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第1章 C语言与内存1

1.1 引言1

1.2 计算机程序运行的目的1

1.2.1 什么是程序1

1.2.2 计算机运行程序的目的1

1.2.3 静态内存SRAM和动态内存DRAM2

1.2.4 冯·诺伊曼结构和哈佛结构3

1.2.5 总结：程序运行为什么需要内存呢4

1.2.6 深入思考：如何管理内存（无OS时，有OS时）4

1.3 位、字节、半字、字的概念和内存位宽5

1.3.1 深入了解内存（硬件和逻辑两个角度）5

1.3.2 内存的逻辑抽象图（内存的编程模型）6

1.3.3 位和字节7

1.3.4 字和半字7

1.3.5 内存位宽（硬件和逻辑两个角度）7

1.4 内存编址和寻址、内存对齐8

1.4.1 内存编址方法8

1.4.2 关键：内存编址是以字节为单位8

1.4.3 内存和数据类型的关系9

1.4.4 内存对齐10

1.5 C语言如何操作内存10

1.5.1 C语言对内存地址的封装10

1.5.2 用指针来间接访问内存11

1.5.3 指针类型的含义12

1.5.4 用数组来管理内存12

1.6 内存管理之结构体14

1.6.1 数据结构这门学问的意义14

1.6.2 最简单的数据结构：数组14

1.6.3 数组的优缺点14

1.6.4 结构体隆重登场14

1.6.5 题外话：结构体内嵌指针实现面向对象15

1.7 内存管理之栈（stack）15

1.7.1 什么是栈15

1.7.2 栈管理内存的特点（小内存、自动化）16

1.7.3 栈的应用举例：局部变量和函数调用16

1.7.4 栈的约束（预定栈大小不灵活，怕溢出）17

1.8 内存管理之堆18

1.8.1 什么是堆18

1.8.2 堆管理内存的特点（大块内存、手工分配/使用/释放）18

1.8.3 C语言操作堆内存的接口（malloc/free）18

1.8.4 堆的优势和劣势（管理大块内存、灵活、容易内存泄漏）19

1.8.5 静态存储区19

课后题19

第2章 C语言位操作21

2.1 引言21

2.2 常用位操作符21

2.2.1 位与（＆）21

2.2.2 位或（|）22

2.2.3 位取反（～）23

2.2.4 位异或（∧）24

2.2.5 左移位（<<）25

2.2.6 右移位（>>）26

2.3 位操作与寄存器26

2.3.1 寄存器的操作26

2.3.2 寄存器特定位清零用＆27

2.3.3 寄存器特定位置1用|27

2.3.4 寄存器特定位取反用～27

2.4 位运算构建特定二进制数28

2.4.1 使用移位获取特定位为1的二进制数28

2.4.2 结合位取反获取特定位为0的二进制数29

2.4.3 总结29

2.5 位运算实战演练130

2.5.1 给定整型数a，设置a的bit3，保证其他位不变30

2.5.2 给定整型数a，设置a的bit3～bit7，保持其他位不变30

2.5.3 给定整型数a，清除a的bit15，保证其他位不变30

2.5.4 给定整型数a，清除a的bit15～bit23，保持其他位不变31

2.5.5 给定整型数a，取出a的bit3～bit831

2.5.6 用C语言给寄存器a的bit7～bit17赋值937（其余位不受影响）31

2.6 位运算实战演练232

2.6.1 用C语言将寄存器a的bit7～bit17中的值加17（其余位不受影响）32

2.6.2 用C语言给寄存器a的bit7～bit17赋值937，同时给bit21～bit25赋值1732

2.7 技术升级：用宏定义来完成位运算33

2.7.1 直接用宏来置位33

2.7.2 直接用宏来复位33

2.7.3 截取变量的部分连续位33

课后题34

第3章 指针才是C语言的精髓36

3.1 引言36

3.2 指针到底是什么37

3.2.1 普通变量37

3.2.2 指针变量37

3.2.3 变量空间的首字节地址，作为整个空间的地址38

3.2.4 指针变量的类型作用38

3.2.5 为什么需要指针39

3.2.6 高级语言如Java、C＃的指针到哪里去了39

3.2.7 指针使用之三部曲40

3.3 理解指针符号40

3.3.1 星号＊的理解40

3.3.2 取地址符＆的理解41

3.3.3 指针变量的初始化和指针变量赋值之间的区别41

3.3.4 左值与右值41

3.3.5 定义指针后，需要关心的一些内容42

3.4 野指针与段错误问题43

3.4.1 什么是野指针43

3.4.2 野指针可能引发的危害44

3.4.3 野指针产生的原因44

3.4.4 如何避免野指针45

3.4.5 NULL到底是什么45

3.4.6 段错误产生的原因汇总46

3.5 const关键字与指针46

3.5.1 什么是const46

3.5.2 const对于普通变量的修饰46

