开门见山与循序渐进-一种c语言指针教学方法

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 开门见山与循序渐进:一种 C 语言指 针教学方法 （北京交通大学 计算机与信息 技术学院，北京 100044） 中国论文网 /8/view-12921289.htm 摘 要：指针是 C 语言教学中的 难点和重点，作者提出一种指针教学方 法，即把指针的内容贯穿于 C 语言的整 个教学过程中：在第一次课中会介绍存 储器和地址的概念，在随后的教学中， 从存储器和地址的角度解释所学内容， 在指针教学章节重点介绍指针用法。 关键词： C 语言；C 程序设计； 指针；教W 1 背 景 指针是 C 语言的精髓和灵魂，是 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 C 语言中最具魅力和最富活力的部分， C 语言通过指针来实现访问硬件资源、 动态分配和回收内存空间、降低函数调 用中参数传递的开销、减少使用全局变 量、实现函数回调等功能。没有指针的 C 语言不可能进行任何有实际意义的编 程。 指针也是 C 语言中最危险的部分， 程序会因指针使用不当而潜藏风险，轻 则导致程序退出，重则导致系统内存泄 漏，甚至系统崩溃。 使用 C 语言编程离不开指针，但 掌握和熟练使用指针却很难，对初学者 尤其如此。指针是 C 语言教学中的难点 和重点，很多教师在教学中尝试了多种 方法1-5 ，取得了不错的效果。作者经 过多年 C 语言教学实践，逐渐摸索出 “开门见山”与“循序渐进”相结合的指针 教学方法，把指针教学融合在 C 语言教 学的全过程中。 “开门见山 ”是在课程开 始，通过介绍计算机体系架构和程序运 行过程，引入存储器及地址概念，尽早 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 引入指针；“ 循序渐进” 是在之后课堂教 学内容的设计中，不断介绍和强化存储 器的概念，加强学生对地址的认识。在 正式介绍指针教学内容前，这种教学方 法使学生已经建立并熟悉指针概念，对 掌握和使用指针编程很有帮助。 2 指针学习困难的原因 学生在指针学习时，普遍感觉指 针概念抽象，难以理解，影响学习、掌 握和使用。主要原因在于如下 3 点。 （1）对学生而言，程序设计是 一门全新类型的课程。其特点是知识点 分散、逻辑性不强。编写代码既要符合 语法规则，又要考虑逻辑关系，编码必 须严格遵守语法规则：一个看上去微不 足道的错误，比如语句漏写了分号，编 译器会在其他没有错误的地方报告很多 错误信息，这使初学者手足无措，无法 排错；程序有了致命错误，比如变量没 有初始化，但编译器只会轻描淡写地报 个告警（warning ） ，程序运行时，却时 对时错。这些特征对于初学者都是陌生 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 的，他们以往的学习方法和经验在面对 该课程时几乎没有任何借鉴作用，这导 致他们从课程开始就遇到很多困难。 （2）学生们不了解计算机。C 语言是伴随着 UNIX 操作系统产生的， 它的语言特性和计算机的构成紧密结合， 甚至可以说，C 语言是为对计算机了如 指掌的专家设计的。而大学中常把 C 语 言课程安排为程序设计的常识教育，学 生在学习 C 程序设计课程前，还没有学 过计算机原理等课程，他们可能听说过 CPU、内存等概念，但并不了解这些概 念的确切含义，不了解程序运行的过程， 这会导致指针概念更加抽象，难以理解、 掌握并使用。 （3）学生们通常是在学习 C 语 言遇到困难挫折的情况下，接触和学习 指针的，这增加了他们的畏惧心理，影 响指针内容的掌握。基于兴趣，在课程 开始阶段他们专心听讲，努力编写和调 试简单的程序，但随着变量、函数、数 组等内容逐渐引入，程序结构越发复杂， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 程序设计需要同时考虑算法，这会使学 生感觉到学习的压力和困难，特别是在 编译程序时，排除一个小小的错误，都 要耗费很长的时间，这严重影响他们的 学习热情和信心。在这种情况下，指针 被引入课程中，并且指针概念抽象，又 和 C 中的变量、函数、数组、结构等联 系紧密，这些都放大了指针的学习难度， 影响学生的理解和掌握。 针对如上问题，作者逐渐探索并 使用了“开门见山 ”与“循序渐进”相结合 的教学方法。 