C 語言基礎（include、define、變數與資料型態）

課程目標

理解預處理指令： 學會使用 #include 引入標頭檔案與 #define 定義常數與巨集，並了解其在編譯前的作用。
掌握變數與資料型態： 能夠宣告各種基本資料型態的變數，包括整數、浮點數、字元與字串，並熟悉其使用方式與範圍。
認識基本輸入輸出： 瞭解如何使用 printf() 與 scanf() 進行簡單的資料輸出與輸入（可作為後續課程的鋪墊）。

第1部份

1. 預處理指令

1.1 `#include` 指令

用途：
用來引入外部函式庫或自訂標頭檔，讓程式能夠使用已有的函數與定義。
常見用法：
- #include <stdio.h>：引入標準輸入/輸出函式庫，提供 printf()、scanf() 等常用函數。
- #include "my_header.h"：引入專案中自訂的標頭檔，通常包含常數、函式原型或資料結構定義。
附加說明：
在自訂標頭檔中建議加入標頭防護（Header Guard），例如：
```
#ifndef MY_HEADER_H
#define MY_HEADER_H
// 內容...
#endif
```
這樣可以避免同一個標頭檔被重複引入，減少編譯錯誤。

1.2 `#define` 指令

用途：
用來定義常數或建立簡單的巨集（macro），在編譯前將指定符號替換為對應的值或程式碼。
範例：定義常數
```
#define MAX_LENGTH 100
printf("Max length: %d\n", MAX_LENGTH);
```
這裡 MAX_LENGTH 在編譯時會被替換成 100。
範例：定義巨集
```
#define add(a, b) ((a) + (b))
printf("Result: %d\n", add(3, 4));
```
注意： 使用括號包住參數與整個運算式，可以避免運算順序的錯誤，確保巨集能正確執行。

2. 變數與資料型態

2.1 基本概念

變數：
在 C 語言中，變數用於儲存資料，每個變數在宣告時必須指定其資料型態。
資料型態：
決定變數能儲存哪種類型的資料以及其可能的範圍，常用的有整數、浮點數、字元與字串。

2.2 常見資料型態與宣告範例

整數型態：

int num = 5;               // 整數
unsigned int amount = 36;  // 無號整數

浮點型態：

float pi = 3.14159;        // 單精度浮點數
double precisePi = 3.141592653589793; // 雙精度浮點數

字元型態：

char letter = 'A';         // 單一字元

字串：
字串以字元陣列形式儲存：
```
char str[] = "Hello, C!";
```

2.3 資料型態範圍（參考 `<stdint.h>`）

資料型態	等效型態	範圍
`char`	`int8_t`	-2^7 ~ 2^7-1
`unsigned char`	`uint8_t`	0 ~ 2^8-1
`short`	`int16_t`	-2^15 ~ 2^15-1
`unsigned short`	`uint16_t`	0 ~ 2^16-1
`int`	`int32_t`	-2^31 ~ 2^31-1
`unsigned int`	`uint32_t`	0 ~ 2^32-1
`long`	`int64_t`	-2^63 ~ 2^63-1
`unsigned long`	`uint64_t`	0 ~ 2^64-1
`float`	`float`	約 -3.4E+38 ~ 3.4E+38
`double`	`double`	約 -1.7E+308 ~ 1.7E+308

附註：
使用 <stdint.h> 可以讓我們指定固定大小的整數型態，這對於跨平台程式設計尤為重要。

3. 基本輸入與輸出操作簡介

雖然本堂課的重點在於預處理與變數宣告，但了解基本的輸入輸出操作對後續課程非常重要。

3.1 輸出操作— `printf`

功能：
用於格式化並輸出資料到螢幕。

範例：

printf("Hello, World!\n");
printf("The number is: %d\n", num);

注意：
根據資料型態選用正確的格式符，例如 %d 用於整數，%f 用於浮點數，%c 用於字元，%s 用於字串。

3.2 輸入操作— `scanf`

功能：
用於從鍵盤讀取格式化資料，需傳入變數的地址。

範例：

int num1, num2;
printf("Enter two integers: ");
scanf("%d %d", &num1, &num2);

提示：
檢查 scanf() 的回傳值，以確保輸入成功，這是撰寫穩健程式的重要技巧。

4. 範例程式：簡易變數宣告與輸出

以下範例綜合展示了 #include、#define、變數宣告與基本輸出：

#include <stdio.h>

// 定義常數
#define MAX_VALUE 100

int main() {
    // 變數宣告
    int num = 42;
    float pi = 3.14159;
    char letter = 'C';
    char greeting[] = "Hello, C Language!";

