C 程序结构

理解 C 程序的基本结构是学习 C 语言的重要基础。本章将详细介绍 C 程序的组成部分、执行流程和基本语法规则。

C 程序的基本结构

最简单的 C 程序

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello, World!\n");
    return 0;
}

完整的 C 程序结构

/* 
 * 程序名称: complete_example.c
 * 作者: 程序员
 * 描述: 完整的 C 程序结构示例
 */

// 1. 预处理指令
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX_SIZE 100
#define PI 3.14159

// 2. 全局变量声明
int global_counter = 0;
char program_name[] = "Complete Example";

// 3. 函数声明（原型）
int add_numbers(int a, int b);
void print_header(void);
void print_footer(void);

// 4. 主函数
int main() {
    // 局部变量声明
    int num1 = 10;
    int num2 = 20;
    int result;
    
    // 函数调用
    print_header();
    
    // 计算和输出
    result = add_numbers(num1, num2);
    printf("Result: %d + %d = %d\n", num1, num2, result);
    
    print_footer();
    
    return 0;  // 程序正常结束
}

// 5. 函数定义
int add_numbers(int a, int b) {
    global_counter++;
    return a + b;
}

void print_header(void) {
    printf("=== %s ===\n", program_name);
    printf("Program started.\n");
}

void print_footer(void) {
    printf("Function calls: %d\n", global_counter);
    printf("Program ended.\n");
}

程序结构详解

1. 预处理指令

预处理指令以 # 开头，在编译前由预处理器处理。

头文件包含

#include <stdio.h>    // 标准库头文件，使用尖括号
#include "myheader.h" // 用户自定义头文件，使用双引号

宏定义

#define MAX_SIZE 100           // 简单宏
#define SQUARE(x) ((x) * (x))  // 函数式宏
#define DEBUG 1                // 条件编译标志

// 使用宏
int array[MAX_SIZE];
int area = SQUARE(5);  // 展开为 ((5) * (5))

条件编译

#ifdef DEBUG
    printf("Debug mode enabled\n");
#endif

#ifndef MAX_SIZE
    #define MAX_SIZE 50
#endif

#if MAX_SIZE > 100
    #error "MAX_SIZE too large"
#endif

2. 全局声明

全局变量

// 全局变量声明和初始化
int global_var = 42;           // 初始化的全局变量
int uninitialized_global;     // 未初始化（自动初始化为0）
static int file_scope_var;    // 文件作用域变量
extern int external_var;      // 外部变量声明

常量定义

const int MAX_USERS = 1000;   // 只读变量
const char* PROGRAM_VERSION = "1.0.0";

3. 函数声明

函数原型告诉编译器函数的名称、返回类型和参数类型。

// 函数声明语法
返回类型 函数名(参数类型1 参数名1, 参数类型2 参数名2, ...);

// 示例
int calculate_sum(int a, int b);           // 有参数有返回值
void print_message(char* message);         // 有参数无返回值
int get_random_number(void);               // 无参数有返回值
void initialize_system(void);              // 无参数无返回值

4. 主函数 (main)

主函数是程序的入口点，有两种标准形式：

标准形式一：无命令行参数

int main(void) {
    // 程序代码
    return 0;
}

标准形式二：带命令行参数

int main(int argc, char* argv[]) {
    // argc: 参数个数
    // argv: 参数数组
    
    printf("Program name: %s\n", argv[0]);
    printf("Number of arguments: %d\n", argc);
    
    for (int i = 1; i < argc; i++) {
        printf("Argument %d: %s\n", i, argv[i]);
    }
    
    return 0;
}

返回值含义

int main() {
    // 程序逻辑
    
    return 0;   // 成功
    return 1;   // 一般错误
    return -1;  // 严重错误
    // 其他非零值表示不同类型的错误
}

5. 函数定义

函数定义包含函数头和函数体：

返回类型 函数名(参数列表) {
    // 局部变量声明
    // 函数体
    return 返回值;  // 如果返回类型不是 void
}

// 示例
int multiply(int x, int y) {
    int result = x * y;
    return result;
}

void print_array(int arr[], int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}

程序执行流程

编译过程

源代码(.c) → 预处理器 → 编译器 → 汇编器 → 链接器 → 可执行文件

详细步骤

1. 预处理 - 处理 #include、#define 等指令
2. 编译 - 将 C 代码转换为汇编代码
3. 汇编 - 将汇编代码转换为机器码
4. 链接 - 将多个目标文件和库文件链接成可执行文件