3 开门见山 所谓开门见山，指在第一次课就 介绍存储器和地址的概念。在介绍 “Hello world”之后，即介绍计算机的结 构、存储器和地址的概念，随后介绍 “第二个程序 ”以加深这些概念的理解。 3.1 计算机结构与存储器 初学者通过“Hello world”了解了 C 语言的代码风格、集成开发环境和程 序编译、链接、执行的过程，随后介绍 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 计算机的“冯 诺依曼” 结构，向学生说 明程序在计算机内的运行过程。课堂主 要介绍如下几个方面知识。 （1）计算机构成及程序运行的 方法。如图 1 所示，其中外存储器指硬 盘，操作系统、应用程序和数据都以文 件形式保存在硬盘上，内存储器保存正 在运行的程序和程序所要操作的数据， 这些程序是由操作系统从硬盘上装入到 内存储器的。CPU（运算器、控制器） 用于运行程序，CPU 从程序所在的存储 器起始位置开始，依次读取指令并执行， 直到程序结束。 （2）内存储器是由 N 个连续的 存储单元组成的，每个单元可以存储 8 比特二进制数（称为一个字节） ；N 称 为内存容量。计算机为每个存储单元分 配唯一的编号，从 0 开始编起，直到 N-1，这个编号称为该存储单元的“地址” ，CPU 使用编号（地址）访问这些存储 单元。 （3）内存储器中存储的既有代 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 码，也有数据；构成程序的代码依次存 储在内存储器中；程序要操作的数据也 保存在内存储器中。 3.2 第二个程序 第二个程序展示计算机的计算功 能，该程序引入了变量及数据类型概念， 存储器和地址在程序代码中首次出现。 代码如上图所示。 介绍程序强调如下几个方面的知 识。 （1）计算机要计算两个整数的 和，首先需要找两个地方来保存这两个 整数，这两个地方就位于内存中； （2）计算机在内存中为不同类 型的数据分配大小不同的存储空间， “int a，b，r；”要求计算机分配三块内存空 间，分别用变量“a，b，r” 表示，每块内 存空间存储一个整数，变量的值改变， 表示其所代表的存储空间存储的内容发 生了改变。 （3）scanf（“%d， %d”， &a， &b）表示从标准输入设备（键盘） -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 上接收用户输入的两个整数，这两个整 数分别保存在“a，b”所代表的内存中， 内存用地址表示， “&a，&b”分别表示取 “a，b”的地址， “%d”表示每个空间要保 存的数的数据类型为整数，这确定了每 个空间占据的字节个数。 （4） scanf（）实现的功能是通过很多条计算 机代码实现的，这些代码在程序被装入 内存时，也被装入了内存。CPU 执行函 数就是从这个函数的起始代码开始顺序 执行。函数名 scanf 就是起始代码在内 存中的地址，即：函数名表示的是函数 代码块在内存中的开始地址。 通过第二个函数，初步介绍了数 据类型、变量、函数的概念，并从存储 器的角度来认识这些概念，把概念和地 址结合在一起，使 3.1 中介绍的存储器 概念具体化，加强对存储器及地址的认 识，在之后每次使用 scanf（）时，都 会强调变量、空间、地址的对应关系， 使学生熟知这些知识。 4 循序渐进 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 循序渐进是指初学者初步接触存 储器和地址的概念之后，课程会继续从 存储器和地址的角度解释所学内容，以 加强这些概念及用法。以函数、数组、 指针、结构为例说明。 4.1 函 数 C 语言函数采用传值调用，在函 数中修改形参的值，不会改变实参的值， 如上图所示。 程序输出为：“a=10， b=20”。 在解释上述结果时，不仅要强调语法规 则：“函数内不能改变函数外变量的值” ， 还要从存储器的角度解释。如图 2，main（）函数中两个变量“a，b” （比如占据空间从 0x01001000 开始） 和 swap（）函数中两个变量“a，b”（比 如占据空间从 0x01001100 开始）使用 不同的存储空间，swap（）函数中变量 “a，b”的值修改，改变的是 0x01001100 开始的地址空间的值，但没有修改 main（）函数中变量“a，b”所代表的存 储空间的值，因此 main（）中“a，b”的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 值不会改变。 