    // 輸出變數內容
    printf("Number: %d\n", num);
    printf("Pi: %f\n", pi);
    printf("Letter: %c\n", letter);
    printf("Greeting: %s\n", greeting);
    printf("Max value (from define): %d\n", MAX_VALUE);

    return 0;
}

討論重點：
- 觀察 #define 如何將符號 MAX_VALUE 替換成具體數值。
- 學習如何依據資料型態正確地使用不同格式符。

第2部份

1. 輸出操作詳解— `printf()`

1.1 格式化字串與格式符

基本格式符：
- %d：輸出整數。
- %f：輸出浮點數（預設輸出小數點後6位）。
- %c：輸出單一字元。
- %s：輸出字串。

範例：

printf("整數：%d\n", 42);
printf("浮點數：%f\n", 3.14159);
printf("字元：%c\n", 'A');
printf("字串：%s\n", "Hello, C!");

1.2 格式化細節

可使用修飾符控制輸出寬度與精度，例如 %8.2f 表示輸出總寬度8，且小數點後2位。
學生可嘗試修改格式，觀察輸出效果的不同。

2. 輸入操作詳解— `scanf()`

2.1 基本語法與使用方式

基本語法：
```
scanf("格式化字串", &變數);
```
關鍵點：
- 必須傳入變數的地址（例如 &num）。
- 格式化字串必須與變數型態相符。

2.2 輸入錯誤處理

檢查回傳值：
- scanf() 會回傳成功讀取的變數個數。若回傳值不符預期，代表輸入錯誤。
- 範例：
```
int num;
printf("請輸入一個整數：");
if (scanf("%d", &num) != 1) {
    printf("輸入錯誤！\n");
}
```
練習討論：
- 學生應討論如何在錯誤輸入後給予適當提示，並可能要求使用者重新輸入。

2.3 注意，windows 下中文可能出現亂碼，請依照以下程式碼修正

#include <stdio.h>

#ifdef _WIN32 //判斷windoes
    #include <windows.h>
#endif

int main(void) {

    #ifdef _WIN32 //判斷windoes 
    // 輸出中文亂碼修正
    SetConsoleOutputCP (65001);
    #endif

    printf("hello clang ㄏㄏ!\n");
    return 0;
}

或者用在終端機數入

chcp 65001

3. 綜合範例：計算橢圓面積

3.1 程式說明

目的：
利用 scanf() 讀取使用者輸入的兩個浮點數（代表橢圓的長軸與短軸），使用預先定義的巨集計算橢圓面積，再透過 printf() 輸出結果。
關鍵概念：
- 巨集 calculate_ellipse_area(ra, rb) 使用括號確保運算順序正確。
- 輸入錯誤處理能提升程式穩定性。

3.2 範例程式

#include <stdio.h>

#define PI 3.14159
#define calculate_ellipse_area(ra, rb) ((ra) * (rb) * (PI))

int main() {
    float axis1, axis2;
    
    printf("請輸入橢圓的長軸與短軸（以空格分隔）：");
    if (scanf("%f %f", &axis1, &axis2) != 2) {
        printf("輸入錯誤！\n");
        return 1;
    }
    
    printf("橢圓面積為：%f\n", calculate_ellipse_area(axis1, axis2));
    return 0;
}

3.3 編譯與執行

使用 Clang 編譯器：
```
clang -o ellipse ellipse.c
```
執行程式：
```
./ellipse
```
學生可藉由修改程式、重新編譯與執行，加深對輸入輸出及巨集運算的理解。

第3部份

1. 運算子概述

1.1 算術運算子

基本運算子：
+、-、*、/、%（取餘數）

範例：

int a = 10, b = 3;
int sum = a + b;         // 加法：13
int diff = a - b;        // 減法：7
int prod = a * b;        // 乘法：30
int quot = a / b;        // 除法：3 (整數除法)
int rem = a % b;         // 餘數：1

1.2 賦值與自增/自減運算子

賦值運算子：
=、+=、-=、*=、/=、%=
自增/自減：
++、--

範例1：

int x = 5;
x += 3;      // x 現在為 8 等同 x = x + 3
x++;         // x 現在為 9 等同 x = x + 1

範例2：

int x = 5;
int y;
y = x++;    // x 現在為 6;  y 現在為 5
y = ++x;    // x 現在為 7;  y 現在為 7

1.3 關係與邏輯運算子

關係運算子：
==、!=、>、<、>=、<=
邏輯運算子：
&&（且）、||（或）、!（非）

範例：

int m = 10, n = 20;
if ((m < n) && (n != 0)) {
    printf("條件成立\n");
}
else {
    printf("條件不成立\n");
}

1.4 位元運算子

常用位元運算子：
&（位元且）、|（位元或）、^（位元互斥）、~（位元非）、<<（左移）、>>（右移）

範例：

unsigned int num = 5;             // 二進位：0000 0101
unsigned int shifted = num << 1;  // 結果：10 (0000 1010)

