C语言基础：变量与进制详解

C语言基础：变量与进制详解

1. 关键字详解

什么是关键字？

关键字是C语言预定义的具有特殊含义的单词，不能用作变量名或函数名。

关键字特点

• 全部由小写字母组成
• 被C语言赋予特殊含义
• 不可修改或重新定义

C语言关键字分类

版本演进

• C99标准新增：inline, restrict, _Bool, _Complex, _Imaginary
• C11标准新增：_Alignas, _Alignof, _Atomic, _Static_assert, _Noreturn, _Thread_local, _Generic

2. 标识符规范

定义

标识符是程序员为变量、函数、数组等命名时使用的字符序列。

命名规则（必须遵守）

1. 只能包含字母、数字、下划线
2. 不能以数字开头
3. 不能使用关键字
4. 区分大小写
5. 不允许空格

命名建议（提高代码质量）

1. 见名知意：使用有意义的名称
2. 避免混淆：不要仅靠大小写区分
3. 常量大写：宏定义和常量全大写
4. 下划线连接：长变量名用下划线分隔
5. 驼峰命名：函数和变量使用小驼峰

示例对比

合法标识符：

a, BOOK1, _sun, MAX_SIZE, Mouse, student23, Football, max, _add, num_1

非法标识符：

$zj, 3sum, ab#cd, 23student, Foot-ball, s.com, b&c, j**p, book-1, tax rate

3. 变量深度解析

为什么需要变量？

变量是程序中的基本存储单元，用于在内存中保存数据。就像现实生活中的容器，可以存放不同类型的物品。

变量的三要素

1. 数据类型：决定存储什么类型的数据
2. 变量名：用于访问内存中的数据
3. 存储值：实际保存的数据内容

变量声明与赋值

声明语法

数据类型 变量名;  // 声明变量，为其分配内存空间

赋值操作

int age;        // 声明整型变量age
age = 18;       // 为变量age赋值

声明并初始化

int age = 18;   // 声明的同时进行初始化

多变量处理

int a = 1, b = 2;           // 同时声明并初始化多个变量
int x, y, z;                // 声明多个变量
x = y = z = 10;             // 连续赋值

变量作用域

文件作用域

在源文件顶层声明的变量，从声明位置到文件结束都有效。

int global_var = 100;   // 全局变量，文件作用域

int main() {
    printf("%d\n", global_var);  // 可以访问全局变量
    return 0;
}

块作用域

在大括号内声明的变量，只在当前代码块有效。

int main() {
    int outer = 10;         // 外层变量
    
    if (outer == 10) {
        int inner = 20;     // 内层变量，只在if块内有效
        printf("%d %d\n", outer, inner);  // 输出：10 20
    }
    
    printf("%d\n", outer);  // 正常输出：10
    // printf("%d\n", inner);  // 错误！inner已超出作用域
    
    return 0;
}

4. 基本数据类型详解

4.1 整数类型

类型分类与内存占用

实际应用示例

#include <stdio.h>

int main() {
    // 声明不同类型的整数变量
    short small_num = 100;              // 短整型，适合小数值
    int normal_num = 1000000;           // 标准整型，最常用
    long long big_num = 9000000000LL;   // 长长整型，适合大数值
    
    // 无符号整型，只能存储非负数
    unsigned int positive_num = 4000000000U;
    
    printf("短整型: %d\n", small_num);
    printf("标准整型: %d\n", normal_num);
    printf("长长整型: %lld\n", big_num);
    printf("无符号整型: %u\n", positive_num);
    
    return 0;
}

4.2 浮点类型

类型特点

温度转换实例

#include <stdio.h>

int main() {
    float fahrenheit, celsius;  // 声明华氏温度和摄氏温度变量
    
    printf("请输入华氏温度: ");
    scanf("%f", &fahrenheit);   // 从键盘输入华氏温度
    
    // 华氏转摄氏公式: C = 5/9 * (F - 32)
    celsius = (5.0 / 9.0) * (fahrenheit - 32.0);
    
    printf("华氏温度: %.1f°F\n", fahrenheit);
    printf("摄氏温度: %.1f°C\n", celsius);
    
    return 0;
}

科学计数法表示

double large_num = 1.23e6;     // 等于 1,230,000
double small_num = 4.56e-3;    // 等于 0.00456
float precise = 3.14159f;      // float类型需要f后缀

