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1、開門見山與循序漸進:一種C語言指針教學方法
〔北京交通大學 計算機與信息技術學院,北京 100044〕
摘 要:指針是C語言教學中的難點和重點,作者提出一種指針教學方法,即把指針的內容貫穿于C語言的整個教學過程中:在第一次課中會介紹存儲器和地址的概念,在隨后的教學中,從存儲器和地址的角度解釋所學內容,在指針教學章節(jié)重點介紹指針用法。
關鍵詞: C語言;C程序設計;指針;教W
1 背 景
指針是C語言的精華和靈魂,是C語言中最具魅力和最富活力的部分,C語言通過指針來實現訪問硬件資源、動態(tài)分配和回收內存空間、降低函數調用中參數傳遞的開銷、減少使
2、用全局變量、實現函數回調等功能。沒有指針的C語言不可能進展任何有實際意義的編程。
指針也是C語言中最危險的部分,程序會因指針使用不當而潛藏風險,輕那么導致程序退出,重那么導致系統(tǒng)內存泄漏,甚至系統(tǒng)崩潰。
使用C語言編程離不開指針,但掌握和純熟使用指針卻很難,對初學者尤其如此。指針是C語言教學中的難點和重點,很多教師在教學中嘗試了多種方法[1-5],獲得了不錯的效果。作者經過多年C語言教學理論,逐漸探究出“開門見山〞與“循序漸進〞相結合的指針教學方法,把指針教學交融在C語言教學的全過程中?!伴_門見山〞是在課程開始,通過介紹計算機體系架構和程序運行過程,引入存儲器及地址概念,盡
3、早引入指針;“循序漸進〞是在之后課堂教學內容的設計中,不斷介紹和強化存儲器的概念,加強學生對地址的認識。在正式介紹指針教學內容前,這種教學方法使學生已經建立并熟悉指針概念,對掌握和使用指針編程很有幫助。
2 指針學習困難的原因
學生在指針學習時,普遍感覺指針概念抽象,難以理解,影響學習、掌握和使用。主要原因在于如下3點。
〔1〕對學生而言,程序設計是一門全新類型的課程。其特點是知識點分散、邏輯性不強。編寫代碼既要符合語法規(guī)那么,又要考慮邏輯關系,編碼必須嚴格遵守語法規(guī)那么:一個看上去微缺乏道的錯誤,比方語句漏寫了分號,編譯器會在其他沒有錯誤的地方報告很多錯誤信息,
4、這使初學者手足無措,無法排錯;程序有了致命錯誤,比方變量沒有初始化,但編譯器只會輕描淡寫地報個告警〔warning〕,程序運行時,卻時對時錯。這些特征對于初學者都是陌生的,他們以往的學習方法和經歷在面對該課程時幾乎沒有任何借鑒作用,這導致他們從課程開始就遇到很多困難。
〔2〕學生們不理解計算機。C語言是伴隨著UNIX操作系統(tǒng)產生的,它的語言特性和計算機的構成嚴密結合,甚至可以說,C語言是為對計算機了如指掌的專家設計的。而大學中常把C語言課程安排為程序設計的常識教育,學生在學習C程序設計課程前,還沒有學過計算機原理等課程,他們可能聽說過CPU、內存等概念,但并不理解這些概念確實切含義,
5、不理解程序運行的過程,這會導致指針概念更加抽象,難以理解、掌握并使用。
〔3〕學生們通常是在學習C語言遇到困難挫折的情況下,接觸和學習指針的,這增加了他們的畏懼心理,影響指針內容的掌握?;谂d趣,在課程開始階段他們專心聽講,努力編寫和調試簡單的程序,但隨著變量、函數、數組等內容逐漸引入,程序構造越發(fā)復雜,程序設計需要同時考慮算法,這會使學生感覺到學習的壓力和困難,特別是在編譯程序時,排除一個小小的錯誤,都要消耗很長的時間,這嚴重影響他們的學習熱情和信心。在這種情況下,指針被引入課程中,并且指針概念抽象,又和C中的變量、函數、數組、構造等聯(lián)絡嚴密,這些都放大了指針的學習難度,影響學生的
6、理解和掌握。
針對如上問題,作者逐漸探究并使用了“開門見山〞與“循序漸進〞相結合的教學方法。
3 開門見山
所謂開門見山,指在第一次課就介紹存儲器和地址的概念。在介紹“Hello world〞之后,即介紹計算機的構造、存儲器和地址的概念,隨后介紹“第二個程序〞以加深這些概念的理解。
