引言

在计算机科学教育中，C语言课程设计是培养学生编程能力的重要环节。成绩查询系统作为一个经典的项目，不仅能够帮助学生练习C语言的核心语法，还能让他们接触到文件操作、数据结构和用户交互等实际应用。本教程将从零开始，详细指导你开发一个功能完整的C语言成绩查询系统，包括需求分析、设计思路、代码实现、测试优化以及常见问题解决方案。我们将使用标准C语言（C99或更高版本）进行开发，确保代码在主流编译器（如GCC、Clang或Visual Studio）上可运行。

教程假设你已具备基本的C语言知识（如变量、循环、函数），但会逐步解释高级概念。整个系统将实现以下核心功能：

  • 添加成绩：用户输入学生信息和成绩，保存到文件。
  • 查询成绩：按学号或姓名查询单个学生成绩。
  • 显示所有成绩：列出所有学生成绩。
  • 修改成绩：更新指定学生的成绩。
  • 删除成绩：移除指定学生的记录。
  • 数据持久化：使用文件存储数据，确保程序关闭后数据不丢失。

我们将使用结构体（struct）来表示学生记录，链表（linked list）来管理内存中的数据，以及文本文件来持久化存储。这有助于练习数据结构和文件I/O操作。

需求分析与系统设计

需求分析

在开发前，我们需要明确系统需求：

  • 用户角色：管理员（或教师），通过命令行界面（CLI）操作。
  • 数据模型：每个学生记录包括学号（ID）、姓名（Name）和成绩（Score）。成绩可以是整数或浮点数，这里我们用整数简化。
  • 功能需求：
    1. 添加：输入新记录，避免重复学号。
    2. 查询：支持精确匹配（学号或姓名）。
    3. 显示：按学号排序输出所有记录。
    4. 修改：查找并更新成绩。
    5. 删除：移除记录。
    6. 退出：保存数据并退出。
  • 非功能需求：程序应健壮，处理无效输入（如非数字成绩）；数据存储在文件grades.txt中；界面友好，使用菜单驱动。

系统设计

  • 数据结构：使用单向链表存储记录，便于动态添加/删除。每个节点包含一个学生结构体和指向下一个节点的指针。
  • 文件格式：文本文件，每行一个记录：ID,Name,Score（例如：2023001,Alice,85）。
  • 模块划分：
    • main()：主循环，显示菜单。
    • add_record()：添加记录。
    • query_record()：查询。
    • display_all()：显示所有。
    • modify_record()：修改。
    • delete_record()：删除。
    • load_from_file()：从文件加载数据到链表。
    • save_to_file()：从链表保存数据到文件。
    • free_list()：释放链表内存。
  • 错误处理：使用scanf检查输入有效性，文件操作检查返回值。

这个设计确保系统模块化，便于扩展和调试。

开发环境准备

安装编译器

  • Windows：下载并安装MinGW（GCC）或使用Visual Studio Community。
  • Linux/macOS：使用内置GCC（gcc --version检查）。
  • 在线编译：可使用Replit或OnlineGDB测试代码。

项目结构

创建一个文件夹grade_system，包含：

  • main.c：主程序文件。
  • grades.txt：数据文件（程序首次运行时自动创建）。

编译与运行

在命令行：

gcc main.c -o grade_system
./grade_system  # Linux/macOS
grade_system.exe  # Windows

核心代码实现

下面是完整的C语言代码实现。代码使用链表管理数据，确保高效添加/删除。每个函数都有详细注释。复制到main.c中编译运行。

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

#define FILENAME "grades.txt"
#define MAX_NAME 50
#define MAX_ID 20

// 学生结构体
typedef struct Student {
    char id[MAX_ID];
    char name[MAX_NAME];
    int score;
} Student;

// 链表节点
typedef struct Node {
    Student data;
    struct Node* next;
} Node;

// 全局链表头指针
Node* head = NULL;

