CS100 Recitation 5

IO 和复合数据结构

@jiangye2022@shanghaitech.edu.cn
@lichf2025@shanghaitech.edu.cn
@heyx2025@shanghaitech.edu.cn

Contents

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1. 重定向与文件 IO

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1. 重定向与文件 IO

1.1. 流（stream）、输入流、输出流

“流” (stream) ：这些字符像水流一样，流过，便不再回头。（多么文艺的表述！）

stdin, stdout ： 标准输入流、标准输出流

  • 当我们在终端运行一个程序的时候，在默认情况下， stdin 和 stdout 都被绑定到这个终端。
  • ./program < my_input_file.txt ： 将 stdin 重定向到 my_input_file.txt
  • ./program > my_output_file.txt ： 将 stdout 重定向到 my_output_file.txt
    • 如果这个文件不存在，就创建出来。
    • 如果这个文件存在，它原有的内容会被覆盖掉。
    • ./program >> my_output_file.txt ： 追加，而非覆盖。
  • ./program < testcases/3.in > output.txt
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1. 重定向与文件 IO

1.2. freopen: 在代码中实现“重定向” (redirect)

freopen("testcases/3.in", "r", stdin);
freopen("output.txt", "w", stdout);
File access mode string meaning explanation
"r" read open a file for reading
"w" write create a file for writing
"a" append append to a file
"r+" read extended open a file for read/write
"w+" write extended create a file for read/write
"a+" append extended open a file for read/write
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1. 重定向与文件 IO

1.2. freopen: 在代码中实现“重定向” (redirect)

freopen("testcases/3.in", "r", stdin);
freopen("output.txt", "w", stdout);

事实上 freopen 能做的不止是给 stdin / stdout 重定向！

永远不要仅凭课件上的只言片语和例子学习标准库函数。——请在 CPPReference-freopen 中查看相关文档。

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1. 重定向与文件 IO

1.3. 标准输入、输出流

scanf, printf, getchar, putchar, puts 这些函数都使用 stdin 和 stdout 。

例如，

  • 如果在使用 scanf 前将 stdin 重定向到某个文件， scanf 就会从那个文件读入。
  • 如果在使用 puts 前将 stdout 重定向到某个文件， puts 就会向那个文件写入。
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1. 重定向与文件 IO

1.4. 文件 IO

FILE *infile = fopen("relative/path/to/my/input/file", "r");
int a, b;
fscanf(infile, "%d%d", &a, &b);
FILE *outfile = fopen("relative/path/to/my/output/file", "w");
fprintf(outfile, "%d\n", a + b);
fclose(infile);
fclose(outfile);
  • fopen ：打开一个文件，获得一个 FILE * （文件指针）。
  • fclose ：关闭一个文件。参数是一个 FILE * 。
  • fscanf, fprintf, fputs, fgets, fputc, fgetc ：在原来的函数的基础上，多传一个 FILE * 类型的参数。
    • 如果传入 stdin / stdout ，它就和普通的版本一样了。

2. struct

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2. struct

2.1. What's struct?

把一些变量组合在一起，定义成一个新的数据结构。例如：

struct Student {
  const char *name;
  const char *id;
  int entrance_year;
  int dorm;
};

struct Record {
  void *ptr;
  size_t size;
  int line_no;
  const char *file_name;
};

struct brainfuck_state {
  uint8_t *memory_buffer;
  size_t offset;
  // ...
};


struct Point3d {
  double x, y, z;
}; 

struct Line3d {
  struct Point3d p0, direction;
};
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2. struct

2.2. Product type

结构体的值是其所有成员值的组合。假设 struct X 具有如下成员：

struct X {
  T_1 mem_1;
  T_2 mem_2;
  // ...
  T_n mem_n;
};

设类型 的值的集合分别为 ，则 struct X 的值的集合为

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2. struct

struct 类型

struct + 名字。C 中 struct 关键字不可省略，C++ 中必须省略。

struct Student student;
struct Record records[1000];

typedef 定义类型别名

typedef long long LL;
typedef struct { double x, y, z; } Point3d;

LL llval = 0; // llval is long long
Point3d p;

不要用 #define 代替 typedef！！！

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2. struct

2.3. struct 的成员

name.mem

struct Student student;
student.name = "Alice";
student.id = "2023533000";
student.entrance_year = 2023;
student.dorm = 8;
printf("%d\n", student.dorm);
++student.entrance_year;
puts(student.name);
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2. struct

