CS100 Recitation 1

GKxx

GKxx is a 20-level student from ShanghaiTech , majoring in Computer Science and Technology. He has been a TA for CS100 multiple times and has made significant contributions to the course.

• Bilibili: GKxxISCAS
• GitHub: GKxxUCAS

TA Members

• 李超凡 lichf2025@shanghaitech.edu.cn
• 贺云翔 heyx2025@shanghaitech.edu.cn
• 张雍治 zhangyzh2022@shanghaitech.edu.cn
• 蒋烨 jiangye2022@shanghaitech.edu.cn
• 陆渊吉 luyj2023@shanghaitech.edu.cn
• 王诗涵 wangshh2023@shanghaitech.edu.cn
• 张帆 zhangfan2025@shanghaitech.edu.cn

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3. 开始

3.1. 为什么要学 C/C++ ？

• 为什么要学微积分/离散数学/XXXX/......？

重走一个学科/领域从无到有的发现历程

• 理解学科中的基本思想、基本方法、里程碑、走过的弯路
• 锻炼学习的能力
• 应用、创新、革命 ......

3. 开始

3.2. 怎样学好这门课

关键：把课件、课本等资料上的示例代码独立地实现一遍

• 作业也会有很多直接来自于课件（包括习题课）的题目
  • 看懂、掌握基本的知识
  • （尝试）独立地实现
  • 对比课件上的写法，有什么区别？哪种更好？
• 仅仅做到能“看懂”是不够的，只有独立实现才能内化为自己的知识。
  • 学数学也是如此。

3. 开始

3.3. 关于学术诚信

我们采取相对宽松的规则。

• 简单题、教学题不查重，鼓励模仿和借鉴好的写法、好的思路。
  • 部分题目会设置与 TA 的线下 check 。
• 允许帮别人 debug 。
• 鼓励使用 AI 工具辅助学习，比如让 ChatGPT/Copilot 帮你解释代码。
  • 注意谨慎求证。
• 但是禁止直接抄袭来自他人、网络、 AI 生成的代码。

4. Review

4.1. 环境配置

• Option 1 : Code editor + Compiler
  • Code editor（代码编辑器）: VS Code
  • Compiler（编译器）: MinGW (Minimal GNU for Windows) is suggested for Windows users.
• Option 2 : IDE（Integrated Development Environment，集成开发环境）
  • CLion, Virtual Studio...

如果你刚刚开始，建议使用 VS Code，因为它通常可以满足你作为初学者的所有需求。

随着项目的增长和任务的变得更加复杂，您可能需要考虑在工具链中添加一个 IDE，因为它们可以帮助您完成一些非常具有挑战性的日常任务。

4. Review

4.2. Introduction to C/C++

• C / C++ 和 Python 有什么不同
  • C / C++ 的编译（Compile）
  • Python 解释（Inteprete）
• 如何运行一个 C 语言程序？

4. Review

4.3. 编译语言和解释语言

5. 编译、运行一个 C 程序

5.1. 编译和运行的基本流程

假设我们现在有一个文件 "hello.c".

• 首先，我们需要编译它。
  • Command: gcc hello.c -o hello
    • -o" 即为指定输出文件的名字。如果没有-o，文件名就默认为"a"
  • 编译之后，可执行文件被生成
    • On Windows, it will be named "hello.exe".
    • On Linux/MacOS, it will be named "hello".
• 接下来，我们需要运行可执行文件：
  • Command: Linux/MacOS: ./hello; Windows: .\hello
  • 当然你也可以双击它，但它会“一闪而过”。（因为运行结束后窗口就会关闭）

5. 编译、运行一个 C 程序

5.3. 环境变量 PATH

当你执行 gcc hello.c -o hello 的时候，你唤醒的 gcc 是你安装在某处的 gcc (Linux/Mac) / gcc.exe (Windows)

例如，Windows 上的 D:\mingw64\bin\gcc.exe

终端如何认识到你想找的 gcc 是 D:\mingw64\bin\gcc.exe？

5. 编译、运行一个 C 程序

5.3. 环境变量 PATH

当你执行 gcc hello.c -o hello 的时候，你唤醒的 gcc 是你安装在某处的 gcc (Linux/Mac) / gcc.exe (Windows)

