C Handout · ⁨Раздаточный материал C⁩

Каждая программа на C начинается с main. #include <stdio.h> подключает заголовок, чтобы вы могли использовать printf для вывода текста. Функция — это именованный блок кода, который можно вызвать; \n начинает новую строку. main возвращает 0, чтобы означать «успех».

#include <stdio.h>

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

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

C требует тип для каждой переменной: int (целочисленный), double (с плавающей запятой), char (один символ). printf использует спецификатор формата — %d, %f, %c — для каждого значения. / между двумя int — это целочисленное деление; % — это остаток.

#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;
}

Форматная строка управляет как выводом, так и чтением:

scanf("%d", &n) читает ввод с клавиатуры с теми же спецификаторами (обратите внимание на &). Его собрат sscanf парсит значения из строки, поэтому он может работать везде:

#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;
}

Комментарий — это заметка для людей; компилятор игнорирует его. Используйте // для одной строки и /* ... */ для блока. Хорошие отступы и понятные имена делают код легким для чтения.

#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;
}

Распространенные ошибки

• Каждая инструкция заканчивается ;, и main должна возвращать int (return 0;).
• printf требует форматную строку: %d для int, %f для double, и \n для новой строки.
• Неправильный формат, такой как %d для double, выведет мусор — соответствуйте типу.

Инструкция if выполняет блок, когда условие истинно. В C нет настоящего типа boolean по умолчанию: 0 означает ложь, а любое ненулевое значение — истину. Цепочку выборов можно строить с помощью else if и else. Сравнивайте с ==, !=, <, >, <=, >=.

#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;
}

Конструкция switch выбирает один case по целочисленному значению. Каждый case требует break для выхода — без него C «перетекает» (falls through) в следующий case. default выполняется, если ничего не совпадает.

#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;
}

Распространенные ошибки

• if (x = 5) присваивает значение и всегда истинно; используйте == для сравнения.
• Для каждого случая switch требуется break;, иначе выполнение перейдет к следующему.
• В условии 0 является ложным, а любое ненулевое значение — истинным.

Цикл повторяет блок кода. Цикл while выполняется, пока условие истинно. Цикл for объединяет инициализацию, проверку условия и инкремент (i++) в одну строку — это удобно, когда заранее известно количество повторений.

#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;
}

Распространенный шаблон: начать аккумулятор со значения 0, затем прибавлять к нему внутри цикла. Та же идея используется для подсчета элементов или вычисления накопительной суммы.

#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;
}

Цикл внутри другого цикла называется вложенным. Внутренний цикл полностью завершается на каждом шаге внешнего цикла — идеально подходит для создания сеток и узоров.

#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;
}

Распространенные ошибки

• for (i = 0; i < n; i++) выполняется n раз; точка с запятой сразу после for (...) образует пустой цикл.
• Цикл while, у которого условие никогда не становится ложным, будет выполняться бесконечно.
• Объявите счётчик (int i) до или внутри заголовка for.

Функция принимает параметры (входные данные) и возвращает результат. Тип возвращаемого значения указывается первым (int, double, …); ключевое слово void означает, что функция ничего не возвращает.

#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 обрабатывает код сверху вниз, поэтому функция должна быть объявлена до того, как она вызывается. Прототип — строка заголовка вместе с ; — объявляет функцию заранее, позволяя написать определение функции main раньше main(). Область видимости переменной — это блок кода, в котором она существует: она локальна и исчезает при завершении блока.

#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;
}

Распространенные ошибки

• Если функция используется до своего определения, над ней должна быть прототип main.
• Аргументы передаются ПО ЗНАЧЕНИЮ — изменения внутри функции не влияют на вызывающий код, если только не передан указатель.
• Переменная, объявленная внутри функции, является ее локальной.

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.

Указатель хранит адрес переменной. Оператор &x дает адрес переменной x; оператор *p разыменовывает указатель — он читает или записывает значение, хранящееся по этому адресу. Передача указателя позволяет функции изменить переменную вызывающего кода (передача по указателю).

#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;
}

Классическое применение — функция обмена (swap). Передача значений лишь копирует их — обмен теряется. Передача указателей позволяет функции получить доступ к переменным вызывающего кода:

#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;
}

Имя массива действует как указатель на его первый элемент, а арифметика указателей сдвигается на целые элементы:

#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 — это указатель, который ни на что не указывает — проверяйте его на NULL перед разыменованием.

Распространенные ошибки

• &x — это адрес x; *p — значение, хранящееся по адресу p.
• Никогда не используйте *p на неинициализированном или NULL указателе — это приведет к сбою или повреждению памяти.
• Чтобы изменить переменную вызывающего кода, передайте её адрес и запишите значение через указатель.

A C string 字符串 is an array of char. Every string ends with a hidden null terminator 空终止符 '\0', which marks where it stops. strlen (from <string.h>) counts characters up to that '\0'. Print a whole string with %s and one character 字符 with %c.