4.3 字符类型

基本概念

字符类型用于存储单个字符，占用1个字节内存。

三种表示方式

#include <stdio.h>

int main() {
    // 方式1：直接使用字符
    char letter = 'A';              // 存储字符A
    
    // 方式2：使用ASCII码值
    char ascii_char = 65;           // 65对应字符A
    
    // 方式3：使用转义字符
    char newline = '\n';            // 换行符
    char tab = '\t';                // 制表符
    char quote = '\'';              // 单引号字符
    
    printf("字符: %c\n", letter);
    printf("ASCII值: %d\n", letter);
    printf("相同字符: %c\n", ascii_char);
    
    return 0;
}

常用转义字符

4.4 布尔类型

C89标准（传统方式）

#include <stdio.h>

int main() {
    int is_student = 1;     // 1表示真（是学生）
    int is_teacher = 0;     // 0表示假（不是老师）
    
    if (is_student) {
        printf("这是一个学生\n");
    }
    
    if (!is_teacher) {
        printf("这不是老师\n");
    }
    
    return 0;
}

C99标准（现代方式）

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>        // 包含布尔类型头文件

int main() {
    bool is_online = true;   // 声明布尔变量并赋值为真
    bool is_offline = false; // 声明布尔变量并赋值为假
    
    if (is_online) {
        printf("用户在线\n");
    }
    
    return 0;
}

5. 类型转换机制

5.1 自动类型转换

窄类型转宽类型（安全转换）

#include <stdio.h>

int main() {
    // 整数类型自动提升
    char small = 10;        // char类型（1字节）
    int medium = small;     // 自动转换为int类型（4字节）
    long big = medium;      // 自动转换为long类型（8字节）
    
    // 浮点数类型自动提升
    float single = 3.14f;   // float类型（4字节）
    double precise = single; // 自动转换为double类型（8字节）
    
    // 混合运算自动转换
    int integer = 10;
    float decimal = 3.5f;
    float result = integer + decimal;  // int自动转换为float
    
    printf("结果: %.1f\n", result);    // 输出: 13.5
    
    return 0;
}

宽类型转窄类型（可能丢失精度）

#include <stdio.h>

int main() {
    // 浮点数转整数（截断小数部分）
    double pi = 3.14159;
    int integer_pi = pi;    // 结果为3，小数部分被截断
    
    // 大整数转小整数（可能溢出）
    int large = 322;        // 322的二进制：101000010
    char small = large;     // 只保留低8位：01000010 = 66
    
    printf("原始值: %.5f\n", pi);
    printf("转换后: %d\n", integer_pi);
    printf("大整数: %d\n", large);
    printf("小整数: %d\n", small);
    
    return 0;
}

5.2 强制类型转换

当需要明确进行类型转换时，使用强制转换操作符。

语法格式： (目标类型)变量或表达式

#include <stdio.h>

int main() {
    double x = 12.8;
    int y = 5;
    
    // 强制转换示例
    int result1 = (int)x + y;           // 先将x转为int(12)，再相加
    int result2 = (int)(x + y);         // 先相加(17.8)，再转为int(17)
    
    // 精度控制
    float division1 = 7 / 3;            // 整数除法，结果为2.0
    float division2 = (float)7 / 3;     // 浮点除法，结果为2.333...
    
    printf("result1: %d\n", result1);   // 输出: 17
    printf("result2: %d\n", result2);   // 输出: 17
    printf("整数除法: %.3f\n", division1);
    printf("浮点除法: %.3f\n", division2);
    
    return 0;
}

5.3 溢出问题处理

向上溢出示例

#include <stdio.h>

int main() {
    unsigned char max_value = 255;  // unsigned char最大值
    printf("溢出前: %d\n", max_value);
    
    max_value = max_value + 1;      // 发生向上溢出
    printf("溢出后: %d\n", max_value);  // 输出: 0
    
    // 解释：255的二进制是11111111，加1变成100000000
    // 由于unsigned char只有8位，最高位被丢弃，结果变成00000000 = 0
    
    return 0;
}

6. 常量定义方法

6.1 字面常量

直接在代码中写出的数值。

int number = 42;        // 42是整型字面常量
float pi = 3.14f;       // 3.14f是浮点型字面常量
char grade = 'A';       // 'A'是字符型字面常量

6.2 宏定义常量

#include <stdio.h>

#define PI 3.14159          // 定义圆周率常量
#define MAX_STUDENTS 100    // 定义最大学生数
#define SCHOOL_NAME "清华大学"  // 定义学校名称

int main() {
    double radius = 5.0;    // 圆的半径
    double area;            // 圆的面积
    
    // 使用宏定义常量计算圆面积
    area = PI * radius * radius;
    
    printf("学校: %s\n", SCHOOL_NAME);
    printf("圆的半径: %.1f\n", radius);
    printf("圆的面积: %.2f\n", area);
    
    return 0;
}

6.3 const限定符

#include <stdio.h>

int main() {
    const float TAX_RATE = 0.13f;   // 声明税率常量
    const int DAYS_IN_WEEK = 7;     // 声明一周天数常量
    
    float salary = 5000.0f;         // 工资
    float tax;                      // 税金
    
    // 使用const常量计算税金
    tax = salary * TAX_RATE;
    
    printf("工资: %.2f元\n", salary);
    printf("税率: %.0f%%\n", TAX_RATE * 100);
    printf("税金: %.2f元\n", tax);
    
