阶段项目 on 自学C大纲：从内存到数据库

阶段项目1：成绩统计器

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

这个项目练什么#

整合 ch1–ch6 的能力：

ch1–2：变量、类型、int 和 char 数组。
ch3：while 循环读入，if 判断及格。
ch4：把统计和查找拆成函数。
ch5：用 struct 数组存一批记录，count 记录实际数量。
ch6：char name[32] 存姓名，strcmp 比较。

任务要求#

声明一个固定容量的学生表 struct Student table[100]。
循环读入：每行输入 学号姓名分数，学号输入 0 停止。
输入格式错误（学号非数字、姓名或分数缺失）时，打印提示并跳过，不崩溃。
容量用满时，打印提示并停止录入，已录入的数据不受影响。
录入结束后，打印统计：最高分、最低分、平均分（保留 2 位小数）、及格（≥60）人数。
打印全部学生列表。
进入按姓名查找循环：输入姓名，打印对应记录；输入 . 退出查找。
查找不到时打印友好提示。

数据与接口约定#

#define MAX_STUDENTS 100
#define NAME_LEN 32

struct Student {
 int id;
 char name[NAME_LEN];
 int score;
};

// 打印最高分、最低分、平均分、及格人数
void print_stats(struct Student *table, int count);

// 按姓名查找，返回下标；找不到返回 -1
int find_by_name(struct Student *table, int count, const char *name);

测试输入（正常）#

$ 1001 Alice 85
$ 1002 Bob 92
$ 1003 Carol 55
$ 1004 Dave 73
$ 1005 Eve 68
$ 0
$ Alice
$ Bob
$ Eve
$ .

错误输入#

$ abc Alice 85
$ 1002 Bob
$ 1003
$ 1004 Carol 105
$ 0

上面的输入依次覆盖：学号不是数字、缺少分数、缺少姓名和分数，以及录入 105 分（分数范围由使用者负责校验）。

阶段项目2：可保存的学生表

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

这个项目练什么#

整合 ch7–ch10 的能力：

ch7–8：struct Student 和结构体数组。
ch9：fopen/fclose/fscanf/fprintf，文件保存与读取。
ch10：malloc/realloc/free，动态容量 + 指针传地址。

任务要求#

动态学生表：初始容量 4，每次容量不够时 realloc 翻倍。
启动时调用 load_students("students.txt") 尝试加载已有文件。
- 文件不存在时，从空表开始，不报错。
- 文件中某行格式错误（字段不足、分数非数字）时，打印行号和原因，跳过该行，继续加载后续行。
交互菜单：输入 a 添加、l 列出、f 按 id 查找、d 按 id 删除、q 保存并退出。
退出时调用 save_students("students.txt") 保存。
malloc 或 realloc 失败时，打印错误，释放已分配的资源，退出程序。
删除不存在的 id 时，打印"未找到"。

数据与接口约定#

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define NAME_LEN 32

struct Student {
 int id;
 char name[NAME_LEN];
 int score;
};

struct StudentTable {
 struct Student *students; // 动态数组
 int count;
 int capacity;
};

// 初始化表，分配初始容量
int table_init(struct StudentTable *t, int init_cap);

// 销毁表，释放内存
void table_free(struct StudentTable *t);

// 添加一条记录，容量不够时自动扩容；返回 0 成功，-1 失败
int table_add(struct StudentTable *t, int id, const char *name, int score);

// 按 id 查找，返回下标；找不到返回 -1
int table_find(struct StudentTable *t, int id);

// 按 id 删除；返回 0 成功，-1 未找到
int table_delete(struct StudentTable *t, int id);

// 列出全部记录
void table_list(struct StudentTable *t);

// 从文件加载；返回 0 成功，-1 部分错误
int load_students(const char *filename, struct StudentTable *t);

// 保存到文件；返回 0 成功，-1 失败
int save_students(const char *filename, struct StudentTable *t);

文件格式：每行 学号姓名分数，以空格分隔。

阶段项目3：数据结构查找对比器

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

这个项目练什么#

整合 ch11–ch19 的能力：

ch11：链表节点操作（本项目中 BST 使用左右孩子指针）。
ch15：排序（为二分准备有序数组）。
ch16：二分查找。
ch17：二叉搜索树的插入和查找。
ch18：哈希表（链地址法）。
ch19：操作计数、测试不变量。

