《高级语言程序设计》教案

《高级语言程序设计》教案

湖北师范学院

计算机科学系

C语言程序设计概述

教学目标：了解程序设计语言的发展历史及其支持环境；熟悉C语言程序上机实验操作步骤；了解C语言程序的基本结构以及学会使用库函数和用户自定义函数组装C程序。

教学重点：C语言程序上机实验操作步骤；用库函数和用户自定义函数组装C程序。教学难点：用用户自定义函数组装C程序。

§1.1 程序与程序设计语言

程序设计语言是人与计算机进行信息交流的工具。程序设计是一种编写计算机程序的活动。由于计算机是一种专门用程序来解决特定问题的通用工具，因而程序设计是为解决某一特定问题而构造一种专用工具的活动。

程序是实体在计算机内部的表示。实体具有一个名字，一组表示该实体特征的数据以及若干作用在这些数据上的行为。实体具有的数据表示它的状态，而这些状态可由实体的行为来改变。例如，银行帐户是实体，存款和取款是该实体的行为。

1.1.1 程序设计语言的发展

程序设计语言伴随着计算机技术的进步而不断升级换代，通常人们将程序设计语言的发展分为以下四个阶段。

(1)机器语言

机器语言是一种CPU的指令系统，它是该CPU可以识别的一组由0和1序列构成的指令代码。下面是某CPU指令系统中的两条指令：

10000000 加

10010000 减

用机器语言编写程序，就是从所使用的CPU的指令系统中挑选合适的指令，组成一个指令系列。这种程序虽然可以被机器直接理解和执行，但是由于它们不直观、难记、难认、难理解、不易查错，只能被少数专业人员掌握，同时程序的生产效率很低，质量难以保证。这种繁重的手工方式与高速、自动的计算机极不相称。

(2)汇编语言

为减轻人们在编程中的劳动强度，20世纪50年代中期人们开始用一些“助记符”代表0,1编程。例如，前面的两条机器指令可以定成：

ADD A,B

SUB A,B

这种用助记符号描述的指令系统，称为符号语言或汇编语言。

用汇编语言编程，程序的生产率及质量都有所提高。但是汇编语言指令是机器不能直接识别、理解和执行的。用它编写的程序经检查无误后，要先翻译成机器语言程序才能被机器理解、执行。这个翻译过程称为“代真”。代真之后得到的机器语言程序称目标程序，代真之前的程序称为源程序。

机器语言和汇编语言都依赖于具体的计算机，是一种面向机器的程序设计语言。面向机器的语言可以编制出效率极高的程序，但是需要程序员熟悉机器的内

部结构，并且要“手工”地进行存储器分配。这种编程劳动强度很大，给计算机的普及推广造成很大的障碍。

(3)高级语言

机器语言和汇编语言是面向机器的，随机器而异。1954出现的FORTRAN语言以及随后相继再现的其它高级语言，使人们开始摆脱进行程序设计必须先熟悉机器的桎梏，把精力集中于解题思路和方法，使程序设计语言开始与解题方法相结合。其中一种方法是把解题过程看作是数据被加工的过程。基于这种方法的程序设计语言称为面向过程的程序设计语言。C语言就是一种面向过程的程序设计语言。

使用高级语言编程可以大大地降低编程过程的劳动强度，提高编程效率。高级语言的诞生是计算机技术发展史上的一个里程碑。它使人们能摆脱具体机器指令系统的束缚，用接近人们习惯的语言来构思解题过程，从而大大提高了编程效率，使人们能够编制出越来越大的程序，以满足日益广泛而深入的应用需求。

实际上，程序是对现实世界的动态状态的模拟。面向过程的程序设计认为，每个程序都要完成一些规定的功能。每个功能的实现是通过对数据进行一系列的加工的过程而实现的。因而程序设计包括组织数据—设计数据结构，以及设计对数据结构进行加工的过程—设计算法两个部分。N.wirth给出一个著名的公式：程序=数据结构+算法。

(4)面向对象的程序设计语言

面向对象的程序设计是一种结构模拟方法，它把现实世界看成是由许多对象组成。对象与对象之间通过相互发送和接收消息进行联系。消息激发对象本身的运动，形成对象状态的变化。从程序结构的角度来看，每个对象都是一个数据和方法的封装体—抽象数据类型。

从分类学的观点来看，客观世界中的对象都是可以分类的。也就是说，所有的对象都属于特定的类，或者说每一个对象都是类的一个实例。因而，面向对象的程序设计的一个关键是定义类，并由类生成对象。

