C语言（20250723）

C语言

内容提要

• 函数
  • 函数的嵌套关系
  • 函数的递归调用
  • 数组做函数参数
  • 变量的作用域
  • 变量的生命周期

函数

函数的嵌套调用

定义

函数不允许嵌套定义，但是允许嵌套调用。

• 正确示例

  void a()
  {
  ...
  }
  //函数的嵌套调用
  void b()
  {
  a()
  }

  int main()
  {
  printf(...);
  }

• 错误示例：

  //函数的嵌套定义
  void a()
  {
  void b()
  {
  ...
  }
  }

**嵌套调用：**在被调用函数内又主动去调其他函数，这样的函数调用形式，称之为嵌套调用。

案例

案例1

• 需求：编写一个函数，判断给定的3~100的正整数是否是素数，若是返回1，否则返回0

• 分析：

  • 素数：又被称作质数，素数是大于1的自然数，除了1和它本身以外，不能被其他数整除。

• 代码：

  /*************************************************************************
  > File Name: demo01.c
  > Author: 朱旭博
  > Description:
  > Created Time: 2025年07月23日 星期三 09时30分20秒
  ************************************************************************/

  #include <stdio.h>

  /**
  *定义一个函数，判断一个自然数是否是素数
  *@param n 待判断的自然数
  *@return 1-素数，0-非素数
  */
  int is_prime(int n)
  {
  //定义一个标记，默认是素数
  int flag = 1;
  //循环变量
  int i;

  //生成测试数据 2～n/2
  for (i = 2; i <= n/2; i++)
  {
  //校验
  if (n % i == 0)
  {
  flag = 0;
  break;
  }
  }

  return flag;
  }

  int main(int argc,char *argv[])
  {
  //生成3～100之间的自然数
  for (int i = 3; i <= 100; i++)
  {
  //如果是自然数，就打印，否则不打印
  if (is_prime(i)) printf("%-4d",i);
  }

  printf("\\n");

  return 0;
  }

• 运行结果

  

案例2

• 需求：通过控制台输入一个整数，校验这个整数在一个已知数组中的位置，如果找到，返回下标，找不到，返回-1

• 代码：

  /*************************************************************************
  > File Name: demo02.c
  > Author: 朱旭博
  > Description:
  > Created Time: 2025年07月23日 星期三 09时47分20秒
  ************************************************************************/

  #include <stdio.h>

  /*
  *定义一个函数，在一个数组中查找指定数据的位置
  *@param arr[] 待查询的数组
  *@oaram len 数组传参，只传数组首地址,因此我们没法通过sizeof关键字计算数组的大小，所以需要从外部传递进来
  *@param n 待查询的数据
  *return >=0:找到，-1:未找到
  */
  int find_index(int arr[], int len, int n)
  {
  //定义一个标记
  int index = –1;

  //遍历数组
  for (int i = 0; i < len; i++)
  {
  //获取位置
  if (arr[i] == n)
  {
  //更新位置
  index = i;
  break;
  }
  }

  return index;

  }

  int main(int argc,char *argv[])
  {
  int arr[] = {11,22,33,44,55};
  int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

  int n = 66;
  int index = find_index(arr,len,n);
  index != –1 ? printf("%d在数组中的位置是%d\\n",n,index) : printf("未找到%d在数组中的位置！\\n",n);

  int n2 = 33;
  int index2 = find_index(arr,len,n2);
  index2 != –1 ? printf("%d在数组中的位置是%d\\n",n2,index2) : printf("未找到%d在数组中的位置！\\n",n2);

  return 0;
  }

• 运行结果：

  

案例3

• 需求：

• 代码

  /*************************************************************************
  > File Name: demo03.c
  > Author: 朱旭博
  > Description:
  > Created Time: 2025年07月23日 星期三 10时10分06秒
  ************************************************************************/

  #include <stdio.h>

  //函数声明
  int max_2(int,int);
  int max_4(int,int,int,int);

  /*
  *求2个数中的最大值
  */
  int max_2(int a, int b)
  {
  return a > b ? a : b;
  }

  /*
  *求4个数中的最大值
  */
  int max_4(int a, int b, int c, int d)
  {
  //写法1
  //int max;
  //max = max_2(a,b);
  //max = max_2(max,c);
  //max = max_2(max,d);

