C语言学习笔记

本笔记内容主要来源于《C Primer Plus》。

00.前言

本节为学习动机、语言背景等内容，与具体语法无关，若想快速上手可跳过。

0.0 作者的话

很感谢你能在茫茫互联网之中看到我的这篇笔记，记录笔记同时也是我学习的过程。我之前自学过Python，JavaScript，PHP等编程语言，大多在自学编程中的问题我也遇到过，我会用尽量简洁高效的语言梳理C语言的知识点，如果你有问题，可以在主页找到我的联系方式。

m310ct
2025 年 6 月 11 日 00:41

0.1 C语言的起源

C语言由贝尔实验室的丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）和肯·汤普逊（Ken Thompson）于1971年在开发 UNIX 操作系统时设计。
它是在 B 语言的基础上发展而来，是现代多数编程语言的祖先之一。

0.2 为何选择C

• 高效性：相对于如 Python 这类解释型语言，C语言会直接编译为机器码，运行效率更高。
• 可移植性：使用标准C编写的程序可以在多种操作系统和硬件平台上编译运行。
• 底层控制力强：C语言既可以操作硬件、管理内存，又比汇编语言更易读、易写，学习成本低。

0.3 学习C语言之后能做什么

• 编写系统级软件：如操作系统内核、驱动程序、嵌入式系统等。
• 参与底层开发：如网络协议实现、编译器、虚拟机等。
• 开发嵌入式设备程序：如智能家电、物联网设备上的固件。
• 开发游戏引擎核心模块：许多高性能游戏底层使用 C 或 C++ 编写。
• 刷算法题/参加编程竞赛：C 是高效、紧凑的算法实现语言。
• 逆向工程与漏洞挖掘：C 是理解内存布局、二进制安全的基础。
• 学习操作系统与计算机组成原理：深入理解内存、指针、汇编。
• 移植开源项目或开发高性能库：如参与 Git、Redis、Nginx 等项目。
• 作为跳板语言：C 是理解 C++、Rust、Go 等现代系统语言的基础。

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在开始学习之前，希望你已经充满热情。

如果你已经准备好了，那就让我们一起踏上 C 语言的学习之旅吧！

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01.Hello World

本章内容为C语言的环境配置，包括windows、MacOS、Linux平台，以及C语言程序从代码的编译过程

1.1 你的第一个程序

# include <stdio.h>
int main(){
    printf("Hello World");
    return 0;
}

现在你不需要知道这个程序中代码的具体意思，你只需要在你的电脑上编译并且运行这个程序。

1.2 C语言程序编译过程

C语言程序的编译分为四个阶段：

• 预处理：执行宏替换、头文件展开、条件编译等操作，#include, #define, #ifdef等指令会被先执行。
• 编译：把C语法（如变量定义、函数调用）翻译成汇编指令，不涉及CPU具体编码，只是人类可读的汇编语言。
• 汇编：把汇编代码翻译成机器码，生成与 CPU 架构对应的二进制指令。
• 链接：把目标文件与库函数链接成最终可执行程序。

1.3 配置开发环境

MacOS/Linux已经预安装gcc，打开终端即可使用。

Windows

CLion/VSCode

• 下载CLion：CLion: A Cross-Platform IDE for C and C++ by JetBrains

• 下载并安装vscode：Visual Studio Code - Code Editing. Redefined，代码编辑器，下载后默认安装。建议关闭AI代码补全。

• CLion和VScode二选一，但是都需要配置C环境，电脑性能不好建议选择VScode，强烈不建议 VScode Studio，太笨重了

配置C环境

• 下载并安装 MSYS2：https://www.msys2.org/，类 UNIX 环境开发平台，下载后默认安装，安装时可修改安装目录，记录默认目录，后续要用

• 打开MSYS2，输入以下命令：

pacman -Syu   # 初始更新（可能需重启）
pacman -S mingw-w64-ucrt-x86_64-gcc gdb make

• 将MSYS2添加到环境变量。win+s，搜索编辑系统环境变量，点击环境变量，选中系统变量中的Path，编辑，新建，输入MSYS2的路径下/ucrt64/bin的完整路径，比如我的是E:\SDK\MSYS2\ucrt64\bin，确定。

• 打开CMD，输入gcc --version，显示版本号即为成功。

1.4 gcc编译程序

单文件编译

gcc hello.c -o hello
./hello   # Windows: hello.exe

• gcc：调用编译器

• hello.c：源文件

• -o hello：输出文件名（不加会默认生成 a.out）

请直接再cmd或终端中运行程序，不然程序可能会一闪而过！

编译多个文件

gcc main.c utils.c -o app
./app

添加调试信息

gcc -g main.c -o debug_app
gdb ./debug_app

• -g：包含调试信息，用于 GDB/LLDB 调试器

常用编译选项

选项	含义
-o <file>	指定输出文件名
-g	添加调试信息
-Wall	打开所有警告
-Werror	把警告当成错误
-O2 / -O3	启用优化
-std=c99 / -std=c11	指定 C 标准版本
-I <dir>	添加头文件搜索路径
-L <dir> / -l<lib>	添加库搜索路径 / 链接库

