C语言督学营（高级阶段）

高级阶段

19.C语言语法进阶

1.条件运算符、逗号运算符

(1)条件运算符 / 三目运算符 ? ? :

1.条件表达式：表达式1?表达式2:表达式3
①若表达式1为真，则该整体值为表达式2的值
②若表达式1为假，则该整体值为表达式3的值

2.举例：返回 a和b中较大的一个值：
(1)传统方法：if else实现

if(a>b) return a;
else    return b;

(2)条件运算符(三目运算符)：

return (a>b)?a:b;

3.条件运算符 ? : 是C语言中唯一的三目运算符

(2)逗号运算符 ? ,

逗号表达式整体的值 是最后一个逗号后面表达式的值

常见于for循环的表达式1和表达式3
for(i=0,j=0; ;i++,j++)

2.自增自减运算符

1.自增自减运算符 ? (自增运算符：increment operator)
i++：先运算，再++
++i：先自增，再运算

2.自增自减运算符与取值运算符*的结合

#include <cstdio>

int main() {
    int a[3] = {1,5,10};
    int *p; //指针p
    int j;
    p = a; //p指向数组起始元素
    j = *p++; //等价于 j=*p;p++;  p自增,是加一个单位，指向下一个元素int型的p自增，地址大4B
    printf("a[0]=%d,j=%d,*p=%d\n",a[0],j,*p); //a[0]=1,j=1,*p=5
    j = p[0]++;
    printf("a[0]=%d,j=%d,p[0]=%d",a[0],j,p[0]); //a[0]=1,j=p[0]=5,p[0]=6
    return 0;
}

3.位运算符：按位或、按位异或、按位取反

(1)逻辑与、按位与、左移、右移

1.位运算符
逻辑与：&&
按位与：& (双目运算符)

<<：左移
>>：右移
移位操作比乘除法效率高。

(2)有符号数右移 vs 无符号数右移

负数的右移，高位补1 (操作的是补码)。无符号数右移高位补0。同样右移一位，但值会不同。

(3)按位与、按位或、按位异或、按位取反

①按位与：&
②按位或：|
③按位异或：^
④按位取反：~

(4)异或⊕ ^

1.异或的特性
①自己和自己异或为0 【归零率】
②和零异或为自身【恒等率】
③异或满足交换律，从而有 a^b^a = (a^a)^b = 0^b = b【交换律，找单数问题，找只出现一次的数】

2.异或符合的规律
①归零律：a⊕a = 0
②恒等律：a⊕0 = a
③交换律：a⊕b⊕c = a⊕c⊕b
④结合律：a⊕b⊕c = a⊕(b⊕c)

4.switch-case、do-while

(1)switch-case

1.代替if-else过多的情况，用switch-case可以简化代码

2.break;
case只会进行一次的匹配

3.case后匹配的东西，只能放常量表达式

---

例题1：一个月有多少天？

利用不加break会继续匹配的特性，优化代码：

---

(2)do-while

一定会先执行一次循环体，再进行while判断

5.二维数组、二级指针

(1)二维数组

二维数组可视为元素是一维数组的一维数组，存储顺序是横着存满一个数组，再存下一个。因此初始化二维数组的时候也可以像一维数组一样横着写开。

1.二维数组中的元素在内存中的存储规则是按行存储，即先顺序存储第一行的元素，后顺序存储第二行的元素，直到最后一行。
2.定义int a[3][4];那么我们可以访问数组的最后一个元素是a[2][3]

(2)二级指针

二级指针是指针的指针。二级指针的作用是服务于一级指针变量，对一级指针变量实现间接访问。
如果已经掌握了C++引用，则不需要用到二级指针。

如果需要把一个一级指针变量的地址存起来，就要用到二级指针。
二级指针是存储一级指针变量的地址值，也是用于做间接访问

应用于C语言中 (没有C++引用的情况下)，修改子函数中变量的值，能同步改回main函数

6.OJ19

OJ1：移位

#include <stdio.h>

int main(){
	int a;
	scanf("%d",&a);
	printf("%2d\n",a<<1);
	printf("%2d\n",a>>1);
	return 0;
}

