实验1：C语言

截止日期：1月31日星期六晚上11:59:59 PT

在你来实验1之前，请确保你熟悉使用自己选择的文本编辑器在hive上编辑文件。本实验旨在让你熟悉基本的C语言概念，并为项目1做准备。

我们希望你的提交遵循问题的精神。如果你的提交不符合问题的精神（例如，硬编码正确输出而不应用本实验介绍的任何概念），我们可能会手动评分你的提交。如果你觉得可能违反问题的精神，请随时在Ed上提出私人问题或询问你的实验助教(TA)。

实验幻灯片

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设置

在你的 labs directory, 拉取你在过去实验中可能做的任何更改：

git pull origin main

仍然在你的 labs 目录中，使用以下命令拉取此实验的文件：

git pull starter main

如果你遇到如下错误：

fatal: 'starter' does not appear to be a git repository
fatal: Could not read from remote repository.

请确保按如下方式设置starter远程仓库：

git remote add starter https://github.com/61c-teach/sp26-lab-starter.git

然后再次运行原始命令。

如果你遇到任何git错误，请查看常见错误页面。

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练习1：你好！

编译和运行C程序

在本实验中，我们将使用命令行程序gcc来编译C语言程序。使用以下命令编译练习1的代码（确保你已经cd进入正确的目录）

gcc ex1_hello.c

这将ex1_hello.c编译成一个名为a.out的可执行文件。如果你上过CS61B或有Java经验，你可以把gcc看作是C语言版本的javac。可以使用以下命令运行此文件：

./a.out

可执行文件是a.out，那么./是用来做什么的？答案：当你想要执行一个可执行文件时，你需要在可执行文件名称前添加路径。点号指的是"当前目录"。双点号(..)指的是上一级目录。

gcc有各种命令行选项，我们鼓励你探索。然而在本实验中，我们只使用-o，它用于指定gcc创建的可执行文件的名称。默认情况下，gcc生成的可执行文件名为a.out。你可以使用以下命令将ex1_hello.c编译成名为ex1_hello的程序，然后运行它。如果你不希望所有可执行文件都命名为a.out，这很有帮助。

gcc -o ex1_hello ex1_hello.c
./ex1_hello

此时，你应该看到字符串Hello World被打印出来。如果你编辑源代码（如ex1_hello.c），你必须使用gcc重新编译程序以生成新的可执行文件，否则可执行文件仍将运行旧的源代码。

编辑 ex1_hello.c（使用你选择的编辑器），使程序打印字符串"Hello 61C"而不是"Hello World"。确保保存你编辑的文件，但暂时不要重新编译。

运行可执行文件，使用./ex1_hello。你应该仍然看到Hello World，这是旧的输出。

现在，使用gcc -o ex1_hello ex1_hello.c重新编译你的程序，然后再次使用./ex1_hello运行可执行文件。你现在应该看到Hello 61C。

复习：指针

指针是一个变量，其值是另一个变量的内存地址。请注意，每个变量声明始终位于内存中，每个元素都有一个对应的地址。可以把它想象成一个数组：每个变量值都包含在特定的数组索引（地址）上，而指向该变量的指针是同一个数组中的另一个变量，它包含它所指向的变量的索引（地址）。

考虑以下示例：

int main() {
    int my_var = 20;
    int* my_var_p;
    my_var_p = &my_var;
}

第一行，我们声明了一个名为my_var的int变量，然后赋值为20。这个值20将被放置在内存中的某个位置。

第二行，我们声明了一个名为my_var_p的int指针变量。请注意，你也可以写成int *my_var_p，其中星号紧贴变量名而不是变量类型。

第三行，我们将my_var_p赋值为等于my_var的地址。这是通过在my_var变量前使用&运算符完成的。此时，变量my_var_p中包含的值是变量my_var在内存中的地址。

请注意，无论何时你想改变my_var的值，你可以直接通过修改my_var来实现。

my_var += 2;

或者，你也可以通过解引用my_var_p来改变my_var的值

*my_var_p += 2;