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现在你已经成功完成了 C 语言的第一个程序，并了解了编译原理和开发环境的配置！

接下来，将正式进入语法与实战阶段的学习。

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02.C语言程序的基本构成

本章通过一个极简示例介绍C程序的基本组成部分——头文件、main() 函数、变量声明、printf()、格式控制符%d、转义字符\n。

/*我的C语言练习程序
自我介绍程序*/
#include <stdio.h>
int main(){
    int age；//声明age
    age = 17; //age变量表示年龄
    printf("你好我是m310ct\n");
    printf("我今年%d岁了",age);
    return 0;
}

这是一段简单输出自我介绍的代码，你可以先编译在终端中运行看看效果。代码运行成功你将看到如下图的结果。下文将详细解释这段代码。

⚠️乱码问题

如果在cmd中运行出现乱码，主要引起的原因是vscode自动以utf-8保存，而windows的默认编码是gbk。在运行程序前输入chcp 65001将cmd的编码改成utf-8。

CLion中出现乱码，请将右下角UTF-8转换为gbk

2.1 引入头文件

#include <stdio.h>

这行代码的用途就是引入头文件。

#include

• 预处理器指令。这个指令放在代码的最前面，在编译器的预处理步骤中执行。除了引入头文件，还可以宏定义，条件编译等。类似的预处理器指令还有 #define（宏定义）、#ifdef（条件编译）等。

stdio.h

• 这里用尖括号包裹的就是头文件。头文件以.h作为文件后缀，用来声明函数、变量、结构体等接口的，帮助编译器知道你用的东西“长什么样”。

• stdio的全称是标准输入输出（standar input output）其中存放了常用的一些函数，比如打印用到的函数printf()就存放在其中，打印的本质就是输出。如果你引入stdio.h你就无法在程序中使用打印函数。

这里你可能想问：为什么不内置输出函数呢？答：并非所有程序都需要打印功能，这体现出C语言“轻装上阵”的哲学。

2.2 main()函数

int main(){
    /*skip*/
    return 0;
}

• main()函数是C语言程序的入口函数，程序从main()函数开始执行，以return 0;结尾。

• int：C语言中的数据类型，代表整数，后文会讲解。

• 大括号：大括号表示其中的内容为这个函数的代码。

return 0

• return 表示程序运行完后将结果返回给操作系统。

• return 0;：表示程序正常结束（成功）。

• return 1; 或其他非零值：表示程序出错或异常退出。

• 这个返回值叫做“退出码”，可以被操作系统或其他程序读取，用来判断程序是否运行成功。

2.3 变量

int age;//声明age
age = 17; //age变量表示年龄

声明

int age;就是一个声明语句。声明就是告诉电脑要在内存中开辟一块空间，为之后存取数据所用。声明时要明确数据类型， 以后变量只能存放对应数据类型的数据。

关于数据类型的知识在下一章。

赋值

使用赋值运算符=来给变量进行赋值。简而言之，就是将=右边的值给到=左边的变量。

初始化变量

初始化就是在声明变量的同时给予变量一个初始值。

int age = 17;

2.4 字符串打印

printf("你好我是m310ct\n");
printf("我今年%d岁了",age);

printf函数

printf函数的作用是格式化输出各种数据，以字符串的形式打印到终端

注意 ：printf打印字符串时需要用英文状态的双引号包裹，这是新手常见错误！

03. 数据类型

本章将介绍 C 语言中的数据类型、sizeof 函数与 scanf 输入函数。

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3.1 数据类型的作用

在之前的代码中，我们已经在定义函数时接触过了数据类型——int。

数据类型的作用是告诉计算机：这个值是什么类型、可以进行哪些操作、以及应该如何在内存中存储它。

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3.2 int 类型

• int 是有符号整数类型，可以存储正整数、负整数或 0。

八进制和十六进制

• 八进制：逢 8 进 1，比如十进制下的 9 转换为八进制是 11。
• 十六进制：逢 16 进 1，超过 9 的部分用字母 a-f 表示，例如十进制的 15 转为十六进制是 f。

在 C 语言中，要输出不同进制的数，只需将 %d（十进制）替换为： - %o：八进制输出 - %x：十六进制输出

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3.3 其他整数类型

C 语言提供 short、long、unsigned 等关键字来修饰 int 类型，表示不同的存储大小或取值范围：

• short int 或 short：占用的存储空间通常比 int 少。
• long int 或 long：用于存储更大的整数。
• long long int 或 long long：通常占用至少 64 位空间，用于极大数值。
• unsigned int 或 unsigned：只能存储非负整数（0 及正数）。
• 同样也有 unsigned long、unsigned long long 等组合形式。

（具体大小依平台而定，见后续表格）

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3.4 打印整数类型

下面是各种整数类型的输出格式说明：

类型	十进制	十六进制	八进制	无符号输出
int	%d	%x	%o	%u
long	%ld	%lx	%lo	%lu
short	%hd	%hx	%ho	%hu
long long	%lld	%llx	%llo	%llu

