: %d\n", op(x, y));
}
calculator(add, 3, 5);  // 输出8

3.2 参数传递¶

传递方式	语法	效果
值传递	`void func(int x)`	函数内修改不影响原值
指针传递	`void func(int *x)`	可直接修改原值

C

void swap(int *a, int *b) {
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

4. 预处理与编译¶

4.1 编译流程¶

graph LR
A[foo.c] --> B[预处理器]
B --> C[foo.i]
C --> D[编译器]
D --> E[foo.s]
E --> F[汇编器]
F --> G[foo.o]
G --> H[链接器]
H --> I[a.out]

4.2 预处理器陷阱¶

C

#define SQUARE(x) x*x       // 错误：应加括号
#define SAFE_SQ(x) ((x)*(x))// 正确写法

int x = SAFE_SQ(2+3);       // 展开为((2+3)*(2+3))=25

头文件保护

C

#ifndef MY_HEADER_H
#define MY_HEADER_H
/* 内容 */
#endif

5. 调试与工具¶

5.1 Valgrind使用¶

Bash

valgrind --leak-check=full --track-origins=yes ./program

错误类型	说明
Invalid read/write	非法内存访问
Definitely lost	确认的内存泄漏
Conditional jump	使用未初始化值

5.2 GDB调试要点¶

Bash

(gdb) break main          # 设置断点
(gdb) run                 # 启动程序
(gdb) print *ptr@5        # 查看连续5个元素
(gdb) watch x             # 监控变量变化
(gdb) backtrace           # 查看调用栈

6. C与Java关键差异¶

特性	C	Java
内存管理	手动分配/释放	自动垃圾回收
指针	显式指针操作	引用类型（受限指针）
异常处理	无原生支持	try-catch-finally
多线程	依赖平台API（如pthread）	内置Thread类
标准库	小型基础库（libc）	庞大的标准类库

7. 未定义行为(UB)全解¶

7.1 常见UB场景¶

C

int x = INT_MAX + 1;         // 有符号溢出
int arr[3]; printf("%d", arr[5]); // 数组越界
char *s = "hello"; s[0] = 'H';    // 修改字符串字面量

7.2 UB后果等级¶

无害结果：程序输出错误但继续运行
崩溃：段错误（Segmentation Fault）
安全漏洞：缓冲区溢出被恶意利用

防御UB的黄金法则

启用所有编译器警告（-Wall -Wextra）
静态分析工具（如Clang Static Analyzer）
防御性编程（边界检查、空指针验证）

8. 现代C开发实践¶

8.1 代码规范¶

C

// Good：清晰的命名和注释
typedef struct {
    float x;
    float y;
} Vector2D;

Vector2D normalize(Vector2D vec) {
    float mag = sqrt(vec.x*vec.x + vec.y*vec.y);
    if (mag < 1e-6) return (Vector2D){0, 0};  // 防止除以零
    return (Vector2D){vec.x/mag, vec.y/mag};
}

8.2 构建系统¶

Makefile

CC = gcc
CFLAGS = -Wall -O2

all: program

program: main.o utils.o
    $(CC) $(CFLAGS) -o $@ $^

%.o: %.c
    $(CC) $(CFLAGS) -c $<

clean:
    rm -f *.o program