  //写法2
  return max_2(a,b) > max_2(c,d) ? max_2(a,b) : max_2(c,d);
  }
  int main(int argc,char *argv[])
  {
  int a, b, c, d;

  printf("请输入4个整数：\\n");
  scanf("%d%d%d%d",&a,&b,&c,&d);

  printf("%d,%d,%d,%d中最大数是%d\\n",a,b,c,d,max_4(a,b,c,d));

  return 0;
  }

• 运行结果

  

函数的递归调用

定义

递归调用的含义

在一个函数中，直接或者间接调用了函数本身，就称之为递归调用。本质上还是函数的嵌套调用。

//直接调用推荐
a() → a();

//间接调用
a() → b() → a();
a() → b() → ... →a();

递归调用的本质

递归调用是一种循环结构，它不同于我们之前学过的while,for,do…while这样的循环结构，这些循环结构是借助于循环变量；而递归调用是利用函数自身实现循环结构，如果不加以控制，很容易产生死循环。

注意事项

①递归调用必须要有出口，一定要想办法终止递归（否则会产生死循环）

②对终止条件的判断一定要放在函数递归之前。（先判断，再执行）

③进行函数的递归调用。

④函数递归的同时一定要将函数调用向出口逼近。

递归的底层实现

C语言函数递归的底层实现依赖于程序调用栈（Call Stack），其核心过程是通过栈帧（Stack Frame）的创建与销毁来管理函数的多次调用。具体底层逻辑如下：

每次函数调用（包括递归调用自身）时，系统会在内存的栈区为该次调用分配一块独立的内存空间，即栈帧。栈帧用于存储：

• 函数的参数值

• 函数内的局部变量

• 调用结束后返回的地址（即该次调用结束后，程序应回到的原执行位置）

以计算阶乘 n! 的递归函数 fac(n) 为例（fac(n) = n *fac(n-1) ，终止条件 fac(1) = 1 ）：

• 第一步：调用 fac(3) 时，系统创建栈帧1，存储参数 n=3 、局部变量及返回地址（假设主函数调用处），然后执行函数体，发现需要调用 fac(2) 。

• 第二步：调用 fac(2) 时，系统在栈顶创建栈帧2，存储参数 n=2 及新的返回地址（fac(3) 中等待结果的位置），暂停 fac(3) 的执行，转去执行 fac(2) 。

• 第三步：同理，调用 fac(1) 时，创建栈帧3，存储 n=1 及返回地址（fac(2) 中等待结果的位置）。

• 终止与回溯：当执行到 fac(1) 时，触发终止条件，直接返回结果 1 。此时栈帧3被销毁，程序回到栈帧2中继续执行（计算 2 * 1 = 2 ），栈帧2销毁后回到栈帧1（计算 3 * 2 = 6 ），最终栈帧1销毁，返回结果给主函数。

• 栈的“后进先出”特性：递归调用时，新的栈帧总是压在栈顶，而只有最顶层的栈帧（即最后一次调用）执行完毕并返回结果后，上层的栈帧才能继续执行（对应递归的“回溯”过程）。

• 栈溢出风险：若递归次数过多（如未设置终止条件或终止条件无法触发），会导致栈帧不断创建，超出栈区内存上限，触发“栈溢出（Stack Overflow）”错误，程序崩溃。

简言之，递归的底层本质是通过栈帧的层层创建（递推）和销毁（回溯），实现函数自身的多次调用管理，而栈的特性保证了递归调用的顺序和结果传递。

案例

案例1

• 需求：

  递归案例

  有5个人坐在一起，

  问第5个人多少岁？他说比第4个人大2岁。

  问第4个人多少岁？他说比第3个人大2岁。

  问第3个人多少岁？他说比第2个人大2岁。

  问第2个人多少岁？他说比第1个人大2岁。

  最后问第1个人，他说是10岁。

  请问第5个人多大。

• 分析：

• 代码：

  /*************************************************************************
  > File Name: demo04.c
  > Author: 朱旭博
  > Description:
  > Created Time: 2025年07月23日 星期三 11时16分00秒
  ************************************************************************/