示例代码：

#include <stdio.h>

int main(){
    short a = 1;
    int b = 100;
    long c = 1000000;
    long long d = 10000000000000;

    printf("我是 a，十进制：%hd，十六进制：%hx，八进制：%ho\n", a, a, a);
    printf("我是 b，十进制：%d，十六进制：%x，八进制：%o\n", b, b, b);
    printf("我是 c，十进制：%ld，十六进制：%lx，八进制：%lo\n", c, c, c);
    printf("我是 d，十进制：%lld，十六进制：%llx，八进制：%llo\n", d, d, d);

    return 0;
}

⚠️ 注意：输出结果依赖于平台（如 32 位或 64 位系统），不同平台下类型大小可能略有差异。

运行结果：

我是 a，十进制：1，十六进制：1，八进制：1 
我是 b，十进制：100，十六进制：64，八进制：144 
我是 c，十进制：1000000，十六进制：f4240，八进制：3641100 
我是 d，十进制：10000000000000，十六进制：9184e72a000，八进制：221411634520000

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3.5 char 字符类型

char 类型用于表示单个字符，但本质上它是一种整数类型，每个字符都有一个整数编码值（ASCII）。

ASCII 简介

在 C 语言中，字符会被转换为对应的 ASCII 码值。通过%c打印字符，例如：

char a = 'A'; // 实际存储的是整数 65
printf("%c",a);

完整的 ASCII 表如下：

你可以通过字符直接赋值，无需记忆码表：

char ch1 = 'A';      // 存储 ASCII 码 65
char ch2 = 66;       // 直接存储整数 66，输出时为 'B'

转义字符

有些字符（比如换行、引号等）不能直接写在字符串中，需要使用转义字符（以 \ 开头）：

转义字符	含义	示例说明
\n	换行	输出后光标跳到下一行
\t	制表符（Tab）	相当于按了一个 Tab 键
\\	反斜杠字符 \	输出一个反斜杠
\'	单引号 '	输出一个单引号
\"	双引号 "	输出一个双引号
\r	回车符（光标回到行首）	通常配合 \n 用于 Windows 换行
\b	退格符（删除前一个字符）	有些终端有效，等价于 Backspace
\a	响铃（beep）	有些终端会响一声或闪烁
\0	空字符（null terminator）	表示字符串结束，用于字符串结尾标志

3.6 浮点类型

小数或科学计数法的类型就是浮点型，浮点型包括float，double和long double。

科学计数法

当一个数过大或过小，位数过多难以直接表达时便使用科学计数法。比如在数学中，10000可表示为 $1 \times 10^5$，0.00321则表示为 $3.21 \times 10^-3$ 在C语言中，用e代表$10^n$，比如$1 \times 10^5$就是1e5，$3.21 \times 10^-3$ 就是3.21e-3。

各种浮点类型

• float：单精度浮点数，至少表示 6 位有效数字，打印时使用 %f（普通浮点数格式）或 %e（科学计数法格式）。
• double：双精度浮点数，至少表示 15 位有效数字，打印时同样使用 %f 或 %e
• long double：扩展精度浮点数，至少表示 18 位有效数字，打印时使用 %Lf（普通格式）或 %Le（科学计数法格式）。

浮点数溢出

当浮点数的值超出其类型所能表示的最大限度（比如 float 的最大值约为 ( 3.4 \times 10^{38} )）时，计算结果会变成 inf，这称为 上溢（Overflow）。
值得注意的是：只有当计算结果本身超出最大范围才会溢出，例如将 3.0e38f 乘以 2 会得到 inf。但如果只是对一个非常大的浮点数加上一个相对较小的值（如 3.4e38f + 1000），由于 float 精度有限，这个加数可能被忽略，因此 不会造成溢出，只是“精度丢失”。

类似地，如果浮点数的结果非常接近 0，小于其最小的非零正数（对 float 而言约为 ( 1.4 \times 10^{-45} )），就会变成 0.000000，这称为 下溢（Underflow）。
例如将 1.0e-40f 连续除以很大的数，最终结果可能过小到无法表示，就会发生下溢。

float large = 3e38f;
float overflow = large * 2;

// 浮点下溢：小于 float 最小非零正数约为 1.4e-45
float small = 1.0e-40f;
float underflow = small / 1.0e10f;

printf("上溢示例：%f\n", overflow);    // 输出 inf
printf("下溢示例：%f\n", underflow);   // 输出 0.000000
return 0;

浮点数精度误差

浮点数不能进行完全精确的计算：

double a = 0.1;
double b = 0.2;
double c = a + b;
printf("%.20f",c);//输出：0.30000000000000004441，这里.20是保留20位小数的意思

由于 float 使用有限的 23 位二进制尾数（mantissa）表示有效数字，当数值过大时，它的最小可区分单位也变大，导致较小的加数（如 +1）无法被表示，从而被舍弃。举一个例子：你用一个只能显示 8位数 的计算器，它能显示 99999999，那你再按 +1 它还是 99999999，因为已经“装不下”更小的差别了。