3.5.3 const修饰指针的三种形式46

3.5.4 const的变量真的不能改吗47

3.5.5 为什么要用const48

3.5.6 有关变量和常量的探讨48

3.6 深入学习数组49

3.6.1 为什么需要数组49

3.6.2 从编译器角度理解数组49

3.6.3 从内存角度理解数组49

3.6.4 一维数组中几个关键符号的理解50

3.7 指针与数组的天生“姻缘”50

3.7.1 如何使用指针访问数组50

3.7.2 从内存角度理解指针访问数组的实质51

3.7.3 指针与数组类型的匹配问题51

3.7.4 总结：指针类型决定了指针如何参与运算51

3.8 指针类型与强制类型转换52

3.8.1 变量数据类型的作用52

3.8.2 数据的存入和读取53

3.8.3 普通变量的强制转换53

3.8.4 指针变量数据类型的含义56

3.8.5 指针变量数据类型的强制转换56

3.9 指针、数组与sizeof运算符57

3.9.1 char str[]=“hello”； sizeof（str），sizeof（str[0]），strlen（str）58

3.9.2 char str[]=“hello”； char ＊p=str； sizeof（＊p）58

3.9.3 int b[100]； sizeof（b）58

3.9.4 数组的传参58

3.9.5 ＃define和typedef的区别59

3.10 指针与函数传参60

3.10.1 普通传参60

3.10.2 传递地址（指针）61

3.10.3 传递数组61

3.10.4 传递结构体61

3.10.5 传递普通值和传递地址的异同，以及传递地址（指针）应该遵循的原则62

3.11 输入型参数与输出型参数62

3.11.1 函数为什么需要传参和返回值62

3.11.2 函数传参中为什么使用const指针64

3.11.3 总结65

课后题65

第4章 C语言复杂表达式与指针高级应用67

4.1 引言67

4.2 指针数组与数组指针67

4.2.1 简单理解指针数组与数组指针67

4.2.2 分析指针数组与数组指针的表达式68

4.3 函数指针与typedef69

4.3.1 函数指针的实质（还是指针变量）70

4.3.2 函数指针的书写和分析方法70

4.3.3 typedef关键字的用法72

4.4 函数指针实战1——用函数指针调用执行函数73

4.5 函数指针实战2——结构体内嵌函数指针实现分层75

4.6 再论typedef78

4.6.1 轻松理解和应用typedef78

4.6.2 typedef与＃define宏的区别80

4.6.3 typedef与struct81

4.6.4 typedef与const81

4.6.5 使用typedef的重要意义82

4.6.6 二重指针82

4.7 二维数组83

4.7.1 二维数组的内存映像83

4.7.2 识别第一维和第二维83

4.7.3 数组名代表数组首元素的地址84

4.7.4 指针访问二维数组的两种方式84

4.7.5 总结85

课后题85

第5章 数组＆字符串＆结构体＆共用体＆枚举88

5.1 引言88

5.2 程序中的内存从哪里来88

5.2.1 管理方式：栈（stack）、堆（heap）、数据区（.data）89

5.2.2 栈内存特点详解89

5.3 堆90

5.3.1 堆内存特点详解90

5.3.2 使用堆内存注意事项91

5.3.3 malloc的一些细节表现92

5.4 内存中的各个段92

5.4.1 代码段、数据段、bss段92

5.4.2 特殊数据会被放到代码段92

5.4.3 未初始化或显式初始化为0的全局变量放在bss段93

5.4.4 内存管理方式的总结93

5.5 C语言的字符串类型93

5.5.1 C语言使用指针来管理字符串93

5.5.2 C语言中字符串的本质：指向字符串的存放空间的指针94

5.5.3 指向字符串的指针变量空间和字符串存放的空间是分开的94

5.5.4 存储多个字符的两种方式——字符串和字符数组94

5.6 字符串和字符数组的细节95

5.6.1 字符数组的初始化、sizeof以及strlen95

5.6.2 字符串的初始化与sizeof、 strlen96

5.6.3 字符数组与字符串的本质差异96

5.7 结构体概述96

5.7.1 结构体使用时先定义结构体类型，再用类型定义变量96

5.7.2 从数组到结构体的进步之处97

5.7.3 结构体变量中的元素如何访问97

5.8 结构体的对齐访问98

5.8.1 结构体对齐访问实例98

5.8.2 结构体为何要对齐访问99

5.8.3 结构体对齐的规则和运算99

5.8.4 手动对齐100

5.8.5 GCC推荐的对齐指令：_attribute_（（packed））和_attribute_ （（aligned（n）））102

