C语言程序设计(下)：第十周任务

# 1. 指针与内存管理

## 1.1 指针的概念与基本用法
指针是一种存储变量地址的变量类型，在C语言中，指针可以用来访问和修改变量的数值，也可以用于动态内存分配和释放。指针的基本用法包括指针的声明、取址运算符&、指针的解引用*等操作。

## 1.2 指针与数组的关系
数组名在C语言中是一个指向数组首元素的指针常量，因此数组名也可以被视为指针来使用。通过指针可以对数组进行遍历和操作，还可以通过指针传递数组作为函数参数。

## 1.3 动态内存分配与释放
动态内存分配是通过malloc、calloc、realloc等函数在程序运行时动态地分配内存空间，动态内存释放是通过free函数来释放动态分配的内存空间。动态内存管理可以在程序运行过程中更灵活地进行内存分配和释放，但也需要注意内存泄漏和内存访问越界的问题。

# 2. 字符串处理

### 2.1 字符串的定义与初始化
字符串是由一串字符组成的数据类型，可以用来存储和处理文本信息。在C语言中，字符串以字符数组的形式存在，使用字符指针指向字符串的首地址。

#include <stdio.h>

int main() {
    char str1[] = "Hello";  // 字符串的定义与初始化方法1
    char str2[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};  // 字符串的定义与初始化方法2
    char *str3 = "Hello";  // 字符串的定义与初始化方法3

    printf("str1: %s\n", str1);
    printf("str2: %s\n", str2);
    printf("str3: %s\n", str3);

    return 0;
}

- 字符串的定义与初始化有多种方法，可以直接使用双引号括起来的字符序列进行初始化，也可以通过字符数组逐个赋值或者使用字符指针指向字符串常量。
- 字符串在内存中以字符序列的形式存储，以空字符 '\0' 结尾，因此，字符数组的大小至少要比存储的字符串长度多一个字符的位置。
- 字符串的输出可以使用 `%s` 格式控制符，通过 `printf` 函数进行输出。

### 2.2 字符串的输入输出
在实际应用中，经常需要从用户输入中获取字符串，或者将字符串输出到文件中。C语言提供了一系列的函数用于字符串的输入输出操作。

#include <stdio.h>

int main() {
    char str[50];

    printf("请输入一个字符串：");
    scanf("%s", str);  // 从键盘输入字符串

    printf("你输入的字符串是：%s\n", str);

    FILE *file = fopen("output.txt", "w");
    fprintf(file, "输出到文件中的字符串是：%s\n", str);
    fclose(file);

    return 0;
}

- 使用 `scanf` 函数从键盘输入字符串时，需要注意字符串中不能包含空格，遇到空格就会结束输入。可以使用 `gets` 函数来读取包含空格的字符串。
- 使用文件操作函数 `fopen` 打开一个文件，并使用 `fprintf` 函数将字符串输出到文件中。最后使用 `fclose` 函数关闭文件。

### 2.3 字符串的操作与处理函数
为了方便对字符串进行处理和操作，C语言提供了一些常用的字符串函数。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char str1[50] = "Hello";
    char str2[50] = "World";
    char str3[50];

    // 字符串拷贝
    strcpy(str3, str1);  // 将 str1 拷贝到 str3
    printf("拷贝的字符串是：%s\n", str3);

    // 字符串连接
    strcat(str1, str2);  // 将 str2 连接到 str1 的末尾
    printf("连接后的字符串是：%s\n", str1);

    // 字符串比较
    int result = strcmp(str1, str2);
    if (result == 0) {
        printf("字符串相等\n");
    } else if (result < 0) {
        printf("字符串 str1 小于 str2\n");
    } else {
        printf("字符串 str1 大于 str2\n");
    }

    // 字符串长度
    int length = strlen(str1);
    printf("字符串的长度是：%d\n", length);

    return 0;
}

- 使用 `strcpy` 函数可以将一个字符串拷贝到另一个字符串中。
- 使用 `strcat` 函数可以将一个字符串连接到另一个字符串的末尾。
- 使用 `strcmp` 函数可以比较两个字符串的大小关系，返回值为 0 表示相等，小于 0 表示第一个字符串小于第二个字符串，大于 0 表示第一个字符串大于第二个字符串。
- 使用 `strlen` 函数可以获取字符串的长度，不包括字符串末尾的空字符。

字符串处理函数还有很多，如查找子串、分割字符串、替换字符串等，根据实际需求选择合适的函数进行使用。

# 3. 结构体与链表

### 3.1 结构体的定义与使用
在C语言中，结构体是一种自定义的数据类型，可以将多个不同类型的变量组合在一起，形成一个新的数据类型。结构体的定义使用关键字`struct`，并指定结构体的名称和成员变量。下面是一个示例：

struct Student {
    int id;
    char name[20];
    int age;
    float score;
};

int main() {
    // 定义结构体变量并赋值
    struct Student stu;
    stu.id = 1001;
    strcpy(stu.name, "Alice");
    stu.age = 18;
    stu.score = 90.5;