2.3. struct 的成员

ptr->mem：等价于 (*ptr).name。不是 *ptr.name ！！（. 优先级高于 *）

struct Student *ptr = &student;
ptr->name = "Alice";
ptr->id = "2023533000";
(*ptr).entrance_year = 2023; // equivalent to ptr->entrance_year = 2023;
ptr->dorm = 8;
printf("%d\n", ptr->dorm);
++ptr->entrance_year;
puts(ptr->name);
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2. struct

2.4. struct 的初始化

老生常谈的问题：不显式初始化时会发生什么？

struct Student gs;
int main(void) {
  struct Student ls;
}
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2. struct

2.4. struct 的初始化

老生常谈的问题：不显式初始化时会发生什么？

struct Student gs;
int main(void) {
  struct Student ls;
}
  • 全局或局部 static：空初始化：结构体的所有成员都被空初始化。
  • 局部非 static：不初始化，所有成员都具有未定义的值。
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2. struct

2.4. struct 的初始化

Initializer list:

struct Record r = {p, cnt * each_size, __LINE__, __FILE__};

隔壁 C++20 才有的 designators，C99 就有了！（是不是非常像 PythonVerilog？）

struct Record r2 = {.ptr = p, .size = cnt * each_size,
                    .line_no = __LINE__, .file = __FILE__};

C 允许 designators 以任意顺序出现，C++不允许。

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2. struct

2.4. struct 的初始化

我们可以使用 Initializer List 来初始化结构体：

struct Record r = {p, cnt * each_size, __LINE__, __FILE__};
struct Record r2 = {.ptr = p, .size = cnt * each_size,
                    .line_no = __LINE__, .file = __FILE__};

但对结构体的赋值却不能这样使用：

r = {p, cnt * each_size, __LINE__, __FILE__};         // Error
records[i] = {.ptr = p, .size = cnt * each_size,
              .line_no = __LINE__, .file = __FILE__}; // Error
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2. struct

2.4. struct 的初始化

我们可以使用 compound literal（复合字面值），在表达式中临时构造一个匿名结构体：

r = (struct Record){p, cnt * each_size, __LINE__, __FILE__};         // OK
records[i] = (struct Record){.ptr = p, .size = cnt * each_size,
                             .line_no = __LINE__, .file = __FILE__}; // OK
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2. struct

2.5. 拷贝一个 struct

一个 struct 可以被拷贝，其行为是逐成员拷贝。

struct Student a = {"Alice", "2023533000", 2023, 8};
struct Student b = a; // OK，初始化
struct Student c = something();
c = a; // OK，赋值

  • // struct Student b = a; 就如同下面的代码
struct Student b = {a.name, a.id, a.entrance_year, a.dorm};

  • // c = a; 就如同下面的代码
c = (struct Student){a.name, a.id, a.entrance_year, a.dorm};
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2. struct

2.5. 拷贝一个 struct

struct A {
  int array[10];
  // other members ...
};

虽然编译器拒绝直接拷贝数组，但它其实有能力做到。

拷贝一个 struct A 时，编译器会自动逐元素拷贝数组。

int a[10];
int b[10] = a; // Error!

struct A a;
struct A b = a; // OK
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2. struct

2.6. 在函数之间传递 struct

传参的语义是拷贝。

void print_info(struct Record r) {
  printf("%p, %zu, %d, %s\n", r.ptr, r.size, r.line_no, r.file_name);
}

print_info(records[i]);
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2. struct

2.6. 在函数之间传递 struct

事实上，在传参时发生的是这样的初始化，也就是逐成员拷贝：

struct Record r = records[i];

就如同

struct Record r = {records[i].ptr, records[i].size,
                   records[i].line_no, records[i].file_name};
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2. struct

2.6. 在函数之间传递 struct

返回一个 struct，严格按照语法来说，也是拷贝：

struct Record fun(void) {
  struct Record r = something();
  some_computations(r);
  return r;
}
records[i] = fun();

return r;：发生了形如 struct Record tmp = r; 的拷贝，临时对象 tmp 是表达式 fun() 的求值结果。然后发生了形如 records[i] = tmp; 的拷贝。

