開門見山與循序漸進：一種C語言指針教學方法

趙帥鋒+胡紹海

（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；教學

1 背 景

指針是C語言的精髓和靈魂，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語言不可能進行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，輕則導致程序退出，重則導致系統(tǒng)內存泄漏，甚至系統(tǒng)崩潰。

使用C語言編程離不開指針，但掌握和熟練使用指針卻很難，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]，取得了不錯的效果。作者經過多年C語言教學實踐，逐漸摸索出“開門見山”與“循序漸進”相結合的指針教學方法，把指針教學融合在C語言教學的全過程中。“開門見山”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)則，又要考慮邏輯關系，編碼必須嚴格遵守語法規(guī)則：一個看上去微不足道的錯誤，比如語句漏寫了分號，編譯器會在其他沒有錯誤的地方報告很多錯誤信息，這使初學者手足無措，無法排錯；程序有了致命錯誤，比如變量沒有初始化，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驗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）學生們不了解計算機。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緊密結合，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，但并不了解這些概念的確切含義，不了解程序運行的過程，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。基于興趣，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，程序結構越發(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，都要耗費很長的時間，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、結構等聯系緊密，這些都放大了指針的學習難度，影響學生的理解和掌握。

針對如上問題，作者逐漸探索并使用了“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，即介紹計算機的結構、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 計算機結構與存儲器

初學者通過“Hello world”了解了C語言的代碼風格、集成開發(fā)環(huán)境和程序編譯、鏈接、執(zhí)行的過程，隨后介紹計算機的“馮·諾依曼”結構，向學生說明程序在計算機內的運行過程。課堂主要介紹如下幾個方面知識。

（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，直到程序結束。

（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具體化，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、結構為例說明。

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)則：“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”（比如占據空間從0x01001000開始）和swap（）函數中兩個變量“a，b”（比如占據空間從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緊密的內容，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）數組是由很多相同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。比如數組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，但如果代碼中出現對不屬于數組的空間進行讀操作，比如“float b=a[N+1]”，程序可能仍可以運行；如果代碼中出現對不屬于數組的空間進行寫操作，比如“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安全的，編程中要嚴格禁止。

（6）若函數的參數定義為數組，則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基礎。

4.3 指 針

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

結構內容放在指針內容之后介紹，主要是因為指針可以是結構的成員變量，如果結構中指針變量指向的數據類型和結構相同，則可以生成鏈表。

介紹結構要和存儲空間以及指針的概念緊密結合。定義結構時，要同時強調該結構類型變量所占據的存儲空間，如以上結構定義圖。結構變量的存儲結構如圖3所示，從中可以看到：①結構型變量中的變量，在存儲器中的存儲順序和結構中變量定義的順序相同；②基本變量、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。

結構定義是否合法，主要看是否能夠計算出結構變量所占據的存儲器空間。結構里面不能聲明同一個結構類型的變量，該遞歸定義會導致結構變量所占據的空間無窮大，但可以定義指向該結構類型的指針，因為指針大小固定。

結構變量和普通變量一樣，變量賦值操作本質上是存儲器復制。比如：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。如果結構中定義了數組，則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艱難，因此在C語言教學中要精心安排教學內容，并探索各種指針教學方法。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語言的密切關系，淡化指針的神秘感，幾年的教學實踐證明，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.cn；

胡紹海（通信作者），男，教授，研究方向為信號與信息處理、多媒體通信等，shhu@bjtu.edu.cn。

參考文獻：

[1]李冰， 胡海峰. 關于C語言指針教學的探討[J]. 科技信息， 2009（23）： 521.

[2]吳瓊. C語言指針教學方法研究[J]. 鄂州大學學報， 2009，16（2）： 68-70.

[3]孫麗麗. C語言指針教學方法探討[J]. 黑龍江科技信息， 2008（11）： 128.

[4]黃晨. C語言指針教學的研究與探討[J]. 科技信息， 2010（22）： 231-232.

[5]吳斌. C語言指針教學[J]. 安徽職業(yè)技術學院學報， 2004（3）： 67-69.

（編輯：史志偉）