C语言编程基础：格式化输出、循环、符号常量及字符处理

### C语言编程基础：格式化输出、循环、符号常量及字符处理 #### 1. 格式化输出说明 在C语言中，`printf` 函数的格式化说明符有多种用法，宽度和精度可以省略。以下是一些常见的格式化说明符及其作用： | 说明符 | 作用 | | ---- | ---- | | `%6f` | 以浮点数形式输出，宽度至少为6个字符 | | `%.2f` | 以浮点数形式输出，小数点后保留2位，宽度无限制 | | `%f` | 以浮点数形式输出 | | `%d` | 以十进制整数形式输出 | | `%6d` | 以十进制整数形式输出，宽度至少为6个字符 | | `%6.2f` | 以浮点数形式输出，宽度至少为6，小数点后保留2位 | 此外，`printf` 还支持 `%o`（八进制）、`%x`（十六进制）、`%c`（字符）、`%s`（字符串）和 `%%`（百分号本身）。 #### 2. for 循环语句 对于特定任务，编写程序有多种方式。以温度转换程序为例，使用 `for` 循环可以有不同的实现方式。 ```c #include <stdio.h> /* print Fahrenheit-Celsius table */ main() { int fahr; for (fahr = 0; fahr <= 300; fahr = fahr + 20) printf("%3d %6.1f\n", fahr, (5.0/9.0)*(fahr-32)); } ``` 与之前的实现相比，此版本消除了大部分变量，仅保留 `fahr` 并将其定义为 `int` 类型。下限、上限和步长仅作为 `for` 循环中的常量出现，计算摄氏度的表达式作为 `printf` 的第三个参数，而不是单独的赋值语句。 `for` 循环是 `while` 循环的一种泛化形式。其结构包含三个部分，用分号分隔： 1. **初始化**：在进入循环体之前执行一次，如 `fahr = 0`。 2. **条件判断**：控制循环的执行，如 `fahr <= 300`。若条件为真，则执行循环体；若为假，则终止循环。 3. **增量操作**：每次循环体执行后执行，如 `fahr = fahr + 20`。 `while` 和 `for` 循环的选择取决于哪种方式更清晰。`for` 循环通常适用于初始化和增量操作是单个语句且逻辑相关的情况，因为它比 `while` 循环更紧凑，且将循环控制语句集中在一处。 以下是 `for` 循环的执行流程 mermaid 流程图： ```mermaid graph TD; A[开始] --> B[初始化]; B --> C{条件判断}; C -- 真 --> D[执行循环体]; D --> E[增量操作]; E --> C; C -- 假 --> F[结束]; ``` #### 3. 符号常量 在程序中使用“魔法数字”（如 300 和 20）是不好的做法，因为它们对后续阅读程序的人传达的信息较少，且难以系统地修改。可以使用 `#define` 语句为这些数字定义有意义的符号常量。 ```c #include <stdio.h> #define LOWER 0 /* lower limit of table */ #define UPPER 300 /* upper limit */ #define STEP 20 /* step size */ /* print Fahrenheit-Celsius table */ main() { int fahr; for (fahr = LOWER; fahr <= UPPER; fahr = fahr + STEP) printf("%3d %6.1f\n", fahr, (5.0/9.0)*(fahr-32)); } ``` `LOWER`、`UPPER` 和 `STEP` 是符号常量，不是变量，因此不需要在声明中出现。符号常量名通常用大写字母表示，以便与小写变量名区分。注意，`#define` 语句末尾没有分号。 #### 4. 字符输入输出 标准库支持的输入输出模型非常简单，文本输入输出被视为字符流。标准库提供了一些逐字符读写的函数，其中 `getchar` 和 `putchar` 是最简单的。 - `getchar`：每次调用时，从文本流中读取下一个输入字符并返回该字符的值。 - `putchar`：每次调用时，将整数变量 `c` 的内容作为字符输出，通常显示在屏幕上。 ##### 4.1 文件复制 利用 `getchar` 和 `putchar` 可以编写简单的文件复制程序。 ```c #include <stdio.h> /* copy input to output; 1st version */ main() { int c; c = getchar(); while (c != EOF) { putchar(c); c = getchar(); } } ``` 这里使用 `int` 类型的变量 `c` 是为了区分输入结束符 `EOF` 和有效数据。`EOF` 是在 `<stdio.h>` 中定义的整数，其具体数值不重要，只要与任何 `char` 值不同即可。 