    // TAX_RATE = 0.15f;  // 错误！const变量不能修改
    
    return 0;
}

6.4 枚举常量

#include <stdio.h>

// 定义星期枚举
enum Weekday {
    MONDAY,     // 自动赋值为0
    TUESDAY,    // 自动赋值为1
    WEDNESDAY,  // 自动赋值为2
    THURSDAY,   // 自动赋值为3
    FRIDAY,     // 自动赋值为4
    SATURDAY,   // 自动赋值为5
    SUNDAY      // 自动赋值为6
};

int main() {
    enum Weekday today = FRIDAY;    // 声明今天是星期五
    
    printf("今天是星期: %d\n", today);  // 输出: 4
    
    // 使用枚举进行条件判断
    if (today == FRIDAY) {
        printf("明天是周末！\n");
    }
    
    return 0;
}

7. 输入输出函数详解

7.1 scanf()函数深度解析

基本用法

scanf("格式字符串", &变量1, &变量2, ...);

格式字符串说明

• %d：读取整数
• %f：读取浮点数
• %c：读取字符
• %s：读取字符串

实际应用示例

#include <stdio.h>

int main() {
    int age;                    // 年龄变量
    float height;               // 身高变量
    char grade;                 // 成绩等级变量
    
    // 提示用户输入
    printf("请输入您的年龄: ");
    scanf("%d", &age);          // 读取整数，注意&符号
    
    printf("请输入您的身高(米): ");
    scanf("%f", &height);       // 读取浮点数
    
    printf("请输入成绩等级: ");
    scanf(" %c", &grade);       // 读取字符，注意空格
    
    // 输出结果
    printf("\n个人信息汇总:\n");
    printf("年龄: %d岁\n", age);
    printf("身高: %.2f米\n", height);
    printf("成绩: %c等\n", grade);
    
    return 0;
}

多变量同时输入

#include <stdio.h>

int main() {
    int year, month, day;       // 年、月、日变量
    
    // 方式1：空格分隔输入
    printf("请输入年 月 日(空格分隔): ");
    scanf("%d %d %d", &year, &month, &day);
    
    // 方式2：特定分隔符输入
    printf("请输入日期(格式yyyy-mm-dd): ");
    scanf("%d-%d-%d", &year, &month, &day);
    
    printf("您输入的日期是: %d年%d月%d日\n", year, month, day);
    
    return 0;
}

7.2 字符输入输出函数

#include <stdio.h>

int main() {
    char input_char;            // 输入字符变量
    
    printf("请输入一个字符: ");
    input_char = getchar();     // 从键盘读取一个字符
    
    printf("您输入的字符是: ");
    putchar(input_char);        // 输出字符
    putchar('\n');              // 输出换行符
    
    return 0;
}

8. 进制系统详解

8.1 进制概念

各进制特点

进制表示示例

#include <stdio.h>

int main() {
    // 同一个数值的不同进制表示
    int decimal = 255;          // 十进制表示
    int binary = 0b11111111;    // 二进制表示（C99标准）
    int octal = 0377;           // 八进制表示
    int hexadecimal = 0xFF;     // 十六进制表示
    
    // 验证它们是否相等
    printf("十进制: %d\n", decimal);
    printf("二进制: %d\n", binary);
    printf("八进制: %d\n", octal);
    printf("十六进制: %d\n", hexadecimal);
    
    // 以不同进制格式输出同一个数
    int number = 100;
    printf("\n数字100的不同进制表示:\n");
    printf("十进制: %d\n", number);
    printf("八进制: %o\n", number);
    printf("十六进制: %x\n", number);
    printf("带前缀的八进制: %#o\n", number);
    printf("带前缀的十六进制: %#x\n", number);
    
    return 0;
}

8.2 进制转换实例

手动转换演示

#include <stdio.h>

// 十进制转二进制函数
void decimal_to_binary(int num) {
    printf("十进制 %d 转二进制过程:\n", num);
    
    if (num == 0) {
        printf("二进制: 0\n");
        return;
    }
    
    int binary[32];         // 存储二进制位
    int index = 0;          // 数组索引
    
    // 除2取余法
    while (num > 0) {
        binary[index] = num % 2;    // 取余数
        printf("第%d步: %d ÷ 2 = %d 余 %d\n", 
               index + 1, num, num / 2, binary[index]);
        num = num / 2;              // 取商
        index++;
    }
    
