第2章
C語言快速入門
2.1 C語言的文法特點
C語言是一門文法精簡的語言，它的關鍵字僅有32個，C語言以main函數為主函數，程式編譯運作之後，執行的就是main函數的内容，是以，縱觀C語言的很多程式，就會發現它們形成了一道有趣的風景線：頭檔案和C代碼檔案以main函數為中心構造，在main函數中調用這些檔案中編寫的代碼，引用頭檔案。C語言程式實質上就是在程式中調用 C标準庫提供的函數、其他C庫提供的函數、作業系統提供的API接口、自己定義的函數，同時應用适當的資料結構和算法來完成工作。C語言主要包含如下關鍵字。
- auto：聲明自動變量。
- short：聲明短整型變量或函數。
- int： 聲明整型變量或函數。
- long：聲明長整型變量或函數。
- float：聲明浮點型變量或函數。
- double：聲明雙精度變量或函數。
- char：聲明字元型變量或函數。
- struct：聲明結構體變量或函數。
- union：聲明共用資料類型。
- enum：聲明枚舉類型。
- typedef：用以為資料類型取别名。
- const：聲明隻讀變量。
- unsigned：聲明無符号類型變量或函數。
- signed：聲明有符号類型變量或函數。
- extern：聲明變量是在其他檔案中聲明的。
- register：聲明寄存器變量。
- static：聲明靜态變量。
- volatile：聲明變量在程式執行中可被隐含地改變。
- void：聲明函數無傳回值或無參數，聲明無類型指針。
- if：條件語句。
- else：條件語句否定分支（與if連用）。
- switch：用于開關語句
- case：開關語句分支。
- for：一種循環語句。
- do：循環語句的循環體。
- while：循環語句的循環條件。
- goto：無條件跳轉語句。
- continue：結束目前循環，開始下一輪循環。
- break：跳出目前循環。
- default：開關語句中的“其他”分支。
- sizeof：計算資料類型長度。
- return：子程式傳回語句（可以帶參數，也可以不帶參數）循環條件。
C語言雖然精簡，但功能卻很強大，其不但能夠完成比它更複雜的程式語言所做的事情，而且還能做其他語言不擅長的工作，比如，MySQL（當今世界最流行的開源關系型資料庫管理系統）、Nginx（高性能的 HTTP 和 反向代理伺服器）、SQLite（嵌入式的輕型資料庫）、GNOME桌面（通常運作在Linux/UNIX系統下的桌面系統）、OpenCV（跨平台計算機視覺庫）等都是C語言的傑作，尤其是在作業系統核心的設計與研發領域，它的“兄弟”C++也不是對手（目前還沒有出現一款流行于世的C++制作的作業系統核心）。
2.2 猜數字遊戲
本節将應用C語言制作猜數字遊戲，以幫助讀者快速複習C語言的基礎知識。猜數字遊戲的規則具體如下：輸入一個1-500以内的正整數，程式根據玩家輸入的數字，提示該數字比正确答案大，或者比正确答案小，如果等于正确答案就提示猜中了。比如，要猜的數字是85，玩家第一次輸入90，則提示比要猜的數字大，第二次輸入80，則提示比要猜的數字小，第三次輸入85，則提示猜中了。下面就來分步講解整個遊戲的制作過程。
2.2.1 編寫輸入數字的C代碼
首先，參照第1章介紹的編輯C程式的方法，編寫源代碼檔案2-1.c，代碼如程式2-1所示：
接着，使用PuTTY等SSH用戶端登入Ubuntu後，在終端編譯2-1.c：
$ gcc 2-1.c -o myguess
最後，運作該程式進行驗證，程式接受一個數字輸入後，将輸入的數字輸出到螢幕中，代碼如下：
$ ./myguess
你好，請輸入一個數字:55
你輸入的數字是:55
縱觀程式2-1及其執行結果，可以發現，C語言使用“;”作為語句的結尾；可使用printf函數完成螢幕輸出，在輸出時可使用“n”表示換行符；使用scanf函數從鍵盤中接受指定格式的資料錄入，其中“%d”表示整數格式，scanf的第2個參數是輸入的變量的位址（即&mynum，其中“&”是取位址符）。
2.2.2 限制輸入數字的範圍
