C Handout · ⁨C ハンドアウト⁩

Every C program starts in main. #include <stdio.h> pulls in a header 头文件 so you can use printf to print. A function 函数 is a named block you can call; \n starts a new line. main returns 0 to mean "success".

#include <stdio.h>

void greet(void) {
    printf("Hello, world!\n");
}

int main(void) {
    greet();
    printf("I am learning C.\n");
    return 0;
}

C needs a type for every variable: int (integer 整数), double (floating-point 浮点数), char (one character). printf uses a format specifier 格式说明符 — %d, %f, %c — for each value. / between two ints is integer division; % is the remainder 余数.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int n = 17;
    double pi = 3.14;
    char grade = 'A';
    printf("%d %.2f %c\n", n, pi, grade);   // 17 3.14 A
    printf("%d %d\n", 7 / 2, 7 % 2);        // 3 1
    return 0;
}

The format string drives both printing and reading:

scanf("%d", &n) reads keyboard input with the same specifiers (note the &). Its sibling sscanf parses values out of a string, so it runs anywhere:

#include <stdio.h>

int main(void) {
    char line[] = "Mei 88";
    char name[20];
    int score;
    sscanf(line, "%19s %d", name, &score);   // parse text -> values
    printf("%s scored %d\n", name, score);   // Mei scored 88
    return 0;
}

A comment 注释 is a note for humans; the compiler ignores it. Use // for one line and /* ... */ for a block. Good indentation 缩进 and clear names make code easy to read.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    // a single-line comment
    /* a block
       comment */
    int total = 3 + 4;       // clear names help
    printf("%d\n", total);   // 7
    return 0;
}

Common mistakes

• Every statement ends with ;, and main should return int (return 0;).
• printf needs a format string: %d for int, %f for double, and \n for a new line.
• A wrong format like %d for a double prints garbage — match the type.

if は条件が真のときにブロックを実行します。Cのデフォルトでは実質的な布尔型はありません：0 は偽であり、それ以外の非ゼロ値は真です。else if と else で選択肢を連鎖させます。==, !=, <, >, <=, >= と比較してください。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int score = 72;
    if (score >= 90) {
        printf("A\n");
    } else if (score >= 60) {
        printf("Pass\n");
    } else {
        printf("Fail\n");
    }
    return 0;
}

switch は整数値に基づいて1つの case を選びます。各 case には break が必要で、なければCは次のケースへと"Fall through"します。default は一致するものがない場合に実行されます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int day = 3;
    switch (day) {
        case 1: printf("Mon\n"); break;
        case 2: printf("Tue\n"); break;
        case 3: printf("Wed\n"); break;
        default: printf("Other\n");
    }
    return 0;
}

** 一般的なミス **

• if (x = 5) は代入を行うため常に真です；比較するには == を使用してください。
• 各switchケースにはbreak;が必要であり、指定しない場合次のケースへ fall through する。
• 条件式中では0が false、それ以外の非ゼロ値は true とみなされる。

A loop 循环 repeats a block. A while loop runs as long as a condition is true. A for loop packs the start, the test, and the increment 自增 (i++) into one line — best when you know how many times to repeat.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int i = 1;
    while (i <= 3) {
        printf("%d ", i);
        i++;
    }
    printf("\n");                    // 1 2 3
    for (int j = 0; j < 5; j++) {
        printf("%d ", j);
    }
    printf("\n");                    // 0 1 2 3 4
    return 0;
}

A common pattern: start an accumulator 累加器 at 0, then add to it inside a loop. The same idea counts items or finds a running total.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int total = 0;
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        total += i;            // 1 + 2 + 3 + 4 + 5
    }
    printf("%d\n", total);     // 15
    return 0;
}

A loop inside another loop is a nested 嵌套 loop. The inner loop finishes fully for each step of the outer loop — perfect for grids and patterns.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    for (int row = 0; row < 3; row++) {
        for (int col = 0; col < 3; col++) {
            printf("*");
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

Common mistakes

• for (i = 0; i < n; i++) runs n times; a semicolon right after for (...) makes an empty loop.
• A while whose condition never becomes false loops forever.
• Declare the counter (int i) before or inside the for header.

