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Eng Course- An Introduction to the C Programming Language and Software Design- Download Free PDF


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Contents:
1 Introduction 1
1.1 Programming and Programming Languages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The C Programming Language . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 A First Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Variants of Hello World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 A Numerical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.6 Another Version of the Conversion Table Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.7 Organisation of the Text . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Types, Operators, and Expressions 8
2.1 Identifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Symbolic Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5 printf Conversion Specifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.6 Declarations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.7 Arithmetic Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.8 Relational and Logical Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.9 Bitwise Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.10 Assignment Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.11 Type Conversions and Casts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Branching and Iteration 17
3.1 If-Else . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 ?: Conditional Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3 Switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.4 While Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.5 Do-While Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.6 For Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.7 Break and Continue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.8 Goto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Functions 25
4.1 Function Prototypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Function Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3 Benefits of Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4 Designing For Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
ii4.5 Interface Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.6 The Standard Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 Scope and Extent 33
5.1 Local Scope and Automatic Extent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.2 External Scope and Static Extent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
5.3 The static Storage Class Specifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.4 Scope Resolution and Name Hiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.5 Summary of Scope and Extent Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.6 Header Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.7 Modular Programming: Multiple File Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6 Software Design 41
6.1 Requirements and Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
6.2 Program Flow and Data Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.3 Top-down and Bottom-up Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.4 Pseudocode Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
6.5 Case Study: A Tic-Tac-Toe Game . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.5.1 Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.5.2 Specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.5.3 Program Flow and Data Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.5.4 Bottom-Up Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
6.5.5 Top-Down Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.5.6 Benefits of Modular Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7 Pointers 49
7.1 What is a Pointer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
7.2 Pointer Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
7.3 Pass By Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.4 Pointers and Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.5 Pointer Arithmetic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.6 Return Values and Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
7.7 Pointers to Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
7.8 Function Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
8 Arrays and Strings 59
8.1 Array Initialisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
8.2 Character Arrays and Strings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
8.3 Strings and the Standard Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.4 Arrays of Pointers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
8.5 Multi-dimensional Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
9 Dynamic Memory 68
9.1 Different Memory Areas in C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
9.2 Standard Memory Allocation Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.3 Dynamic Memory Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
9.4 Example: Matrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
9.5 Example: An Expandable Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
iii10 The C Preprocessor 79
10.1 File Inclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
10.2 Symbolic Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
10.3 Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
10.3.1 Macro Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
10.3.2 More Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
10.3.3 More Complex Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
10.4 Conditional Compilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
11 Structures and Unions 86
11.1 Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
11.2 Operations on Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
11.3 Arrays of Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
11.4 Self-Referential Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
11.5 Typedefs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
11.6 Object-Oriented Programming Style . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
11.7 Expandable Array Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
11.8 Unions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
12 Bitwise Operations 99
12.1 Binary Representations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
12.2 Bitwise Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
12.2.1 AND, OR, XOR, and NOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
12.2.2 Right Shift and Left Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
12.2.3 Operator Precedence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.3 Common Bitwise Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
12.4 Bit-fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
13 Input and Output 105
13.1 Formatted IO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
13.1.1 Formatted Output: printf() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
13.1.2 Formatted Input: scanf() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
13.1.3 String Formatting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.2 File IO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.2.1 Opening and Closing Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
13.2.2 Standard IO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
13.2.3 Sequential File Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
13.2.4 Random Access File Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
13.3 Command-Shell Redirection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
13.4 Command-Line Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
14 Generic Programming 115
14.1 Basic Generic Design: Typedefs, Macros, and Unions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
14.1.1 Typedefs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
14.1.2 Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
14.1.3 Unions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
14.2 Advanced Generic Design: void * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
14.2.1 Case Study: Expandable Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
14.2.2 Type Specific Wrapper Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
14.2.3 Case Study: qsort() . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
iv15 Data Structures 126
15.1 Efficiency and Time Complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
15.2 Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
15.3 Linked Lists . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
15.4 Circular Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
15.5 Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
15.6 Queues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
15.7 Binary Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
15.8 Hash Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
16 C in the Real World 138
16.1 Further ISO C Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
16.2 Traditional C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
16.3 Make Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
16.4 Beyond the C Standard Library . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
16.5 Interfacing With Libraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
16.6 Mixed Language Programming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
16.7 Memory Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
16.8 Advanced Algorithms and Data Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
A Collected Style Rules and Common Errors 142
A.1 Style Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
A.2 Common Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
B The Compilation Process 143
Bibliography 144
Index 146
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