    // 访问结构体成员
    printf("Student ID: %d\n", stu.id);
    printf("Student Name: %s\n", stu.name);
    printf("Student Age: %d\n", stu.age);
    printf("Student Score: %.1f\n", stu.score);

    return 0;
}

### 3.2 结构体数组与指针
结构体数组是多个相同结构体类型的变量按照顺序组织起来的集合。可以通过索引访问数组中的每个结构体元素。结构体指针是指向结构体变量的指针，可以通过指针来操作结构体的成员变量。下面是一个示例：

struct Student {
    int id;
    char name[20];
    int age;
    float score;
};

int main() {
    // 定义结构体数组并赋值
    struct Student stuArr[3] = {
        {1001, "Alice", 18, 90.5},
        {1002, "Bob", 19, 88.0},
        {1003, "Cindy", 20, 92.5}
    };

    // 访问结构体数组元素
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("Student %d:\n", i + 1);
        printf("ID: %d\n", stuArr[i].id);
        printf("Name: %s\n", stuArr[i].name);
        printf("Age: %d\n", stuArr[i].age);
        printf("Score: %.1f\n", stuArr[i].score);
        printf("\n");
    }

    // 定义结构体指针并访问成员
    struct Student *pStu;
    pStu = &stuArr[0];
    printf("First Student - ID: %d\n", pStu->id);
    printf("First Student - Name: %s\n", pStu->name);
    printf("First Student - Age: %d\n", pStu->age);
    printf("First Student - Score: %.1f\n", pStu->score);

    return 0;
}

### 3.3 链表的概念与实现
链表是一种动态数据结构，可以根据需要动态地分配或释放内存。链表由多个节点组成，每个节点包含一个数据元素和一个指针，指向下一个节点。链表的头节点是链表的起始位置，通过头节点可以遍历整个链表。下面是一个示例：

struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
};

int main() {
    // 创建链表
    struct Node *head = NULL;
    struct Node *second = NULL;
    struct Node *third = NULL;

    head = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
    second = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
    third = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));

    head->data = 1;
    head->next = second;

    second->data = 2;
    second->next = third;

    third->data = 3;
    third->next = NULL;

    // 遍历链表
    struct Node *current = head;
    while (current != NULL) {
        printf("%d ", current->data);
        current = current->next;
    }

    return 0;
}

以上是第三章的内容，介绍了结构体的定义与使用、结构体数组与指针，以及链表的概念与实现。通过学习这些内容，可以更好地理解和应用结构体与链表的相关知识。

# 4. 文件操作与异常处理

## 4.1 文件的打开、读写与关闭
文件操作是编程中常用的一种操作，通过文件操作可以对数据进行读取和写入。在C语言中，文件操作需要经历打开、读写和关闭三个步骤。

首先，我们需要通过 fopen() 函数打开一个文件，并指定打开方式（读取、写入、追加等）和文件路径。打开文件成功后，会返回一个文件指针，可以通过该指针进行文件的读写操作。

接下来，我们可以使用 fprintf() 函数向文件写入数据，或使用 fscanf() 函数从文件中读取数据。这两个函数的使用与标准输入输出函数 printf() 和 scanf() 类似，只是需要传入文件指针作为参数。

最后，我们需要通过 fclose() 函数关闭文件，释放文件指针所占的资源。关闭文件后，就无法再对文件进行读写操作。

## 4.2 文件指针定位与读写操作
在文件操作中，有时候需要对文件指针进行定位，以便进行指定位置的读写操作。C语言提供了 fseek() 函数来实现文件指针的定位。

fseek() 函数需要传入文件指针、偏移量和基准位置三个参数。偏移量可以是正数、负数或零，它决定了文件指针相对于基准位置的移动方向和距离。

基准位置可以是 SEEK_SET（文件开头）、SEEK_CUR（当前位置）或 SEEK_END（文件末尾）。通过指定不同的基准位置和偏移量，可以实现文件指针的前移、后移和跳转等操作。

除了定位文件指针，C语言还提供了一些其他的文件操作函数，如 ftell() 函数可以返回当前文件指针的位置，feof() 函数可以检测文件是否已经到达末尾等。

## 4.3 异常处理与错误信息输出
在文件操作过程中，有可能出现各种异常情况，如文件打开失败、读写错误等。为了处理这些异常情况，C语言提供了 perror() 和 strerror() 函数。

perror() 函数用于输出上一个文件操作函数失败的原因。它可以将错误信息输出到标准错误文件（通常是屏幕），并附加一个自定义的错误描述。

strerror() 函数接受一个错误码作为参数，并返回对应的错误信息字符串。它可以帮助我们查找特定错误码对应的错误原因。

除了输出错误信息，我们还可以使用 fseek() 函数的返回值来判断文件指针定位是否成功，使用 fprintf() 函数的返回值来判断数据写入是否成功等。

总之，异常处理和错误信息输出是文件操作过程中必不可少的一部分，通过合理的处理和输出，可以使程序在出错时更加健壮和友好。

以上是文件操作与异常处理的基本概念和方法，合理运用这些知识可以使我们的程序更加高效和可靠。在实际的编程工作中，我们需要根据具体的需求选择合适的文件操作方式，并加入适当的异常处理机制，以提高程序的稳定性和可维护性。