例如，Windows 上的 D:\mingw64\bin\gcc.exe

终端如何认识到你想找的 gcc 是 D:\mingw64\bin\gcc.exe？

• 将 D:\mingw64\bin 添加到环境变量 PATH。
• PATH 存储了一系列目录，当你在终端中输入一个命令时，系统会在这些目录中依次查找对应的可执行文件。

6. 初识函数

6.1. 定义一个函数

语法：ReturnType FunctionName(Parameters) { FunctionBody }

• 数学上，函数是
• 一个函数的参数的类型对应 ，返回值类型对应 。

例：下取整函数 的参数和返回值类型分别是什么？

int floor(double x) {
  // ...
}

6. 初识函数

6.1. 定义一个函数

一个函数可以接受多个参数（），每个参数的类型都需要写出来。

• 哪怕它和前一个参数类型相同，也不可以省去。(int x, int y) 不可以省略为 (int x, y)

ReturnType myFunction(Type1 a1, Type2 a2, Type3 a3) {
  // ...
}

6. 初识函数

6.1. 定义一个函数

一个函数可以没有返回值，这样的函数返回值类型为 void。

ReturnType do_some_work(void) {
  // ...
}

和数学函数不同，C 函数不仅仅是“接受一些参数、返回一个值”，它实际上就是将一小段具有特定功能的代码单独拎出来，并且给它起个名字。

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

scanf 和 printf 是 C 语言中最常用的输入输出函数，分别用于从标准输入读取数据和向标准输出打印数据。

虽然文档有点复杂，但也要试着在这里检索你需要的信息。——GKxx

• CPP Reference: scanf
• CPP Reference: printf

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

printf 函数

• 功能：向标准输出设备打印格式化的文本。
• 基本语法：

  include <stdio.h> // 必须包含头文件
  int printf(const char *format, ...);
  

  • format：字符串，包含要打印的文本和格式控制说明符。
  • ...：可变参数，其数量和类型必须与 format 中的格式控制说明符匹配。

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

printf 函数的格式控制说明符

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

printf Example

include <stdio.h>

int main() {
    int age = 20;
    float height = 1.75f;
    char grade = 'A';
    char name[] = "Li Hua";
    
    printf("Hello, my name is %s.\n", name);
    printf("I am %d years old and %.2f meters tall.\n", age, height);
    printf("I got an %c in the last exam.\n", grade);
    return 0;
}

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

参考输出：

Hello, my name is Li Hua.
I am 20 years old and 1.75 meters tall.
I got an A in the last exam.

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

scanf 函数

• 功能：从标准输入设备（通常是键盘）读取格式化的输入。
• 基本语法：

  include <stdio.h> // 必须包含头文件
  
  int scanf(const char *format, ...);
  

  • format：格式控制字符串，指定要读取的数据类型。
  • ...：可变参数，必须是变量的地址（使用 & 取地址操作符，字符串数组名称本身即是地址）。

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

scanf 函数的格式控制说明符

注意：除 %s（字符串存储在字符数组中）外，其他基本类型变量前必须加 &。

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

scanf Example

include <stdio.h>

int main() {
    int num1, num2;
    double price;

    printf("Enter two integers and a double: ");
    scanf("%d %d %lf", &num1, &num2, &price);
    printf("You entered: %d, %d, %.2f\n", num1, num2, price);
    return 0;
}

6. 初识函数

6.4. scanf 和 printf 函数

重要注意事项

1. & 运算符：对于 int, float, char 等基本类型变量，必须使用 & 获取其地址。错误示例：scanf("%d", num); (会导致未定义行为)。
2. scanf 的返回值：返回成功读取的数据项个数。可用于检查输入是否正确。

   if (scanf("%d %d", &a, &b) != 2) { 
       printf("Input error! Please enter two integers.\n");
       // 清理输入缓冲区等后续处理
   }
   