関数はパラメータ（入力）を受け取り、戻り値を返します。戻り型の記述が先に来ます（int、double…）；voidは戻り値がないことを意味します。

#include <stdio.h>

int square(int x) {        // x is a parameter
    return x * x;          // hand back a value
}

int main(void) {
    int r = square(5);
    printf("%d\n", r);     // 25
    return 0;
}

C は上から下へ解釈するため、関数は使用前に定義されている必要がある。プロトタイプ（ヘッダー行＋;）で早期に宣言することで、main を先に記述できる。変数のスコープはそれが存在するブロックであり、ローカルであり、ブロック終了と同時に消滅する。

#include <stdio.h>

int add(int a, int b);     // prototype: declared before use

int main(void) {
    printf("%d\n", add(3, 4));   // 7
    return 0;
}

int add(int a, int b) {    // definition comes later
    int sum = a + b;       // sum is local to add
    return sum;
}

** 一般的なミス **

• 定義前に使用される関数には、 main の上にプロトタイプ宣言が必要です。
• 引数は BY VALUE で渡される。関数内部での変更はポインタを渡さなければ呼び出し側には影響しない。
• 関数内部で宣言された変数はその関数に限定されるローカル変数である。

An array 数组 holds several values of one type. Index 索引 from 0. C does not store an array's length, so a common trick computes the element 元素 count: sizeof(a) / sizeof(a[0]).

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int scores[3] = {88, 71, 95};
    printf("%d\n", scores[0]);     // 88
    scores[1] = 100;
    printf("%d\n", scores[1]);     // 100
    int n = sizeof(scores) / sizeof(scores[0]);
    printf("%d\n", n);             // 3
    return 0;
}

Traverse 遍历 an array with a for loop to find a max, a total, or a count. Always loop from 0 up to n - 1.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a[] = {3, 9, 2, 7};
    int n = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
    int max = a[0], total = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (a[i] > max) max = a[i];
        total += a[i];
    }
    printf("%d %d\n", max, total);   // 9 21
    return 0;
}

A 2-D array is a grid of rows 行 and columns 列: grid[row][col]. Use two nested loops to visit every cell.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int grid[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
    printf("%d\n", grid[1][2]);    // 6
    for (int r = 0; r < 2; r++) {
        for (int c = 0; c < 3; c++) {
            printf("%d ", grid[r][c]);
        }
    }
    printf("\n");                  // 1 2 3 4 5 6
    return 0;
}

Common mistakes

• C does NOT check array bounds: writing a[n] in a size-n array is undefined behaviour.
• Valid indexes run from 0 to n - 1.
• The array name is a pointer to its first element; sizeof only gives the size in the array's own scope.

A pointer 指针 stores the address 地址 of a variable. &x gives the address of x; *p dereferences 解引用 the pointer — it reads or writes the value stored there. Passing a pointer lets a function change the caller's variable (pass-by-pointer).

#include <stdio.h>

void addOne(int *p) {     // p holds an address
    *p = *p + 1;          // change the value at that address
}

int main(void) {
    int x = 10;
    int *ptr = &x;        // & takes the address of x
    printf("%d\n", *ptr); // * reads the value: 10
    addOne(&x);
    printf("%d\n", x);    // 11 — changed through the pointer
    return 0;
}

The classic use is a swap function. Passing values only copies them — the swap is lost. Passing pointers lets the function reach the caller's variables:

#include <stdio.h>

void swap_values(int a, int b) {      // copies: the caller sees nothing
    int t = a; a = b; b = t;
}

void swap_pointers(int *a, int *b) {  // addresses: the swap is real
    int t = *a; *a = *b; *b = t;
}

int main(void) {
    int x = 1, y = 2;
    swap_values(x, y);
    printf("%d %d\n", x, y);   // 1 2  (unchanged!)
    swap_pointers(&x, &y);
    printf("%d %d\n", x, y);   // 2 1  (swapped)
    return 0;
}

An array name acts as a pointer to its first element, and pointer arithmetic 指针运算 steps by whole elements:

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a[] = {10, 20, 30};
    int *p = a;                 // same as &a[0]
    printf("%d\n", *p);         // 10
    printf("%d\n", *(p + 2));   // 30 — same as a[2]
    return 0;
}

• NULL is the pointer that points at nothing — check for it before you dereference.

Common mistakes

• &x is the address of x; *p is the value stored at p.
• Never use *p on an uninitialised or NULL pointer — it crashes or corrupts memory.
• To change a caller's variable, pass its address and write through the pointer.

