程序员C语言快速上手——基础篇（五）

- 日理万妓 2022-01-20 08:09 305阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  基础语法
 *   *  简单函数
     *   *  自定义函数
         *  调用函数
         *  函数的声明
         *  函数的作用域
         *  简单函数的小结
     *  简单指针
     *   *  什么是指针
         *  如何理解内存
         *  指针的使用
 *  欢迎关注我的公众号：编程之路从0到1

# 基础语法 #

## 简单函数 ##

C语言中的函数其实是多条指令的组合单元。更通俗的说就是许多语句的组合单元。函数的好处是可以让编程结构化，而不是像早期的程序那样写成一坨。另外函数可以复用代码，这使得程序员可以少写大量的重复代码，还使得大型程序可以模块化，多人同时开发。

在国内大量的C语言图书及高校的垃圾教材中，大量的例程永远只使用一个`main`函数，虽然这些教材也讲函数，但明显是为了讲而讲，形而上学的讲，完全缺乏实用性。有过编程经验的朋友都知道，实践工作中，C语言的函数和高级语言的类是多么重要的内容，所有的开发工作就是围绕它们展开的，因此C语言的函数内容，应当引起足够的重视。只有真正做过开发工作的人，回头重学C语言才能真正学明白，真正学以致用。

### 自定义函数 ###

在上一章我们找到了英文字母大小写转换的规律，但是我们每次使用都需要去运算，显得非常麻烦，大家已经使用过很多标准库的函数，这次我们就将该功能封装成一个我们自己的函数。

#include <stdio.h>
    
    // 定义字符转换函数
    char convchar(char ch){ 
        if (ch >= 97 && ch <= 122){    // 小写字母范围
            return ch - 32;
        }else if (ch >= 65 && ch <= 90){   // 大写字母范围
            return ch + 32;
        }
        return -1;  // 不是英文字母，返回-1
    }
    
    int main(void){ 
        char str[] = "hello";
        
        // 循环遍历字符数组，当遍历到字符串结束符就停止
        for (int i = 0; str1[i] !='\0'; i++){ 
            printf("%c",convchar(str[i]));
        }
        
        return 0;
    }

打印结果：

HELLO

我们自己编写的`convchar`函数功能非常简单，就是将传入的大写字母变小写，小写字母变大写。现在来看一下定义函数的格式

// 编码风格1
    返回值类型 函数名(形式参数){
    		函数体
    }
    
    // 编码风格2
    返回值类型 函数名(形式参数)
    {
    		函数体
    }
    
    // 编码风格3
    返回值类型 
    函数名(形式参数)
    {
    		函数体
    }

以上是最常见的三种编写函数的代码风格，由于C语言规范并不严格，还有许多奇奇怪怪的代码风格，但这里我推荐第一种，比较简洁，易于阅读，且减少代码行数，少了花括号独占的那一行，在函数较多的情况下，可以减少许多花括号的行。

需要注意，函数的返回值和形式参数都是可选的，当有返回值时，必须配合`return`语句返回，当函数没有返回值时，应当使用`void`关键字声明，注意我的措辞，是应当，而不是必须！但在我看来，**任何时候都应该明确你的返回值**，而不是省略什么都不写，这是C语法的缺陷，相当不严谨的地方。当然，这也是历史遗留问题，谁让C语言是编程界的老古董呢。C89中，当省略返回值时，会默认函数的返回值为`int`类型。以下代码是可以正常编译运行的。

#include <stdio.h>
    
    main(){ 
        printf("hello world\n");
        
        return 0;
    }

要注意，没有返回值时应当写上`void`,但没有形式参数时，可以省略，也可以写上`void`，不过建议省略，保持代码简洁明了。

// 无返回值，无形参
    void printError(){ 
        printf("this is error!\n");
    }
    
    // 求和函数。形式参数的声明，与普通变量声明相似，有几个就声明几个
    int sum(int a,int b,int c){ 
        return a + b + c;
    }

### 调用函数 ###

#include <stdio.h>
    
    int sum(int a,int b,int c){ 
        return a + b + c;
    }
    
    int main(){ 
        // 函数调用，在小括号内传入实际的参数，以替换形式参数
        int r = sum(1,2,3);
        printf("%d\n",r);
        return 0;
    }