2. 表達式與運算子優先順序

2.1 運算子優先順序

運算子在複雜表達式中有固定的優先順序。例如，乘法與除法的優先順序高於加法與減法。

範例：

int result = 3 + 4 * 2; // 結果為 11，而非 (3+4)*2 = 14

使用括號：
- 為避免混淆，建議使用括號明確指定計算順序。
```
int result = (3 + 4) * 2; // 結果為 14
```

2.2 表達式計算示例

分析以下表達式：
```
int a = 5, b = 2, c = 3;
int result = a + b * c - (a - c) / b;
```
- 先計算 b * c 與 (a - c)，再依據運算子優先順序進行後續運算。

3. 型態轉換（Type Casting）

3.1 隱性與顯性型態轉換

隱性轉換：
編譯器自動將一種型態轉換為另一種，例如將整數轉換為浮點數進行運算。
顯性轉換：
使用強制型態轉換符號 (type) 明確指定轉換方式，避免不預期的結果。

3.2 型態轉換範例

整數除法問題：

int a = 7, b = 2;
float result = a / b;  // 結果為 3.000000，因為 7/2 為整數除法

使用顯性轉換：

float result = (float)a / b;  // 結果為 3.500000

轉換範例表

類型	轉換後類型	範例
`int + float`	`float`	`5 + 2.5 → 5.0 + 2.5 = 7.5`
`char + int`	`int`	`'A' + 1 → 65 + 1 = 66`
`short + int`	`int`	`1000 + 2000 → 3000`
`int / int`	`int`	`10 / 4 → 2`
`int / float`	`float`	`10 / 4.0 → 2.5`
`char` 傳遞到函數	`int`	`printType('A') → printType(65)`

4. 綜合範例：計算圓的面積與周長

4.1 程式說明

目的：
利用運算子、表達式及型態轉換，計算圓的面積與周長，並正確輸出結果。
公式：
- 面積：A = PI * r * r
- 周長：C = 2 * PI * r
- 其中 r 為半徑。

4.2 範例程式

#include <stdio.h>

#define PI 3.14159

int main() {
    float radius;
    
    printf("請輸入圓的半徑：");
    if (scanf("%f", &radius) != 1) {
        printf("輸入錯誤！\n");
        return 1;
    }
    
    // 計算面積與周長，使用顯性轉換確保運算精確
    float area = PI * radius * radius;
    float circumference = 2 * PI * radius;
    
    printf("圓的面積為：%f\n", area);
    printf("圓的周長為：%f\n", circumference);
    
    return 0;
}

5. 課堂互動與練習

練習題目： 請撰寫一個 C 程式，要求使用者分別輸入圓柱體的半徑與高度，計算表面積與體積。

6. 本堂課小結

運算子與表達式：
透過本堂課學習了各類運算子及其優先順序，並理解了如何利用括號明確指定計算順序。
型態轉換：
掌握了隱性與顯性型態轉換的概念，學會在需要時使用 (type) 進行強制轉換，確保運算結果的精確性。
綜合應用：
通過計算圓的面積與周長的範例，整合了運算子、表達式與型態轉換的知識，並鞏固了基本運算的概念。

C 語言基礎（include、define、變數與資料型態）

課程目標

第1部份

1. 預處理指令

1.1 #include 指令

1.2 #define 指令

2. 變數與資料型態

2.1 基本概念

2.2 常見資料型態與宣告範例

2.3 資料型態範圍（參考 <stdint.h>）

3. 基本輸入與輸出操作簡介

3.1 輸出操作— printf

3.2 輸入操作— scanf

4. 範例程式：簡易變數宣告與輸出

第2部份

1. 輸出操作詳解— printf()

1.1 格式化字串與格式符

1.2 格式化細節

2. 輸入操作詳解— scanf()

2.1 基本語法與使用方式

2.2 輸入錯誤處理

2.3 注意，windows 下中文可能出現亂碼，請依照以下程式碼修正

3. 綜合範例：計算橢圓面積

3.1 程式說明

3.2 範例程式

3.3 編譯與執行

第3部份

1. 運算子概述

1.1 算術運算子

1.2 賦值與自增/自減運算子

1.3 關係與邏輯運算子

1.4 位元運算子

2. 表達式與運算子優先順序

2.1 運算子優先順序

2.2 表達式計算示例

3. 型態轉換（Type Casting）

3.1 隱性與顯性型態轉換

3.2 型態轉換範例

轉換範例表

4. 綜合範例：計算圓的面積與周長

4.1 程式說明

4.2 範例程式

5. 課堂互動與練習

6. 本堂課小結

1.1 `#include` 指令

1.2 `#define` 指令

2.3 資料型態範圍（參考 `<stdint.h>`）

3.1 輸出操作— `printf`

3.2 輸入操作— `scanf`

1. 輸出操作詳解— `printf()`

2. 輸入操作詳解— `scanf()`