第2章
C语言快速入门
2.1 C语言的语法特点
C语言是一门语法精简的语言，它的关键字仅有32个，C语言以main函数为主函数，程序编译运行之后，执行的就是main函数的内容，因此，纵观C语言的很多程序，就会发现它们形成了一道有趣的风景线：头文件和C代码文件以main函数为中心构造，在main函数中调用这些文件中编写的代码，引用头文件。C语言程序实质上就是在程序中调用 C标准库提供的函数、其他C库提供的函数、操作系统提供的API接口、自己定义的函数，同时应用适当的数据结构和算法来完成工作。C语言主要包含如下关键字。
- auto：声明自动变量。
- short：声明短整型变量或函数。
- int： 声明整型变量或函数。
- long：声明长整型变量或函数。
- float：声明浮点型变量或函数。
- double：声明双精度变量或函数。
- char：声明字符型变量或函数。
- struct：声明结构体变量或函数。
- union：声明共用数据类型。
- enum：声明枚举类型。
- typedef：用以为数据类型取别名。
- const：声明只读变量。
- unsigned：声明无符号类型变量或函数。
- signed：声明有符号类型变量或函数。
- extern：声明变量是在其他文件中声明的。
- register：声明寄存器变量。
- static：声明静态变量。
- volatile：声明变量在程序执行中可被隐含地改变。
- void：声明函数无返回值或无参数，声明无类型指针。
- if：条件语句。
- else：条件语句否定分支（与if连用）。
- switch：用于开关语句
- case：开关语句分支。
- for：一种循环语句。
- do：循环语句的循环体。
- while：循环语句的循环条件。
- goto：无条件跳转语句。
- continue：结束当前循环，开始下一轮循环。
- break：跳出当前循环。
- default：开关语句中的“其他”分支。
- sizeof：计算数据类型长度。
- return：子程序返回语句（可以带参数，也可以不带参数）循环条件。
C语言虽然精简，但功能却很强大，其不但能够完成比它更复杂的程序语言所做的事情，而且还能做其他语言不擅长的工作，比如，MySQL（当今世界最流行的开源关系型数据库管理系统）、Nginx（高性能的 HTTP 和 反向代理服务器）、SQLite（嵌入式的轻型数据库）、GNOME桌面（通常运行在Linux/UNIX系统下的桌面系统）、OpenCV（跨平台计算机视觉库）等都是C语言的杰作，尤其是在操作系统内核的设计与研发领域，它的“兄弟”C++也不是对手（目前还没有出现一款流行于世的C++制作的操作系统内核）。
2.2 猜数字游戏
本节将应用C语言制作猜数字游戏，以帮助读者快速复习C语言的基础知识。猜数字游戏的规则具体如下：输入一个1-500以内的正整数，程序根据玩家输入的数字，提示该数字比正确答案大，或者比正确答案小，如果等于正确答案就提示猜中了。比如，要猜的数字是85，玩家第一次输入90，则提示比要猜的数字大，第二次输入80，则提示比要猜的数字小，第三次输入85，则提示猜中了。下面就来分步讲解整个游戏的制作过程。
2.2.1 编写输入数字的C代码
首先，参照第1章介绍的编辑C程序的方法，编写源代码文件2-1.c，代码如程序2-1所示：
接着，使用PuTTY等SSH客户端登录Ubuntu后，在终端编译2-1.c：
$ gcc 2-1.c -o myguess
最后，运行该程序进行验证，程序接受一个数字输入后，将输入的数字输出到屏幕中，代码如下：
$ ./myguess
你好，请输入一个数字:55
你输入的数字是:55
纵观程序2-1及其执行结果，可以发现，C语言使用“;”作为语句的结尾；可使用printf函数完成屏幕输出，在输出时可使用“n”表示换行符；使用scanf函数从键盘中接受指定格式的数据录入，其中“%d”表示整数格式，scanf的第2个参数是输入的变量的地址（即&mynum，其中“&”是取地址符）。
2.2.2 限制输入数字的范围
游戏要求输入1-500以内的整数，但在运行程序2-1时，输入900、-10等不符合要求的数字，仍然能够通过。比如，在下面所示的运行结果中，900和-10均通过了输入程序的测试：
$ ./myguess
你好，请输入一个数字:900