5.9 offsetof与container of宏103

5.9.1 通过结构体指针访问各结构体成员的原理103

5.9.2 offsetof宏104

5.9.3 container_of宏104

5.9.4 学习指南和要求105

5.10 共用体（union）105

5.10.1 共用体的类型声明、变量定义和使用105

5.10.2 共用体和结构体的区别106

5.10.3 共用体的主要用途106

5.11 大小端模式107

5.11.1 什么是大小端模式107

5.11.2 用union来测试机器的大小端模式108

5.11.3 用指针方式来测试机器的大小端109

5.11.4 通信系统中的大小端（数组的大小端）109

5.12 枚举enum110

5.12.1 枚举的作用是什么110

5.12.2 C语言为何需要枚举111

5.12.3 宏定义和枚举的区别111

5.12.4 枚举的定义形式111

课后题113

第6章 C语言的预处理、函数和函数库116

6.1 引言116

6.2 C语言为什么需要编译链接116

6.2.1 编译链接的流程116

6.2.2 编译链接中各种文件扩展名的含义118

6.3 预处理详解119

6.3.1 C语言预处理的意义119

6.3.2 预处理涉及的内容119

6.3.3 使用GCC进行编译和链接的过程119

6.4 常见的预处理详解120

6.4.1 文件包含120

6.4 2注释122

6.4 3宏定义123

6.4 4条件编译126

6.5 函数的本质129

6.5.1 C语言为什么会有函数129

6.5.2 函数书写的一般原则129

6.5.3 函数是动词、变量是名词（面向对象语言中分别叫方法和成员变量）129

6.5.4 函数的实质是数据处理器129

6.6 函数的基本使用130

6.6.1 函数三要素：定义、声明、调用130

6.6.2 函数原型和作用131

6.7 递归函数131

6.7.1 函数的调用机制131

6.7.2 递归函数132

6.7.3 使用递归的原则：收敛性、栈溢出134

6.7.4 递归与循环的区别135

6.8 库函数135

6.8.1 什么是函数库135

6.8.2 函数库的由来135

6.8.3 函数库的提供形式：静态链接库与动态链接库135

6.8.4 库函数的使用136

6.9 常见的库函数之字符串函数138

6.9.1 什么是字符串138

6.9.2 字符串处理函数138

6.9.3 man手册的引入138

6.9.4 man手册的使用138

6.9.5 常用的字符串处理函数139

6.10 常见的库函数之数学库函数140

6.10.1 数学库函数140

6.10.2 计算开平方140

6.10.3 链接时加-Im141

6.11 制作静态链接库并使用141

6.12 制作动态链接库并使用143

课后题144

第7章 存储类＆作用域＆生命周期＆链接属性147

7.1 引言147

7.2 概念解析147

7.2.1 存储类147

7.2.2 作用域148

7.2.3 生命周期148

7.2.4 链接属性148

7.3 Linux下C程序的内存映像149

7.3.1 代码段、rodata段（只读数据段）149

7.3.2 数据段、bss段149

7.3.3 堆149

7.3.4 文件映射区149

7.3.5 栈150

7.3.6 内核映射区150

7.3.7 操作系统下和裸机下C程序加载执行的差异150

7.4 存储类相关的关键字1150

7.4.1 auto150

7.4.2 static151

7.4.3 register151

7.5 存储类相关的关键字2152

7.5.1 extern152

7.5.2 volatile153

7.5.3 restrict154

75.4 typedef154

7.6 作用域详解154

7.6.1 局部变量的代码块作用域154

7.6.2 函数名和全局变量的文件作用域155

7.7 变量的生命周期155

7.7.1 研究变量生命周期的意义155

7.7.2 栈变量的生命周期156

7.7.3 堆变量的生命周期156

7.7.4 数据段、bss段变量的生命周期156

7.7.5 代码段、只读段的生命周期156

7.8 链接属性156

7.8.1 C语言程序的组织架构：多个C文件＋多个h文件156

7.8.2 编译以文件为单位、链接以工程为单位157

7.8.3 三种链接属性：外连接、内链接、无链接157

7.8.4 函数和全局变量的命名冲突问题157

7.8.5 static的第二种用法：修饰全局变量和函数158

课后题158

第8章 C语言关键细节讨论159

8.1 引言159

8.2 操作系统概述159

8.2.1 什么是操作系统159

8.2.2 C库函数160

8.2.3 操作系统的重大意义161

8.3 main函数返回值162

