Stephen Prata：c Primer Plus@2004 (第5版)

C 語言程式設計的核心概念與實踐指南 (摘錄自《C Primer Plus, Fifth Edition》)

本內容旨在提煉並闡述《C Primer Plus, Fifth Edition》一書中所介紹的 C 語言程式設計核心概念與實踐方法。作者 Stephen Prata 在書中系統性地引導讀者從基礎認識 C 語言，逐步深入其關鍵特性，並強調良好的程式設計習慣與對語言機制的理解。以下將從多個角度深入解釋書中傳達的主要論點。

1. C 語言的本質與特性

本書開宗明義地指出 C 語言是一款強大、簡潔且高效的程式語言。它源自系統程式設計的需求（特別是與 Unix 作業系統的緊密關聯），這賦予了 C 語言與硬體緊密互動的能力，以及高度的執行效率。

高效能與接近硬體的能力： C 語言的設計允許程式設計師直接操作記憶體位址、進行位元級的運算（如位元位移與邏輯運算），這使得編譯後的程式碼通常緊湊且執行速度快。這種接近硬體的能力是 C 語言在系統程式設計、嵌入式系統和效能關鍵應用領域廣受歡迎的核心原因。
可攜性： 儘管具有接近硬體的能力，C 語言的設計宗旨之一是保持良好的可攜性。只要程式碼遵循標準 C 規範，並且不依賴特定的硬體或作業系統特性，就可以在不同的平台上編譯和執行，通常只需要少量的修改（例如調整特定的標頭檔）。這使得 C 成為開發跨平台應用程式的有力工具。
靈活性與簡潔性： C 語言提供了豐富的操作符號和表達方式，允許程式設計師以相對簡潔的語法表達複雜的邏輯。然而，這種靈活性也意味著程式設計師需要承擔更大的責任，例如手動進行記憶體管理和仔細處理指標，錯誤可能導致難以追蹤的問題。
標準化： 從早期的 K&R 標準到後續的 ANSI/ISO C90 (C89) 和 C99 標準，C 語言經過了標準化的過程，這提升了語言的穩定性和可攜性。本書特別強調 C99 標準帶來的新特性，同時也關注與舊標準的兼容性。標準化為程式設計師提供了清晰的語言定義，減少了不同編譯器實現之間的差異。

2. 程式設計的基本步驟與過程

作者將程式設計視為一個多步驟的過程，從高層次的思考到低層次的實現和維護。強調規劃的重要性是本書的關鍵論點之一。

七個基本步驟： 書中提出了程式設計的七個基本步驟：定義程式目標、設計程式、編寫程式碼、編譯、執行程式、測試和除錯、維護和修改程式。這是一個理想化的流程，實際開發中可能需要在步驟之間來回調整。
規劃的重要性： 強調在編寫程式碼之前進行充分的規劃（定義目標和設計程式）是至關重要的。特別是對於更複雜的程式，良好的規劃可以節省大量的除錯時間，避免產生結構混亂、難以理解和維護的程式碼。
編譯與連結： 書中詳細解釋了編譯器將原始碼轉換為目標碼（機器語言），以及連結器將目標碼與庫程式碼（標準函數、啟動程式碼等）合併生成可執行程式的過程。理解這個過程有助於程式設計師理解編譯錯誤和執行時行為。