更简洁的实现方式如下： ```c #include <stdio.h> /* copy input to output; 2nd version */ main() { int c; while ((c = getchar()) != EOF) putchar(c); } ``` 在这个版本中，将字符赋值给 `c` 的操作放在 `while` 循环的测试部分，使程序更紧凑。 ##### 4.2 字符计数 字符计数程序与文件复制程序类似，以下是两种实现方式： ```c #include <stdio.h> /* count characters in input; 1st version */ main() { long nc; nc = 0; while (getchar() != EOF) ++nc; printf("%ld\n", nc); } ``` ```c #include <stdio.h> /* count characters in input; 2nd version */ main() { double nc; for (nc = 0; getchar() != EOF; ++nc) ; printf("%.0f\n", nc); } ``` 使用 `long` 或 `double` 类型的变量是为了处理可能较大的输入量，避免 `int` 类型溢出。 ##### 4.3 行计数 行计数程序通过统计换行符的数量来计算输入的行数。 ```c #include <stdio.h> /* count lines in input */ main() { int c, nl; nl = 0; while ((c = getchar()) != EOF) if (c == '\n') ++nl; printf("%d\n", nl); } ``` 在这个程序中，使用 `==` 进行相等判断，要注意与赋值运算符 `=` 区分。 ##### 4.4 单词计数 单词计数程序统计输入中的行数、单词数和字符数。 ```c #include <stdio.h> #define IN 1 /* inside a word */ #define OUT 0 /* outside a word */ /* count lines, words, and characters in input */ main() { int c, nl, nw, nc, state; state = OUT; nl = nw = nc = 0; while ((c = getchar()) != EOF) { ++nc; if (c == '\n') ++nl; if (c == ' ' || c == '\n' || c == '\t') state = OUT; else if (state == OUT) { state = IN; ++nw; } } printf("%d %d %d\n", nl, nw, nc); } ``` 使用符号常量 `IN` 和 `OUT` 使程序更易读。`||` 表示逻辑或，`&&` 表示逻辑与，表达式按从左到右的顺序计算，一旦确定真假就停止计算。 #### 5. 数组的使用 可以编写一个程序来统计每个数字、空白字符（空格、制表符、换行符）和其他字符的出现次数。 ```c #include <stdio.h> /* count digits, white space, others */ main() { int c, i, nwhite, nother; int ndigit[10]; nwhite = nother = 0; for (i = 0; i < 10; ++i) ndigit[i] = 0; while ((c = getchar()) != EOF) if (c >= '0' && c <= '9') ++ndigit[c-'0']; else if (c == ' ' || c == '\n' || c == '\t') ++nwhite; else ++nother; printf("digits ="); for (i = 0; i < 10; ++i) printf(" %d", ndigit[i]); printf(", white space = %d, other = %d\n", nwhite, nother); } ``` 在C语言中，数组下标从0开始，因此 `ndigit` 数组的元素为 `ndigit[0]` 到 `ndigit[9]`。通过 `c - '0'` 可以得到字符 `c` 对应的数字值，作为数组的有效下标。 以下是字符分类判断的 mermaid 流程图： ```mermaid graph TD; A[开始] --> B{是否为数字}; B -- 是 --> C[ndigit[c-'0'] 加1]; B -- 否 --> D{是否为空白字符}; D -- 是 --> E[nwhite 加1]; D -- 否 --> F[nother 加1]; C --> G{是否结束}; E --> G; F --> G; G -- 否 --> B; G -- 是 --> H[结束]; ``` 通过以上内容，我们学习了C语言中的格式化输出、`for` 循环、符号常量、字符处理以及数组的使用等基础知识，这些知识在实际编程中非常实用。