嵌入式应用工程师——C语言基础

Posted 2023-04-06 ⁢稚子

数组

• int a[10]=0; 定义整型数组a，里面有10个元素
• char ch[20]=0; 定义字符数组ch，里面有20个字符

函数

函数的形参和实参的特点：形参变量只有在被调用时才分配内存单元，在调用结束时，即刻释放所分配的空间。

1. 函数命名方法，驼峰命名法：单词首字母大写，例如：void FindMax()
2. 外部变量、局部变量、全局变量：局部变量为在函数中定义的变量，全局变量为在函数外定义的变量，外部变量(在自定义函数中，可以采用extern 调用全局变量)

main函数

实际上，main函数可以带参数，这个参数可以认为是main函数的形参。C语言规定main函数的参数只能有2个，习惯上这两个参数写为argc和argv。arg(译：参数)
C语言还规定argc(第一个形参)必须是整型，argv(第二个形参)必须是指向字符串的指针数组。

void main(int argc, char* argv[])

static

1. 作为变量的存储类型说明符 static int a = 0：定义静态变量，只会在程序第一次执行到该语句时被初始化，只会被执行一次，其作用域仅限于定义该变量的函数内部或者文件内部，不会被其他函数或文件所访问。
2. 作为函数的存储类型说明符 static Function()：定义静态函数，这种函数只能在定义它的源文件中被调用，其他源文件中不能调用该函数。静态函数可以避免函数名的冲突，同时也可以使得程序的安全性得到提升。(比如，当在两个文件中，定义了同一个函数名，可以使用static进行修饰函数)
3. 作为外部变量和函数的作用域限定符：static可以限制外部变量和函数的作用域，使得他们只能在当前文件内部被访问。这样可以避免不同文件之间的变量或函数名的冲突，增强程序的可维护性。
   总结：static，可以用于控制变量和函数的生命周期、作用域和访问权限，从而使得程序更加安全、易于维护。static修饰的变量只会被初始化一次，之后再运行到staic int a= 0时，会自动跳过。static修饰的局部变量相当于全局变量。

预处理命令

条件编译

#ifdef 标识符
    程序段1
#else
    程序段2
#endif

防止头文件被多次引用

#ifndef LED_H
#define LED_H
*
*
#endif

// 或者这样
#pragma once //需要编译器的支持。

指针

**指针(Pointer)其实就是地址，地址就是内存编号。**其一般形式为：*变量名

int* p1;    // 表示p1是一个指针变量，它的值是某个整型变量的地址。

char *pc = "C Language"; // 并不是把整个字符串装入指针变量，而是把存放该字符串的字符数组的首地址装入指针变量pc

/*定义一个函数*/
void Function(int *pt)
    int a = *pt + 1;

// 在调用该函数时，需要传递进去变量的地址，&a

• 数组是由连续的一块内存单元组成，数组名就是这块连续内存单元的首地址。
• 通过指针引用数组元素：
  • 下表法：用a[i]形式访问数组元素
  • 指针法：采用*(a+i)或*(p+i)形式，用间接访问的方式来访问数组元素。*(p+5)或 *(a+5)就是a[5]，因为数组名就是数组元素的首地址，相当于a[0]

char、char*、char a[]、char* a[]

C语言中规定数组代表所在内存位置的首地址.
C语言中没有String这个数据类型，一般用char *表示字符串，或者用char A[]字符数组表示字符串
C语言中操作字符串是通过它在内存中的存储单元的首地址进行的，这是字符串的终极本质。

• char *s = "China";s为一个地址，字符串常量的本质表现是它的第一个字符的地址。
• char *和char a[]的本质区别：当定义char a[10]时，编译器会给数组分配10个单元，每个单元的数据类型为字符。而定义char *s时，这是个指针变量，只占4个字节，用来保存一个地址。
  总结：char *s只是一个保存字符串首地址的指针变量，char a[]是许多连续的内存单元，每个元素都是char类型
• char *s = "hello"；等价于char str[] = "hello"

字符串的表示方法

字符串没有单独的类型，所以，它可以用数组或是指针来表示。
用数组表示：

char str[] = 'b','i','t','\\0';//第一种表示方法
// 第一种写法不常用，注意加结束符 \\0
char str[] = "bit";//第二种表示方法，实际其中存储为 b i t \\0
char *parray[3];  // 存储3个字符串                

用指针表示：

char *str2 = "bit";

数组指针和指针数组

前面两个字为修饰词，类型为后面的两个字。优先级：() > [] > *

• (*p)[n]：根据优先级，先看括号内，则p是一个指针，指向一个一维数组，数组长度为n，即数组的指针，数组指针
• *p[n]：根据优先级，先看[]，则p是一个数组，再结合 *，这个数组的元素是指针类型，共n个元素，即指针的数组，指针数组
• 1个地址(指针)占4个字节

1. 数组指针：数组的指针。例如：int (*p)[3]; // p是一个指针，指向一个数组(数组元素的首地址)，数组内是3个整型数据
2. 指针数组：指针的数组，是一个数组，内容为指针。例如：int *p[3]; // p是一个数组，里面有3个元素，每个元素都是指针，指向整型数据