Cの文字列はcharの配列です。すべての文字列は隠された null終端文字'\0'で終わり、これが終端位置を示します。strlen（頭から<string.h>へ）はその'\0'まで文字を数えます。文字列全体を出力するには%sを、1文字だけ出力するには%cを使用します。

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

int main(void) {
    char name[] = "Mei";            // 'M', 'e', 'i', '\0'
    printf("%s\n", name);           // Mei
    printf("%zu\n", strlen(name));  // 3 (stops at '\0')
    printf("%c\n", name[0]);        // M
    return 0;
}

'\0' に達するまでループして文字列を走査することもできる。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    char word[] = "banana";
    int count = 0;
    for (int i = 0; word[i] != '\0'; i++) {
        if (word[i] == 'a') count++;
    }
    printf("%d\n", count);   // 3
    return 0;
}

#include <string.h> は日常的な文字列ツールを提供する：

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

int main(void) {
    char full[40];
    strcpy(full, "Mei");           // full is now "Mei"
    strcat(full, " Chen");         // append -> "Mei Chen"
    printf("%s (%zu)\n", full, strlen(full));       // Mei Chen (8)
    printf("%d\n", strcmp("apple", "apple") == 0);  // 1 (equal)
    return 0;
}

• strcmpは等しい場合に0を返すため、テスト式はstrcmp(a, b) == 0とし、a == bとしてはいけません。
• 目的の配列には結果のためのスペース加上 terminator のスペースが必要である。

** 一般的なミス **

• C文字列には \0 終端マーカーのために追加の1バイトが必要です: 5 文字の単語には char[6] 必要です。
• 文字列のコピーと比較にはstrcpy / strcmp を使い、= / == を使わない。
• \0 を忘れるとprintf("%s", ...) がテキストの端を超えて実行される。

struct は関連する値を一つの型にまとめる。各値はメンバーである。typedef はstruct に短い名前を与え、Dog をstruct Dog の代わりに書けるようにする。struct 値には. を使い、struct へのポインタには-> を使う。

#include <stdio.h>

typedef struct {
    char name[20];
    int age;
} Dog;

int main(void) {
    Dog d = {"Rex", 3};
    printf("%s is %d\n", d.name, d.age);   // Rex is 3   (. on a value)

    Dog *p = &d;
    p->age = 4;                            // -> on a pointer
    printf("%s is %d\n", d.name, d.age);   // Rex is 4
    return 0;
}

** 一般的なミス **

• structの値には . を、structのポインタには -> を使用します。
• typedef を使うと宣言時にstruct という語を省略できる。使わない場合はstruct Point p; を書く。
• 一つのstruct をもう一つに代入すると、すべてのフィールドがコピーされる。

malloc はランタイムでヒープ上のメモリを割り当てて、そこへのポインタを返す。realloc はそのブロックのサイズを変更する。free はそれを返す（解放する）。malloc には対応するfree が必要であり、否则 memory leak Occur。これらは<stdlib.h> にある。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    int n = 3;
    int *a = malloc(n * sizeof(int));    // room for 3 ints
    for (int i = 0; i < n; i++) a[i] = i * 10;

    a = realloc(a, 4 * sizeof(int));     // grow to 4 ints
    a[3] = 30;

    for (int i = 0; i < 4; i++) printf("%d ", a[i]);
    printf("\n");                        // 0 10 20 30

    free(a);                             // hand the memory back
    return 0;
}

• calloc(n, size) は malloc と同様に配列を割り当てるとともに、すべての要素をゼロで初期化します。

** 一般的なミス **

• 各 malloc には対応する free が必要です；freeを忘れるとメモリリークが発生します。
• free 後のメモリ使用（"use-after-free"）は深刻なバグです。
• メモリを使用する前に、malloc が NULL を返していないか確認してください。

連結リストはノードの連鎖です。各ノードは値と next ノードへのポインタを持ちます。最後ノードは NULL を指します。配列とは異なり、 malloc でノードを1つずつ拡張します。完了したら必ず free するまで全ノードを確認してください。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct Node {
    int value;
    struct Node *next;
} Node;

int main(void) {
    Node *head = NULL;
    for (int v = 10; v <= 30; v += 10) {   // prepend 10, 20, 30
        Node *n = malloc(sizeof(Node));
        n->value = v;
        n->next = head;
        head = n;
    }
    for (Node *p = head; p != NULL; p = p->next) {
        printf("%d ", p->value);           // 30 20 10
    }
    printf("\n");

    while (head != NULL) {                 // free the whole list
        Node *t = head;
        head = head->next;
        free(t);
    }
    return 0;
}