8.3.1 普通函数的返回值162

8.3.2 main函数的返回值163

8.3.3 谁调用了main函数164

8.4 argc、 argv与main函数的传参164

8.5 void类型的本质165

8.6 C语言中的NULL166

8.6.1 NULL的定义166

8.6.2 ‘O’、‘O’、O和NULL的区别167

8.7 运算中的临时匿名变量168

8.7.1 C语言和汇编语言的区别168

8.7.2 强制类型转换168

8.7.3 使用临时变量来理解不同数据类型之间的运算169

8.8 顺序结构169

8.8.1 C语言中的结构169

8.8.2 编译过程中的顺序结构169

8.8.3 思考：为什么本质都是顺序结构170

8.9 程序调试170

8.9.1 程序调试手段170

8.9.2 调试（DEBUG）版本和发行（RELEASE）版本的区别171

8.9.3 debug宏的使用方法171

课后题172

第9章 链表＆状态机＆多线程173

9.1 引言173

9.2 链表的引入173

9.2.1 数组的缺陷173

9.2.2 感性地认识链表174

9.2.3 链表的作用是什么174

9.3 单链表的实现之构建第一个节点175

9.3.1 单向链表175

9.3.2 链表的结构175

9.3.3 单链表的节点构成175

9.3.4 使用堆内存创建一个节点176

9.3.5 链表的头指针177

9.3.6 构建第一个简单的链表177

9.4 单链表的实现之从尾部插入节点177

9.4.1 从尾部插入节点177

9.4.2 构建第一个简单的链表178

9.4.3 什么是头节点179

9.5 单链表的算法之从头部插入节点180

9.5.1 链表头部插入思路解析180

9.5.2 箭头非指向181

9.6 单链表的算法之遍历节点181

9.6.1 什么是遍历181

9.6.2 如何遍历单链表181

9.6.3 代码分析182

9.7 单链表的算法之删除节点182

9.7.1 为什么要删除节点182

9.7.2 注意堆内存的释放183

9.7.3 设计一个删除节点算法184

9.8 单链表的算法之逆序184

9.8.1 什么是链表的逆序184

9.8.2 单链表的逆序算法分析185

9.8.3 编程实现逆序算法185

9.8.4 数据结构与算法的关系186

9.9 双链表的引入和基本实现187

9.9.1 单链表的优缺点187

9.9.2 双链表的结构187

9.10 双链表的算法之插入节点188

9.10.1 尾部插入188

9.10.2 头部插入189

9.11 双链表的算法之遍历190

9.11.1 正向遍历190

9.11.2 逆向遍历190

9.12 双链表的算法之删除节点191

9.13 Linux内核链表192

9.13.1 前述链表数据区域的局限性193

9.13.2 解决思路：数据区的结构体的封装由用户实现，通用部分通过调用函数实现193

9.13.3 内核链表的设计思路193

9.13.4 list.h文件简介194

9.14 内核链表的基本算法和使用简介196

9.1 4.1 内核链表的常用操作196

9.1 4.2 内核链表的使用实践197

9.15 什么是状态机198

9.15.1 有限状态机199

9.15.2 两种状态机：Moore型和Mealy型199

9.15.3 状态机的主要用途200

9.15.4 状态机解决了什么问题200

9.16 用C语言实现简单的状态机201

9.16.1 题目：开锁状态机201

9.16.2 题目分析201

9.17 多线程简介203

9.17.1 操作系统下的并行执行机制203

9.17.2 进程和线程的区别和联系204

9.17.3 多线程的优势204

课后题204

第10章 程序员和编译器的暖昧206

10.1 引言206

10.2 编程工作的演进史206

10.2.1 CPU与二进制206

10.2.2 编程语言的革命207

10.3 程序员、编译器和CPU之间的三角恋207

10.3.1 程序员与CPU的之间的“翻译”——编译器207

10.3.2 高级语言与低级语言的差别208

10.4 像编译器一样思考吧——理论篇208

10.4.1 编译器的结构208

10.4.2 语法是什么？语法就是编译器的习性208

10.5 像编译器一样思考吧——实战篇209

10.5.1 充分地利用语法规则，写出简洁、高效的代码209

10.5.2 复杂表达式理解209

课后题214

附录 答案215

第1章 课后题答案215

第2章 课后题答案217

第3章 课后题答案218

第4章 课后题答案220

第5章 课后题答案222

第6章 课后题答案226

第7章 课后题答案228

第8章 课后题答案230

第9章 课后题答案231

第10章 课后题答案236