C语言第三课：系统编程与项目实战

C语言第三课：系统编程与项目实战

一、核心知识体系

1. 文件操作精要

文件处理流程

FILE *fp = fopen("data.txt", "r+"); // 读写模式打开
if(fp == NULL) {
    perror("文件打开失败");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 文件操作代码...

fclose(fp); // 必须关闭文件

关键文件模式

模式	描述	文件存在	文件不存在
r	只读	打开	错误
w	写入（清空内容）	创建	创建
a	追加写入	打开	创建
rb+	二进制读写（不截断）	打开	错误
wb+	二进制读写（清空内容）	创建	创建

文件读写函数对比

函数	适用类型	特点	示例
fgetc/fputc	字符	单字节操作	int c = fgetc(fp);
fgets/fputs	字符串	行处理	fgets(buf, 100, fp);
fread/fwrite	二进制	块操作	fread(&data, sizeof(Data), 1, fp);
fprintf/fscanf	格式化	类似printf/scanf	fscanf(fp, "%d,%f", &a, &b);

2. 预处理指令进阶

宏定义技巧

// 带参数的宏
#define MAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
#define SQUARE(x) ((x)*(x))

// 调试宏
#ifdef DEBUG
    #define LOG(fmt, ...) printf("[DEBUG] " fmt, ##__VA_ARGS__)
#else
    #define LOG(...)
#endif

条件编译实战

#if defined(__linux__)
    #include <ncurses.h>
#elif defined(_WIN32)
    #include <conio.h>
#endif

// 头文件保护
#ifndef MYHEADER_H
#define MYHEADER_H
// 头文件内容
#endif

3. 多文件工程化开发

典型项目结构

snake_game/
├── Makefile          # 编译脚本
├── include/          
│   ├── game.h        # 游戏逻辑声明
│   └── render.h      # 图形渲染声明
├── src/
│   ├── main.c        # 程序入口
│   ├── game.c        # 游戏逻辑实现
│   └── render.c      # 渲染模块实现
└── assets/           # 资源文件

头文件规范示例

// game.h
#pragma once

typedef struct {
    int x;
    int y;
} Position;

typedef struct {
    Position body[100];
    int length;
    Direction dir;
} Snake;

void init_game(Snake *s);
int update_game(Snake *s);

4. 时间函数与随机数

#include <time.h>

// 初始化随机种子
srand((unsigned)time(NULL)); 

// 获取1-100随机数
int num = rand() % 100 + 1; 

// 计算程序运行时间
clock_t start = clock();
/* 执行代码 */
double duration = (double)(clock() - start)/CLOCKS_PER_SEC;

二、贪吃蛇项目实战

1. 开发环境配置

安装ncurses库（Linux/Mac）：

# Ubuntu/Debian
sudo apt-get install libncurses5-dev

# MacOS
brew install ncurses

2. 游戏架构设计

// 游戏状态结构体
typedef struct {
    Snake snake;
    Position food;
    int score;
    int game_over;
    int max_x, max_y; // 屏幕尺寸
} GameState;

// 方向枚举
typedef enum { UP, DOWN, LEFT, RIGHT } Direction;

3. 核心功能实现

游戏初始化

void init_game(GameState *gs) {
    initscr(); // 初始化ncurses
    cbreak();  // 禁用行缓冲
    noecho();  // 关闭输入回显
    curs_set(0); // 隐藏光标
    timeout(100); // 非阻塞输入

    getmaxyx(stdscr, gs->max_y, gs->max_x);
    // 初始化蛇身和食物位置...
}

食物生成算法

void generate_food(GameState *gs) {
    do {
        gs->food.x = rand() % (gs->max_x - 2) + 1;
        gs->food.y = rand() % (gs->max_y - 2) + 1;
    } while(is_position_on_snake(gs, gs->food));
}

碰撞检测逻辑

int check_collision(GameState *gs) {
    Position head = gs->snake.body[0];
    
    // 边界检测
    if(head.x <= 0 || head.x >= gs->max_x-1 ||
       head.y <= 0 || head.y >= gs->max_y-1)
        return 1;
    