但实际上这个过程会被编译器优化，标准也是允许这种优化的。（我们以后在 C++ 里进一步讨论这个问题）

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2. struct

2.7. struct 的大小

struct A {
  int x;
  char y;
  double z;
};

sizeof(struct A) 是多少？

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2. struct

2.7. struct 的大小

struct A {
  int x;
  char y;
  double z;
};

sizeof(struct A) >= sizeof(int) + sizeof(char) + sizeof(double)。由于内存对齐的问题，编译器可能会在某些地方插入一定的空白。

一般地，对于一个 struct X ，有

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2.7. struct 的大小

struct A {
  int x;
  struct A a;
};

sizeof(struct A) 是多少？

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2. struct

2.7. struct 的大小

struct A {
  int x;
  struct A a; // Error: use of incomplete type 'struct A'.
};

sizeof(struct A)。因此这种行为是不允许的。

  • 从物理上讲：这样的东西无法存储。
  • C 类型系统认为：在定义完毕之前，这个类型是不完全类型 (incomplete type)。对于不完全类型，不能定义这个类型的对象，不能访问这个类型的成员，只能定义这个类型的指针，并且不能解引用。
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2. struct

2.8. 常见问题：如何返回两个值/多个值？

??? minmax(int *array, int n) {
  int min = INT_MAX;
  int max = INT_MIN;
  for (int i = 0; i < n; ++i) {
    // ...
  }
  return /* (min, max) */
}

??? read_string(void) {
  char *buffer = /* ... */;
  size_t size = 0;
  // read the string ...
  
  buffer[size] = '\0';
  return /* (buffer, size) ? */
}

“返回一个值”：将信息从函数内传给调用者。

  • 除了 return ，还有什么办法可以传递这个信息？
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2. struct

2.8. 常见问题：如何返回两个值/多个值？

除了 return ，还有什么办法可以把信息传给调用者？

让调用者把存放结果的内存地址传进来，我往那儿写。

int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

int main(void) {
  int sum = add(1, 2);
}

void add(int a, int b, int *result) {
  *result = a + b;
}
int main(void) {
  int sum;
  add(1, 2, &sum);
}
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2. struct

2.8. 常见问题：如何返回两个值/多个值？

——传递存放结果的内存地址！

void minmax(int *array, int n, int *min, int *max) {
  *min = INT_MAX;
  *max = INT_MIN;
  for (int i = 0; i < n; ++i) {
    // 对 *min 和 *max 进行修改
  }
}
int main(void) {
  int a[] = {1, 2, 3};
  int min, max;
  minmax(a, 3, &min, &max);
}
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2.8. 常见问题：如何返回两个值/多个值？

——传递存放结果的内存地址！

想“返回”多少个值都可以：

void minmax(int *array, int n, int *min, int *max, int *secmin, int *secmax);

例如：在 CUDA 编程中，Kernel 函数（__global__函数）​不能有返回值，因此只能通过指针参数​写入结果。

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2. struct

2.8. 常见问题：如何返回两个值/多个值？

——传递存放结果的内存地址！
还可以与 return 结合使用（但像 minmax 这样的函数，返回的两个值“地位对等”，不建议用两种不同的方式。）：

char *read_string(size_t *size) {
  char *buffer = /* ... */;
  *size = 0;
  // read the string, ++*size whenever a new character is read and stored.
  buffer[*size] = '\0';
  return buffer;
}
int main(void) {
  size_t size;
  char *string = read_string(&size);
}
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2. struct

2.8. 常见问题：如何返回两个值/多个值？

更直接的方式： return 一个 struct。

C 没有内置的“元组” (tuple) ，但它可以轻易用 struct 造出来：

struct minmax_result { int min; int max; };
struct minmax_result minmax(int *array, int n) {
  int min = INT_MAX;
  int max = INT_MIN;
  // ...
  return (struct minmax_result){min, max};
}
int main(void) {
  int a[] = {1, 2, 3};
  struct minmax_result minmax = minmax(a, 3);
  int min = minmax.min, max = minmax.max;
}
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2. struct

2.8. 常见问题：如何返回两个值/多个值？

更直接的方式： return 一个 struct。

Exercise：

用这种方式改写 read_string

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2. struct

2.9. 逗号运算符

一些来自其他语言的选手可能会想这么写：

int minmax(int *array, int n) {
  // ...
  return min, max;
}

它真的能通过编译，但效果就是 return max;