你输入的数字是:900
你好，请输入一个数字:-10
你输入的数字是:-10
本步骤的目标就是让程序拒绝接受不合法的数字，并提示玩家重新输入，因此，需要修改程序，限制玩家输入数字的范围，修改的代码如程序2-2所示：
编译并运行程序2-2，从下述运行效果来看，错误的数字并没有被接受，但要想重新输入，必须再运行一次程序：
$ gcc -o myguess 2-2.c
$ ./mynum
你好，请输入一个数字:988
数字仅限于1-500之间，请重新运行本程序！
程序2-2使用了C语言的“if...else...”条件语句，这是很多语言都有的一个机制（包括一些函数语言，比如Haskell的“if...then...else....”），“if…else…”条件语句分为两个部分：第1个部分是if语句段，表示如果if后面所跟的条件满足要求的话，则执行if语句段； 第2个部分是else语句段，表示如果if后的条件不满足要求时执行的语句段。
什么是条件满足与不满足呢？C语言可理解为：如果条件的返回值非0则表示条件满足，如果是0则表示条件不满足。
可以将多个条件组合成一个综合条件作为“if...else...”条件语句的条件，方式是使用“||”（表示或者）或“&&”（表示并且），比如，程序2-2的条件是“mynum>500 ||mynum<1”。
用非0与0来判断条件的真假让C语言的条件语句具备较强的灵活性，但是这会带来一个困扰：在C语言条件语句中，NULL和0的值是一样的，而NULL常用于指针和对象，0常用于int等整型数，这就意味着，如果出现了类似下面的语句块，则是对含有指针变量的条件进行判断。例如，在下面这种形式的代码中，mypoint指向了其他变量的内存地址，如果指针变量mypoint指向的地址为NULL，则表示mypoint指向的地址是无效的，否则是有效的。示例代码如下：
if (mypoint!=NULL){
............//指针指向内容有效时执行的语句块
}
else{
............ .//指针指向内容无效时执行的语句块
}
也可以在条件中使用“！”（表示逻辑非），进一步简化对mypoint是否有效的判断，示例代码如下：
if (!mypoint){
............//指针指向内容有效时执行的语句块
}
else{
............ .//指针指向内容无效时执行的语句块
}
2.2.3 引入循环机制，允许重新输入
循环是计算机科学运算领域的用语，也是一种常见的控制流程，循环是指一段代码在程序中只出现一次，但可能会连续运行多次的语句。通过C语言的循环语句，程序2-3实现了在玩家输入错误数字的情况下，可再次输入，而不是直接退出程序的功能：
编译并运行程序2-3，当输入的数字不合法时（分别输入了1234、-12进行测试），程序没有接受玩家输入，而是提示重新输入数字，运行结果如下：
$ gcc 2-3.c -o myguess
$ ./myguess
你好，请输入一个数字:1234
数字仅限于1-500之间
你好，请输入一个数字:-12
数字仅限于1-500之间
你好，请输入一个数字:88
你输入的数字是:88
程序2-3中使用了C语言的while循环来实现玩家反复输入数字，直到输入的数字在1-500之内才退出循环的功能。
while循环的语法格式如下：
while(条件){
语句块
}
此外，程序2-3在while的条件“while (!ispass)”中使用了逻辑“！”，简化了程序。
C语言还有另一种循环形式“do...while...”循环，它的语法格式如下（不要忘记在最后一行的条件后加上“;”）：
do{
语句块
}while (条件);
用“do…while...”循环对程序2-3进行修改，修改后的代码如程序2-4所示：
编译并运行程序2-4，下面是运行结果，当输入8889时，程序会提示数字不合法，并让玩家重新输入：
$gcc 2-4.c -o myguess
$ ./myguess
你好，请输入一个数字:8889
数字仅限于1-500之间
你好，请输入一个数字:12
你输入的数字是:12
程序2-3、程序2-4使用了变量ispass作为是否退出循环的依据，如果ispasss不为真，则表示玩家输入的数字不合法，需要继续输入，否则退出循环。
