本书的主要特色是根据作者多年的开发架构经验编
写，凝聚了一个菜鸟程序员慢慢成长为架构师的程序设计之路，书中包含很多开发
设计实例，以及作者对于C 语言和设计模式的独特见解，以及如何运用Cache 和
NUMA 等技术来优化程序执行效率，随着多核技术的蓬勃发展，本书也涉及C 语言
在多核开发下的优势和劣势。
本书共分四大部分。
第一部分新手篇：第1~6 章，着重介绍C 语言基础语法。
第二部分进阶篇：主要介绍C 语言的数据类型、预处理器、编译原理，通过实
例阐述C 语言的魅力。
第三部分实战篇：包含C 语言的经典数据结构和通用设计模式等，以及Linux
下程序调试的方法。
第四部分高手篇：介绍如何进行程序优化、Cache 利用、NUMA 技术、多核技
术等。

一、编写初衷
目前各种编程语言百花齐放，但是C语言仍然是程序执行效率很高的语言之一，
也是贴近底层硬件的语言之一，笔者希望通过本书能让大家了解C 语言编程的本质
以及设计精髓，而不是简简单单只将C 语言当成一种工具。
书中内容来源于笔者从业多年的学习和实战经验，希望分享给更多有志于通过
技术改变生活的人。
通过本书的讲解帮助更多的程序开发者提升自身的计算机思维，并明确自己后
续的技术发展路线。
二、内容亮点
和市面上同类图书相比，本书的主要特色是根据作者多年的开发架构经验编
写，凝聚了一个菜鸟程序员慢慢成长为架构师的程序设计之路，书中包含很多开发
设计实例，以及作者对于C 语言和设计模式的独特见解，以及如何运用Cache 和
NUMA 等技术来优化程序执行效率，随着多核技术的蓬勃发展，本书也涉及C 语言
在多核开发下的优势和劣势。
本书共分四大部分。
第一部分新手篇：第1~6 章，着重介绍C 语言基础语法。
第二部分进阶篇：主要介绍C 语言的数据类型、预处理器、编译原理，通过实
例阐述C 语言的魅力。
第三部分实战篇：包含C 语言的经典数据结构和通用设计模式等，以及Linux
下程序调试的方法。
第四部分高手篇：介绍如何进行程序优化、Cache 利用、NUMA 技术、多核技
术等。
前 言Foreword
II C 语言从新手到高手
三、读者对象
本书将C 语言拟人化，通过一个人的慢慢成长过程来阐述C 语言学习的进阶
之路。
本书既适用于没有经验的编程爱好者，同样适用于对C 语言有一定经验的使用
者，更适合刚刚走出大学校门的读者使用，希望通过对本书的学习完成由学生到一
个职业编程人员的快速思维转换。
通过本书，读者可以在短期内对C 语言有全面的了解，书中包含了大量可执行
的实例供读者学习，帮助读者具备实际上手编码能力，以及一定的程序设计和优化
能力。
四、致谢
在本书的编写中，首先感谢公司的领导和业内的朋友，他们对本书的策划提出
了大量的宝贵意见和建议。
感谢我的妻子孙苗苗，她在我漫长的写作过程中对儿子无微不至的照顾，使我
免除了后顾之忧。
感谢我的儿子果果，在本书的构思过程中迎来了这个小生命，他使得我有了更
多写作的灵感和动力（本书拟人化的写作手法即来源于此）。
感谢我的父母，他们长久以来对我的培养、鼓励及支持，才使得我有能力以及
精力投入到写作过程中。
感谢中国铁道出版社有限公司，因为有他们，才使得本书最终面世。
由于作者水平有限，书中错误之处在所难免，恳请专家和读者批评指正，联系
邮箱：boyteam@163.com。
最后以乔布斯的经典名句结尾：“Stay hungry, Stay foolish.”