简而言之，&x获取x的地址，而*x获取地址x处的内容。

在本节中，假设sizeof(int) == 4。以下是一个更完整的示例：

int main() {
    int my_var = 20;
    int* my_var_p;
    my_var_p = &my_var;

    printf("Address of my_var: %p\n", my_var_p);
    printf("Address of my_var: %p\n", &my_var);
    printf("Address of my_var_p: %p\n", &my_var_p);

    *my_var_p += 2;

    printf("my_var: %d\n", my_var);
    printf("my_var: %d\n", *my_var_p);
}

此代码的示例执行结果如下：

Address of my_var: 0xebafb32c
Address of my_var: 0xebafb32c
Address pf my_var_p: 0xebafb330
my_var: 22
my_var: 22

第一行打印my_var_p的值，它被赋值为变量my_var的地址。

第二行显示my_var_p确实等于&my_var，即变量my_var的地址。

第三行打印my_var_p的地址。请注意，由于my_var_p本身实际上是一个变量（变量类型是int指针），因此它也必须放置在内存中的某个位置。因此，打印&my_var_p可以让我们看到my_var_p变量在内存中的位置。

在前三个打印输出之后，我们使用*my_var_p间接改变了my_var的值。由于my_var_p是指向my_var的指针（即my_var_p是my_var的地址），执行*my_var_p允许我们修改my_var_p中地址处的内容。

第四行显示我们确实修改了my_var，因为值现在是22。 第五行确认*my_var_p确实等于my_var。

如果我们执行以下操作会发生什么：my_var_p += 2？

my_var_p是指向int的指针。sizeof(int) = 4。因此，指针算术将添加2 * 4 = 8。 my_var_p中的值更新为0x7fffebafb32c + 8 = 0x7fffebafb334

执行my_var_p += 2后，&my_var_p的值是多少？

my_var_p的地址将保持不变：0x7fffebafb330

执行my_var_p += 2后，如果我们尝试打印*my_var_p的值会发生什么？

由于my_var_p的值已更改，它现在指向内存中的不同位置。行为是未定义的。它要么打印该特定内存位置上的垃圾数据，要么如果您尝试访问受保护的内存段，程序将因段错误而崩溃。

练习2：指针和函数

编辑 ex2_pointers_and_functions.c（使用你选择的编辑器）并填空。如果卡住了，可以参考指针复习部分。

编译并运行程序，检查输出是否符合预期。如果需要复习gcc，请参考练习1。

复习：数组

数组是一种固定长度的数据结构，可以容纳一个或多个相同类型的元素。与列表不同，数组在添加元素时不会自动调整大小。 在C语言中，数组名称与第一个元素的地址是同义词。数组的每个元素都存储在内存中，并且它们存储在连续的内存位置（并排）。数组在函数中使用时会退化为指针。这个指针本身不足以推断数组的长度，因此如果需要跟踪数组的长度，必须使用另一个变量。 你可以对指针执行算术运算来访问数组的不同元素。回想一下，指针只是一个地址，因此如果你对地址进行加法或减法运算，就可以获得数组中后面或前面元素的地址。

练习3：数组

编辑 ex3_arrays.c（使用你选择的编辑器）并填空。如果卡住了，可以参考数组部分。

编译并运行程序，检查输出是否符合预期。

阅读程序的输出。注意数组起始地址和索引2的地址之间的关系（提示：它们相差两个字节）。

复习：指针算术

在练习3中，你的程序在计算索引2的地址时执行了基本的指针算术。这之所以有效，是因为每个元素的大小是1字节（因为int8_t的大小是1字节）。然而，你将处理的大多数类型在内存中占用超过1字节。

执行指针算术时，C语言会自动考虑指针的类型并添加正确的字节数。例如，如果你写ptr + 5，C语言不会总是将5添加到ptr。相反，C语言将添加5乘以ptr指向的数据类型的大小。如果ptr是int*，且int在内存中占用4字节，则ptr + 5将向ptr中保存的地址添加20。