遊戲要求輸入1-500以内的整數，但在運作程式2-1時，輸入900、-10等不符合要求的數字，仍然能夠通過。比如，在下面所示的運作結果中，900和-10均通過了輸入程式的測試：
你好，請輸入一個數字:900
你輸入的數字是:900
你好，請輸入一個數字:-10
你輸入的數字是:-10
本步驟的目标就是讓程式拒絕接受不合法的數字，并提示玩家重新輸入，是以，需要修改程式，限制玩家輸入數字的範圍，修改的代碼如程式2-2所示：
編譯并運作程式2-2，從下述運作效果來看，錯誤的數字并沒有被接受，但要想重新輸入，必須再運作一次程式：
$ gcc -o myguess 2-2.c
$ ./mynum
你好，請輸入一個數字:988
數字僅限于1-500之間，請重新運作本程式！
程式2-2使用了C語言的“if...else...”條件語句，這是很多語言都有的一個機制（包括一些函數語言，比如Haskell的“if...then...else....”），“if…else…”條件語句分為兩個部分：第1個部分是if語句段，表示如果if後面所跟的條件滿足要求的話，則執行if語句段； 第2個部分是else語句段，表示如果if後的條件不滿足要求時執行的語句段。
什麼是條件滿足與不滿足呢？C語言可了解為：如果條件的傳回值非0則表示條件滿足，如果是0則表示條件不滿足。
可以将多個條件組合成一個綜合條件作為“if...else...”條件語句的條件，方式是使用“||”（表示或者）或“&&”（表示并且），比如，程式2-2的條件是“mynum>500 ||mynum<1”。
用非0與0來判斷條件的真假讓C語言的條件語句具備較強的靈活性，但是這會帶來一個困擾：在C語言條件語句中，NULL和0的值是一樣的，而NULL常用于指針和對象，0常用于int等整型數，這就意味着，如果出現了類似下面的語句塊，則是對含有指針變量的條件進行判斷。例如，在下面這種形式的代碼中，mypoint指向了其他變量的記憶體位址，如果指針變量mypoint指向的位址為NULL，則表示mypoint指向的位址是無效的，否則是有效的。示例代碼如下：
if (mypoint!=NULL){
............//指針指向内容有效時執行的語句塊
}
else{
............ .//指針指向内容無效時執行的語句塊
也可以在條件中使用“！”（表示邏輯非），進一步簡化對mypoint是否有效的判斷，示例代碼如下：
if (!mypoint){
2.2.3 引入循環機制，允許重新輸入
循環是計算機科學運算領域的用語，也是一種常見的控制流程，循環是指一段代碼在程式中隻出現一次，但可能會連續運作多次的語句。通過C語言的循環語句，程式2-3實作了在玩家輸入錯誤數字的情況下，可再次輸入，而不是直接退出程式的功能：
編譯并運作程式2-3，當輸入的數字不合法時（分别輸入了1234、-12進行測試），程式沒有接受玩家輸入，而是提示重新輸入數字，運作結果如下：
$ gcc 2-3.c -o myguess
你好，請輸入一個數字:1234
數字僅限于1-500之間
你好，請輸入一個數字:-12
你好，請輸入一個數字:88
你輸入的數字是:88
程式2-3中使用了C語言的while循環來實作玩家反複輸入數字，直到輸入的數字在1-500之内才退出循環的功能。
while循環的文法格式如下：
while(條件){
語句塊
此外，程式2-3在while的條件“while (!ispass)”中使用了邏輯“！”，簡化了程式。
C語言還有另一種循環形式“do...while...”循環，它的文法格式如下（不要忘記在最後一行的條件後加上“;”）：
do{
}while (條件);
用“do…while...”循環對程式2-3進行修改，修改後的代碼如程式2-4所示：
編譯并運作程式2-4，下面是運作結果，當輸入8889時，程式會提示數字不合法，并讓玩家重新輸入：
$gcc 2-4.c -o myguess
你好，請輸入一個數字:8889
你好，請輸入一個數字:12
你輸入的數字是:12
程式2-3、程式2-4使用了變量ispass作為是否退出循環的依據，如果ispasss不為真，則表示玩家輸入的數字不合法，需要繼續輸入，否則退出循環。