#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])

    const int max = 3;
    static array[] = 1, 2, 3;

    for (int i = 0; i < max; i++)
    
        printf("array[%d] = %d\\n",i,array[i]);
    

    int *p[max];
     for (int i = 0; i < max; i++)
    
        p[i] = &array[i];
        printf("array[%d] = %p\\n",i,&array[i]);
    
    return 0;

3. 指针的指针：char **p; 相当于 char *(*p)

• 变量赋值：char *s = “C Language”; // s是一个指向字符串的指针变量，把字符串的首地址赋予给s
  指针变量赋值：
  | p = &a | 把变量a的地址赋值给p |
  | ------------- | ------------------------------- |
  | p = array | 将数组array的首地址传给p |
  | p = &array[i] | 将数组array第i个元素的地址赋给p |

指针应用实例

#include <stdio.h>

int main(void)

    int a = 1;
    int *p = &a; // 绛変环浜庢崲涓€琛屽啓 p = &a
    printf("变量a的地址为: %p\\n", p);
    printf("变量a的值为: %d\\n", a);
    printf("变量a的值为: %d\\n", *p);
    return 0;

// ==================指针的运算
    static int array[] = 1, 2, 3;  // 这样每次执行时，cpu就不会再重新分配地址了
    int i;
    int *p = array; // 数组名本身就是一个指针，代表数组元素的首地址

    for (i = 0; i < 3; i++)
    
        printf("array[%d]= %p\\n", i, p + i);
        printf("array[%d]= %d\\n", i, *(p + i)); // 输出数组的值
    

// 指针的指针
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])

    int a = 1;
    int *p1;
    int **p2; // 相当于*(*p2)

    p1 = &a;
    p2 = &p1;

    printf("a= %d\\n", a);
    printf("p1 = %p\\n", p1);
    printf("p1 = %d\\n", *p1); // *表示解引用

    printf("p2 = %p\\n", p2);  //     p2 = &p1;
    printf("**p2 = %d\\n", **p2); // *表示解引用
    return 0;

指针传参

// 在调用时，采用&取地址进行变量传递
#include <stdio.h>

float average(int *array, int size)

    float sum = 0;
    for (int i = 0; i < size; i++)
    
        sum += array[i];
    
    float avg = sum / size;
    return avg;


int main(int argc, char *argv[])

    int student[] = 10,20,30;
    float avg = average(student,3); // 数组的名字就是一个指针
    printf("平均值：%f\\n",avg);
    return 0;

函数返回指针变量

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int *GetNumber()

    static int array[10] = 0;             // C语言不支持调用函数时返回局部变量的地址，所以加一个static
    int size = sizeof(array) / sizeof(int); // 数组大小的计算
    srand(time(NULL));                      // 随机种子

    for (int i = 0; i < size; i++)
    
        array[i] = rand();
        printf("%d\\n", array[i]);
    
    return array; // 数组名就是一个指针地址


int main()

    int *p = GetNumber();

    for (int i = 0; i < 10; i++)
    
        printf("*(p+[%d]) =%d\\n ", i, *(p + i));
    
    return 0;

结构体、联合体、枚举

结构体(struct)、联合体(union)、枚举(enum)

结构体

• 结构体指针变量的说明和使用：结构指针变量中的值是所指向的结构变量的首地址。 struct 结构名* 结构指针变量名

struct stu *pstu;

• 结构名只能表示一个结构形式，编译系统并不对它分配内存空间，结构指针变量访问成员：

(*pstu).num; // 或pstu->num

为了提高程序的运行效率，最好的办法是使用指针，即用指针变量作为函数参数进行传送，这时由实参传向形参的只是地址，从而减少了时间和空间的开销。

结构体应用实例

示例：结构体赋值

#include <stdio.h>

typedef struct

    int num;
    char name[20];
    char sex;
    int age;
    float score;
    char address[30];
 Student;

int main()

    Student stu = 0; // 结构体实例化
    // stu.name = "张三";  报错，字符串采用下面这种方法进行赋值
    strcpy_s(stu.name, "张三"); // _s表示安全类型
    stu.age = 1;
    stu.sex = 'M'; // 字符类型赋值

    return 0;

示例：结构体指针的应用(重要)

#include <stdio.h>

typedef struct

    int num;
    char name[20];
    char sex;
    int age;
    float score;
    char address[30];
 Student;

/*采用指针的方式进行结构体实例化，调用时可以提高程序的运行效率*/
Student *stu;

int main()

    stu->age = 1;
    stu->sex = 'M';
    strcpy(stu->name, "张三");
    return 0;

示例：结构体指针形参

#include <stdio.h>

typedef struct

    int num;
    char name[20];
    char sex;
    int age;
    float score;
    char address[30];
 Student;

Student stu;

// 如果不用指针，相当于把整个结构体传入过去，使用指针只传递地址就行，大大提升了程序的运行速度
void Print_Student(Student *pt)

    printf("age = %d\\n", pt->age);
    printf("name = %s\\n", pt->name);


int main()

    stu.age = 1;
    strcpy(stu.name, "张三");
    Print_Student(&stu);
    return 0;