// 函数声明
void add_record();
void query_record();
void display_all();
void modify_record();
void delete_record();
void load_from_file();
void save_to_file();
void free_list();
int menu();
int is_duplicate_id(const char* id);
Node* find_by_id(const char* id);
Node* find_by_name(const char* name);
void print_record(Node* node);

int main() {
    load_from_file();  // 程序启动时加载数据
    int choice;
    do {
        choice = menu();
        switch (choice) {
            case 1: add_record(); break;
            case 2: query_record(); break;
            case 3: display_all(); break;
            case 4: modify_record(); break;
            case 5: delete_record(); break;
            case 6: save_to_file(); printf("数据已保存，再见！\n"); break;
            default: printf("无效选项，请重试。\n");
        }
    } while (choice != 6);
    free_list();  // 释放内存
    return 0;
}

// 菜单函数
int menu() {
    printf("\n=== 成绩查询系统 ===\n");
    printf("1. 添加成绩记录\n");
    printf("2. 查询成绩\n");
    printf("3. 显示所有成绩\n");
    printf("4. 修改成绩\n");
    printf("5. 删除成绩\n");
    printf("6. 退出并保存\n");
    printf("请选择 (1-6): ");
    int choice;
    if (scanf("%d", &choice) != 1) {
        while (getchar() != '\n');  // 清空输入缓冲区
        return -1;
    }
    return choice;
}

// 检查学号是否重复
int is_duplicate_id(const char* id) {
    Node* current = head;
    while (current != NULL) {
        if (strcmp(current->data.id, id) == 0) {
            return 1;
        }
        current = current->next;
    }
    return 0;
}

// 按学号查找节点
Node* find_by_id(const char* id) {
    Node* current = head;
    while (current != NULL) {
        if (strcmp(current->data.id, id) == 0) {
            return current;
        }
        current = current->next;
    }
    return NULL;
}

// 按姓名查找节点（支持部分匹配）
Node* find_by_name(const char* name) {
    Node* current = head;
    while (current != NULL) {
        if (strstr(current->data.name, name) != NULL) {  // 使用strstr进行子串匹配
            return current;
        }
        current = current->next;
    }
    return NULL;
}

// 打印单个记录
void print_record(Node* node) {
    if (node) {
        printf("学号: %s, 姓名: %s, 成绩: %d\n", node->data.id, node->data.name, node->data.score);
    } else {
        printf("未找到记录。\n");
    }
}

// 添加记录
void add_record() {
    Student s;
    printf("请输入学号: ");
    scanf("%s", s.id);
    if (is_duplicate_id(s.id)) {
        printf("错误：学号已存在。\n");
        return;
    }
    printf("请输入姓名: ");
    scanf("%s", s.name);
    printf("请输入成绩 (0-100): ");
    if (scanf("%d", &s.score) != 1 || s.score < 0 || s.score > 100) {
        printf("错误：成绩无效，请输入0-100的整数。\n");
        while (getchar() != '\n');
        return;
    }
    
    // 创建新节点
    Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    if (!new_node) {
        printf("内存分配失败。\n");
        return;
    }
    new_node->data = s;
    new_node->next = head;
    head = new_node;
    
    printf("记录添加成功！\n");
    save_to_file();  // 实时保存
}

// 查询记录
void query_record() {
    printf("按学号查询 (1) 还是按姓名查询 (2)? ");
    int type;
    scanf("%d", &type);
    if (type == 1) {
        char id[MAX_ID];
        printf("请输入学号: ");
        scanf("%s", id);
        Node* result = find_by_id(id);
        print_record(result);
    } else if (type == 2) {
        char name[MAX_NAME];
        printf("请输入姓名: ");
        scanf("%s", name);
        Node* result = find_by_name(name);
        if (result) {
            print_record(result);
        } else {
            printf("未找到匹配记录。\n");
        }
    } else {
        printf("无效选择。\n");
    }
}

// 显示所有记录（简单冒泡排序按学号）
void display_all() {
    if (!head) {
        printf("无记录。\n");
        return;
    }
    
    // 复制链表到数组以便排序（简化版，实际可用归并排序优化）
    Node* temp = head;
    int count = 0;
    while (temp) { count++; temp = temp->next; }
    
    Node** arr = (Node**)malloc(count * sizeof(Node*));
    if (!arr) { printf("内存错误。\n"); return; }
    
    temp = head;
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        arr[i] = temp;
        temp = temp->next;
    }
    