除了使用ispass這類變量控制C語言循環之外，還可以直接通過break語句退出循環（注意，隻能退出break語句本身所在的那層循環）。通過break語句的使用，程式2-5完成了與程式2-3、程式2-4同樣的功能，程式代碼如下：
編譯運作程式2-5，從下面的運作結果可以看出，程式2-5與程式2-3以及程式2-4的功能一樣，程式在玩家輸入錯誤的情況下，提示玩家重新輸入，具體如下：
$gcc 2-5.c -o myguess
你好，請輸入一個數字:8788
你好，請輸入一個數字:66
你輸入的數字是:66
2.2.4 産生1～500以内的随機整數
為增加遊戲的趣味性，編寫代碼産生1～500以内的随機整數，并将這個整數作為被猜數字，這樣玩家每次運作遊戲，需要猜的都是不同的數字。為保證需要猜的整數在1～500之間，需要按如下方式對随機整數進行加工（“%”為取餘操作符）：
1～500以内的被猜數字=随機整數%499+1
借助stdlib.h中定義的srand函數來生成公式右邊所需要的随機數，該函數需要一個數值作為産生随機數的種子（也就是這個函數的唯一參數），通常使用目前時間值作為參數，目前時間值可以通過time函數（以0作為參數調用，該函數定義于time.h中）生成。程式2-6通過srand函數生成随機數，代碼如下：
編譯并運作程式2-6，運作結果表示，程式産生了1～500以内的2個随機整數429與44：
$gcc a.c -o mytest
$./mytest
第一個随機數:429 第二個随機數:44
可将程式2-6中的代碼稍做修改，與程式2-5結合，将程式2-6中産生随機數的代碼定義為函數getnumber，以供main函數調用，最終代碼如程式2-7所示：
編譯并運作程式2-7，觀察以下運作結果，玩家猜測數字為55，最後一行輸出了被猜的數字為109。
$ gcc guessnum.c -o myguess
number:109
為了驗證随機數效果，程式2-7中最後一個printf語句擷取到要猜的随機整數，并輸出到螢幕，但遊戲中不能把結果告訴玩家，是以，接下來需要繼續完善程式2-7，加入更多的功能。
2.2.5 反複接收玩家輸入，直到猜中數字為止
C程式通過“if…else if…else…”語句塊來實作條件語句的組合，該組合中包含有多個不同的條件，可用于定義滿足各個條件時執行的代碼塊。語句塊格式如下：
if (條件1){
.........//條件1滿足時執行的代碼塊
else if(條件2){
.......... //條件2滿足時執行的代碼塊
..........
else if(條件n){
......... //條件n滿足時執行的代碼塊
......... //以上所有條件均不滿足時執行的代碼塊
在程式2-7中增加條件語句組合，改進猜數字遊戲，實作玩家輸入的數字與被猜數字的比較，并根據比較結果為玩家提示數字大了或小了的資訊，當玩家輸入的數字與被猜數字相同時，提示玩家猜中了，修改後的代碼如程式2-8所示：
編譯并運作程式2-8，玩家輸入數字之後，程式提示輸入的數字與被猜的數字相比是大了還是小了，進行幾次嘗試之後，玩家成功猜中數字，程式提示“祝賀您，您猜中了！”，運作結果如下所示：
數字小了！
你好，請輸入一個數字:280
你輸入的數字是:280
你好，請輸入一個數字:350
你輸入的數字是:350
你好，請輸入一個數字:400
你輸入的數字是:400
你好，請輸入一個數字:488
你輸入的數字是:488
數字大了！
你好，請輸入一個數字:420
你輸入的數字是:420
你好，請輸入一個數字:450
你輸入的數字是:450
你好，請輸入一個數字:440
你輸入的數字是:440
你好，請輸入一個數字:430
你輸入的數字是:430
祝賀您，您猜中了！
2.2.6 自動猜數算法
能不能讓電腦程式擁有智能，讓程式來猜數字呢？肯定可以，隻需要編寫C程式實作某種算法即可。在國内，算法最早出現在《周髀算經》 《九章算術》之中；在國外，古希臘數學家歐幾裡得（Euclid，約公元前325年—公元前265年）出版了《幾何原本》，聞名于世。人類曆史上第一次将算法編寫為程式的是Ada Byron，其于1842年為巴貝奇分析機編寫求解伯努利微分方程的程式，Ada Byronl也是以被大多數人認為是世界上第一位程式員。