  • 表达式 expr1, expr2 中的 , 是逗号运算符：先对 expr1 求值，再对 expr2 求值，返回 expr2 的值。
    • 这是优先级最低的运算符，也是为数不多的运算对象求值顺序能确定的运算符之一。
  • 并非所有逗号都是逗号运算符，例如 func(a, b, c) 中的逗号是函数调用传参的语法的一部分， int a, b; 中的逗号是声明多个变量的语法的一部分。
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2. struct

2.10. 标准库的相关设计

strtol ：将一个以字符串形式存在的整数的数值提取出来（得到一个 long）。

long strtol(const char *str, char **str_end, int base);

char str[] = "1234abcdef";
char *next_pos;
long value = strtol(str, &next_pos, 10);
// value 是 1234 ， next_pos 指向 'a'

The functions set the pointer pointed to by str_end to point to the character past the last numeric character interpreted. If str_end is a null pointer, it is ignored.

strtoll, strtod 等函数也是这样。

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2. struct

2.11. 怎样设计一个函数，让它修改一个变量？

要么 x = f(x) ，要么 f(&x) 。

const char *move_forward(const char *s)
{
  while (*s != '\0' && condition(*s))
    ++s;
  return s;
}

// call site:
ptr = move_forward(ptr);

void move_forward(const char **s)
{
  while (**s != '\0' && condition(**s))
    ++*s;
}

// call site:
move_forward(&ptr);

3. enum, bitfield, union

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3.1. enum

定义一个新的类型，其值是某几个特定的（有名字的）值之一。

struct Text {
  int color; // 0 黑色, 1 红色, 2 绿色
  char *contents;
};

// in some function
struct Text text = something();
text.color = 0; // 设为黑色
  • 不好的设计：使用 magic numbers
enum TextColor { Black, Red, Green };
struct Text {
  enum TextColor color;
  char *contents;
};

// in some function
struct Text text = something();
text.color = Black;
  • 好的设计：使用 enum 。
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3.1. enum

enum 实际上也是一种整数！

const char *colorToString(enum TextColor color) {
  switch (color) { // 可以放在 switch 里
    // enum items 是整型编译期常量，可以放在 case label 上
    case Black: return "Black";
    case Red:   return "Red";
    case Green: return "Green";
    default:    return "unknown color";
  }
}

const char *colorToString(enum TextColor color) {
  const char *colors[] = {"Black", "Red", "Green"};
  return colors[color]; // color 可以作为下标
}
  • 你觉得哪一种写法更好？
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3.1. enum

#c

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3.2. Bitfield

注意：以下代码的行为是 implementation-dependent 的：

struct Instruction {
  unsigned imm : 7;
  unsigned r2 : 3;
  unsigned r1 : 3;
  unsigned opcode : 3;
}; // sizeof(struct Instruction) == 7 + 3 + 3 + 3

#c

unsigned short x; scanf("%hx", &x);
struct Instruction i= *(struct Instruction *)&x;
// 现在可以直接使用 i.opcode, i.r1, i.r2, i.imm
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3.3. union

union 和 struct 一样，也有一系列成员。不同的是， union 是这些成员的“叠加”，这些成员共用一片内存。

  • struct: "Cartesian product"

  • union: (almost) "disjoint union"

使用 union 要非常小心。

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3.3. union

Example: 让浮点数和整数共享同一块内存

// 定义一个 Union，让 float 和 uint32_t 共享内存
typedef union {
    float f;       // 32-bit 浮点数
    uint32_t i;    // 32-bit 无符号整数（用于位操作）
} FloatIntUnion;
  • union 让 float 和 uint32_t 共享同一块内存（4 字节）。
  • 修改 u.i 会直接影响 u.f 的二进制表示，反之亦然。
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3.3. union

Example: 让浮点数和整数共享同一块内存

通过修改 u.i 的对应 Bit 来修改 u.f 的 Exponent：

uint32_t new_exponent = 127 + 1;  // 指数 +1（相当于乘以 2）
u.i = (u.i & 0x807FFFFF) | (new_exponent << 23);

这样 3.14 会变成 6.28（因为指数 +1 相当于 ×2）。