    // 冒泡排序按学号（字符串比较）
    for (int i = 0; i < count - 1; i++) {
        for (int j = 0; j < count - i - 1; j++) {
            if (strcmp(arr[j]->data.id, arr[j+1]->data.id) > 0) {
                Node* swap = arr[j];
                arr[j] = arr[j+1];
                arr[j+1] = swap;
            }
        }
    }
    
    printf("\n所有成绩记录 (按学号排序):\n");
    for (int i = 0; i < count; i++) {
        print_record(arr[i]);
    }
    free(arr);
}

// 修改记录
void modify_record() {
    char id[MAX_ID];
    printf("请输入要修改的学号: ");
    scanf("%s", id);
    Node* node = find_by_id(id);
    if (!node) {
        printf("未找到该学号。\n");
        return;
    }
    printf("当前记录: ");
    print_record(node);
    printf("请输入新成绩 (0-100): ");
    int new_score;
    if (scanf("%d", &new_score) != 1 || new_score < 0 || new_score > 100) {
        printf("错误：成绩无效。\n");
        while (getchar() != '\n');
        return;
    }
    node->data.score = new_score;
    printf("修改成功！\n");
    save_to_file();
}

// 删除记录
void delete_record() {
    char id[MAX_ID];
    printf("请输入要删除的学号: ");
    scanf("%s", id);
    
    Node* current = head;
    Node* prev = NULL;
    
    while (current != NULL) {
        if (strcmp(current->data.id, id) == 0) {
            if (prev == NULL) {
                head = current->next;
            } else {
                prev->next = current->next;
            }
            free(current);
            printf("删除成功！\n");
            save_to_file();
            return;
        }
        prev = current;
        current = current->next;
    }
    printf("未找到该学号。\n");
}

// 从文件加载数据
void load_from_file() {
    FILE* fp = fopen(FILENAME, "r");
    if (!fp) {
        printf("文件不存在，将创建新文件。\n");
        return;
    }
    
    char line[100];
    while (fgets(line, sizeof(line), fp)) {
        char id[MAX_ID], name[MAX_NAME];
        int score;
        if (sscanf(line, "%[^,],%[^,],%d", id, name, &score) == 3) {
            Node* new_node = (Node*)malloc(sizeof(Node));
            if (!new_node) break;
            strcpy(new_node->data.id, id);
            strcpy(new_node->data.name, name);
            new_node->data.score = score;
            new_node->next = head;
            head = new_node;
        }
    }
    fclose(fp);
    printf("已加载 %d 条记录。\n", count_records());
}

// 保存到文件
void save_to_file() {
    FILE* fp = fopen(FILENAME, "w");
    if (!fp) {
        printf("无法打开文件保存。\n");
        return;
    }
    Node* current = head;
    while (current != NULL) {
        fprintf(fp, "%s,%s,%d\n", current->data.id, current->data.name, current->data.score);
        current = current->next;
    }
    fclose(fp);
}

// 释放链表内存
void free_list() {
    Node* current = head;
    while (current != NULL) {
        Node* next = current->next;
        free(current);
        current = next;
    }
    head = NULL;
}

// 辅助函数：统计记录数
int count_records() {
    int count = 0;
    Node* current = head;
    while (current != NULL) {
        count++;
        current = current->next;
    }
    return count;
}

代码详细说明

  1. 结构体定义：Student存储基本信息，Node是链表节点，包含next指针。
  2. 菜单系统：menu()使用scanf读取选项，处理无效输入（如字母）时清空缓冲区。
  3. 添加记录：检查学号唯一性，使用malloc动态分配内存。成绩输入验证范围（0-100）。
  4. 查询：支持学号精确匹配和姓名子串匹配（strstr函数）。
  5. 显示所有：为简化，将链表复制到数组进行冒泡排序（按学号字符串）。对于大列表，可优化为归并排序。
  6. 修改/删除：遍历链表查找，删除时处理头节点特殊情况。
  7. 文件I/O：load_from_file使用sscanf解析CSV格式；save_to_file写入。文件格式简单，便于手动编辑测试。
  8. 内存管理：free_list防止内存泄漏，程序退出时调用。
  9. 错误处理：所有输入函数检查返回值，避免崩溃。

运行示例：

  • 首次运行：提示创建文件。
  • 添加：输入2023001,Alice,85，自动保存。
  • 查询：输入学号2023001，输出记录。
  • 显示：排序输出所有。