第一篇新手篇
第 1 章 C 语言概述
1.1 C 语言的前世今生............................................................................................... 2
1.2 C 语言的优势与劣势........................................................................................... 3
1.3 C 语言的当前标准............................................................................................... 4
1.4 C 语言的编程机制............................................................................................... 4
第2 章 C 语言的骨骼——基础数据类型
2.1 常量与变量........................................................................................................... 6
2.1.1 常量.......................................................................................................... 6
2.1.2 变量.......................................................................................................... 8
2.2 关键字和保留标识符.......................................................................................... 9
2.3 整数类型............................................................................................................. 11
2.4 浮点类型............................................................................................................. 11
2.5 字符和字符串类型............................................................................................13
2.6 类型之间的转换................................................................................................14
2.7 程序注释.............................................................................................................18
第3 章 C 语言的肉身——运算符
3.1 算术运算符.........................................................................................................20
3.2 赋值运算符.........................................................................................................213.3 逻辑运算符.........................................................................................................21
3.4 移位运算符.........................................................................................................22
3.5 关系运算符.........................................................................................................23
3.6 增量运算符.........................................................................................................24
3.7 位运算符.............................................................................................................25
3.8 条件运算符.........................................................................................................26
3.9 逗号运算符.........................................................................................................27
3.10 运算符的优先级..............................................................................................28
第4 章 C 语言的血液——控制流
4.1 顺序流.................................................................................................................30
4.2 条件分支流.........................................................................................................31
4.3 循环控制流.........................................................................................................35
4.4 输入输出流.........................................................................................................38
4.4.1 scanf/printf 函数.....................................................................................38
4.4.2 getchar/putchar 函数..............................................................................40
4.4.3 gets/puts 函数.........................................................................................41
4.5 语句嵌套.............................................................................................................42
第5 章 C 语言的灵魂——函数
5.1 函数定义.............................................................................................................44
5.2 函数声明.............................................................................................................45
5.3 函数参数.............................................................................................................46
5.4 函数调用.............................................................................................................48
5.5 函数递归.............................................................................................................52
5.6 可变参数列表.....................................................................................................54
第6 章 丫丫学步——构建第一个程序
6.1 main 函数............................................................................................................56
6.2 程序风格.............................................................................................................58
6.3 第一个C 程序....................................................................................................60
6.4 编译执行.............................................................................................................61第二篇 进阶篇
第 7 章 成长的烦恼——数组和指针
7.1 一维数组.............................................................................................................64
7.2 多维数组.............................................................................................................65
7.3 变长数组.............................................................................................................66
7.4 指针与地址.........................................................................................................68
7.5 指针数组.............................................................................................................71
7.6 指向函数的指针................................................................................................73
7.7 指向指针的指针................................................................................................74
7.8 指针和数组的区别............................................................................................75
第8 章 成长的积累——结构体、联合体及其他数据形式
8.1 结构体基础知识................................................................................................77
8.2 结构的存储与对齐............................................................................................79
8.3 结构数组.............................................................................................................84
8.4 指向结构的指针................................................................................................85
8.5 结构体自引用.....................................................................................................87
8.6 联合体基础知识................................................................................................88
8.7 枚举类型.............................................................................................................90
8.8 位字段.................................................................................................................93
8.9 typedef 简介........................................................................................................95
第9 章 成长的惊喜——预处理器
9.1 宏定义.................................................................................................................98
9.2 文件包含...........................................................................................................102
9.3 条件编译...........................................................................................................103
第10 章 成人礼——第一次构建多文件工程
10.1 多源文件编译................................................................................................107
10.2 动态库和静态库............................................................................................ 11310.2.1 静态库................................................................................................ 114
10.2.2 动态库................................................................................................ 115
第三篇实战篇
第 11 章 骨骼的发育——经典数据结构
11.1 栈.....................................................................................................................120
11.2 链表.................................................................................................................123
11.3 队列.................................................................................................................126
11.4 树.....................................................................................................................129
11.5 堆.....................................................................................................................134
11.6 散列表.............................................................................................................137
11.7 图.....................................................................................................................139