4.2 数 组 数组是 C 语言的重要内容，也是 C 语言的难点之一，在指针章节开始之 前，数组是和存储器及地址概念结合最 紧密的内容，因此在数组部分会更多强 调指针的内容。在介绍数组概念及例子 中，主要介绍如下知识。 （1）数组是由很多相同类型的 变量组成的集合，C 语言通过下标改变 的方式，来表示数组中的这些变量，为 写查找和排序算法提供了方便。 （2）数组中每个变量在存储器 中要占据一块存储空间，这些变量所占 据的存储空间是连续的。比如数组 float aN（N 为常量）表示在计算机内存中 的一块连续的存储器空间，空间大小为： N * sizeof（float）字节。 （3）数组名字 a 是这块存储空 间的开始地址。a0表示这 N 个变量中 的第一个变量，a 和&a0相等，ai的 地址和 a+i*sizeof（float）相等。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 （4）计算机的存储器是有限的， 连续的空闲存储空间更有限，因此数组 中变量的个数 N 是有限的。 （5）下标 i 的取值范围为 0N- 1，但如果代码中出现对不属于数组的 空间进行读操作，比如“float b=aN+1”， 程序可能仍可以运行；如果代码中出现 对不属于数组的空间进行写操作，比如 “aN+1 = 11.23”，程序可能可以正常运 行，但通常会立即崩溃。因此，通过下 标访问不属于程序的空间是不安全的， 编程中要严格禁止。 （6）若函数的参数定义为数组， 则函数对形参数组内变量修改，会同时 改变实参数组变量的值，这是因为函数 的形参数组是地址，实参和形参表示的 是同一地址空间，内部对形参数组的访 问，就是对实参表示空间的访问。 通过数组，进一步建立变量和存 储空间（连续存储空间） 、地址的关系， 为指针学习进一步建立基础。 4.3 指 针 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 经过不断重复、铺垫，在指针教 学开始时，学生已经熟悉了地址的概念， 也更容易理解指针，之后的学习重点在 于指针的用法，并逐渐习惯使用指针编 程。 指针部分的主要内容包括：第一， 指向变量的指针及其在函数参数传递中 的作用，函数的形参定义为指针，可以 在函数内部改变函数外部变量的值，实 现地址调用；第二，指针与数组的关系， 引入动态内存分配，学习 C 语言的存储 器管理技术；第三，指向函数的指针， 在指针指向的存储空间中，存储的是函 数的代码，函数名字就是该存储空间的 开始地址，初步介绍回调函数的概念； 第四，指针数组的定义和使用，支持行 和列都可变的二维数组定义及用法。 4.4 结 构 结构内容放在指针内容之后介绍， 主要是因为指针可以是结构的成员变量， 如果结构中指针变量指向的数据类型和 结构相同，则可以生成链表。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 13 介绍结构要和存储空间以及指针 的概念紧密结合。定义结构时，要同时 强调该结构类型变量所占据的存储空间， 如以上结构定义图。结构变量的存储结 构如图 3 所示，从中可以看到：结构 型变量中的变量，在存储器中的存储顺 序和结构中变量定义的顺序相同；基 本变量、数组等占据的空间和其单独定 义时占据的空间可能不同，与编译选项 有关（是否设置了对齐要求） ；指针 变量（pNext ）占据的空间大小固定， 与指针所指向的数据类型没有关系。 结构定义是否合法，主要看是否 能够计算出结构变量所占据的存储器空 间。结构里面不能声明同一个结类 型的变量，该递归定义会导致结构变量 所占据的空间无穷大，但可以定义指向 该结构类型的指针，因为指针大小固定。 结构变量和普通变量一样，变量 赋值操作本质上是存储器复制。比如： Student a， b； a=b；是把 b 变量所占 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 14 据的存储空间的内容，全部复制到 a 变 量所占据的存储空间中。如果结构中定 义了数组，则实现了数组的赋值操作， 而数组自己是不支持赋值操作的。但对 于指针变量的复制，会导致 a.pNext 和 b.pNext 相等，这却不是程序员想要的 结果，需要特别关注。 5 结 语 C 程序设计语言离不开指针，学 习和掌握指针用法又非常艰难