OJ2：异或，找出只出现了一次的那个数

#include <stdio.h>

int main(){
	int A[5];
	for(int i = 0; i < 5; i++){
        scanf("%d",&A[i]);
	}
	printf("%d",A[0]^A[1]^A[2]^A[3]^A[4]);
	return 0;
}

20.数据的机器级表示

1.补码、在内存中的存储形式

(1)求负数 -X 的补码

$[X{]}_{原}=[X{]}_{补}?[?X{]}_{补}$：(X>0)
①符号位和数值位全部按位取反，再末位+1 （用于计算短的8-16位补码）
②找到最右边的1， 其左边符号位和数值位都取反 （用于计算长的32位补码）

例：5的原码是 0000 0000 0000 0000 0000 0101，5的补码=5的原码，-5的补码是 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011。可用①、②两种方式分别尝试

负数越小，则其补码的值越大，1越多

(2)小端存储

1.X86数据在内存中按照小端存储方式存储

2.从右到左，是从高字节到低字节。(低字节，即数学上的低位数)

3.从左到右，是低地址到高地址。

4.小端存储就是，低地址存低字节，高地址存高字节。
大端存储：低地址存高字节，高地址存低字节，符合人类阅读习惯

2.整型的不同类型、溢出

(1)整型的不同类型

有符号、无符号 unsigned + 短整型 short、基本整型 int、长整型 long

有符号数：0111 1111 1111 1111 B = 2¹⁵-1 = 32767
无符号数：1111 1111 1111 1111 B = 2¹⁶-1 = 65535

表示范围

n位带符号整数补码的表示范围：$?2^{n?1}～2^{n?1}?1$ (n位带符号整数，1位符号位，n-1位数值位。n-1个1后再加1会舍去进位，全变0)

-127：原码 1111 1111，补码 1000 0001
-128：原码 1000 0000 (进位被舍去)，补码 1000 0000

short：-32768~32767
unsigned short：0~65535
int：2^-31~2³¹-1，±21亿
float：2^-126~2¹²⁷

(2)溢出

1.溢出：数据超出了该数据类型的表示范围

2.解决溢出：用拥有更表示大空间的整数来存储

3.若程序数值大于double类型的 2⁶⁴-1：自行实现大整数加法

3.浮点数 IEEE754标准

浮点数的IEEE754 标准，用 ±1.M×2^E-127 表示一个二进制数。类似十进制的科学计数法。

例如 十进制998可以由科学计数法表示为9.98×10²。 二进制 1110 可以由IEEE754标准 表示为 1.110×2³

第1位：符号位S，0为正数 1为负数
第2~9位：阶码E (8位无符号数)，表示范围 1~254 (全为0和全为1是特殊情况)，再减去127 为幂次
第10及以后：小数部分 尾数M

#include <stdio.h>

int main(){
    float f1 = 4.5;
    float f2 = 1.456;
    return 0;
}

打断点，看内存视图

4.浮点数精度丢失

int溢出、float精度丢失：改成double类型

5.OJ20

解：赋值float j = 1.456，查看j在内存中的存储

j在内存中 以小端方式 保存为 35 5E BA 3F，大端方式为 3F BA 5E 35H，即 0011 1111 1011 1010 0101 1110 0011 0101B：
幂次为 0111 1111B，即127-127=0。
小数部分为：011 1010 0101 1110 0011 0101B，共有13个1
故输出，0，13。代码如下：

#include <stdio.h>

int main() {
    float i = 4.5;
    float j = 1.456;
    printf("%3d%3d\n",0,13);
    return 0;
}

21.汇编语言

更多更详细内容见：计算机组成原理第四章：指令系统 - 程序的机器级代码表示

1.汇编指令格式、C语言与汇编语言的转换

(1)变量的修改 过程：

加法器不能直接修改内存的栈中变量的值，需要先将内存数据读取到寄存器，然后修改寄存器中变量的值，再写回内存。

(2)CPU的结构、内存的分布

CPU包括：
(1)运算器：加法器、ALU
(2)控制器：控制单元CU、IR、PC

(3)指令格式：操作码字段 + 地址码字段

零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令

寄存器：register
存储器：storage

(4)复杂指令集CISC、精简指令集RISC

(5)C代码生成汇编

①只需要汇编，不要机器码

新建C项目，点击终端，输入gcc -S -fverbose-asm main.c，左侧会生成mian.s。

②地址 + 机器码 + 汇编指令 (408计组汇编大题风格)