### 函数的声明 ###

在C语言中，出现了两个概念，**声明**和**定义**。除了`C/C++`，在很多高级语言中，声明和定义基本是等同的，大量不了解C语言的程序员也是这么看待的，那么声明和定义到底是什么，有什么区别呢？先看下面的例子

#include <stdio.h>
    
    int main(){ 
        printError();
        return 0;
    }
    
    void printError(){ 
        printf("this is error!\n");
    }

以上代码在VC编译器等其他一些编译器会直接报错，而在GCC编译器只会报警告，仍可以编译运行。大家会发现，这是因为我们自定义的函数写在`main`函数之后，编译器通常从上往下扫描代码，当扫到`printError()`时，会发现并不认识它，有些人会想当然的认为报错是因为编译器不认识该函数产生的，而实际上是报的**重定义了不同的类型**错误。简单解释一下，当编译器扫描到未定义的函数时，编译器会自以为是的给你进行一个隐式声明，但是编译器并不知道函数的返回值和具体的形式参数啊，这时候它就会简单猜测一下，默认你的返回值是`int`，然后根据你调用函数时传的参数简单分析一下形参的类型，Ok，然后编译器继续往下扫描，这时它发现了你写在后面的`printError`函数，可是刚刚已经给你隐式声明了一次`int printError()`，结果发现你的实现是`void printError()`，和声明对不上，返回值类型不一致，那么你的函数实现当然不被认可，编译器认为你在重新修改函数声明。有些聪明人就想，既然这样，那我定义一个`int printError()`函数，它的返回值刚好就是`int`，这样编译器的隐式声明不就能猜对返回值了吗？不错，具有`int`类型返回值的函数定义，形参又比较简单，编译器确实能帮你成功的隐式声明，但这种小聪明是绝不推荐的。

那GCC为什么只警告不报错呢？这是因为GCC编译器已经是现代编译器中最强大的存在，它具有一定的代码智能优化能力，你的某些错误，它帮你兜了。但这种错误是绝不应该犯的，实际中绝不能写这样的代码。出于某些原因，我们想将函数的具体定义写在`main`函数之后，正确的姿势应当是怎样的呢？

#include <stdio.h>
    
    // 在main函数之前先声明
    void printError();
    
    int main(){ 
        printError();
        return 0;
    }
    
    // 在main函数之后再定义
    void printError(){ 
        printf("this is error!\n");
    }

可以看到，函数声明时是不需要花括号包含的函数体的，只需要包含返回值类型、函数名、形式参数即可。但是要注意，小括号后面的分号是不能省略的。

以上示例就是将函数的声明与定义分开，在实际开发时，这些函数声明也并不是像这样直接写到`main`函数之前的源码中，而是写到头文件中，由于我们还没有讲到头文件，具体内容在后面的部分再说。

### 函数的作用域 ###

这里简单说说作用域的问题，在函数中声明的变量被称为局部变量，只在当前函数体的范围内可被访问，离开该函数体的范围就不可被访问了。而在函数外的声明的变量，称为全局变量，全局变量在整个程序中都可被访问，也就是所有的源文件，包括`.c`和`.h`文件中都可被访问。具体细节，在后续篇幅中会详细说明

### 简单函数的小结 ###

1.  函数不能返回数组，因此函数的返回值不能是数组类型。
2.  函数没有返回值时，也应当写上`void`明确返回值类型
3.  C语言没有函数重载概念。这意味着C中相同作用域内的函数绝不能同名，哪怕返回值和形参都不同。C语言还没有命名空间的概念，这两者综合一起就是C语言最大缺陷之一。
4.  C语言函数的声明与定义是分离的，但是在任何时候都应当先声明再实现。这里声明是指显式声明。意即，当自定义的函数被定义在`main`函数之前时，它同时包含了声明与定义。

**关于形式参数与实际参数的概念理解**  
形参就相当于是商店橱窗里的塑胶模特，而你带着女朋友进去试衣服，你的女朋友就成了实参。

C语言的实参与形参之间是值传递，简单说就是值拷贝。在调用函数传参时，实际参数的值被复制了一份，拷贝给形参。因此形参与实参本质上就是两个变量，不可等同，它们仅是值相同。就如一对双胞胎小姐姐，即使长得像，穿着相同的衣服，那也还是两个人。