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int a, b;
  scanf("%d%d", &a, &b);
  printf("%d\n", a + b);
  return 0;
}

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

约定输入格式：两行，每行一个整数，分别表示 a 和 b。

• scanf("%d\n%d\n", &a, &b) 会发生什么？试一试。

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

约定输入格式：两行，每行一个整数，分别表示 a 和 b。

• scanf("%d\n%d\n", &a, &b) 会卡住，直到你输入了一个非空白字符为止。
• 看看标准：

  格式字符串中的任何一个空白字符都会消耗掉输入中所有可用的连续空白字符​（其行为类似于通过循环调用 isspace 函数来判断）。需要注意的是，在格式字符串中，"\n"、" "、"\t"或其他任何空白字符之间没有区别。

  • whitespace character: “空白字符”，包括空格、换行、回车、制表等。

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

让我们一步步模拟程序的执行过程：

1. 程序执行到 scanf，等待用户输入。
2. 用户输入 10 然后按下回车（回车键输入了换行符 \n）。此时输入缓冲区的内容是：'1' '0' '\n'。

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

3. scanf 开始解析格式字符串 "%d\n%d\n"：
   • %d：成功读取整数 10 并存入变量 a。读取完成后，输入缓冲区只剩下：'\n'。
   • \n（格式字符串中的第一个换行符）：这是一个空白字符。根据规则，它要求 scanf “丢弃输入缓冲区中所有的连续空白字符”。
     • 当前缓冲区里正好有一个 '\n'，它被读取并丢弃了。现在缓冲区空了。
   • 由于格式字符串中的 \n 是一个指令，而不是一个必须匹配的字符，scanf 在清空缓冲区中的空白后，并不会停止，因为它还在等待格式字符串中 \n 所隐含的“任意非空白字符”来结束这个空白指令。
   • 程序因此继续等待用户输入，因为缓冲区是空的，它需要读取更多内容来判断在哪里停止。

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

4. 用户继续输入 20 然后按下回车。现在缓冲区的内容是：'2' '0' '\n'。
5. scanf 继续执行：
   • 它终于遇到了非空白字符 '2'。这个 '2' 满足了 \n 指令的停止条件（遇到非空白字符）。
   • 根据规则，这个 '2' 不会被消耗，它被放回（push back）到输入缓冲区中。现在缓冲区的内容变回：'2' '0' '\n'。
   • scanf 继续处理格式字符串的下一部分：%d。%d 正好从缓冲区中顺利地读取了整数 20 并存入变量 b。读取完成后，缓冲区剩下：'\n'。

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

6. scanf 继续处理格式字符串的最后一部分：\n（第二个换行符）。
   • 同样，它读取并丢弃缓冲区中已有的 '\n'，缓冲区再次变空。
   • 同样，它因为这条指令而再次等待，希望用户输入一个非空白字符来“结束”这个指令。
7. 程序现在卡住了。它还在执行 scanf 函数，等待用户输入一个非空白字符（比如一个数字、一个字母等）。只有当你再输入一些内容（例如随便按一个字母 x 然后回车），scanf 遇到了非空白字符 'x'，才会结束整个读取过程。

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

约定输入格式：两行，每行一个整数，分别表示 a 和 b。

• scanf("%d%d", &a, &b) 可以吗？
• 可以！但这是为什么呢？看看标准：

  • "%d" 匹配一个十进制整数。该数字的格式与 strtol 函数以 10 为基数参数时所期望的格式相同。

• strtol 是什么鬼？点进去看看：

  strtol 解释由 str 指向的字节字符串中的整数值。strtol 会丢弃所有前导的空白字符（通过调用isspace识别）直到找到第一个非空白字符，然后...