练习4：指针算术

编辑 ex4_pointer_arithmetic.c（使用你选择的编辑器）并填空。如果卡住了，可以参考数组复习部分。你的解决方案应该与练习3类似。

编译并运行程序，检查输出是否符合预期。

阅读程序的输出。注意数组起始地址和索引2的地址之间的关系与上一个练习中的关系不同。

复习：字符串

在C语言中，字符串表示为char数组。字符串是一种特殊类型的char数组，因为它们总是以空终止符(\0)结尾。回想一下，C语言中的数组不包含任何关于其长度的信息，因此空终止符允许我们确定字符串何时结束。

为字符串分配内存时，必须有足够的内存来存储字符串中的字符以及空终止符。否则，您可能会遇到未定义行为。然而，数组可能比它存储的字符串大。

C语言有一个用于操作字符串的函数库，例如：

• strlen：通过计算空终止符之前的字符数来计算字符串的长度
• strcpy：将字符串从一个内存位置复制到另一个内存位置，一次复制一个字符，直到到达空终止符（空终止符也会被复制）

练习5：字符串

编辑 ex5_strings.c（使用你选择的编辑器）并填空。如果卡住了，可以参考字符串复习部分。

编译并运行程序，检查输出是否符合预期。

练习6：结构体

编辑 ex6_structs.c（使用你选择的编辑器）并填空。

编译并运行程序，检查输出是否符合预期。

可选：typedefs

有时，您可能会在声明结构体时看到typedef：

typedef struct {
    int id;
} Student;

在这些情况下，您可以使用Student作为类型，而不是struct Student。我们不会在这里详细介绍，但如果您感兴趣，可以查看此链接。

练习7：反思与反馈表

我们每周都在努力改进课程——请填写此调查，告诉我们您迄今为止在CS 61C课程中的体验！

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提交

保存、提交并推送您的工作，然后在Gradescope上提交到实验1作业。

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常见问题

什么是头文件？

头文件允许您在不同的源文件之间共享函数和宏。有关更多信息，请参阅GCC头文件文档。

什么是空终止符？

空终止符是用于表示C语言中字符串结束的字符。空终止符写为'\0'。空终止符的ASCII值是0。当您创建字符数组时，应该像这样用空终止符终止数组

char my_str[] = {'e', 'x', 'a', 'm', 'p', 'l', 'e', '\0'};

如果您使用双引号创建字符串，空终止符会隐式添加，因此您不应该自己添加它。例如：

char *my_str = "example";

什么是可执行文件？

可执行文件是由二进制代码组成的文件，可以在您的计算机上执行。可执行文件是通过编译源代码创建的。

什么是strlen？

有关完整说明，请参阅man手册页。在终端中输入以下内容

man strlen

要退出man手册页，按q键。

什么是宏？

宏是一段有名称的文本。每当这个名称出现在代码中时，预处理器会将该名称替换为文本。宏用#define表示。例如：

#define ARR_SIZE 1024
#define min(X, Y)  ((X) < (Y) ? (X) : (Y))

int main() {
    int arr1[ARR_SIZE];
    int arr2[ARR_SIZE];
    int arr3[ARR_SIZE];

    for (int i = 0; i < ARR_SIZE; ++i) {
        arr3[i] = min(arr1[i], arr2[i]);
    }
}

在此代码中，预处理器将把ARR_SIZE替换为1024，并将

arr3[i] = min(arr1[i], arr2[i]);

替换为

arr3[i] = ((arr1[i]) < (arr2[i]) ? (arr1[i]) : (arr2[i]));

宏可以比上面的示例复杂得多。您可以在GCC文档中找到更多信息

什么是段错误？

当您尝试访问"不属于您"的内存时，就会发生段错误。有几种情况会导致段错误，包括：

1. 访问数组越界。请注意，访问数组越界并不总是导致段错误。段错误发生的索引在某种程度上是不可预测的。
2. 解引用空指针。
3. 访问已被free的指针（free不在本实验的范围内）。
4. 尝试写入只读内存。例如，使用以下语法创建的字符串是只读的。这意味着您无法在创建字符串后更改其值。换句话说，它是不可变的。

char *my_str = "Hello";

然而，使用以下语法创建的字符串是可变的。

char my_str[] = "hello";

为什么第一个字符串是不可变的而第二个字符串是可变的？第一个字符串存储在内存的数据部分，这是只读的，而第二个字符串存储在堆栈上。