**改进字符大小写转换函数**  
这里将之前的字符大小写转换函数做改进，使之能直接转换字符串的大小写

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    /* 当数组作为形参时，不能对其使用sizeof运算符 flags: 值为0时，全部转小写，非0时，转大写 */
    void convstr(char ch[], int flags){ 
        for (int i = 0; i < strlen(ch); i++){ 
            if (ch[i] >= 97 && ch[i] <= 122){  
                if(flags) ch[i] = ch[i] - 32;
            }else if (ch[i] >= 65 && ch[i] <= 90){ 
                if(!flags) ch[i] = ch[i] + 32;
            }
        }
    }
    
    
    int main(){ 
        char str[] = "Hello,ALICE";
    
        convstr(str,0);
        printf("%s",str);
        return 0;
    }

打印结果：

hello,alice

这里需特别注意，在C语言中，凡是数组做函数参数时，都是引用传递，或者说是指针传递。其他基本数据类型做函数参数，包括结构体，都是值传递。网上存在很多错误的言论和资料，一定要明确，在C语言中，数组不存在值传递，这也是为什么不能对做函数参数的数组使用`sizeof`运算的原因所在，因为它会自动退化为指针。

## 简单指针 ##

#include <stdio.h>
    
    // 计数器
    void counter(int count){ 
        count += 10;
        printf("count=%d\n",count);
    }
    
    int main(){ 
        int t = 0;
        counter(t);
    
        printf("t=%d\n",t);
        return 0;
    }

打印结果：

count=10
    t=0

如上示例中，`counter`函数为一个计数函数，每次调用都将传入的值加10，可是为什么在函数的外部打印`t`值，它的值没有发生改变呢？

### 什么是指针 ###

在回答什么是指针之前，我认为应当先提问为什么需要指针？如果没有明确的应当重视的理由，大家何必花大力气学习它呢？

要说清这个问题，我们先举一个简单例子：

在生活中，我们往往通过网盘来分享视频，而不是直接将本地硬盘上的视频文件发送给对方，这是因为视频文件通常会非常大，直接通过网络发送十分不便（涉及上行网速和下行网速），效率低下。

一来，在发送大文件时，作为发送者的我们必须一直开着电脑，而不能中断发送，这个过程可能需要一两个小时

二来，当我们需要将本地视频发送给多人时（在不同的时间和地点），我们每次都需要重复上述的缓慢发送过程

最后，如果我们自己制作或者修改视频时，也仍然需要重复以上过程。

现在有了网盘，我们只需将视频文件上层一次到网盘中，生成一个地址链接，每次仅分享这个链接即可。当我们修改了视频，或者增加了新视频，仍然放到以前的链接下，甚至不需告知其他人，

现在我们明白了生活中的道理，再看指针就非常清晰了，C语言中的所谓指针，简单理解其实就是数据在内存中的地址，就相当于以上例子中的链接，有了这个链接，我们就能找到共享的资源。我们需要C语言，需要指针，就是为了这极致的性能和效率，这是除了`C/C++`外的其他高级语言所不具备的。即使是号称继承自C语言的Go语言，它的指针也远没有C指针强大。当然，剑过于锋利，剑法却仍然生疏，未伤人先伤己，这或许是人们畏惧指针的一个原因。

### 如何理解内存 ###

理解了抽象意义上的指针概念，接下来看看，计算机中的内存又是怎么回事？  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcmN0aWNmb3guYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
在计算机中，内存就是是一片线性的连续的小格子。每个格子的大小都是1字节，且每个格子都有一个编号，这个编号就被称为内存地址。如同现实生活中的门牌号。

当我们需要往内存中存数据时，操作系统就会随机的从这一片连续小格子中给我们分配一些可用的。例如我们要将上图中左边的信息存入内存，则操作系统会根据我们的要求，给我们分配一段空间，假设给了8个小格子，那么操作系统就会将这段空间的起始地址返回给我们，如`0xff0001`。在存数据时，操作系统只关心两件事，一个是分配给你的起始地址，一个是分配的格子的长度。当`char name[]="Bob";`时，操作系统按数据的类型依次将数据往内存中存放，而数组名`name`即代表地址`0xff0001`，接下来`char age = 28;`，我们这里使用一个字节保存整数28，这时，变量`age`的地址则是`0xff0001`\+`4`。在一段内存中，除了给出首地址，其他地址都是通过这种首地址+偏移量的方式来表示的。因此才说，操作系统只关心起始地址和分配的内存空间长度。如果我们在存放一个学号`int num=1000;`，则地址继续往后偏移。由于`int`类型是4字节，因此变量`num`需要占用四个小格子。每个小格子都存放这个32位整数中的8个位。