3.1 計算機構造與存儲器
〔1〕計算機構成及程序運行的方法。如圖1所示,其中外存儲器指硬盤,操作系統(tǒng)、應用程序和數據都以文件形式保存在硬盤上,內存儲器保存正在運行的程序和程序所要操作的數據,這些程序是由操作系統(tǒng)從硬盤上裝入到內存儲器的。CPU〔運算器、控制
7、器〕用于運行程序,CPU從程序所在的存儲器起始位置開始,依次讀取指令并執(zhí)行,直到程序完畢。
〔2〕內存儲器是由N個連續(xù)的存儲單元組成的,每個單元可以存儲8比特二進制數〔稱為一個字節(jié)〕;N稱為內存容量。計算機為每個存儲單元分配唯一的編號,從0開始編起,直到N-1,這個編號稱為該存儲單元的“地址〞,CPU使用編號〔地址〕訪問這些存儲單元。
〔3〕內存儲器中存儲的既有代碼,也有數據;構成程序的代碼依次存儲在內存儲器中;程序要操作的數據也保存在內存儲器中。
3.2 第二個程序
第二個程序展示計算機的計算功能,該程序引入了變量及數據類型概念,存儲器和地址在程序代碼
8、中首次出現。代碼如上圖所示。
介紹程序強調如下幾個方面的知識。
〔1〕計算機要計算兩個整數的和,首先需要找兩個地方來保存這兩個整數,這兩個地方就位于內存中;
〔2〕計算機在內存中為不同類型的數據分配大小不同的存儲空間,“int a,b,r;〞要求計算機分配三塊內存空間,分別用變量“a,b,r〞表示,每塊內存空間存儲一個整數,變量的值改變,表示其所代表的存儲空間存儲的內容發(fā)生了改變。
〔3〕scanf〔“%d, %d〞, a, b〕表示從標準輸入設備〔鍵盤〕上接收用戶輸入的兩個整數,這兩個整數分別保存在“a,b〞所代表的內存中,內存用地址表示,“a,b〞分
9、別表示取“a,b〞的地址,“%d〞表示每個空間要保存的數的數據類型為整數,這確定了每個空間占據的字節(jié)個數。 〔4〕scanf〔〕實現的功能是通過很多條計算機代碼實現的,這些代碼在程序被裝入內存時,也被裝入了內存。CPU執(zhí)行函數就是從這個函數的起始代碼開始順序執(zhí)行。函數名scanf就是起始代碼在內存中的地址,即:函數名表示的是函數代碼塊在內存中的開始地址。
通過第二個函數,初步介紹了數據類型、變量、函數的概念,并從存儲器的角度來認識這些概念,把概念和地址結合在一起,使3.1中介紹的存儲器概念詳細化,加強對存儲器及地址的認識,在之后每次使用scanf〔〕時,都會強調變量、空間、地址的對
10、應關系,使學生熟知這些知識。
4 循序漸進
循序漸進是指初學者初步接觸存儲器和地址的概念之后,課程會繼續(xù)從存儲器和地址的角度解釋所學內容,以加強這些概念及用法。以函數、數組、指針、構造為例說明。
4.1 函 數
C語言函數采用傳值調用,在函數中修改形參的值,不會改變實參的值,如上圖所示。
程序輸出為:“a=10, b=20〞。在解釋上述結果時,不僅要強調語法規(guī)那么:“函數內不能改變函數外變量的值〞,還要從存儲器的角度解釋。如圖2,main〔〕函數中兩個變量“a,b〞〔比方占據空間從0x01001000開始〕和swap〔〕函數中兩個變量“a,b〞
11、〔比方占據空間從0x01001100開始〕使用不同的存儲空間,swap〔〕函數中變量“a,b〞的值修改,改變的是0x01001100開始的地址空間的值,但沒有修改main〔〕函數中變量“a,b〞所代表的存儲空間的值,因此main〔〕中“a,b〞的值不會改變。
4.2 數 組
數組是C語言的重要內容,也是C語言的難點之一,在指針章節(jié)開始之前,數組是和存儲器及地址概念結合最嚴密的內容,因此在數組部分會更多強調指針的內容。在介紹數組概念及例子中,主要介紹如下知識。
〔1〕數組是由很多一樣類型的變量組成的集合,C語言通過下標改變的方式,來表示數組中的這些變量,為寫查找和排
12、序算法提供了方便。