# 查看各个阶段的输出
gcc -E program.c -o program.i    # 预处理
gcc -S program.c -o program.s    # 编译到汇编
gcc -c program.c -o program.o    # 编译到目标文件
gcc program.o -o program         # 链接

运行时执行流程

#include <stdio.h>

// 全局变量在程序启动时初始化
int global_count = 0;

void function_a() {
    printf("Function A called\n");
    global_count++;
}

void function_b() {
    printf("Function B called\n");
    global_count++;
}

int main() {
    printf("Program started\n");  // 1. 程序从这里开始
    
    function_a();                 // 2. 调用函数A
    function_b();                 // 3. 调用函数B
    
    printf("Total calls: %d\n", global_count);  // 4. 输出结果
    
    return 0;                     // 5. 程序结束
}

代码组织最佳实践

1. 文件组织

头文件 (header.h)

// math_utils.h
#ifndef MATH_UTILS_H
#define MATH_UTILS_H

// 常量定义
#define PI 3.14159265359

// 函数声明
double calculate_area(double radius);
double calculate_circumference(double radius);
int factorial(int n);

// 结构体声明
typedef struct {
    double x;
    double y;
} Point;

#endif // MATH_UTILS_H

实现文件 (source.c)

// math_utils.c
#include "math_utils.h"
#include <stdio.h>

double calculate_area(double radius) {
    return PI * radius * radius;
}

double calculate_circumference(double radius) {
    return 2 * PI * radius;
}

int factorial(int n) {
    if (n <= 1) {
        return 1;
    }
    return n * factorial(n - 1);
}

主程序文件

// main.c
#include <stdio.h>
#include "math_utils.h"

int main() {
    double radius = 5.0;
    
    printf("Circle with radius %.2f:\n", radius);
    printf("Area: %.2f\n", calculate_area(radius));
    printf("Circumference: %.2f\n", calculate_circumference(radius));
    
    int n = 5;
    printf("Factorial of %d: %d\n", n, factorial(n));
    
    return 0;
}

2. 编码风格

命名约定

// 变量和函数：小写字母和下划线
int user_count;
char* file_name;
void calculate_average(void);

// 常量：大写字母和下划线
#define MAX_BUFFER_SIZE 1024
#define DEFAULT_TIMEOUT 30

// 类型定义：首字母大写或全大写
typedef struct Point Point;
typedef enum { RED, GREEN, BLUE } Color;

代码格式

// 推荐的代码格式
#include <stdio.h>

#define MAX_SIZE 100

int main() {
    int i;
    int numbers[MAX_SIZE];
    
    // 初始化数组
    for (i = 0; i < MAX_SIZE; i++) {
        numbers[i] = i * 2;
    }
    
    // 输出前10个数
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("numbers[%d] = %d\n", i, numbers[i]);
    }
    
    return 0;
}

3. 注释规范

文件头注释

/*
 * 文件名: calculator.c
 * 作者: 张三
 * 创建日期: 2024-01-15
 * 描述: 简单计算器程序，支持基本四则运算
 * 版本: 1.0
 */

函数注释

/**
 * 计算两个整数的最大公约数
 * 
 * @param a 第一个整数
 * @param b 第二个整数
 * @return 最大公约数
 */
int gcd(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return a;
    }
    return gcd(b, a % b);
}

行内注释

int main() {
    int x = 10;        // 初始化变量
    int y = 20;        // 第二个操作数
    
    // 计算并输出结果
    int sum = x + y;
    printf("Sum: %d\n", sum);
    
    return 0;          // 程序正常结束
}

常见程序模式

1. 简单的输入输出程序

#include <stdio.h>

int main() {
    char name[50];
    int age;
    
    // 获取用户输入
    printf("请输入您的姓名: ");
    scanf("%49s", name);  // 限制输入长度防止溢出
    
    printf("请输入您的年龄: ");
    scanf("%d", &age);
    