理解了内存的原理，那么我们就会明白，为什么几乎所有的编程语言中都指明字符串是不可变对象。如上图，字符串`name`存的是`Bob`，这就相当于一个萝卜一个坑，如果修改为`Bruce`，则会超出原来的格子，从而强占变量`age`的格子，覆盖掉了`age`的值，造成这一片内存区域的混乱。

### 指针的使用 ###

严格的说，C语言中的指针类型，是指**保存的值是内存地址的变量**。

int num = 10;
    
        //声明指针类型变量
        int *ptr;
    
        //给指针类型变量赋值
        ptr = &num;
    
        printf("ptr=%x\n",ptr);
        printf("num=%d\n",*ptr);

打印结果：

ptr=22fe44
    num=10

上例中，`int *ptr;`，变量`ptr`就是指针变量，与普通变量的区别就是多了一个星号。实际上如果换种写法大家可能一眼就理解了：`int* ptr;`，将`int`和`*`紧挨，把它们看成一个整体，那这个整体就是指针类型，这样就复合我们最初学习的声明变量的格式了：【数据类型】【变量名】。实际上这样写是可以的，但是千万不要这样写，请将星号和变量紧挨一起，不要和类型挨在一起，虽然这很反直觉，但这确实是C语言的潜规则，当大家都这样写的时候，最好还是遵守规范。这样写并不是心血来潮，确实能避免犯一些错误。

这里还要学习两个运算符

*  取地址运算符 `&`
    
    顾名思义，就是可以获得一个变量在内存中的地址。内存地址是一个4字节的数值，通常用16进制显示,如上例中的`22fe44`，它表示变量`num`的值储存在内存编号为`22fe44`的空间中。
 *  间接寻址运算符 `*`
    
    以上第10行代码中的星号是间接寻址运算符，它只能对指针变量使用，表示将该指针变量保存的地址对应的内存中的值取出来。这样说比较绕，换个说法，如果直接将一个内存地址对应的内存中保存的值取出来，这就叫直接寻址，如果是对保存地址的变量使用，这就是间接寻址。使用间接寻址运算符的过程被称为**解引用**。  
    ![图示][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcmN0aWNmb3guYmxvZy5jc2RuLm5ldA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

注意，指针变量的右值应当是一个地址，而不能是其他值。因此给指针变量赋值时，先使用取地址符`&`求得变量的地址，然后才将这个地址赋给指针变量，这个过程称为指针指向某某变量。根据指向的目标变量的类型不同，指针变量也应当声明为相应的类型。例如，指向`char`型变量，则应声明为`char *p;`。另一个重要的原则是先初始化，后使用。我们上面的例子是不规范的典型，前面我们已经说过多次，C语言中，变量应当声明后立即初始化。

那么指针变量如何在声明时初始化为零值呢？

//指针应在声明同时初始化为NULL
    int *ptr = NULL;
    
    //注意，ptr才是指针变量，而不是*ptr，切记！
    ptr = &num;

如果直接访问未初始化的指针，会造成无法预知的后果，这种指针也被称为野指针！

简单指针的小结

1.  声明指针变量时，星号应紧靠指针变量，并在同时初始化为`NULL`
2.  指针变量的值应当是一个地址
3.  声明指针类型时的星号和解引用时的星号意义完全不同，注意区分，不要混淆。声明指针类型时的星号，代表指针类型，解引用时的星号是`间接寻址运算符`

使用指针改进计数器示例

#include <stdio.h>
    
    // 形参是声明，这里*表示的是指针类型
    void counter(int *p){ 
        //此处*表示解引用
        *p += 10;
        printf("count=%d\n",*p);
    }
    
    int main(){ 
        int num = 10;
    
        // 直接初始化
        int* ptr = &num;
    
        counter(ptr);
        printf("num=%d\n",num);
        return 0;
    }

实际上指针并不难，很多人觉得难，其实就是因此这里的星号写法设计得不合理，极易造成歧义，如果没有熟练指针的运用，那么星号总会给人别扭的感觉，时而会看错。要想快速熟练掌握指针，要学会经常画内存图，一旦发现迷糊了，赶紧画图，多画几次图，大脑建立了概念，就不会再出错。

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