任务要求#

生成 31 个 id（用简单规则生成即可，如 1001 到 1031），作为统一数据集。
构建 4 种结构：
- 无序数组：直接把 id 放入数组。
- 有序数组：对 id 数组排序（用插入排序），然后二分查找。
- 二叉搜索树：逐个插入 id 构建 BST。
- 哈希表：用链地址法（HT_SIZE = 7），冲突时链表追加。
对一组查询 id（包含存在的和不存在的），分别统计每次查找的比较次数。
- 查找不存在的 id 时，也要统计比较次数：线性要扫完整个数组才算确认不存在。
打印对比表，表头：id、查询直线次数、二分次数、BST次数、哈希次数。
可选增强（加分）：扩展到 1000 条随机数据，比较 100 次随机查询，打印各结构的总比较次数。

数据与接口约定#

#define HT_SIZE 7

// 数组结构
struct ArrayData {
 int ids[100];
 int count;
};

// BST 节点
struct BSTNode {
 int id;
 struct BSTNode *left;
 struct BSTNode *right;
};

// 哈希表节点
struct HashNode {
 int id;
 struct HashNode *next;
};

核心函数签名：

阶段项目4：命令行学生数据库

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

这个项目练什么#

整合 ch20–ch29 的能力：

ch20–21：数组版数据库、动态数据库表。
ch22–23：链表版存储、稳定的 db_* 接口。
ch24：多文件编译、头文件、模块边界——这个项目拆成 6 个文件。
ch25：有序 id 索引，用二分查找定位记录。
ch26：持久化——把记录保存到文件，启动时加载并重建索引。
ch27：日志恢复——每次增删先写操作日志，启动时回放，防止崩溃丢数据。
ch28：命令协议——INSERT、SELECT、DELETE、LIST、RANGE。
ch29：状态机解析——支持带引号的参数，让 Alice Wang 作为一个整体传入。

此外加入了 argc/argv 命令行参数：既可以交互运行，也可以一行命令操作。

任务要求#

必须完成#

数据库核心（student_db.c）：带有序 id 索引的插入、二分查找、删除（维护索引）、列出、范围查询。
持久化（persistence.c）：启动时从 db.txt 加载，退出时保存。加载时对坏行打印行号并跳过。
日志恢复（recovery.c）：每次 INSERT/DELETE 写操作日志；启动时回放日志；成功后清空日志。
命令解析（command.c）：用状态机分词（支持 "Alice Wang" 引号参数），把 INSERT、SELECT、DELETE、LIST、RANGE、EXPORT 转成 db_* 调用。
主程序（main.c）：
- 交互模式：提示符 db> ，输入命令，exit 退出。
- 命令行模式：./db add 1 Alice 90、./db list、./db find 1、./db export out.csv。

可选增强#

EXPORT 输出 CSV 带表头 id,name,score。
记录重复 id 插入时打印友好提示（已有）。

文件结构#

student_db.h # 头文件：struct Student、struct DB、API 声明
student_db.c # 数据库核心：插入、删除（维护索引）、二分查找、列出、范围
persistence.c # 持久化：save_db / load_db
recovery.c # 日志恢复：write_log / replay_log
command.c # 命令解析：tokenize（状态机）/ run_command
main.c # 主程序：交互循环 + argc/argv 分发

编译命令：gcc -Wall -o db student_db.c persistence.c recovery.c command.c main.c

阶段项目5：相似记录查询工具

Mon, 01 Jan 0001 00:00:00 +0000

这个项目练什么#

整合 ch30–ch34 的能力：

ch30：把一条记录表示成 float vec[DIM]。
ch31：欧氏距离、点积、余弦相似度。
ch32：Top-K / KNN，保留距离最小的 K 个。
ch33：KMeans 按距离自动分组（可选）。
ch34：线性回归（可选）。

任务要求#

必须完成#

定义一个向量记录结构体，包含 id、name、float vec[DIM]（DIM 取 3）。
内置 8 条示例数据（向量值直接写进代码），启动时加载。
交互菜单：
- l 列出所有记录及其向量。
- q 输入 3 个浮点数作为查询向量，输出 Top-3 最相似记录（按欧氏距离升序）。
- x 退出。
Top-K 使用"扫一遍，保留 K 个最小距离"的方式，不对全库排序。

可选增强#

KMeans：输入分组数 K，迭代打印每轮中心点和分组结果，最多 10 轮。
线性回归：选两个维度，拟合 y = mx + b。

数据与接口约定#

#define DIM 3
#define NAME_LEN 32
#define MAX_K 3

struct VecRecord {
 int id;
 char name[NAME_LEN];
 float vec[DIM];
};

struct VecDB {
 struct VecRecord records[100];
 int count;
};

float euclidean_dist(const float a[DIM], const float b[DIM]);

void db_init(struct VecDB *db);
void db_list(struct VecDB *db);
void db_query(struct VecDB *db, const float query[DIM], int k);

测试输入（正常）#

内置数据（示意）：