  #include <stdio.h>
  /*
  *定义一个函数，求年龄
  *@param n 第n个人
  *@return 第n个人的年龄
  */
  int age(int n)
  {
  //创建一个变量，存储当前这个人的年龄
  int _age;

  //出口
  if (n == 1)//第一个人
  {
  _age = 10;
  }
  else if (n > 1)
  {
  _age = age(n–1) + 2;//当前这个人的年龄 = 上一个人的年龄 + 2
  }
  return _age;
  }
  int main(int argc,char *argv[])
  {
  int n = 5;
  printf("第%d个人的年龄是%d岁！\\n",n,age(5));
  return 0;
  }

• 运行结果：

  

案例2

• 需求：求n的阶乘

• 分析：

• 代码：

  /*************************************************************************
  > File Name: demo05.c
  > Author: 朱旭博
  > Description:
  > Created Time: 2025年07月23日 星期三 11时30分47秒
  ************************************************************************/

  #include <stdio.h>

  /*
  *创建一个函数，实现n的阶乘
  *@param n 阶乘上限
  *@return n的阶乘结果
  */
  size_t fac(int n)
  {
  //定义一个变量，用来接收阶乘的结果
  size_t res;

  //出口校验
  if (n <= 0)
  {
  printf("n的范围不能是0及以下数字！\\n");
  return –1;
  }
  else if (n == 1) //出口
  {
  res = 1; //出口设置
  }
  else
  {
  res = fac(n–1) * n;
  }
  return res;
  }

  int main(int argc,char *argv[])
  {
  size_t n;
  printf("请输入一个整数：\\n");
  scanf("%lu",&n);

  printf("%lu的阶乘结果时%lu\\n",n,fac(n));

  return 0;
  }

• 运行结果：

  

快速排序算法

快速排序是一种高效的分治（Divide and Conquer）排序算法。它的核心思想是通过选取一个基准值（pivot），将数组划分为两个子数组：一个子数组的所有原酸比基准值小，另一个子数组的所有元素比基准值大，然后递归地对子数组进行排序。

快速排序的基本步骤

1.选择基准值（Pivot Selection）：

• 从数组中选择一个元素作为基准值。常见的选择方式包括：
  • 第一个或最后一个元素（简单但可能效率不高，尤其在已排序或接近排序的数组中）。
  • 随机选择一个元素（减少最坏情况概率）。
  • 三数取中法（如第一个、中间、最后一个元素的中位数，提高分区均衡性）。

2.分区（Partition）：

• 重新排列数组，使得：
  • 所有比基准值小的元素移到基准值的左侧。
  • 所有比基准值大的元素移到基准值的右侧。
• 分区完成后基准值处于其最终排序后的正确位置。
• （注：分区是快速排序的关键步骤，常见的实现有Lomuto分区和Hoare分区方案。）

3.递归排序（Recursion）：

• 对基准值左侧的子数组和右侧的子数组递归地调用快速排序。
• 递归地终止条件是子数组的长度为0或1（已有序）

4.合并结果（Combine）：

• 由于每次分区后基准值已位于正确位置，且左右子数组通过递归排序完成，因此无需显示合并操作，整个数组自然有序。

总结

通过一个基准值（pivot）不断拆分数组，直到子数组无法再拆分（即子数组长度为1或0），此时整个数组就有序了。

代码：

/*************************************************************************
> File Name: demo06.c
> Author: 朱旭博
> Description:
> Created Time: 2025年07月23日 星期三 14时23分45秒
************************************************************************/

#include <stdio.h>
/*
*快速排序函数（递归实现）
*@param arr 待排序数组
*@param n 数组长度
*/
void QSort(int arr[], int n)
{
//出口限制，如果排序数组的大小<=1,此时数组就不再排序
if (n <= 1) return;

//定义两个标记，i从左向右，j从右向左，锁定排序数组的区间
int i = 0, j = n – 1;
//选择排序数组的第一个元素作为基准值（可优化为取中法）
int pivot = arr[0];

//分区过程
while (i < j)
{
//从右向左查找第一个小于等于基准值的元素（<=基准值的数据）
while (i < j && arr[j] > pivot) j—;
//从左向右查找第一个大于基准值的元素（>基准值的数据）
while (i < j && arr[i] <= pivot) i++;