算法的核心是建立問題抽象的模型和明确求解目标，之後可以根據具體的問題選擇不同的模式和方法完成算法的設計。為了能讓程式實作自動猜數，必須假設一個前提：程式不知道要猜的數字，也就是說這個算法中隻能與要猜的數字進行比較，而不能直接“知道”要猜的數字值。分析算法目标，可使用類似于折半查找法的算法，折半查找法又稱二分查找法，是一種在有序數組中查找某一特定元素的搜尋算法。查找過程從數組的中間元素開始，如果中間元素正好是要查找的元素，則搜素過程結束；如果某一特定元素大于或者小于中間元素，則在數組大于或小于中間元素的那一半中查找，而且跟開始一樣從新的中間元素開始進行比較。如果在某一步驟中數組為空，則代表找不到。這種搜尋算法每進行一次比較都會使搜尋範圍縮小一半。
例如，在一個升序排列的數字清單2、6、7、34、76、123、234、567、677、986中查找數字123所處的位置，算法過程具體如下：首先，将first(下限)指向最小數字2的位置，last(上限)指向最大的數字986的位置，得到first的值為1，而last的值為10，計算位于它們的mid（中間位置）為6，數字為76；然後将76與123進行比較，發現123比76大，于是将first設為mid之後的位置（即6），last不變，按與上一步同樣的方法，計算first與last的mid為8，将last設為中間位置的前一位置；最後，再次計算新的mid,直到mid處的值等于123為止，這樣就能成功找到123的位置，處于數字清單的第6個位置。整個過程如圖2-1所示。
折半查找算法查找的範圍每次縮小一半，是以查找效率較高，我們可以借鑒這個思想，設計自動猜數算法：當輸入一個數字時，會得到一個回報，輸入的數字相對被猜數字是大了還是小了，将被猜數字作為查找目标，将1到輸入數字的範圍作為查找範圍，實作自動猜數。如果輸入數字大了，就将輸入數字作為查找範圍的上限，如果輸入數字小了，就将輸入數字作為查找範圍的下限，每輸入一次數字，就縮小了查找範圍的一半，這樣很快就能猜中，赢得遊戲的勝利，算法過程具體如下。
1）設數字範圍R為1～500。
2）取範圍R以内的中間值A，把A作為程式模仿人類猜測出的數字。
3）将猜測的數字A與被猜的結果B進行比較
a）如果A＞B，則将R的上限設為A，回到第2步。
b）如果A＜B，則将R的下限設為A，回到第2步。
c）如果A=B，則退出程式，提示猜中數字，進入第4步。
4）在螢幕上輸出A和B，并提示猜中數字。
編譯後程式的運作結果如下，僅僅7次，程式就猜出了數字：
$gcc guessnum.c -o myguess
程式猜的數字為250，數字大了！
程式猜的數字為125，數字小了！
程式猜的數字為187，數字大了！
程式猜的數字為156，數字小了！
程式猜的數字為171，數字大了！
程式猜的數字為163，數字小了！
程式猜的數字為167，被猜的數字為167,猜中了！
程式2-9中使用了C語言的數組概念，數組的定義如下所示：
類型 數組名[數組長度]={用逗号分隔的數組初始值}
程式2-9中将myrange變量（表示猜數範圍）定義為一個包含2個元素（第1個元素1表示下限，500表示上限）的數組，如下面代碼所示：
int myrange[2]={1,500};
數組元素引用的方式是數組名[數組索引]，其中數組索引從0開始。例如，程式2-10計算猜數時，通過數組索引形式取得myrange數組的上限與下限後，計算它們之間的平均值取得猜數範圍内的中間值，如下面代碼所示：
mynum=(myrange[0]+myrange[1])/2;
2.3 小結
C語言是一門文法精簡且功能強大的語言，其關鍵字僅有32個，它以main函數為中心，不但可以完成普通程式語言能做的工作，而且還可以做其他語言不擅長的工作，比如Linux核心、SQLite嵌入式資料庫，等等。本章以猜數字遊戲制作為例，依次介紹了基本輸入輸出、條件語句、循環語句、随機數生成等基本文法，最後以二分查找算法為基礎，講解了自動猜數算法，以幫助讀者快速學習C語言知識以及算法基礎。