2.汇编常用指令 讲解

(1)相关寄存器、栈顶指针ESP

ESP：栈顶指针
EBP：栈基指针

栈顶指针ESP：Extended Stack Pointer。其中"E" 表示扩展寄存器(Extended Register)。

(2)常用汇编指令 (Intel格式)

①数据传送指令：mov

1.mov指令：用于移动数据

mov destination,source
mov BX,AX //将寄存器 AX中的值转移到寄存器 BX

2.push指令：压栈指令

3.pop指令：弹栈指令

②算术运算和逻辑运算指令

1.add/sub指令：加法、减法指令

2.inc/dec：自增自减指令

3.imul指令：带符号数乘法指令

4.idiv指令：带符号数除法指令

5.and/or/xor指令：按位与 / 按位或 / 按位异或 指令

6.not指令：取非指令

7.neg指令：取负指令

8.shl/shr指令：逻辑移位指令

9.lea指令：地址传送指令，“Load Effective Address”，用来计算并加载一个有效地址。

③控制流指令

1.jmp指令：无条件转移指令

2.jxx / jcondition指令：条件转移指令

3.cmp/test指令：比较指令

4.call/ret指令： 函数调用指令/函数返回指令

(3)标志位

标志位 / 状态字 / 条件码 / flagbit：
①结果为零：ZF = 1 (零标志 ZF)
②结果位负：SF = 1 (符号标志 SF)
③带符号整数溢出：OF = 1 (溢出标志 OF)
④无符号整数溢出：CF = 1 (进借位标志 CF)

判断溢出：正 + 正 = 负，负 + 负 = 正，正 - 负 = 负

OF和SF对无符号整数没有意义，CF对带符号整数没有意义，【11年17.】

3.各种变量赋值 的汇编实战

生成汇编的指令：gcc -m32 -masm=intel -S -fverbose-asm main.c
生成汇编文件 main.s

变量赋值：variable assignment

#include <stdio.h>

//整型、整型数组、整形指针的汇编
int main() {
    int arr[3] = {1,2,3};
    int *p;
    int i = 5;
    int j = 10;
    i = arr[2];
    p = arr;
    printf("i=%d\n",i);
    return 0;
}

ESP 栈顶指针的偏移，来获取对应变量内存空间的数据

4.选择循环 的汇编实战

5.函数调用 的汇编实战：C语言指针的间接访问、函数调用、返回值

(1)栈空间：函数的栈空间是向下生长的，即由高地址向低地址生长。

(2)变量地址赋值 的经典汇编

p = &a;

lea eax,[esp+16]
mov DWORD PTR [esp+28],eax

(3)间接访问 的经典解析：两个mov

mov eax, DWORD PTR [esp+28]   //间接地址保存到寄存器eax
mov eax, DWORD PTR [eax]  	  //取间接地址的内容

(4)函数调用 的经典解析：call指令 / ret指令

①call指令

call后，被调函数的开头必然是：

push ebp
mov ebp,esp    //或 enter指令

ebp和esp的区别：

②ret指令

被调函数ret前，必然是：

mov esp,ebp
pop ebp      //或 leave指令

6.OJ

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("mov\npush\npop\n");
    return 0;
}

7.408真题 大题实战

(1)11年43

分析：
(1)R1：unsigned int x = 134 = 128+6 = 1000 0110B = 86H
R2：unsigned int y = 246 = 255 -9 = 1111 0110B = F6H
R5：unsigned int z1 = x-y，R6：unsigned int z2 = x+y，
①法一：补码二进制加减法 （求十六进制，推荐此法）
z1 = x-y = x+(-y) = 1000 0110B + 0000 1010B = 1001 0000B = 90H
z2 = x+y = 1000 0110B + 1111 0110B = (1)0111 1100B = 7CH
②法二：真值取模加减法
z1 = (x-y)%2ⁿ = (134-246)%2⁸ = -112%256 = 144 = 128 + 16 = 1001 0000B = 90H
z2 = (x+y)%2ⁿ = (134+246)%2⁸ = 380%256 = 124 = 127-3 = 0111 1100B = 7CH