11.7.1 邻接矩阵............................................................................................141
11.7.2 邻接表................................................................................................142
11.7.3 十字链表............................................................................................142
11.7.4 邻接多重表........................................................................................143
11.8 一个具体的例子——协议识别引擎............................................................144
第12 章 社会经验的积累——经典设计模式
12.1 程序设计理念................................................................................................151
12.2 设计模式原则................................................................................................152
12.3 单件模式.........................................................................................................154
12.4 工厂模式.........................................................................................................157
12.5 抽象工厂模式................................................................................................158
12.6 创建者模式.....................................................................................................161
12.7 原型模式.........................................................................................................162
12.8 适配器模式.....................................................................................................163
12.9 装饰器模式.....................................................................................................164
12.10 代理模式.......................................................................................................166
12.11 外观模式.......................................................................................................167
12.12 桥接模式.......................................................................................................169
12.13 组合模式.......................................................................................................170
目 录 V
12.14 享元模式.......................................................................................................172
12.15 策略模式.......................................................................................................174
12.16 模板方法模式..............................................................................................175
12.17 观察者模式...................................................................................................177
12.18 迭代器模式...................................................................................................179
12.19 责任链模式...................................................................................................180
12.20 命令模式.......................................................................................................182
12.21 备忘录模式...................................................................................................183
12.22 状态模式.......................................................................................................185
12.23 访问者模式...................................................................................................186
12.24 中介者模式...................................................................................................188
12.25 解释器模式...................................................................................................190
第13 章 成长的挫折——再论程序调试
13.1 断言.................................................................................................................194
13.2 万能的打印.....................................................................................................197
13.3 GDB 调试浅谈...............................................................................................199
13.3.1 基础命令............................................................................................199
13.3.2 进阶多线程命令................................................................................205
13.3.3 调试core 文件...................................................................................206
13.4 符号表与反汇编............................................................................................210
13.5 core 文件的配置.............................................................................................212
第14 章 适应社会——可移植性
14.1 为什么需要可移植........................................................................................214
14.2 如何设计可移植的数据结构........................................................................215
14.3 如何设计可移植的程序................................................................................217
第四篇高手篇
第 15 章 找出自身的不足——性能调试
15.1 程序Cycle 的意义.........................................................................................220
VI C 语言从新手到高手
15.2 性能测试工具的使用....................................................................................221
15.3 变量的优化.....................................................................................................224
15.4 高性能函数.....................................................................................................228
15.5 嵌入式汇编.....................................................................................................234
15.6 编译优化.........................................................................................................237
第16 章 做事需未雨绸缪——Cache 技术
16.1 为什么要使用Cache .....................................................................................241
16.2 Cache 有多少级.............................................................................................242
16.3 Cache Line 的介绍.........................................................................................244
16.4 与Cache 结合的CPU 指令..........................................................................246
16.5 Cache 的淘汰策略.........................................................................................250
16.6 让程序爱上Cache .........................................................................................252
第17 章 找到亲近的人与事——NUMA 技术
17.1 NUMA 简介...................................................................................................254
17.2 NUMA 存储管理...........................................................................................257
17.3 NUMA 相关工具...........................................................................................258
17.4 NUMA 读写实测...........................................................................................260
17.5 让程序爱上NUMA.......................................................................................261
第18 章 社会更新换代——大页技术
18.1 大页简介.........................................................................................................262
18.2 Linux 如何配置大页......................................................................................263
18.3 简述Hugetlbfs 实现.......................................................................................266
18.4 程序如何使用大页........................................................................................269
第19 章 自我修炼——多线程技术
19.1 进程与线程的区别........................................................................................271
19.2 多线程编程.....................................................................................................275
19.2.1 线程的创建和结束............................................................................275
19.2.2 线程同步............................................................................................277
目 录 VII
19.2.3 线程互斥............................................................................................281
19.2.4 定义线程独有变量............................................................................283
19.3 CPU 亲和性....................................................................................................284
19.3.1 RTC 模式............................................................................................287
19.3.2 Pipeline 模式......................................................................................288
19.4 多线程调试.....................................................................................................289
附录A 术语表
附录 B 操作符优先级表
附录 C Linux 信号表

关淞元：毕业于吉林大学计算机科学与技术学院，硕士学历，资深架构专家，有10余年系统架构设计，软件开发以及研发管理经验；曾发表过多篇学术论文以及专利，主要涉及数字通信领域、网络安全领域、移动通信领域以及安全领域；尤其擅长C语言算法及性能优化，曾主持或参与过NGFW（下一代防火墙）的研发、IPS（入侵检测系统）的研发，DDOS（分布式拒绝攻击）的架构设计和研发、DPI（深度报文检测）的架构设计和研发，内容还原的架构设计和研发等。目前在某公司出任首席架构师，主持国外大型安全项目的总体架构设计，以及国家部委项目的总体架构设计。

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