スタックはLIFO（後入れ先出し）で、pushとpopは同じ端で行います。キューはFIFO（先入れ先出し）で、末尾に追加し、先頭から削除します。どちらもインデックス変数を使って配列で簡単に実装できます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int stack[10];
    int top = 0;                       // next free slot
    stack[top++] = 1;                  // push
    stack[top++] = 2;
    stack[top++] = 3;
    while (top > 0) {
        printf("%d ", stack[--top]);   // pop: 3 2 1
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int queue[10];
    int front = 0, back = 0;
    queue[back++] = 1;                       // enqueue
    queue[back++] = 2;
    queue[back++] = 3;
    while (front < back) {
        printf("%d ", queue[front++]);       // dequeue: 1 2 3
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

** 一般的なミス **

• リンクリストでは、head ポインタを失ってはいけません。そうするとリスト全体にアクセスできなくなります。
• 完了したら、リストをトレースしながらすべてのノードをfreeしてください。
• popする前に、リストが空か（NULL ヘッドか）を確認してください。

線形探索は順に各要素をチェックします。どんな配列でも機能します。二分探索ははるかに高速ですが、並べ替え済みの配列が必要です。中央の値をチェックして半分以上を除外します。どちらも見つかればインデックスを返し、なければ -1 を返します。

#include <stdio.h>

int linear(int a[], int n, int target) {
    for (int i = 0; i < n; i++)
        if (a[i] == target) return i;
    return -1;
}

int binary(int a[], int n, int target) {
    int lo = 0, hi = n - 1;
    while (lo <= hi) {
        int mid = (lo + hi) / 2;
        if (a[mid] == target) return mid;
        else if (a[mid] < target) lo = mid + 1;
        else hi = mid - 1;
    }
    return -1;
}

int main(void) {
    int a[] = {2, 5, 8, 12, 16, 23};
    int n = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
    printf("%d %d %d\n", linear(a, n, 12), binary(a, n, 12), binary(a, n, 9));
    return 0;   // 3 3 -1
}

バブルソートは隣り合う要素を繰り返し比較し、順序が逆のペアを交換します。各パス後、最大の値が「泡」のように末尾に移動します。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a[] = {5, 2, 9, 1, 7};
    int n = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
    for (int i = 0; i < n - 1; i++) {
        for (int j = 0; j < n - 1 - i; j++) {
            if (a[j] > a[j + 1]) {
                int t = a[j]; a[j] = a[j + 1]; a[j + 1] = t;
            }
        }
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) printf("%d ", a[i]);
    printf("\n");   // 1 2 5 7 9
    return 0;
}

再帰は関数が自身を呼び出すことです。停止するための基本ケース（base case）と、それに近づくための再帰呼び出しが必要です。基本ケースがないと無限ループになります。

#include <stdio.h>

int factorial(int n) {
    if (n <= 1) return 1;          // base case
    return n * factorial(n - 1);   // recursive call
}

int main(void) {
    printf("%d\n", factorial(5));  // 120
    return 0;
}

** 一般的なミス **

• 二分探索には並べ替え済み配列が必要で、再帰には基本ケースが必要です。
• 各再帰呼び出しは基本ケースに近づかなければならず、そうでないとスタックオーバーフローになります。
• バブルソートと挿入ソートはO(n²)です。学習用としては問題ありませんが、大規模データでは遅いです。

fopen はファイルポインタを返します。モード文字列で操作内容を示し、"w" は書き込み、"r" は読み取り、"a" は追加を表します。書き込みは fprintf で、読み取りは fscanf で行い、完了したら必ず fclose してください。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    FILE *out = fopen("scores.txt", "w");   // open for writing
    fprintf(out, "Alice 80\nBob 95\n");
    fclose(out);

    FILE *in = fopen("scores.txt", "r");    // open for reading
    char name[20];
    int score;
    while (fscanf(in, "%s %d", name, &score) == 2) {
        printf("%s -> %d\n", name, score);
    }
    fclose(in);
    return 0;
}