〔2〕數組中每個變量在存儲器中要占據一塊存儲空間,這些變量所占據的存儲空間是連續(xù)的。比方數組float a[N]〔N為常量〕表示在計算機內存中的一塊連續(xù)的存儲器空間,空間大小為:N * sizeof〔float〕字節(jié)。
〔3〕數組名字a是這塊存儲空間的開始地址。a[0]表示這N個變量中的第一個變量,a和a[0]相等,a[i]的地址和a+i*sizeof〔float〕相等。
〔4〕計算機的存儲器是有限的,連續(xù)的空閑存儲空間更有限,因此數組中變量的個數N是有限的。
〔5〕下標i的取值范圍為0~N-1,但假設代碼中出現對不屬于數組的空間進展
13、讀操作,比方“float b=a[N+1]〞,程序可能仍可以運行;假設代碼中出現對不屬于數組的空間進展寫操作,比方“a[N+1] = 11.23〞,程序可能可以正常運行,但通常會立即崩潰。因此,通過下標訪問不屬于程序的空間是不平安的,編程中要嚴格制止。
〔6〕假設函數的參數定義為數組,那么函數對形參數組內變量修改,會同時改變實參數組變量的值,這是因為函數的形參數組是地址,實參和形參表示的是同一地址空間,內部對形參數組的訪問,就是對實參表示空間的訪問。
通過數組,進一步建立變量和存儲空間〔連續(xù)存儲空間〕、地址的關系,為指針學習進一步建立根底。
4.3 指 針
14、 經過不斷重復、鋪墊,在指針教學開始時,學生已經熟悉了地址的概念,也更容易理解指針,之后的學習重點在于指針的用法,并逐漸習慣使用指針編程。
指針部分的主要內容包括:第一,指向變量的指針及其在函數參數傳遞中的作用,函數的形參定義為指針,可以在函數內部改變函數外部變量的值,實現地址調用;第二,指針與數組的關系,引入動態(tài)內存分配,學習C語言的存儲器管理技術;第三,指向函數的指針,在指針指向的存儲空間中,存儲的是函數的代碼,函數名字就是該存儲空間的開始地址,初步介紹回調函數的概念;第四,指針數組的定義和使用,支持行和列都可變的二維數組定義及用法。
4.4 結 構
構造內
15、容放在指針內容之后介紹,主要是因為指針可以是構造的成員變量,假設構造中指針變量指向的數據類型和構造一樣,那么可以生成鏈表。
介紹構造要和存儲空間以及指針的概念嚴密結合。定義構造時,要同時強調該構造類型變量所占據的存儲空間,如以上構造定義圖。構造變量的存儲構造如圖3所示,從中可以看到:①構造型變量中的變量,在存儲器中的存儲順序和構造中變量定義的順序一樣;②根本變量、數組等占據的空間和其單獨定義時占據的空間可能不同,與編譯選項有關〔是否設置了對齊要求〕;③指針變量〔pNext〕占據的空間大小固定,與指針所指向的數據類型沒有關系。
構造定義是否合法,主要看是否可以計算出構造變量所
16、占據的存儲器空間。構造里面不能聲明同一個結類型的變量,該遞歸定義會導致構造變量所占據的空間無窮大,但可以定義指向該構造類型的指針,因為指針大小固定。
構造變量和普通變量一樣,變量賦值操作本質上是存儲器復制。比方:Student a, b; a=b;是把b變量所占據的存儲空間的內容,全部復制到a變量所占據的存儲空間中。假設構造中定義了數組,那么實現了數組的賦值操作,而數組自己是不支持賦值操作的。但對于指針變量的復制,會導致a.pNext和b.pNext相等,這卻不是程序員想要的結果,需要特別關注。
5 結 語
C程序設計語言離不開指針,學習和掌握指針用法又非常困難,
17、因此在C語言教學中要精心安排教學內容,并探究各種指針教學方法。本文介紹了 “開門見山〞與“循序漸進〞相結合的指針教學方法,其特點是把指針教學貫穿在C語言的全部教學過程中,強調指針和C語言的親密關系,淡化指針的神秘感,幾年的教學理論證明,該方法具有較好的效果。
作者簡介:趙帥鋒,男,講師,研究方向為信號與信息處理、通信、嵌入式系統(tǒng)等,shfzhao@bjtu.edu ;
胡紹?!餐ㄐ抛髡摺?,男,教授,研究方向為信號與信息處理、多媒體通信等,shhu@bjtu.edu 。
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