(2)考察数据类型转换：unsigned int → int，机器数(补码)不变，解释方式改变
①法一：补码二进制加减法
m的机器数与x的机器数相同，均为1000 0110B，m_原 = 1111 1010B = -(127-4-1) = -122
int k1 = m - n的机器数与 x-y机器数相同，均为90H = 1001 0000B，则 k1_原 = 1111 0000B = -(64+32+16) = -112

②法二：真值取模加减法 （求十进制，推荐此法）
int m_补 = x = 1000 0110B，m_原 = 1111 1010B = -(127-4-1) = -122
int n_补 = y = 1111 0110B，n_原 = 1000 1010B = - (8+2) = -10
int k1 = m-n = -122-(-10) = -112

答案：
(1)R1：86H、R2：90H、R3：7CH
(2)m：-122、k1：-112
(3)能。
理由：无论是带符号整数的加法运算还是无符号整数的加法运算，都可以用加法器实现。加法器只负责对二进制数进行计算并产生标志，运算前并不区分有无符号。
补码减法操作可以用补码加法操作实现，即 a-b = a+(-b)
(4)①OF = C_n⊕ C_n-1 = 1，即最高位的进位与次高位的进位不同，则带符号整数溢出。
②int k2 = m+n; 发生下溢

二进制：binary
八进制：octonary
十进制：decimal
十六进制：hexadecimal

(2)17年44

答案：
(1)CISC。复杂指令集的指令长度不定长。
(2)60H = 96 字节
计算过程：0040107FH - 00401020H +1 = 5FH + 1 =60H = 96
(3)CF = 1
计算过程：unsigned int n = 0 = 0000 0000H，则 n-1 = FFFF FFFFH。i = 0 = 0000 0000H。
则 i-(n-1) = i+[-(n-1)] = 0000 0000H + 0000 0001H = 0000 0001H。则最高位进位 C_n=0。由于是减法，则sub = 1。∴CF = C_n⊕sub = 0⊕1 = 1
(4)不能。∵f2是float类型，遵循 IEEE754规则，float数值×2应当是阶码+1，而不是简单地整体左移一位。

(3)19年45

答案：
(1)①10次
②执行第16行 call指令
(2)①第12行 jle 是条件转移指令
②第16行 call 函数调用指令、第20行 jmp 无条件转移指令、第30行 ret 子程序的返回指令
(3)①0040102AH
②目标地址 = (PC) + “1” + OFFSET，即 00401000H = 0040102AH + OFFSET，即OFFSET = 00401000H - 0040102AH = FF FF FF D6H。
③根据第16行的call指令后4字节，知偏移量字段为D6 FF FF FF，可以确定M采用小端方式。
(4)①f(13)=13!=6,227,020,800，超过了int值能表示的最大范围，发生了溢出，故值不相等。
②要使得f1(13)的返回值得到正确结果，应将int类型改为 double 或 long long 类型
(5)①若乘积的高33位既不是全0 也不是全1，则OF=1
②编译器应在imul指令后加一条 “溢出自陷指令”，即trap指令。使得CPU自动查询溢出标志OF，当OF=1时调出“溢出异常处理程序”。

Intel X86：小端方式、CISC、转移指令采用 相对寻址方式

22.C语言文件操作

1.文件操作原理

(1)文件指针：FILE * fp

FILE * fp 是FILE类型的指针
FILE是一个结构体，已经定义在 <stdio.h>中

2.文件打开、文件关闭 实战

#include <stdio.h>

//练习文件打开
int main() {
	//1.打开文件
    FILE *fp; //定义一个FILE类型的指针
    fp = fopen("file.txt","r+"); //打开文件
    if(NULL==fp){
        perror("fopen");  //perror用于定位失败原因
        return -1;
    }
	//2.读取文件
    char c;
//    c = fgetc(fp);
//    printf("%c\n",c);
    while((c=fgetc(fp))!=EOF){
        printf("%c",c);
    }
    printf("\n");
	//3.写文件
    c = fputc('H',fp);
    if(-1==c){
        perror("fputc");
        return -1;
    }
	//4.关闭文件
    fclose(fp); //关闭文件
    return 0;
}