    // 自碰撞检测
    for(int i=1; i<gs->snake.length; i++) {
        if(head.x == gs->snake.body[i].x && 
           head.y == gs->snake.body[i].y)
            return 1;
    }
    return 0;
}

图形渲染模块

void render_game(GameState *gs) {
    clear();
    // 绘制边界
    box(stdscr, 0, 0); 
    
    // 绘制蛇身
    for(int i=0; i<gs->snake.length; i++) {
        mvaddch(gs->snake.body[i].y, 
                gs->snake.body[i].x, 
                i==0 ? '@' : '*');
    }
    
    // 绘制食物
    mvaddch(gs->food.y, gs->food.x, '$');
    
    // 显示分数
    mvprintw(0, 2, " Score: %d ", gs->score);
    refresh();
}

4. 游戏主循环

void game_loop() {
    GameState gs;
    init_game(&gs);

    while(!gs.game_over) {
        int ch = getch();
        handle_input(&gs, ch);
        
        if(update_game(&gs)) {
            render_game(&gs);
        } else {
            gs.game_over = 1;
        }
    }
    
    endwin(); // 结束ncurses
    show_game_over(&gs);
}

三、进阶课题扩展

1. 游戏存档功能

void save_game(GameState *gs) {
    FILE *fp = fopen("save.dat", "wb");
    if(fp) {
        fwrite(gs, sizeof(GameState), 1, fp);
        fclose(fp);
    }
}

int load_game(GameState *gs) {
    FILE *fp = fopen("save.dat", "rb");
    if(fp) {
        fread(gs, sizeof(GameState), 1, fp);
        fclose(fp);
        return 1;
    }
    return 0;
}

2. 难度分级系统

typedef enum { EASY, NORMAL, HARD } Difficulty;

int get_speed(Difficulty diff) {
    switch(diff) {
        case EASY:   return 200;
        case NORMAL: return 150; 
        case HARD:   return 100;
        default:    return 150;
    }
}

3. 排行榜功能

typedef struct {
    char name[20];
    int score;
    time_t timestamp;
} HighScore;

void update_leaderboard(HighScore new_score) {
    // 读取现有排行榜
    HighScore scores[10];
    int count = 0;
    
    FILE *fp = fopen("leaderboard.dat", "rb");
    if(fp) {
        count = fread(scores, sizeof(HighScore), 10, fp);
        fclose(fp);
    }

    // 插入新记录并排序...
    // 保存更新后的排行榜
}

四、实践作业

基础练习

1. 实现文件加密工具：

   • 使用异或运算进行简单加密
   • 支持命令行参数：./crypt input.txt output.txt key

2. 开发配置文件解析器：

   # config.ini
   [Display]
   width=800
   height=600
   fullscreen=0
   

项目挑战

3. 完善贪吃蛇游戏：

   • 添加不同皮肤选择功能
   • 实现吃特殊食物加速效果
   • 增加障碍物生成系统
   • 支持游戏暂停/继续功能

4. 开发井字棋AI：

   void computer_move(char board[3][3]) {
       // 实现简单AI逻辑
       // 1. 检查是否可以直接获胜
       // 2. 阻止玩家获胜
       // 3. 优先占据中心
       // 4. 随机选择空位
   }
   

五、调试与优化

性能分析工具

1. 使用gprof进行性能剖析：

gcc -pg program.c -o program
./program
gprof program gmon.out > analysis.txt

2. 内存检测示例：

valgrind --tool=memcheck --leak-check=full ./program

代码优化技巧

1. 空间换时间策略：

// 预计算方向增量
const Position dir_delta[4] = {
    {0, -1},  // UP
    {0, 1},   // DOWN
    {-1, 0},  // LEFT
    {1, 0}    // RIGHT
};

2. 避免重复计算：

// 缓存边界值
int max_x = gs->max_x - 1;
int max_y = gs->max_y - 1;

3. 位运算优化：

// 快速判断奇偶
if((num & 1) == 0) {
    printf("偶数");
}

下节课预告：第四课将深入讲解多线程编程、网络通信基础，并使用SDL库开发2D射击游戏。