3. 資料的表示與管理

C 語言提供了多種基本資料類型和機制來組織和管理資料，這是程式運行的基礎。

基本資料類型： C 語言區分整數類型（int, short, long, long long，以及 unsigned 變體）和浮點數類型（float, double, long double，以及 C99 的複數和虛數類型）。整數用於表示沒有小數部分的數值，而浮點數用於表示帶有小數或需要較大範圍的數值。兩者在儲存和處理方式上存在根本差異，理解這些差異對於避免類型轉換問題至關重要。C99 標準引入了 _Bool 類型用於表示布林值。
變數與常量： 變數是程式執行過程中可以改變值的記憶體位置的符號名稱，而常量則在程式執行期間保持固定值。C 語言要求在使用變數之前必須先聲明其類型，這有助於提高程式的可讀性和避免拼寫錯誤等問題。
位元操作： C 語言提供了位元級的運算符號（如 &, |, ^, ~, <<, >>），允許程式設計師直接操作資料的二進位位元。這對於處理底層硬體介面或進行資料編碼/解碼非常有用。
陣列： 陣列是儲存相同類型資料的連續記憶體位置的集合。陣列通過索引（從 0 開始）來訪問其單個元素。C 語言不對陣列索引進行邊界檢查，這將邊界檢查的責任留給了程式設計師，以換取更高的執行效率。
結構體： 結構體（struct）允許將不同類型的相關資料項組合到一個單獨的單元中。結構體成員通過點運算符（.）或通過指向結構體的指標和箭頭運算符（->）來訪問。結構體是構建更複雜資料結構的基礎。
聯合體： 聯合體（union）與結構體類似，但其所有成員共享同一塊記憶體空間。聯合體允許在同一記憶體位置儲存不同類型的資料，但在任一時刻只能儲存其中一個成員的值。
列舉類型： 列舉（enum）類型允許程式設計師為一組整數常量定義符號名稱，這有助於提高程式的可讀性。
類型定義： typedef 關鍵字允許程式設計師為現有的資料類型創建新的別名，這對於簡化複雜類型聲明和提高程式可讀性非常有用。

4. 程式流程控制

程式的行為不僅取決於執行哪些操作，還取決於操作執行的順序和條件。C 提供了豐富的流程控制語句。

語句與表達式： 程式由一系列語句組成，而大多數語句又是從表達式構造而來。理解表達式（具有值）和語句（指示）的區別是關鍵的。分號用於標記語句的結束。
運算符號與優先順序： C 語言有大量的運算符號，每個運算符號都有其優先順序和結合性規則，這決定了複雜表達式的求值順序。掌握這些規則對於正確編寫表達式至關重要。
迴圈結構： C 提供了三種主要的迴圈結構來重複執行一系列語句：while 迴圈（進入條件迴圈）、for 迴圈（通常用於計數迴圈，但在 C 中非常靈活）和 do while 迴圈（退出條件迴圈，至少執行一次）。正確地初始化、測試和更新迴圈控制變數對於避免無限迴圈至關重要。
分支結構： if 和 if else 語句允許程式根據條件測試來選擇執行不同的程式碼塊。else if 結構可以處理多個選擇。switch 語句提供了一種更簡潔的方式來根據一個整數表達式的值在多個固定選項中進行選擇。
跳轉語句： break、continue 和 goto 語句允許程式碼跳轉到程式的其他部分。break 用於退出迴圈或 switch 語句，continue 用於跳過迴圈的當前剩餘部分並開始下一次迭代。goto 語句提供了無條件跳轉，但通常不鼓勵使用 goto，因為它會使程式流程難以追蹤。

5. 函數與模組化程式設計

函數是 C 語言進行模組化設計的核心工具。將程式分解為更小、更易於管理的函數可以提高程式的可讀性、可重用性和可維護性。

函數的定義與使用： 函數具有返回類型、名稱、參數列表和函數體。通過函數名加括號來調用函數。函數在被使用之前需要進行聲明（函數原型）。
參數與返回值： 函數通過參數接收來自調用者的值（實際參數的值被複製到形式參數），並通過 return 語句返回值給調用者。
指標作為函數參數： 由於 C 語言的參數傳遞是按值傳遞，函數無法直接修改調用者提供的變數。通過傳遞變數的地址（指標）作為函數參數，函數就可以使用指標來訪問和修改原始變數的值。這對於需要修改調用者變數或返回多個值的函數至關重要（儘管也可以通過返回結構體實現多返回值）。
函數原型： ANSI C 引入了函數原型，它在函數聲明中指定了返回類型和參數列表的類型和數量。這使得編譯器可以在編譯時檢查函數調用是否使用了正確的參數，從而捕獲潛在的錯誤。
遞歸： 函數可以調用自身，稱為遞歸。遞歸可以提供某些問題（如樹遍歷）優雅的解決方案，但也可能因過度使用記憶體（棧空間）而導致問題，且通常效率低於迭代（迴圈）方法。