# 5. 函数指针与回调函数

### 5.1 函数指针的定义与基本用法

在本节中，我们将介绍函数指针的定义方式及其基本用法，以及如何利用函数指针实现动态函数调用的功能。通过示例代码演示函数指针的声明和调用方法，深入理解函数指针的作用和价值。

### 5.2 函数指针作为参数

本节将说明如何将函数指针作为参数传递给其他函数，实现函数指针的灵活应用。我们将展示如何利用函数指针作为回调函数，实现不同场景下的定制化函数调用。

### 5.3 回调函数的概念与实现

在本节中，我们将详细讲解回调函数的概念及其实现方式。通过示例代码，演示回调函数在实际项目中的应用，帮助读者深入理解回调函数的作用与机制。

# 6. C语言程序设计实践

#### 6.1 设计一个基于结构体与链表的通讯录管理系统

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

typedef struct Contact {
    char name[50];
    char phone[20];
    struct Contact *next;
} Contact;

Contact *head = NULL;

void addContact(char name[], char phone[]) {
    Contact *newContact = (Contact*)malloc(sizeof(Contact));
    strcpy(newContact->name, name);
    strcpy(newContact->phone, phone);
    newContact->next = head;
    head = newContact;
}

void displayContacts() {
    Contact *ptr = head;
    while (ptr != NULL) {
        printf("Name: %s, Phone: %s\n", ptr->name, ptr->phone);
        ptr = ptr->next;
    }
}

int main() {
    addContact("Alice", "12345");
    addContact("Bob", "67890");
    displayContacts();
    return 0;
}

**代码总结：**
- 在该示例中，我们定义了一个通讯录管理系统，使用了结构体和链表的概念。
- 通讯录以链表形式存储，每个节点包含姓名和电话信息。
- `addContact`函数用于向通讯录中添加新的联系人，`displayContacts`函数用于展示所有联系人的信息。

**结果说明：**
- 执行以上代码后，将输出两个联系人的信息：

  Name: Bob, Phone: 67890
  Name: Alice, Phone: 12345

#### 6.2 文件存储与读取通讯录数据

void saveContactsToFile() {
    FILE *file = fopen("contacts.txt", "w");
    if (file != NULL) {
        Contact *ptr = head;
        while (ptr != NULL) {
            fprintf(file, "%s,%s\n", ptr->name, ptr->phone);
            ptr = ptr->next;
        }
        fclose(file);
    } else {
        printf("Error in opening file for writing\n");
    }
}

void loadContactsFromFile() {
    FILE *file = fopen("contacts.txt", "r");
    if (file != NULL) {
        char name[50], phone[20];
        while (fscanf(file, "%[^,],%s\n", name, phone) == 2) {
            addContact(name, phone);
        }
        fclose(file);
    } else {
        printf("Error in opening file for reading\n");
    }
}

int main() {
    addContact("Alice", "12345");
    addContact("Bob", "67890");
    saveContactsToFile();
    head = NULL; // Clear existing contacts
    loadContactsFromFile();
    displayContacts();
    return 0;
}

**代码总结：**
- 我们添加了将通讯录数据保存到文件以及从文件读取数据的功能。
- `saveContactsToFile`函数将通讯录数据保存到名为`contacts.txt`的文件中，使用逗号分隔姓名和电话。
- `loadContactsFromFile`函数从文件中读取数据，并使用`addContact`函数添加到链表中。

**结果说明：**
- 执行以上代码后，将从文件中读取并显示之前保存的两个联系人的信息。

#### 6.3 综合应用：使用函数指针实现通讯录数据的排序输出

int compareNames(const void *a, const void *b) {
    return strcmp(((Contact*)a)->name, ((Contact*)b)->name);
}

void sortAndDisplayContacts() {
    Contact *contactsArr[100]; // Assuming maximum 100 contacts
    int count = 0;
    Contact *ptr = head;
    while (ptr != NULL) {
        contactsArr[count] = ptr;
        ptr = ptr->next;
        count++;
    }
    qsort(contactsArr, count, sizeof(Contact*), compareNames);
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        printf("Name: %s, Phone: %s\n", contactsArr[i]->name, contactsArr[i]->phone);
    }
}

int main() {
    addContact("Alice", "12345");
    addContact("Bob", "67890");
    addContact("Charlie", "54321");
    sortAndDisplayContacts();
    return 0;
}

**代码总结：**
- 我们使用函数指针`compareNames`作为参数，实现了通讯录数据按姓名排序输出的功能。
- `sortAndDisplayContacts`函数将链表中的数据存储到数组中，使用`qsort`函数对数组进行排序，然后按顺序输出联系人信息。

**结果说明：**
- 执行以上代码后，将按照姓名的字母顺序输出三个联系人的信息。

这些示例演示了C语言中结构体、链表、文件操作和函数指针的实际应用，可以帮助你更好地理解和运用这些概念。