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

关于 printf

double 需要用 %lf 输出。如果我用 %d 输出，会怎样？

#include <stdio.h>

int main(void) {
  double pi = 3.14;
  printf("%d\n", pi);
  return 0;
}

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

关于 printf
它和先将 pi 转换为 int（小数部分截去）再输出的效果一样吗？

double pi = 3.14;
int pi_int = pi; // pi_int 值为 3
printf("%d\n", pi_int);

6. 初识函数

6.5. "A+B" problem

关于 printf

在 scanf 和 printf 中，conversion specifier 与对应的变量类型不匹配是 undefined behavior：你不能对程序的行为做任何假定。

以下说法统统是错的：

• 它会进行某种类型转换再输出
• 它会输出一个值，只是我不知道它是多少罢了

程序完全有可能在这里直接崩溃。此外，编译器可以假定你的程序不含 undefined behavior，所以它如果发现这里有 undefined behavior，就可以直接把这行代码删掉，这完全符合语言标准。

6. 初识函数

6.6. Undefined Behavior

Undefined Behavior​ (未定义行为，简称 UB) 是指程序中的一种行为，​对于这种行为，本国际标准（C/C++ Standard）没有施加任何要求。

​​"Undefined behavior"​: behavior for which this International Standard imposes ​no requirements.

• ISO/IEC 9899:2017 (§3.4.3) (C17 Standard)
• ISO/IEC 14882:2017 (§3.27) (C++17 Standard)

6. 初识函数

6.6. Undefined Behavior

这意味着，当程序执行中出现未定义行为时：

• ​标准不做规定​：标准文档不会、也无需预测或规定程序的后续行为或输出结果。
• ​无需诊断​：编译器不一定需要为此发出编译错误或警告（尽管好的编译器通常会尝试发出警告）。符合标准的编译器可以静默地接受包含UB的代码。
• ​任何结果都是“符合标准”的​：从标准的角度看，可能发生的任何情况都是可以接受的，包括但不限于：
  • 产生一个不可预测的、无意义的结果。
  • 表现出看似正常但实际错误的行为。
  • 在运行时崩溃（例如， segmentation fault）。
  • 表现出与时间、环境或平台相关的怪异行为。
  • 在优化编译下，导致之前或之后的代码被消除或重新排序，从而引发更难以理解的错误。

7. Tools

• CppReference/Textbook: C/C++ 的编程语言参考资料
• VS Code / Clion: 写代码，debug的工具
• *Debugger: 帮助你写代码和 debug 的工具
• *CMake / XMake: 一个跨平台的项目构建工具，可以方便的代替 Makefile 进行大型项目的管理。
• *Git: 一个帮助你管理代码版本和查看代码改动的工具
• ...

Note: 标有星号（*）的工具很重要，但将在我们的课程中进行功能介绍。为了更深入地了解它们的用法，我们鼓励您独立探索

7. Tools

Debugger

• breakpoint：在特定代码行设置暂停执行，以便更仔细地查看程序在某一行代码执行前的状态。
• 监视变量：在程序运行时监视变量或表达式的值。
• 逐步执行：一步一步地运行程序，可以逐行（Step Over），进入函数（Step into），也可以执行函数的剩余部分并在该函数执行结束之后暂停（Step Out）。
• ...

7. Tools

Git

• git init : 初始化一个git仓库
• git commit : 本地保存仓库更改
• git reset : 回溯到某个版本
• git log : 显示历史提交记录
• git push : 把本地的更改上传远程云端
• git pull : 从云端拉取远端最新的更改使得和云端仓库一致
• ...

7. Tools

Makefile / CMake / XMake

• Makefile：一个文本文件，包含了一系列的规则和指令，用于指导 make 工具如何编译和链接程序。
  • 简单的说：帮我们将刚才的 gcc hello.c -o hello 这种命令，以及更复杂的其他命令，进行自动化
  • 你可以简单的通过 make 来编译你的项目。
• CMake：一个跨平台的开源构建系统，使用 CMakeLists.txt 文件来定义项目的构建过程。CMake 可以生成适用于不同平台和编译器的 Makefile 或项目文件。
• XMake：一个轻量级的跨平台构建工具，使用 xmake.lua 文件来定义项目的构建过程。XMake 提供了简洁的语法和强大的功能，适合快速构建和管理项目。
  • 相比于 CMake，XMake 更加轻量和易用。