    // 逆序输出得到二进制结果
    printf("二进制结果: ");
    for (int i = index - 1; i >= 0; i--) {
        printf("%d", binary[i]);
    }
    printf("\n\n");
}

int main() {
    decimal_to_binary(25);      // 演示25转二进制的过程
    decimal_to_binary(100);     // 演示100转二进制的过程
    
    return 0;
}

9. 综合实战案例

案例：学生成绩管理系统

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

// 定义成绩等级枚举
enum Grade {
    FAIL,       // 不及格 (0-59)
    PASS,       // 及格 (60-69)
    GOOD,       // 良好 (70-84)
    EXCELLENT   // 优秀 (85-100)
};

int main() {
    // 学生信息变量
    char student_id[20];        // 学号
    int age;                    // 年龄
    float math_score;           // 数学成绩
    float english_score;        // 英语成绩
    float average;              // 平均分
    enum Grade final_grade;     // 最终等级
    bool is_passed;             // 是否通过
    
    // 输入学生信息
    printf("=== 学生成绩管理系统 ===\n");
    printf("请输入学号: ");
    scanf("%s", student_id);    // 字符串不需要&符号
    
    printf("请输入年龄: ");
    scanf("%d", &age);
    
    printf("请输入数学成绩: ");
    scanf("%f", &math_score);
    
    printf("请输入英语成绩: ");
    scanf("%f", &english_score);
    
    // 计算平均分
    average = (math_score + english_score) / 2.0f;
    
    // 判断等级
    if (average >= 85) {
        final_grade = EXCELLENT;
    } else if (average >= 70) {
        final_grade = GOOD;
    } else if (average >= 60) {
        final_grade = PASS;
    } else {
        final_grade = FAIL;
    }
    
    // 判断是否通过
    is_passed = (average >= 60);
    
    // 输出结果
    printf("\n=== 成绩报告 ===\n");
    printf("学号: %s\n", student_id);
    printf("年龄: %d岁\n", age);
    printf("数学成绩: %.1f分\n", math_score);
    printf("英语成绩: %.1f分\n", english_score);
    printf("平均分: %.1f分\n", average);
    
    // 输出等级
    printf("成绩等级: ");
    switch (final_grade) {
        case EXCELLENT:
            printf("优秀\n");
            break;
        case GOOD:
            printf("良好\n");
            break;
        case PASS:
            printf("及格\n");
            break;
        case FAIL:
            printf("不及格\n");
            break;
    }
    
    // 输出是否通过
    if (is_passed) {
        printf("考试结果: 通过\n");
    } else {
        printf("考试结果: 未通过，需要补考\n");
    }
    
    return 0;
}

10. 编程注意事项

10.1 输入法问题

在编写C语言代码时，必须使用英文输入法：

// 正确写法（英文标点）
printf("Hello World\n");

// 错误写法（中文标点）
printf（"Hello World\n"）；  // 编译错误！

10.2 变量初始化重要性

#include <stdio.h>

int main() {
    int uninitialized;          // 未初始化变量，值不确定
    int initialized = 0;        // 已初始化变量，值确定
    
    // 未初始化变量可能包含垃圾值
    printf("未初始化变量: %d\n", uninitialized);  // 输出不确定
    printf("已初始化变量: %d\n", initialized);    // 输出: 0
    
    // 正确做法：声明时就初始化
    int safe_variable = 100;
    printf("安全变量: %d\n", safe_variable);
    
    return 0;
}

10.3 数据类型选择建议

#include <stdio.h>

int main() {
    // 根据数据范围选择合适的类型
    short student_count = 50;           // 学生数量，用short足够
    int population = 1400000000;        // 人口数量，用int
    long long distance = 9460730472580800LL;  // 光年距离，用long long
    
    float temperature = 36.5f;          // 体温，用float足够
    double pi = 3.141592653589793;      // 高精度圆周率，用double
    
    char grade = 'A';                   // 单个字符，用char
    bool is_student = true;             // 逻辑值，用bool
    
    printf("学生数量: %d人\n", student_count);
    printf("人口数量: %d人\n", population);
    printf("光年距离: %lld千米\n", distance);
    printf("体温: %.1f°C\n", temperature);
    printf("圆周率: %.15f\n", pi);
    printf("成绩等级: %c\n", grade);
    printf("是否为学生: %s\n", is_student ? "是" : "否");
    
    return 0;
}

总结

本章介绍了C语言的基础概念：

1. 关键字：C语言预定义的特殊单词
2. 标识符：程序员自定义的名称
3. 变量：存储数据的内存空间
4. 数据类型：定义数据的种类和范围
5. 类型转换：不同类型间的数据转换
6. 常量：程序运行期间不变的值
7. 输入输出：与用户交互的基本方法
8. 进制系统：不同的数值表示方法

掌握这些基础知识，是学习C语言的重要基石。在实际编程中，要注意选择合适的数据类型、正确初始化变量、避免类型转换带来的精度损失，这样才能写出高质量的C语言程序。