除了使用ispass这类变量控制C语言循环之外，还可以直接通过break语句退出循环（注意，只能退出break语句本身所在的那层循环）。通过break语句的使用，程序2-5完成了与程序2-3、程序2-4同样的功能，程序代码如下：
编译运行程序2-5，从下面的运行结果可以看出，程序2-5与程序2-3以及程序2-4的功能一样，程序在玩家输入错误的情况下，提示玩家重新输入，具体如下：
$gcc 2-5.c -o myguess
$ ./myguess
你好，请输入一个数字:8788
数字仅限于1-500之间
你好，请输入一个数字:66
你输入的数字是:66
2.2.4 产生1～500以内的随机整数
为增加游戏的趣味性，编写代码产生1～500以内的随机整数，并将这个整数作为被猜数字，这样玩家每次运行游戏，需要猜的都是不同的数字。为保证需要猜的整数在1～500之间，需要按如下方式对随机整数进行加工（“%”为取余操作符）：
1～500以内的被猜数字=随机整数%499+1
借助stdlib.h中定义的srand函数来生成公式右边所需要的随机数，该函数需要一个数值作为产生随机数的种子（也就是这个函数的唯一参数），通常使用当前时间值作为参数，当前时间值可以通过time函数（以0作为参数调用，该函数定义于time.h中）生成。程序2-6通过srand函数生成随机数，代码如下：
编译并运行程序2-6，运行结果表示，程序产生了1～500以内的2个随机整数429与44：
$gcc a.c -o mytest
$./mytest
第一个随机数:429 第二个随机数:44
可将程序2-6中的代码稍做修改，与程序2-5结合，将程序2-6中产生随机数的代码定义为函数getnumber，以供main函数调用，最终代码如程序2-7所示：
编译并运行程序2-7，观察以下运行结果，玩家猜测数字为55，最后一行输出了被猜的数字为109。
$ gcc guessnum.c -o myguess
$ ./myguess
你好，请输入一个数字:55
你输入的数字是:55
number:109
为了验证随机数效果，程序2-7中最后一个printf语句获取到要猜的随机整数，并输出到屏幕，但游戏中不能把结果告诉玩家，因此，接下来需要继续完善程序2-7，加入更多的功能。
2.2.5 反复接收玩家输入，直到猜中数字为止
C程序通过“if…else if…else…”语句块来实现条件语句的组合，该组合中包含有多个不同的条件，可用于定义满足各个条件时执行的代码块。语句块格式如下：
if (条件1){
.........//条件1满足时执行的代码块
}
else if(条件2){
.......... //条件2满足时执行的代码块
}
..........
else if(条件n){
......... //条件n满足时执行的代码块
}
else{
......... //以上所有条件均不满足时执行的代码块
}
在程序2-7中增加条件语句组合，改进猜数字游戏，实现玩家输入的数字与被猜数字的比较，并根据比较结果为玩家提示数字大了或小了的信息，当玩家输入的数字与被猜数字相同时，提示玩家猜中了，修改后的代码如程序2-8所示：
编译并运行程序2-8，玩家输入数字之后，程序提示输入的数字与被猜的数字相比是大了还是小了，进行几次尝试之后，玩家成功猜中数字，程序提示“祝贺您，您猜中了！”，运行结果如下所示：
$ gcc guessnum.c -o myguess
$ ./myguess
你好，请输入一个数字:55
你输入的数字是:55
数字小了！
你好，请输入一个数字:280
你输入的数字是:280
数字小了！
你好，请输入一个数字:350
你输入的数字是:350
数字小了！
你好，请输入一个数字:400
你输入的数字是:400
数字小了！
你好，请输入一个数字:488
你输入的数字是:488
数字大了！
你好，请输入一个数字:420
你输入的数字是:420
数字小了！
你好，请输入一个数字:450
你输入的数字是:450
数字大了！
你好，请输入一个数字:440
你输入的数字是:440
数字大了！
你好，请输入一个数字:430
你输入的数字是:430
祝贺您，您猜中了！
2.2.6 自动猜数算法