    // 输出结果
    printf("您好，%s！您今年%d岁。\n", name, age);
    
    return 0;
}

2. 菜单驱动程序

#include <stdio.h>

void show_menu() {
    printf("\n=== 计算器菜单 ===\n");
    printf("1. 加法\n");
    printf("2. 减法\n");
    printf("3. 乘法\n");
    printf("4. 除法\n");
    printf("0. 退出\n");
    printf("请选择操作: ");
}

int main() {
    int choice;
    double a, b, result;
    
    do {
        show_menu();
        scanf("%d", &choice);
        
        if (choice >= 1 && choice <= 4) {
            printf("请输入两个数: ");
            scanf("%lf %lf", &a, &b);
        }
        
        switch (choice) {
            case 1:
                result = a + b;
                printf("结果: %.2f + %.2f = %.2f\n", a, b, result);
                break;
            case 2:
                result = a - b;
                printf("结果: %.2f - %.2f = %.2f\n", a, b, result);
                break;
            case 3:
                result = a * b;
                printf("结果: %.2f * %.2f = %.2f\n", a, b, result);
                break;
            case 4:
                if (b != 0) {
                    result = a / b;
                    printf("结果: %.2f / %.2f = %.2f\n", a, b, result);
                } else {
                    printf("错误: 除数不能为零！\n");
                }
                break;
            case 0:
                printf("程序退出。\n");
                break;
            default:
                printf("无效选择，请重新输入。\n");
        }
    } while (choice != 0);
    
    return 0;
}

3. 数据处理程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define MAX_STUDENTS 100

typedef struct {
    char name[50];
    int id;
    float score;
} Student;

void input_students(Student students[], int count) {
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        printf("输入第%d个学生信息:\n", i + 1);
        printf("姓名: ");
        scanf("%49s", students[i].name);
        printf("学号: ");
        scanf("%d", &students[i].id);
        printf("成绩: ");
        scanf("%f", &students[i].score);
    }
}

void print_students(Student students[], int count) {
    printf("\n学生信息列表:\n");
    printf("%-20s %-10s %-10s\n", "姓名", "学号", "成绩");
    printf("----------------------------------------\n");
    
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        printf("%-20s %-10d %-10.2f\n", 
               students[i].name, 
               students[i].id, 
               students[i].score);
    }
}

float calculate_average(Student students[], int count) {
    float sum = 0;
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        sum += students[i].score;
    }
    return sum / count;
}

int main() {
    Student students[MAX_STUDENTS];
    int count;
    
    printf("请输入学生人数: ");
    scanf("%d", &count);
    
    if (count > MAX_STUDENTS) {
        printf("学生人数超过限制！\n");
        return 1;
    }
    
    input_students(students, count);
    print_students(students, count);
    
    float average = calculate_average(students, count);
    printf("\n平均成绩: %.2f\n", average);
    
    return 0;
}

调试和测试

1. 添加调试信息

#include <stdio.h>

#define DEBUG 1

#if DEBUG
    #define DBG_PRINT(fmt, ...) \
        printf("[DEBUG] %s:%d: " fmt, __FILE__, __LINE__, ##__VA_ARGS__)
#else
    #define DBG_PRINT(fmt, ...)
#endif

int factorial(int n) {
    DBG_PRINT("计算 %d 的阶乘\n", n);
    
    if (n <= 1) {
        DBG_PRINT("基础情况: 返回 1\n");
        return 1;
    }
    
    int result = n * factorial(n - 1);
    DBG_PRINT("%d! = %d\n", n, result);
    
    return result;
}

int main() {
    int n = 5;
    int result = factorial(n);
    printf("结果: %d! = %d\n", n, result);
    return 0;
}

2. 错误处理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int safe_divide(int a, int b, int* result) {
    if (b == 0) {
        fprintf(stderr, "错误: 除数不能为零\n");
        return -1;  // 错误码
    }
    
    *result = a / b;
    return 0;  // 成功
}

int main() {
    int a = 10, b = 0, result;
    
    if (safe_divide(a, b, &result) == 0) {
        printf("结果: %d / %d = %d\n", a, b, result);
    } else {
        printf("计算失败\n");
        return 1;
    }
    
    return 0;
}

总结

本章详细介绍了 C 程序的结构，包括：

1. 基本组成部分 - 预处理指令、声明、主函数、函数定义
2. 执行流程 - 编译过程和运行时流程
3. 代码组织 - 文件分离、命名约定、注释规范
4. 常见模式 - 输入输出、菜单驱动、数据处理程序
5. 调试技巧 - 调试信息和错误处理

理解程序结构是编写高质量 C 代码的基础。良好的程序结构能够：

• 提高代码可读性
• 便于维护和调试
• 支持模块化开发
• 减少错误发生

在下一章中，我们将学习 C 基础语法，深入了解 C 语言的语法规则和编程规范。

记住：

• 保持代码结构清晰
• 使用有意义的命名
• 添加适当的注释
• 遵循编码规范
• 及时处理错误情况