后续可以通过练习相关的习题，进一步巩固这些知识。 ### C语言编程基础：格式化输出、循环、符号常量及字符处理 #### 6. 习题解析 为了更好地掌握前面所学的知识，下面对相关习题进行解析。 ##### 6.1 习题1 - 3：修改温度转换程序，在表格上方打印标题 要实现这个功能，只需要在原有的温度转换程序中添加打印标题的语句即可。以下是修改后的代码： ```c #include <stdio.h> /* print Fahrenheit-Celsius table */ main() { int fahr; printf("Fahrenheit Celsius\n"); for (fahr = 0; fahr <= 300; fahr = fahr + 20) printf("%3d %6.1f\n", fahr, (5.0/9.0)*(fahr-32)); } ``` 在这个程序中，首先使用 `printf` 函数打印了表格的标题 “Fahrenheit Celsius”，然后再进行温度转换表格的输出。 ##### 6.2 习题1 - 4：编写程序打印对应的摄氏度到华氏度表格 摄氏度到华氏度的转换公式为 $F = \frac{9}{5}C + 32$，根据这个公式可以编写如下程序： ```c #include <stdio.h> /* print Celsius-Fahrenheit table */ main() { int celsius; printf("Celsius Fahrenheit\n"); for (celsius = 0; celsius <= 100; celsius = celsius + 10) printf("%3d %6.1f\n", celsius, (9.0/5.0)*celsius + 32); } ``` 在这个程序中，使用 `for` 循环从 0 到 100 以 10 为步长遍历摄氏度的值，然后根据转换公式计算对应的华氏度，并使用 `printf` 函数输出表格。 ##### 6.3 习题1 - 5：修改温度转换程序，以逆序打印表格 要实现逆序打印表格，只需要修改 `for` 循环的初始化、条件和增量部分。以下是修改后的代码： ```c #include <stdio.h> /* print Fahrenheit-Celsius table in reverse order */ main() { int fahr; printf("Fahrenheit Celsius\n"); for (fahr = 300; fahr >= 0; fahr = fahr - 20) printf("%3d %6.1f\n", fahr, (5.0/9.0)*(fahr-32)); } ``` 在这个程序中，`for` 循环从 300 开始，每次减 20，直到 0 为止，从而实现了表格的逆序输出。 ##### 6.4 习题1 - 6：验证表达式 `getchar() != EOF` 的值为 0 或 1 可以编写一个简单的程序来验证这个表达式的值： ```c #include <stdio.h> main() { int result; result = (getchar() != EOF); printf("%d\n", result); } ``` 在这个程序中，首先读取一个字符，然后判断该字符是否为 `EOF`，将判断结果赋值给 `result` 变量，最后使用 `printf` 函数输出结果。如果读取的字符不是 `EOF`，则结果为 1；如果是 `EOF`，则结果为 0。 ##### 6.5 习题1 - 7：编写程序打印 `EOF` 的值 ```c #include <stdio.h> main() { printf("%d\n", EOF); } ``` 这个程序非常简单，直接使用 `printf` 函数打印 `EOF` 的值。 ##### 6.6 习题1 - 8：编写程序统计空白、制表符和换行符的数量 ```c #include <stdio.h> main() { int c, blanks, tabs, newlines; blanks = tabs = newlines = 0; while ((c = getchar()) != EOF) { if (c == ' ') ++blanks; else if (c == '\t') ++tabs; else if (c == '\n') ++newlines; } printf("Blanks: %d, Tabs: %d, Newlines: %d\n", blanks, tabs, newlines); } ``` 在这个程序中，使用 `while` 循环读取输入字符，根据字符的类型分别对空白、制表符和换行符的数量进行统计，最后输出统计结果。 ##### 6.7 习题1 - 9：编写程序将输入复制到输出，将一个或多个连续的空白替换为单个空白 ```c #include <stdio.h> main() { int c, in_blank; in_blank = 0; while ((c = getchar()) != EOF) { if (c == ' ') { if (!in_blank) { putchar(c); in_blank = 1; } } else { putchar(c); in_blank = 0; } } } ``` 在这个程序中，使用 `in_blank` 变量来标记是否处于连续空白的状态。如果读取到空白字符，且当前不在连续空白状态，则输出该空白字符并标记为处于连续空白状态；如果读取到非空白字符，则输出该字符并标记为不在连续空白状态。 ##### 6.8 习题1 - 10：编写程序将输入复制到输出，将每个制表符替换为 `\t`，每个退格符替换为 `\b`，每个反斜杠替换为 `\\` ```c #include <stdio.h> main() { int c; while ((c = getchar()) != EOF) { if (c == '\t') { putchar('\\'); putchar('t'); } else if (c == '\b') { putchar('\\'); putchar('b'); } else if (c == '\\') { putchar('\\'); putchar('\\'); } else { putchar(c); } } } ``` 在这个程序中，使用 `while` 循环读取输入字符，根据字符的类型进行相应的替换和输出。如果读取到制表符、退格符或反斜杠，则分别输出对应的转义字符；如果读取到其他字符，则直接输出该字符。 ##### 6.9 习题1 - 11：如何测试单词计数程序？哪些类型的输入最有可能发现潜在的错误？ 测试单词计数程序可以从以下几个方面进行： - **正常输入**：输入包含不同数量的单词、行和字符的文本，检查程序的输出是否正确。 - **边界情况**：输入空文本、只有一个单词的文本、只有一行的文本等，检查程序是否能正确处理这些边界情况。 - **特殊字符**：输入包含特殊字符（如标点符号、非字母数字字符）的文本，检查程序是否能正确识别单词。 最有可能发现潜在错误的输入类型包括： - **连续的空白字符**：检查程序是否能正确处理连续的空白字符，避免将其误判为多个单词。 - **特殊字符和空白字符的组合**：检查程序是否能正确识别包含特殊字符和空白字符的单词。 - **空输入**：检查程序在输入为空时是否能正确输出结果。 ##### 6.10 习题1 - 12：编写程序每行输出一个单词 ```c #include <stdio.h> #define IN 1 /* inside a word */ #define OUT 0 /* outside a word */ main() { int c, state; state = OUT; while ((c = getchar()) != EOF) { if (c == ' ' || c == '\t' || c == '\n') { if (state == IN) { putchar('\n'); state = OUT; } } else { if (state == OUT) state = IN; putchar(c); } } if (state == IN) putchar('\n'); } ``` 在这个程序中，使用 `state` 变量来标记是否处于单词内部。如果读取到空白字符，且当前处于单词内部，则输出换行符并标记为不在单词内部；如果读取到非空白字符，且当前不在单词内部，则标记为处于单词内部并输出该字符。最后，如果最后一个字符是单词的一部分，则输出换行符。 #### 7. 总结 通过前面的学习和习题练习，我们对C语言的一些基础知识有了更深入的理解。以下是对所学内容的总结： | 知识点 | 描述 | | ---- | ---- | | 格式化输出 | `printf` 函数的格式化说明符可以控制输出的格式，宽度和精度可以省略。 | | `for` 循环 | 是 `while` 循环的泛化形式，适用于初始化和增量操作是单个语句且逻辑相关的情况。 | | 符号常量 | 使用 `#define` 语句定义有意义的符号常量，避免使用“魔法数字”。 | | 字符输入输出 | `getchar` 和 `putchar` 函数可以实现逐字符的输入输出，`EOF` 用于表示输入结束。 | | 数组 | 用于存储多个相同类型的元素，下标从 0 开始。 | 在实际编程中，我们可以灵活运用这些知识来解决各种问题。同时，通过不断地练习习题，可以提高我们的编程能力和解决问题的能力。希望大家在今后的学习中能够继续深入探索C语言的奥秘。 以下是整个学习过程的 mermaid 流程图： ```mermaid graph LR; A[学习格式化输出] --> B[学习 for 循环]; B --> C[学习符号常量]; C --> D[学习字符输入输出]; D --> E[学习数组的使用]; E --> F[练习习题]; F --> G[总结知识]; ``` 通过这个流程图，我们可以清晰地看到整个学习过程的步骤和顺序。从基础知识的学习到实际的习题练习，再到最后的知识总结，形成了一个完整的学习闭环。希望大家在学习过程中能够按照这个流程，逐步掌握C语言的编程技巧。