【蓝因子教育】C语言的组成结构（基础完整篇）！

C是一种具有模块化设计的命令式编程语言，具有简约、直观的设计风格，与相对清晰、简单的语言结构。

在谈C的语言结构之前，需要先解释一些基本元素的含义。

一、表达式

表达式是一个或多个变量、常量、函数与运算符按照特定规则的组合，表达式根据特定的优先级与运算符进行计算并返回一个值。

注意：单个变量、常量或函数名也是一个表达式。

以下面表达式为例：

var = fn(1) + 5

其中var、fn、1、5都是表达式，其返回值为自身的值；fn(1)也是一个表达式，返回函数调用的返回值；fn(1) + 5也是一个表达式，返回算术运算的结果；var = fn(1) + 5也是一个表达式，返回赋值号左边的值，此例中此值被丢弃。

特别地，调用返回值为void类型的函数将返回一个void类型的值，但此值无法被使用，只能丢弃。

1、完整表达式

如果一个表达式不是其他表达式的子表达式，则称这个表达式为“完整表达式”。

以下面几个语句为例：

var = 1 + 2;

fn(var + 1);

if (var + 1) ;

✪ 表达式语句中的整个表达式为完整表达式，如上面的var = 1 + 2和fn(var + 1)，但第二行的var + 1不属于完整表达式。（函数调用实际上是运算符()对函数指针和参数进行运算）

✪ if、while、switch括号中的表达式以及for括号中的每个分量都是完整表达式，所以第三行的var + 1是完整表达式。

二、副作用

除了返回值以外对程序造成的其他影响称为副作用。比如修改变量的值，执行I/O操作等。

对于如下表达式：

var = 5

表达式的返回值为5,副作用为将5赋值给变量var。

而对于以下表达式：

1 + 2

表达式返回3，没有副作用。

通常说起“副作用”，总是觉得无关紧要或尽量避免，但对于命令式编程语言来说，副作用才是程序执行的主要目的。

比如我们调用printf函数，我们通常并不关心它的返回值，而是需要它把特定的字符输出到屏幕，而标准输出正是这个函数的副作用。

三、语句

语句是C的基本执行单元，语句不返回结果，仅执行副作用。语句可分为简单语句和复合语句。

在C语言中，“;”不是分隔符（for语句中的“;”除外），而是大部分语句的结尾。

申明不属于语句，因为申明通常不产生副作用，即使有时候会产生副作用（如初始化），但仍不将其视为语句，申明也以“;”结尾。

C有5种语句：

✪ 表达式语句

✪ 跳转语句

✪ 选择语句

✪ 循环语句

✪ 标签语句

1、简单语句和复合语句

简单语句指内部不包含其他语句的语句。如表达式语句和跳转语句。最简单的语句是只有一个“;”的空语句。

复合语句的定义与简单语句相反，即其内部有其他语句。

将几个语句用{}括起来就形成了复合语句“块”，最简单的复合语句是空块{}。

复合语句可以进行多次复合，比如块可以嵌套，复合语句的子语句可以是其他复合语句。

C语言没有else if关键字，这种语法结构只是将上一个if语句的else部分复合了另一个if语句，将他们写在一起是为了使代码更简洁。

2、表达式语句

表达式语句为一个完整表达式后跟一个分号构成的语句。若表达式为空，就构成了空语句。

表达式语句是最简单也是最常见的语句。以下语句都是表达式语句：

;
1 + 2;
var = 5;
printf("hello, world\n");

3、跳转语句

跳转语句用于改变代码的执行顺序。跳转语句包括continue、break、return、goto语句。

4、选择语句

选择语句是复合语句，其作用是根据特定表达式的值对程序执行进行跳转。如if、if else、switch语句。

5、循环语句

循环语句是复合语句，其作用是根据特定表达式的值让一部分代码反复执行多次，如while、dowhile、for语句。循环语句也可以通过选择语句和跳转语句实现。

6、标签语句

在其他语句前加上标签即是标签语句。标签语句是复合语句，可以在任何语句（包括标签语句）前添加标签。

因为申明不是语句，所以不能在申明前添加标签。对于下面的代码，gcc给出如下错误提示：

lable:

int var = 0;

error: a label can only be part of a statement and a declaration is not a statement

case 标签是一种特殊的标签，其标志是在标签前的case关键字。case标签只能在switch语句中使用，case标签允许且只允许标签名使用整数，并且把标签的作用域限定在当前的switch语句中。