能不能让电脑程序拥有智能，让程序来猜数字呢？肯定可以，只需要编写C程序实现某种算法即可。在国内，算法最早出现在《周髀算经》 《九章算术》之中；在国外，古希腊数学家欧几里得（Euclid，约公元前325年—公元前265年）出版了《几何原本》，闻名于世。人类历史上第一次将算法编写为程序的是Ada Byron，其于1842年为巴贝奇分析机编写求解伯努利微分方程的程序，Ada Byronl也因此被大多数人认为是世界上第一位程序员。
算法的核心是创建问题抽象的模型和明确求解目标，之后可以根据具体的问题选择不同的模式和方法完成算法的设计。为了能让程序实现自动猜数，必须假设一个前提：程序不知道要猜的数字，也就是说这个算法中只能与要猜的数字进行比较，而不能直接“知道”要猜的数字值。分析算法目标，可使用类似于折半查找法的算法，折半查找法又称二分查找法，是一种在有序数组中查找某一特定元素的搜索算法。查找过程从数组的中间元素开始，如果中间元素正好是要查找的元素，则搜素过程结束；如果某一特定元素大于或者小于中间元素，则在数组大于或小于中间元素的那一半中查找，而且跟开始一样从新的中间元素开始进行比较。如果在某一步骤中数组为空，则代表找不到。这种搜索算法每进行一次比较都会使搜索范围缩小一半。
例如，在一个升序排列的数字列表2、6、7、34、76、123、234、567、677、986中查找数字123所处的位置，算法过程具体如下：首先，将first(下限)指向最小数字2的位置，last(上限)指向最大的数字986的位置，得到first的值为1，而last的值为10，计算位于它们的mid（中间位置）为6，数字为76；然后将76与123进行比较，发现123比76大，于是将first设为mid之后的位置（即6），last不变，按与上一步同样的方法，计算first与last的mid为8，将last设为中间位置的前一位置；最后，再次计算新的mid,直到mid处的值等于123为止，这样就能成功找到123的位置，处于数字列表的第6个位置。整个过程如图2-1所示。
折半查找算法查找的范围每次缩小一半，因此查找效率较高，我们可以借鉴这个思想，设计自动猜数算法：当输入一个数字时，会得到一个反馈，输入的数字相对被猜数字是大了还是小了，将被猜数字作为查找目标，将1到输入数字的范围作为查找范围，实现自动猜数。如果输入数字大了，就将输入数字作为查找范围的上限，如果输入数字小了，就将输入数字作为查找范围的下限，每输入一次数字，就缩小了查找范围的一半，这样很快就能猜中，赢得游戏的胜利，算法过程具体如下。
1）设数字范围R为1～500。
2）取范围R以内的中间值A，把A作为程序模仿人类猜测出的数字。
3）将猜测的数字A与被猜的结果B进行比较
a）如果A＞B，则将R的上限设为A，回到第2步。
b）如果A＜B，则将R的下限设为A，回到第2步。
c）如果A=B，则退出程序，提示猜中数字，进入第4步。
4）在屏幕上输出A和B，并提示猜中数字。
编译后程序的运行结果如下，仅仅7次，程序就猜出了数字：
$gcc guessnum.c -o myguess
$ ./myguess
程序猜的数字为250，数字大了！
程序猜的数字为125，数字小了！
程序猜的数字为187，数字大了！
程序猜的数字为156，数字小了！
程序猜的数字为171，数字大了！
程序猜的数字为163，数字小了！
程序猜的数字为167，被猜的数字为167,猜中了！
程序2-9中使用了C语言的数组概念，数组的定义如下所示：
类型 数组名[数组长度]={用逗号分隔的数组初始值}
程序2-9中将myrange变量（表示猜数范围）定义为一个包含2个元素（第1个元素1表示下限，500表示上限）的数组，如下面代码所示：
int myrange[2]={1,500};
数组元素引用的方式是数组名[数组索引]，其中数组索引从0开始。例如，程序2-10计算猜数时，通过数组索引形式取得myrange数组的上限与下限后，计算它们之间的平均值取得猜数范围内的中间值，如下面代码所示：
mynum=(myrange[0]+myrange[1])/2;
2.3 小结
C语言是一门语法精简且功能强大的语言，其关键字仅有32个，它以main函数为中心，不但可以完成普通程序语言能做的工作，而且还可以做其他语言不擅长的工作，比如Linux内核、SQLite嵌入式数据库，等等。本章以猜数字游戏制作为例，依次介绍了基本输入输出、条件语句、循环语句、随机数生成等基本语法，最后以二分查找算法为基础，讲解了自动猜数算法，以帮助读者快速学习C语言知识以及算法基础。