测试与优化

测试步骤

  1. 单元测试：
    • 添加无效输入：如成绩abc，应提示错误。
    • 添加重复学号：应拒绝。
    • 查询不存在记录：应输出“未找到”。
  2. 集成测试：
    • 添加5条记录，退出程序，重新运行检查是否加载。
    • 删除一条，显示所有确认移除。
  3. 边界测试：
    • 空文件：显示“无记录”。
    • 大记录（100条）：检查排序性能（冒泡O(n^2)，若慢可换快速排序）。

优化建议

  • 排序优化：当前使用冒泡排序，对于n>1000，使用qsort函数（标准库）。 示例： 
    
#include <stdlib.h>
int compare(const void* a, const void* b) {
  return strcmp((*(Node**)a)->data.id, (*(Node**)b)->data.id);
}
// 在display_all中：
qsort(arr, count, sizeof(Node*), compare);
  • 输入安全：使用fgets代替scanf读取字符串，避免缓冲区溢出。 示例： 
    
char input[100];
fgets(input, sizeof(input), stdin);
input[strcspn(input, "\n")] = 0;  // 去除换行
  • 扩展：添加成绩统计（如平均分、最高分），或GUI（使用GTK，但C语言CLI更简单）。
  • 性能：文件操作频繁时，使用二进制文件（fwrite/fread）加速。

常见问题解决方案

1. 编译错误：未定义的引用或语法错误

原因：缺少头文件或拼写错误。 解决方案：确保包含<stdio.h>, <stdlib.h>, <string.h>。检查scanf格式字符串（如%s不加宽度限制易溢出）。在VS中，使用/Wall启用警告。

2. 运行时崩溃：段错误 (Segmentation Fault)

原因：空指针访问或内存泄漏。 解决方案：

  • 检查malloc返回值：如代码中if (!new_node) return;。
  • 遍历链表时确保current != NULL。
  • 使用Valgrind（Linux）检测内存问题：valgrind ./grade_system。
  • 示例调试：在add_record后添加printf("Node added: %s\n", new_node->data.id);打印确认。

3. 文件读取失败：数据未加载或乱码

原因：文件路径错误或格式不匹配。 解决方案：

  • 确保grades.txt在同一目录。使用绝对路径如C:\\grades.txt（Windows）。
  • 格式严格为ID,Name,Score，无多余空格。手动编辑文件测试。
  • 如果中文姓名乱码，确保文件保存为UTF-8或ANSI（Windows）。
  • 示例修复：在load_from_file中添加printf("读取行: %s", line);调试。

4. 输入缓冲区问题：菜单循环或输入跳过

原因：scanf留下换行符。 解决方案：如代码中while (getchar() != '\n');清空缓冲区。或改用fgets + sscanf。

  • 示例： 
    
char buf[100];
fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
sscanf(buf, "%d", &choice);

5. 链表排序慢或内存不足

原因：冒泡排序效率低，或记录过多。 解决方案：如上优化为qsort。对于内存，使用动态数组代替链表（但链表更适合增删）。如果记录>10000，考虑数据库如SQLite（但超出C语言范围）。

6. 跨平台问题：Windows vs Linux

原因：路径分隔符或编译器差异。 解决方案：使用相对路径./grades.txt。在Windows用\\或/。编译时指定标准：gcc -std=c99 main.c。

7. 扩展问题：如何添加登录功能？

解决方案：添加简单密码检查（硬编码或文件存储）。在main开头：

char pass[20];
printf("输入密码: ");
scanf("%s", pass);
if (strcmp(pass, "admin123") != 0) {
    printf("密码错误。\n");
    return 1;
}

注意：实际项目中用加密存储。

结语

通过本教程，你已掌握C语言成绩查询系统的完整开发流程，从设计到实现再到调试。这个项目不仅巩固了链表、文件和输入处理，还培养了问题解决能力。建议在实际运行中逐步测试，并尝试添加新功能如成绩排序或导出CSV。如果遇到特定错误，可参考C标准库文档或在线论坛（如Stack Overflow）。继续练习，你将能开发更复杂的系统！如果有疑问，欢迎提供更多细节讨论。