6. 記憶體管理與儲存類別

C 語言賦予程式設計師對記憶體使用的精細控制權，這通過儲存類別和動態記憶體分配實現。

作用域、連結與儲存期： 這三個特性共同描述了變數的生命週期和可訪問性。作用域決定了變數名稱在程式的哪些區域可見（塊作用域、文件作用域、函數原型作用域）。連結決定了變數名稱是否可以被其他文件中的程式碼使用（外部連結、內部連結、無連結）。儲存期決定了變數在記憶體中存在多久（靜態儲存期、自動儲存期、分配儲存期）。
儲存類別： C 語言定義了五種儲存類別：auto（自動變數，塊作用域，無連結，自動儲存期）、register（類似自動變數，但可能儲存在 CPU 暫存器中以加快訪問）、具有塊作用域的 static（塊作用域，無連結，靜態儲存期）、具有外部連結的 static（文件作用域，外部連結，靜態儲存期）和具有內部連結的 static（文件作用域，內部連結，靜態儲存期）。
動態記憶體分配： C 庫函數 malloc() 和 free() 允許程式在運行時動態分配和釋放記憶體。這對於處理大小在編譯時未知或需要根據需求調整記憶體使用的資料結構（如鏈結串列、樹）非常有用。與自動變數在退出作用域時自動釋放記憶體不同，動態分配的記憶體需要程式設計師顯式地調用 free() 函數來釋放，否則會導致記憶體洩漏。

7. C 預處理器與標準庫

C 預處理器和標準庫是 C 語言環境的組成部分，它們擴展了語言的功能並提供了許多實用的工具。

預處理器指令： 預處理器在編譯器開始編譯之前處理原始碼。主要指令包括 #define（定義宏）、#include（包含文件）、以及條件編譯指令如 #ifdef, #ifndef, #if, #elif, #else, #endif（根據條件包含或排除程式碼塊）。宏可以是物件式宏（符號常量）或函數式宏（帶參數）。
標準 C 庫： ANSI C 標準定義了一組標準庫函數，這些函數提供了輸入/輸出、字串處理、數學計算、記憶體管理、時間處理等常用功能。程式設計師可以通過包含相應的標頭檔來使用這些函數。這些庫函數通常通過編譯器的支援自動提供，但某些情況下可能需要在編譯或連結時指定庫選項。

8. 高階資料表示與 ADT

將資料結構的實現細節與其操作介面分開是良好的程式設計實踐。

抽象資料類型 (ADT)： ADT 是一種程式設計思想，它將資料的儲存方式和操作資料的方法打包在一起，但將實現細節抽象化，只通過定義明確的介面來暴露功能。這有助於建立可重用、易於理解和維護的程式碼模組。
常見 ADT 的 C 實現： 書中介紹了鏈結串列、佇列（Queue）和二元搜尋樹等常見的 ADT，並展示了如何使用 C 語言的結構體、指標和動態記憶體分配來實現它們。這些實現通常會將介面定義放在標頭檔（.h 文件）中，將實現細節放在原始碼檔（.c 文件）中。

總結來說，《C Primer Plus, Fifth Edition》的核心論點在於，C 語言是一款兼具底層控制能力和高層次結構的強大語言，它通過明確的程式設計步驟、豐富的資料類型、靈活的流程控制、模組化的函數設計以及精細的記憶體管理機制，賦予程式設計師強大的能力。同時，書中也強調了良好的程式設計習慣、對語言機制的深入理解以及利用預處理器和標準庫來提高程式碼的可讀性、可移植性和效率的重要性。掌握 C 語言不僅是學習一種語言，更是學習一種思考程式設計問題的方式。