//交换这两个元素
if (i < j)
{
int temp = arr[i];
arr[i] = arr[j];
arr[j] = temp;
}
}

//将基准值更新到正确位置（i == j）
arr[0] = arr[i];
arr[j] = pivot;

//切割子数组
QSort(arr,i);//左边部分
QSort(arr+i+1,n–i–1);//右边部分
}

int main(int argc,char *argv[])
{
int arr[] = {23,45,56,78,33,22,19};
int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

QSort(arr,n);//函数的参数是数组，传递的是这个数组的首地址，函数中可以修改实参数据，符合这种条件的参数称之为输出型参数

//此时是可以直接遍历数组，此时的数组已经经过了修改
for (int i = 0; i < n; i++)
{
printf("%-4d",arr[i]);
}
printf("\\n");

return 0;
}

运行结果：

数组做函数参数

定义

当使用数组作为函数的实参时，形参应该使用数组形式或者指针变量来接收。需要注意的是：

这种传递方式称为“地址传递”（或“指针传递”），它与“值传递”的不同：

• 值传递：传递数据的副本，修改形参不影响实参

• 地址传递：传递数据的地址，通过形参可以修改实参。“地址传递”是逻辑上的说法，强调 传递的是地址，而不是数据本身。数据本质上还是值传递。

当使用数组作为函数的形参时，通常需要额外传递一个参数表示数组的元素个数。这是因为：

案例：

#include <stdio.h>
/**
* 定义一个函数，将数组作为参数
*/
void fun(int arr[], int len) // 数组传参会被降级为指针，实际传递的是地址值
{
for (int i = 0; i < len; i++) printf("%-4d",arr[i]); printf("\\n");
}
void main()
{
int arr[] = {11,22,33,44,55};
int len = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
fun(arr,len);
}

但有一个例外，如果是用字符数组做形参，且实参数组中存放的是字符串数据（形参是字符数组，实参是字符串常量）。则不用表示数组个数的形参，原因是字符串本身会添加自动结束标志 \\0 ，举例：

#include <stdio.h>
/**
* 定义一个函数，传递一个字符串
*/
void fun(char arr[])
{
char c;
int i = 0;
while((c = arr[i]) != '\\0') // arr[i] → arr + i
{
printf("%c",c);
i++;
}
}
void main()
{
fun("hello world");

**为什么sizeof不能用于形参数组？**在函数内部，sizeof(arr)返回的是指针的大小（32位系统返回4字节，64位系统返回8字节）。例如：

void printSize(int arr[])
{
printf("%zu\\n",sizeof(arr)); // 输出的是指针的大小（8字节），而非数组大小
}

案例

案例1

• 需求：

  有两个数组ａ和ｂ，各有5个元素，将它们对应元素逐个地相比（即ａ[0]与ｂ[0]比，ａ[1]与ｂ[1]比……）。如果ａ数组中的元素大于ｂ数组中的相应元素的数目多于b数组中元素大于a数组中相应元素的数目(例如，a[i]>b]i]6次，b[i]>a[i] 3次，其中i每次为不同的值)，则认为a数组大于b数组，并分别统计出两个数组相应元素大于、等于、小于的个数。

  int a[10] = {12,12,10,18,5};
  int b[10] = {111,112,110,8,5};

• 代码：

  #include <stdio.h>
  #define LEN 5
  /**
  * 定义一个函数，实现两个数字的比较
  * @param x,y 参与比较的两个数字
  * @return x>y–> 1, x<y–>-1, x==y–>0
  */
  int get_large(int x, int y)
  {
  int flag = 0;
  if (x > y) flag = 1;
  else if (x < y) flag = –1;
  return flag;
  }
  int main(int argc,char *argv[])
  {
  // 定义a,b两个测试数组
  int a[LEN] = {12,12,10,18,5};
  int b[LEN] = {111,112,110,8,5};
  int max = 0, min = 0, k = 0;
  // 遍历数组，进行比较
  for (int i = 0; i < LEN; i++)
  {
  // 同一位置两个数比较
  int res = get_large(a[i], b[i]);
  if (res == 1) max++;
  else if (res == –1) min++;
  else k++;
  }
  printf("max=%d,min=%d,k=%d\\n", max, min, k);
  return 0;
  }