共用体(联合体)

结构体与共用体的区别：

1. 结构体：每个成员变量都有自己的内存地址，可以独立地被访问和修改
2. 共用体：所有成员变量共享同一块内存空间(共用体的大小等于其最大成员的大小)，因此只能同时访问一个成员变量，修改一个成员变量的值将影响其他成员变量的值。
3. 结构体的成员变量可以同时存在多个，它们之间没有任何关系；而共用体的成员变量虽然在同一块内存中，但是它们之间的关系是互斥的，每次只有一个成员变量可以被访问

枚举

枚举只是一种基本的数据类型，不是一种构造函数，枚举值是常量，不是变量，可以让数据简洁和已读。注：第一个枚举成员的值为整型0(也可以把第一个元素定义为1)，后面的成员值+1。
定义形式

enum 枚举名枚举值表；
例如：
enum weekdaysun,mou,tue,wed,thu,fri,sat;
enum weekday a,b,c;
或者为：
enum weekdaysun,mou,tue,wed,thu,fri,sat a,b,c;
或者为：
enum sun,mou,tue,wed,thu,fri,sat a,b,c;

#include <stdio.h>
enum DAY
      MON=1, TUE, WED, THU, FRI, SAT, SUN
 day;
int main()
    // 遍历枚举元素
    for (day = MON; day <= SUN; day++) 
        printf("枚举元素：%d \\n", day);
    

动态内存分配函数

最常用的内存管理函数是malloc，调用格式：(类型说明符*) malloc(size)
功能：在内存的动态存储区中分配一块长度为 size 字节的联系区域，函数的返回值为该区域的首地址。例如：

pc = (char*)malloc(100);
表示分配100个字节的内存空间，并强制转换为字符数组类型，函数的返回值为指向该字符数组的指针，把该指针赋予指针变量pc

释放内存空间函数free

调用形式：free(void *ptr);
功能：释放ptr所指向的一块内存空间，被释放区应是由malloc或calloc函数所分配的区域。

动态内存管理

malloc():memory, allocation,内存分配

位域

位域的分配方式分配空间只能用在结构体和类中。

// 进行位域划分，一个int为4个字节，32bit
// 使用方法，在变量名后加一个：即可
struct Date
  int year:12;  //分配12个bit
  int month:4;  // 分配4个字节
  int day:5;  // ....
  int hour:5;
  int minute:6;
  int second:6;
;

内存分区与函数类型

由C/C++编译的程序占用的内存分为以下几个部分：

1. 栈区(stack):由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等
2. 堆区(heap):由程序员分配释放内存，若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收。注：与数据结构中的堆不同，分配方式类似于链表
3. 数据区:主要包括静态全局区(static)和常量区
4. 代码区:存放函数体的二进制代码

内存操作函数

1. malloc()函数：memory allocation，动态内存分配，用于申请一块连续的指定大小的内存，new()也是申请动态内存
2. calloc()函数：malloc 和 calloc 之间的不同点是，malloc 不会设置内存为零，而 calloc 会设置分配的内存为零。
3. free()函数：释放内存
4. memcpy()函数：拷贝内存
5. memmove()函数：memove(dest,src,3) // 把src中前3个字符复制给dest
6. memset()函数：memset(str,‘A’,4) // 把字符串的前4为设为A，注意要填写ASCII

深拷贝与浅拷贝

• 浅拷贝：多个指针指向同一段内存；直接赋值，例如定义两个字符串，parray[i] = myarray; int a = b;这些都属于浅拷贝，浅拷贝使用比较频繁
• 深拷贝：每个指针指向单独的内存；例如strcpy(dst,str);
  假设B复制了A，当修改A时，看B是否会发生变化。如果B也跟着变了，则是浅拷贝，如果B没变，则是深拷贝。

嵌入式C语言面向对象编程 --- 封装

大部分使用 C 语言进行开发的工程师，在接触更高级的编程语言之前，都认为 C 语言是面向过程的。事实也是如此，对于一些小规模的单片机应用程序，一般都是使用“面向过程”的思维进行单片机C语言编程开发。

但是，如果是需要用C语言开发一些规模比较大的软件的时候，比如操作系统内核，文件系统底层，数据库底层，等等，这个时候，就需要用面向对象的思想去考虑和设计整个软件框架了。

嵌入式Linux的内核，虽然是使用 C 语言编写的，但里面的设计大部分都使用了面向对象的编程思想。

 图片来源公众号：码农翻身

很多单片机工程师或者嵌入式Linux驱动初学者，有时候会觉得驱动入门特别困难，很大一部分原因是，他们会用“过程式思维”去尝试学习驱动框架和内核框架，而非从“整体对象”的思维方向出发，这样容易导致水土不服。

任何编程语言只是一种工具，而编程思想是指导我们用好这个工具的关键。C 语言只是工具，而面向对象是一种编程思想，用来指导我们如何用从另一种思维模式去使用 C 语言。