标签是语句的一部分，而不只是个记号，所以块末尾不能是标签。

比如下面语句：

switch (var) {
case 1:
case 2:
case 3:
;
}

最后的分号是不可以省略的，空语句复合case 3标签形成标签语句，然后又复合case 1和case 2，所以这个块内只有一条完整的复合语句。

四、C语言结构

C语言代码文件包括源文件和头文件，源文件可以进行编译和链接，头文件一般通过预处理指令包含到源文件中使用。

源文件由预处理指令、申明、类型定义、函数定义和注释组成。

预处理指令和注释可以出现在源文件的任何位置而不影响其功能，而申明和类型定义的位置决定了其作用域。

申明有时会伴随定义，定义一定会包含申明。

函数定义由返回值类型、函数名、参数列表和语句块组成。语句只能出现在函数定义内部。

C源文件必须有且只能有一个main函数，C89规定，main函数的返回值必须为int类型，如果程序正常终止，应返回0。

标准的main函数应写为 int main(void); 或 int main(int argc, char const *argv[]); 。

五、序列点

C语言通过序列点控制副作用的执行。在该点处之前的求值的所有的副作用已经发生，在它之后的求值的所有副作用仍未开始。

序列点的存在一定程度上保证了程序按照预期执行，但仍存在一些未定义的行为。

C中的序列点很少，因为C追求效率，更少的序列点可以给编译器更多优化的空间。

注意：C中有很多符号同时承担多种功能，在不同语境下扮演不同的身份。

C的序列点包括：

1、&& 与 || 运算符

&&与||运算符会先对左边的表达式求值并执行副作用。

对&& 运算符来说，只有当左边表达式的值为1时才对右边的表达式求值并执行副作用。

这是对程序的一种优化，因为根据“与”逻辑，如果左边表达式的值为0，则总表达式的值定为0,无需对右边表达式进行计算。根据这一特性，可以写出更加符合人类逻辑的代码。

if (var != 0 && 3 == 100 / var) {}

如果没有此序列点，则可能会出现0做除数的错误。

|| 运算符同理，只有当左边表达式的值为0时才对右边的表达式求值并执行副作用。

2、逗号运算符

“,”在C语言中有很多用途，在某些地方它是分隔符，在某些地方它是运算符。比如以下表达式：

var = 1, var = 2

这里的“,”不是分隔符，而是运算符。此逗号运算符的两边是两个赋值表达式，逗号表达式先对左边的表达式求值并执行副作用，此时var的值被修改为1，之后对右边的表达式求值并执行副作用，var的值被修改为2，最后，逗号表达式返回右边表达式的值，即2。

逗号表达式的特性可以使两个表达式像两个表达式语句那样执行，适合用在需要用表达式代替语句块的地方，如for语句的括号内。

3、三元运算符 ? : 中的 ?

在?前的表达式求值并执行副作用后，才判断返回其后哪个表达式的值。并且，如果确定返回某个表达式的值，则不会对另一个表达式求值或执行副作用。

? :表达式的这个特性使其行为与if else表现一致。

4、完整表达式的末尾

完整表达式的末尾也是一个序列点，这保证了表达式语句的副作用按照其书写顺序执行。

同时，根据前面对完整表达式的定义，if、while、switch括号中的表达式以及for括号中的每个分量都是完整表达式，这些表达式的副作用也都会在语句其他部分开始前执行。

5、函数调用与返回

函数调用时参数列表中的逗号不是表达式，而是分隔符。

参数列表的求值顺序是未定义的，比如fn(a++, b--)，a++和b--的求值顺序是未知的，取决于编译器。

此处的序列点表现为在进入函数前，所有表达式的副作用都已经完成；函数返回时，返回值已经拷贝到调用处。

6、初始化末尾

因为初始化是申明的一部分，不属于语句或表达式，所以不能套用表达式的说法，但其表现是类似的。

如下申明：

int var = 5;

在分号前已经完成副作用，即把var初始化为5。

7、初始化列表中的逗号分隔符

初始化列表中的逗号是分隔符而不是运算符。

初始化列表中的表达式按照从左到右的顺序求值并执行副作用。

如下代码：

int var = 0;
int array[] = { var++, var++, var++ };

8、申明中的逗号分隔符

申明中的逗号是分隔符而不是运算符。

如下代码：

int a = 0;
int b = a++, c = a++;

b、c分别被初始化为0、1。

而且，在逗号前的变量已经申明完成，逗号后的则不然。

如下代码：

int a = 0, b = a; //Correct
int c = d, d = 0; //Error

在申明b前，a已经申明并初始化完成，所以可以用a初始化b。而在申明c时还没有申明d，所以初始化会报错。

因为缺少序列点，C会产生很多未定义的行为。最典型的例子是：

int var = 0;
var = var++;

根据优先级，表达式var = var++的值是确定的，然而赋值和自增副作用的执行顺序是未定义的，所以var的值是未知的。如果用gcc编译这段代码，var的值为0，比较符合预期；但在VC++中，var的值为1。

所以我们应避免在表达式中同时使用某一变量和它的自增表达式。