案例2

• 需求：编写一个函数，用来分别求数组score_1（有5个元素）和数组score_2（有10个元素）各元素的平均值 。

• 代码：

  #include <stdio.h>
  /**
  * 定义一个函数，求一个数组的平均值
  */
  float get_avg(float scores[], int len)
  {
  int i;
  float aver, sum = scores[0]; // 平均值，总分
  // 遍历数组
  for (i = 1; i < len; i++) sum += scores[i];
  // 求平均分
  aver = sum / len;
  return aver;
  }
  int main(int argc,char *argv[])
  {
  // 测试数组
  float scores1[] = {77,88,99,66,57};
  float scores2[] = {67,87,98,78,67,99,88,77,77,67};
  int len = sizeof(scores1) / sizeof(scores1[0]);
  int len2 = sizeof(scores2) / sizeof(scores2[0]);
  printf("%6.2f,%6.2f\\n", get_avg(scores1, len),
  get_avg(scores2, len2));
  return 0;
  }

案例3

• 需求：编写一个函数，实现类似strcpy的效果 。

• 代码：

  #include <stdio.h>
  /**
  * 自定义一个字符串拷贝函数
  * @param source 源数组
  * @param dest 需要替换的字符串
  */
  void _strcpy(char source[], const char dest[])
  {
  // 遍历源数组，以源数组的大小作为循环
  for (int i = 0; source[i] != '\\0'; i++)
  {
  // 获取dest相应位置的字符
  source[i] = dest[i];
  }
  }
  int main(int argc,char *argv[])
  {
  char str[] = "hello world!";
  printf("%s\\n", str);
  _strcpy(str,"hi yifan!");
  printf("%s\\n", str);
  _strcpy(str,"娇娇");
  printf("%s\\n", str);
  return 0;
  }

变量的作用域

引入问题

我们在函数设计的过程中，经常要考虑对于参数的设计，换句话说，我们需要考虑函数需要几个参数，需要什么类型的参数，但我们并没有考虑函数是否需要提供参数，如果说函数可以访问到已定义的数据，则就不需要提供函数形参。那么我们到底要不要提供函数形参，取决于什么？答案就是变量的作用域（如果函数在变量的作用域范围内，则函数可以直接访问数据，无需提供形参）

变量作用域

**概念：**变量的作用范围，也就是说变量在什么范围有效。

变量的分类

根据变量的作用域不同，变量可以分为：

• 全局变量

说明：定义在函数之外，也称之为外部变量或者全程变量。

作用域：从全局变量定义到本源文件结束。

初始值：整型和浮点型，默认值是0；字符型，默认值是\\0；指针型，默认值NULL

举例：

int num1; // 全局变量，num1能被fun1、fun2、main共同访问
void fun1(){}
int num2; // 全局变量，num2能被fun2、main共同访问
void fun2(){}
void main(){}
int num3; // 全局变量，不能被任何函数访问

• 局部变量

举例：

// a,b就是形式参数（局部变量）
int add(int a, int b)
{
return a + b;
}
int add2(int a, int b)
{
// z就是函数内定义的变量（局部变量）
int z = a + b;
return z;
}
int list(int arr[], int len)
{
// i就是for循环表达式1的变量（局部变量）
for(int i = 0; i < len; i++)
{
// num就是复合语句中定义的变量（局部变量）
int num = arr[i];
}
}

使用全局变量的优缺点：

优点：

缺点：

总结：

我们发现弊大于利，建议尽量减少对全局变量的使用，函数之间要产生联系，仅通过实参+形参的方式产生联系。

作用域举例

注意：

如果全局变量和局部变量同名，程序执行的时候，就近原则（区分作用域）

int a = 10; // 全局变量 全局作用域
int main()
{
int a = 20; // 局部变量 函数作用域
printf("%d\\n", a); // 20 就近原则
for (int a = 0; a < 5; a++) // 局部变量 块作用域
{
printf("%d", a); // 0 1 2 3 4 就近原则
}
printf("%d\\n",a); // 20 就近原则
}