Cには例外処理がありません。代わりに関数は戻り値で失敗を通知します。慣例として 0 は成功、非ゼロはエラーを意味します。呼び出し側は結果を信用する前にコードを確認します。（fopen も同様の概念を採用しており、失敗時に NULL を返します。）

#include <stdio.h>

// returns 0 on success, -1 if the divisor is 0
int safe_divide(int a, int b, int *result) {
    if (b == 0) return -1;          // error code
    *result = a / b;
    return 0;                       // success
}

int main(void) {
    int r;
    if (safe_divide(10, 2, &r) == 0)
        printf("10 / 2 = %d\n", r);          // 10 / 2 = 5
    if (safe_divide(10, 0, &r) != 0)
        printf("cannot divide by zero\n");   // error reported
    return 0;
}

** 一般的なミス **

• 読み込みや書き込みの前に、fopen が NULL を返していないか確認してください。
• 完了したら必ず fclose のファイルをcloseしてください。
• main から非ゼロのコードを返して、呼び出し側にエラーを通知してください。

A bit 位 is a single 0 or 1; numbers are stored in binary 二进制. Bitwise 按位 operators work on the bits directly: & AND, | OR, ^ XOR, << shift left (×2 each step), >> shift right (÷2).

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int a = 12;              // 1100
    int b = 10;              // 1010
    printf("%d\n", a & b);   // 8   AND  -> 1000
    printf("%d\n", a | b);   // 14  OR   -> 1110
    printf("%d\n", a ^ b);   // 6   XOR  -> 0110
    printf("%d\n", a << 1);  // 24  left shift
    printf("%d\n", a >> 1);  // 6   right shift
    return 0;
}

Hexadecimal 十六进制 (base 16) writes binary compactly: one hex digit is exactly four bits. Write hex literals with 0x; print with %x:

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("%d\n", 0xFF);   // 255  (0x marks a hex literal)
    printf("%x\n", 255);    // ff
    printf("%x\n", 12);     // c
    return 0;
}

Run-length encoding (RLE) is a simple compression 压缩 method: replace each run 游程 of repeated characters with a count and the character. It is lossless 无损 — the original is fully recoverable.

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

int main(void) {
    char *s = "aaabbc";
    int n = strlen(s);
    for (int i = 0; i < n; ) {
        char c = s[i];
        int run = 0;
        while (i < n && s[i] == c) { run++; i++; }
        printf("%d%c", run, c);     // 3a2b1c
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

Common mistakes

• & is bitwise AND and && is logical AND — do not confuse them.
• A left shift << 1 doubles a value; a right shift >> 1 halves it.
• Bit n has value 1 << n (C has no ** power operator); check a bit with (x >> n) & 1.

プリプロセッサはコンパイル前に実行されます。#define はマクロを作成し、あらゆる場所で純粋なテキストが置換されます。const は変更できない定数を定義します。関数内の static は、関数呼び出し間の値を保持します。enum（列挙型）は 0 から始まる一連の整数に名前を付けます。

#include <stdio.h>

#define MAX 100                     // macro: text replaced before compiling

enum Color { RED, GREEN, BLUE };    // named integers 0, 1, 2

int next_id(void) {
    static int count = 0;           // keeps its value between calls
    count++;
    return count;
}

int main(void) {
    const double PI = 3.14;         // cannot be changed
    printf("%d %.2f\n", MAX, PI);            // 100 3.14
    printf("%d %d %d\n", RED, GREEN, BLUE);  // 0 1 2
    int a = next_id();
    int b = next_id();
    printf("%d %d\n", a, b);                 // 1 2
    return 0;
}

大きなプログラムはファイルにまたがって分割されます。宣言はヘッダーファイル（mine.h）に行われ、#include "mine.h" でincludeします。引用符は自分のファイル、< > は標準ライブラリを意味します。インクルードガード（#ifndef MINE_H / #define MINE_H / #endif）はヘッダーファイルが重複してincludeされるのを防ぎます。

** 一般的なミス **

• #define は型チェックなしの純粋なテキスト置換を行うため、マクロ本体と引数を括弧で囲む必要があります。
• const の値は設定後に変更できません。
• static ローカル変数は関数呼び出し間で値を保持します。