(1)打开文件：fopen

FILE *fp; 	//定义一个FILE类型的指针
fp = fopen("file.txt","r"); 	//打开文件

1.r+ 与 rb+
“r+“是 文本模式 写入文件，”\n"会保存为”\r\n"，多一个字节 (Windows)
"rb+"是 二进制模式 写入文件

2.rb+ 与 wb+
wb+：若没有该名字的文件，则可创建该名字的文件。若已有该名文件，则删除原文件，再新建一个该名字文件。

(2)关闭文件：fclose

fclose(fp); //关闭文件

(3)从文件里读一个字符：fgetc

c = fgetc(fp);

fgetc读到文件结尾返回EOF

(4)往文件里写一个字符：fputc

c = fputc('H',fp);

fputc读到文件结尾返回EOF

3.文件读写 实战

(1)fwrite、fread

1.fwrite：将buf中的字符串等数据写入文件

fwrite(字符数组名,单个字符长度,数组长度,文件指针名)

fwrite(buf,sizeof(char),strlen(buf),fp); //把buf中的字符串写入文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char buf[20] = "hello\nworld";
    FILE *fp = fopen("file.txt","r+"); //r+:以文本方式打开文件
    if(NULL == fp){
        perror("fopen");
        return -1;
    }   //ret的值:fwrite读了多少个字符
    int ret = fwrite(buf,sizeof(char),strlen(buf),fp); //把buf中的字符串写入文件
    fclose(fp);
    return 0;
}

fwrite写整型数

2.fread

fread(str,sizeof(char),sizeof(str),fp);

(2)fgets、fputs

fgets：读文件、读标准输入，一次读一行。读到文件结尾返回 NULL

while((fgets(buf,sizeof(buf),fp)) != NULL){  //一次读一行，把文件读空
    printf("%s",buf);						//读文件用fp，读标准输入用stdin
}

fputs：

fgtc、fputc、fgets、fputs只能以文本方式。文本模式只能读写字符串，二进制模式 字符串、整型数、浮点数、结构体都可以写。

4.文件位置指针偏移 实战

(1)移动读写指针：fseek

fseek(文件类型指针,位移量,起点)

fseek(fp,-5,SEEK_CUR);

fseek调用成功返回0，调用失败返回非零。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    FILE *fp;
    char str[20] = "hello\nworld";
    int len = 0,ret;
    long pos;
    fp = fopen("file.txt","wb+");
    if(NULL == fp){
        perror("fopen");
        return -1;
    }
    len = strlen(str);
    fwrite(str,sizeof(char),len,fp);
    fseek(fp,-11,SEEK_CUR);
    while((fgets(str,sizeof(str),fp)) != NULL){  //一次读一行，把文件读空
        printf("%s",str);						//读文件用fp，读标准输入用stdin
    }
    return 0;
}

(2)告知读写指针移动到哪里了：ftell

long pos;
pos = ftell(fp);
printf("now pos = %ld\n",pos);

完整版代码：文件写、文件指针偏移、文件指针位置查看、文件读

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    FILE *fp;
    char str[20] = "hello\nworld";
    int len = 0,ret;
    long pos;
    fp = fopen("file.txt","wb+");
    if(NULL == fp){
        perror("fopen");
        return -1;
    }
    len = strlen(str);
    fwrite(str,sizeof(char),len,fp);
    ret = fseek(fp,-len,SEEK_CUR);  //文件指针返回开头位置
    if(ret != 0){
        perror("fseek");
        fclose(fp);
        return -1;
    }
    pos = ftell(fp);
    printf("now pos = %ld\n",pos);
    memset(str,0,sizeof(str));   //清空str
    fread(str,sizeof(char),sizeof(str),fp);
    printf("str=\n%s\n",str);
    //    while((fgets(str,sizeof(str),fp)) != NULL){  //一次读一行，把文件读空
//        printf("%s",str);						//读文件用fp，读标准输入用stdin
//    }
    return 0;
}