变量的生命周期

定义

**概念：**变量在程序运行中的存在时间（内存申请到内存释放的时间）

根据变量存在的时间不同，变量可分为静态存储方式和动态存储方式

变量的存储类型

语法：

变量的完整定义格式： [存储类型] 数据类型 变量列表;

存储类型：

• auto

  auto存储类型只能修饰局部变量，被auto修饰的局部变量是存储在动态存储区（栈区和堆区）的。auto也是局部变量默认的存储类型。

  int main()
  {
  int a;
  int b;
  // 以下写法等价于上面写法
  auto int a;
  auto int b;
  int a,b;
  // 以下写法等价于上面写法
  auto int a,b;
  }

• static

  **修饰局部变量：**局部变量会被存储在静态存储区。局部变量的生命周期被延长。但是作用域不发生改变，不推荐

  **修饰全局变量：**全局变量的生命周期不变，但是作用域衰减，一般限制全局变量只能在本源文件内访问，其他文件不可访问。

  **修饰函数：**被static修饰的函数，只能被当前文件访问,其他引用该文件的文件是无法访问的,有点类似于java中private

• extern

  外部存储类型：只能修饰全局变量，此全局变量可以被其他文件访问，相当于扩展了全局变量的作用域。

  extern修饰外部变量，往往是外部变量进行声明，声明该变量是在外部文件中定义的。起到一个标识作用。函数同理。

  demo01.c

  #include "demo01.h"
  int fun_a = 10;
  int fun1(){..}

  demo02.c

  #include "demo01.h"
  // 声明访问的外部文件的变量
  extern int fun_a;
  // 声明访问的外部文件的函数
  extern int fun1();
  int fun2();

• register

  寄存器存储类型：只能修饰局部变量，用register修饰的局部变量会直接存储到CPU的寄存器中，往往将循环变量设置为寄存器存储类型（提高读的效率）

  for (register int i = 0; i < 10; i++)
  {
  ...
  }

  面试题

  static关键字的作用

• static修饰局部变量，延长其生命周期，但不影响局部变量的作用域。

• static修饰全局变量，不影响全局变量的生命周期，会限制全局变量的作用域仅限本文件内使用(私有化)；

• static修饰函数：此函数就称为内部函数，仅限本文件内调用（私有化）。 static int funa(){..}

内部函数和外部函数

• 内部函数：使用static修饰的函数，称作内部函数，内部函数只能在当前文件中调用。
• 外部函数：使用extern修饰的函数，称作外部函数，extern是默认的，可以不写（区分编译环境），也就是说本质上我们所写的函数基本上都是外部函数，建议外部函数在被其他文件调用的时候，在其他文件中声明的时候，加上extern关键字，主要是提高代码的可读性。

，此全局变量可以被其他文件访问，相当于扩展了全局变量的作用域。

extern修饰外部变量，往往是外部变量进行声明，声明该变量是在外部文件中定义的。起到一个标识作用。函数同理。

demo01.c

#include "demo01.h"
int fun_a = 10;
int fun1(){..}

demo02.c

#include "demo01.h"
// 声明访问的外部文件的变量
extern int fun_a;
// 声明访问的外部文件的函数
extern int fun1();
int fun2();

• register

  寄存器存储类型：只能修饰局部变量，用register修饰的局部变量会直接存储到CPU的寄存器中，往往将循环变量设置为寄存器存储类型（提高读的效率）

  for (register int i = 0; i < 10; i++)
  {
  ...
  }

  面试题

  static关键字的作用

• static修饰局部变量，延长其生命周期，但不影响局部变量的作用域。

• static修饰全局变量，不影响全局变量的生命周期，会限制全局变量的作用域仅限本文件内使用(私有化)；

• static修饰函数：此函数就称为内部函数，仅限本文件内调用（私有化）。 static int funa(){..}

内部函数和外部函数

• 内部函数：使用static修饰的函数，称作内部函数，内部函数只能在当前文件中调用。
• 外部函数：使用extern修饰的函数，称作外部函数，extern是默认的，可以不写（区分编译环境），也就是说本质上我们所写的函数基本上都是外部函数，建议外部函数在被其他文件调用的时候，在其他文件中声明的时候，加上extern关键字，主要是提高代码的可读性。