#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;
}

You can traverse a string by looping until you reach '\0'.

#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;
}

Структура (struct) группирует связанные значения в один тип. Каждое значение является членом структуры. Конструкция typedef присваивает структуре короткое имя, позволяя писать Dog вместо длинного имени struct Dog. Используйте точку . для значений структур, но стрелку -> для указателей на структуры.

#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;
}

Распространенные ошибки

• Используйте . для значения структуры и -> для указателя на структуру.
• Конструкция typedef позволяет опускать слово struct при объявлении; без нее нужно писать полное имя struct Point p;.
• Присвоение одной структуры другой копирует все её поля.

Функция malloc выделяет память в куче во время выполнения и возвращает указатель на неё. Функция realloc изменяет размер этого блока; функция free освобождает его. На каждый вызов malloc нужен соответствующий вызов free, иначе возникнет утечка памяти. Эти функции определены в заголовочном файле <stdlib.h>.

#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) выделяет массив, подобно malloc, И заполняет его нулями.

Распространенные ошибки

• Каждый malloc требует соответствующего free; если забыть освободить, произойдет утечка памяти.
• Использование памяти после free (так называемое "использование после освобождения", use-after-free) — это серьезная ошибка.
• Проверьте, что malloc не вернул NULL, прежде чем использовать память.

Связный список — это цепочка узлов. Каждый узел хранит значение и указатель на следующий next; последний указывает на NULL. В отличие от массива он увеличивается по одному узлу с каждым malloc. Обязательно free каждый узел после завершения работы.

#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;
}

Стек работает по принципу LIFO (последним пришел — первым ушел): push и pop выполняются с одного конца. Очередь работает по принципу FIFO (первым пришел — первым ушел): элементы добавляются сзади, удаляются спереди. Оба структуры легко реализовать на массиве с использованием индексных переменных.

#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;
}

Распространенные ошибки

• В связном списке никогда не теряйте указатель на head, иначе весь список станет недоступным.
• Освобождайте каждый узел по завершении, проходя по списку перед разрывом связей.
• Проверяйте пустой список (пустую голову/NULL head), прежде чем выполнять pop.

Линейный поиск последовательно проверяет каждый элемент — он работает с любым массивом. Бинарный поиск намного быстрее, но требует отсортированного массива: он проверяет середину и отбрасывает половину на каждом шаге. Оба возвращают индекс или -1, если элемент отсутствует.

#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
}

Пузырьковая сортировка (bubble sort) многократно сравнивает соседние элементы и меняет местами любую пару, которая стоит в неправильном порядке. После каждого прохода максимальное значение «всплывает» в конец.

#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;
}

Рекурсия — это функция, вызывающая саму себя. Ей необходим базовый случай для остановки и рекурсивный вызов, который приближает к нему. Без базового случая она никогда не закончится.

#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;
}

Распространенные ошибки

• Бинарный поиск требует отсортированного массива; рекурсия требует базового случая.
• Каждый рекурсивный вызов должен приближаться к базовому случаю, иначе произойдет переполнение стека.
• Пузырьковая и сортировка вставками имеют сложность O(n²) — отлично подходят для изучения, но медленны при больших объемах данных.

fopen возвращает указатель на файл; строка режима указывает действие — "w" запись, "r" чтение, "a" дописывание. Записывайте с помощью fprintf, читайте с помощью fscanf, и всегда fclose по завершении.

#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;
}

В C нет исключений. Вместо этого функция сигнализирует об ошибке через код возврата — по соглашению 0 означает успех, а ненулевое значение — ошибку. Вызывающий код проверяет код, прежде чем доверять результату. (fopen следует той же идее: он возвращает NULL при неудаче.)

#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;
}

Распространенные ошибки

• Проверяйте, что fopen не вернул NULL, перед чтением или записью.
• Всегда fclose файл по завершении работы.
• Возвращайте ненулевой код из main, чтобы сообщить об ошибке вызывающему коду.

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.

Препроцессор выполняется перед компиляцией. #define создает макрос — простой текст, заменяемый повсюду. const создает константу, которую нельзя изменить. static внутри функции сохраняет значение переменной между вызовами. Перечисление (enumeration) enum задает набор целых чисел, начинающихся со значения 0.

#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;
}

Большие программы разбиваются на файлы: объявления помещают в заголовочный файл (mine.h), который подключают через #include "mine.h" — кавычки означают ваш собственный файл, угловые скобки (< >) — стандартную библиотеку. Предупреждение о включении (#ifndef MINE_H / #define MINE_H / #endif) предотвращает повторное подключение заголовочного файла.

Распространенные ошибки

• #define выполняет простую замену текста без проверки типов; оборачивайте тела макросов и аргументы в скобки.
• Значение константы const нельзя изменить после присвоения.
• Статическая локальная переменная (static) сохраняет свое значение между вызовами функции.