面向对象的程序比面向过程的程序更清晰、易懂，更适宜编写更大规模的程序，已为成为当代程序设计的主流。面向对象的程序设计语言很多，其中广泛使用的一种语言是C++。C++语言是一种多范型程序设计语言，不仅可以用它编写面向对象的程序，还可以用它编写面向过程的程序。

1.1.2 程序设计语言的支持环境

操作系统是各种软件中最重要的一种，它是各种软件的核心与基础，所有其它软件的运行都要在操作系统的控制下进行。操作系统的作用是有效地组织和利用计算机的软、硬件资源，使各种程序都能在操作系统的管理下协调工作。P3图1.2表示用高级语言书写的源程序必须经过高级语言编译系统处理（编译），然后在操作系统控制下才能被计算机执行。

操作系统的主要功能包括CPU管理、存储器管理、设备管理、文件管理和作业管理等。不同操作系统的功能和工作方式是不同的。目前，广泛流行的操作系统有WINDOWS和UNIX。

源程序的编辑、编译、连接与执行

C语言采用编译方式将源程序转换成二进制的目标代码。编写好一个C程序到完成运行一般经过以下几个步骤：

(1)编辑：编辑包括以下内容：将源程序中的字符逐个输入到计算机内存；修改源程序；将修改好的源程序保存在磁盘文件中。编辑的对象是源程序，它是以ASCII代码的形式输入和存储的，不能被计算机执行。

(2)编译：编译就是将已编辑好的源程序翻译成二进制的目标代码。在编译时，还要对源程序进行语法（用来刻划什么样的符号串可组成一个有效的程序）检查，如果发现有错，则在屏幕上显示出错提示信息，此时应重新进入编辑状态，对源程序进行修改后再重新编译，直到通过编译为止。应当指出，经过编译之后得到的二进制代码还不能直接执行，因为每一个模块往往是单独编译的，必须把经过编译的各个模块的目标代码与系统提供的标准模块（例如，C语言中的标准函数）连接后才能执行。

(3)连接：将各模块的二进制目标代码与系统标准模块经过连接处理后，得到具有绝对地址的可执行文件，它是计算机能够直接执行的文件。

(4)执行：执行一个经过编译和连接的可执行的目标文件。只有在操作系统的支持和管理下才能执行可执行的目标文件。集成化的工具环境已将编辑、编译、连接、调试工具集于一身（例如，TURBO C 2.0），用户可以很方便地在窗口下连续进行编辑、编辑、连接、调试、运行的全过程。

§1.2 C语言的历史和特点

1.2.1 C语言的历史

Algol 60 → CPL → BCPL → B → C →旧标准 C → ANSI C → C++ →Visual C++

┆┆┆┆┆┆（新标准C）

┆┆┆┆┆┆┆

1960 1963 1967 1970 1972 1978 1983

Ｃ语言的诞生与发展:在C语言诞生以前，系统软件主要是用汇编语言编写的。由于汇编语言程序依赖于计算机硬件，其可读性和可移植性都很差；但一般的高级语言又难以实现对计算机硬件的直接操作（这正是汇编语言的优势），于是人们盼望有一种兼有汇编语言和高级语言特性的新语言。Ｃ语言是贝尔实验室于70年代初研制出来的，后来又被多次改进，并出现了多种版本。80年代初，美国国家标准化协会（ANSI），根据Ｃ语言问世以来各种版本对Ｃ语言的发展和扩充，制定了ANSI C标准（1989年再次做了修订）。

ALGOL60（1960，面向问题的高级语言，不宜用来编写系统程序）

CPL（1963，英国剑桥大学，规模较大）

BCPL（1967，剑桥大学Matin Richards，作了简化)

B(1970，美国贝尔实验室Ken Thompson，进一步简化，又过于简单，功能有限)

C（1972-1973，贝尔实验室D.M.Ritchie，保持了精练，接近硬件的优点，克服了B语言过于简单的缺点）

1973年，K.Thompson和D.M.Ritchie合作用C改写UNIX（第5版）。

1975年出的的UNIX第6版使人们普遍注意C语言。

以1978年发表的UNIX第7版中的C编译程序为基础，Brian W.Kernigha和Dennis M.Ritchie合著了影响深远的《The C Programming Language》，书中介绍的C语言称为标准C。

1983年，美国国家标准化协会（ANSI）制定了新的标准，称为ANSI C。

现在微机上常用的C语言编译系统有Microsoft C,Turbo C,Quick C。

我们的教材选用的是Turbo C 2.0版本。

1.2.2 C语言的特点

1．语言简洁，表达能力强

语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。一共只有32个关键字，9种控制语句；

运算符丰富。共有34种运算符；

数据结构丰富，便于数据的描述与存储；

具有结构化的控制语句；

强大的库函数,用函数作为程序模块以实现程序的模块化；

语法限制不太严格，程序设计自由度大。

2．融合高、低级语言的中级语言

具有高级语言基本结构；

可直接对硬件进行操作,允许直接访问物理地址；

生成的代码质量高，生成目标程序运行速度高，占有内存少,程序执行效率高。

3．可移植性好：独立于具体机器。

§1.3 用库函数组装C程序

从语言学的角度来看，通常语言都具有如下的体系结构：

符号=>字=>词=>短语=>句子=>段落=>篇章

计算机语言属于语言范畴，当然满足这种普遍规律。但是与自然语言相比，由于其受到使用环境的约束，计算机语言在语义（描述的是用这种语言编写程序的含义）上要简单得多。例如，单词词汇相对较少，句子类型相对较少等等。但是麻雀虽小，五脏俱全。C语言的体系结构如下：

字符=>标识符、常量、运算符、分界符=>表达式=>语句=>函数（库函数和用户自定义函数）=>程序

可见C语言的结构和自然语言的结构基本保持一致。

C语言本身提供的语句很少，许多功能都是通过函数来实现的。例如输入输出功能并不是C语言本身提供的，而是C的库函数所提供的。这样做的目的是使C 语言的核心部分规模较小，而外围（函数）可以做得丰富，并且可以根据需要增加新的函数，使C语言具有较大的灵活性和多方面的功能。在编写C程序时应尽量使用C的库函数所提供的函数功能来实现自己的目的。

例1.1：显示“Program is fun”信息。

main( )

{

printf(“Program is fun\n”);

}

说明：

(1)C程序是由函数组成的，每一个函数完成相对独立的功能。main是函数名，函数名后面一对圆括号是写参数的，本程序中main函数没有参数故不写，但是一对圆括号不能省略。一个完整的C程序必须有一个称为主函数的main函数，main函数在程序中的位置可以改变，但是程序总是从main函数开始执行。main

函数后面有一对花括号，花括号中的内容称为函数体。函数体通常由变量说明部分和语句执行部分组成。变量说明部分的作用是定义数据类型，语句执行部分给出操作指令以便实现函数功能。语句执行部分又由若干条语句组成。C语言中规定每条语句以分号结束，分号是语句不可缺少的组成部分。

(2)printf是C库函数中的一个函数，它的功能是按照指定的输出格式在显示器上显示指定的内容。字符串末尾的字符‘\n’是C语言中的一个转义字符，其作用是“回车换行”。注意：printf在输出时实际上是将字符‘\n’转换成“回车”符和“换行”符后再进行输出的。

(3)函数printf由主函数main调用。

例1.2 计算一个数的正弦值。

#include "math.h"

main( )

{

float x;

x=sin(0.19199); /*调用sin函数*/

printf("%f\n",x);

}

说明：

(1)语句“float x;”的作用是声明x是一个实型变量。

(2)语句“x=sin(0.19199);”的作用是执行一次函数调用，求出0.19199弧度的正弦值，并送给左边的实型变量x。sin是C系统的库函数，在调用数学库函数时，要用到一些系统提供的信息，这些信息包含在math.h头文件中。编译命令#include “math.h”的作用是将math.h文件的内容代替这行#include命令，也就是使该文件的内容被整个地调到main的前面。printf函数和scanf函数的定义在头文件“stdio.h”中，在TC2.0中使用printf函数和scanf函数时可以不需要使用#include “stdio.h”命令将该文件显式地包含进来，但在BC3.1中使用printf函数和scanf函数时必须使用#include “stdio.h”命令将该文件显式地包含进来。

(3)printf函数括号中的内容分为两部分：双引号内的部分是格式字符串，用它指定输出时的打印格式，双引号外的部分是输出项列表。

(4)符号“/*”与“*/”之间的内容为注释信息。注释信息对程序的运行结果不发生任何影响，只是为了帮助人们更好地理解程序中有关部分的功能。

§1.4 用自己设计的C函数组装C程序

用库函数组装C程序是程序设计的一条捷径和重要方法。但是任何函数库都不可能是包罗万象的，当我们在函数库中找不到所需功能的函数时，便要动手设计自己所需要的函数。设计的基本方法是从主函数开始，按调用关系，自上而下地进行。

例1.3 求三个数的平均值。

main( )

{

float a,b,c,ave;

a=3.5; b=4.6; c=7.9;