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第 1 讲：程序设计基本概念

作者：

Wenbo

在

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一、人类的助手：计算机核心概念

1. 程序与指令

  • 指令：计算机可直接执行、不可再分割的命令，是计算机操作的最小单位。
  • 程序：一组计算机能够识别和执行的指令集合，用于完成特定任务。
  • 程序设计（编程）：将人类解决问题的思路转化为程序，进而转换为计算机可执行指令的过程。

二、与计算机对话：计算机语言体系

计算机语言按抽象程度分为三级，核心作用是实现“人类意图→计算机执行”的转换。

1. 机器语言（最低级）

  • 本质：二进制代码（0和1）组成的机器指令集合，是计算机唯一能直接理解和执行的语言。
  • 结构：每条指令包含“操作码”（指定操作类型，如存储、加法）和“操作数”（指定操作对象，如寄存器地址、数值）。
  • 示例：
    • 存储指令：1 001 10（将数据存入地址为10的寄存器）
    • 加法指令：2 002 10 00000010（将十进制2与寄存器10中的数相加并存储）
  • 缺点：可读性极差，难以记忆和编写，依赖具体硬件。

2. 汇编语言（低级）

  • 本质：用符号（如MOV、ADD）替代二进制指令的“符号语言”，仍依赖特定硬件架构。

  • 优势：相比机器语言更易理解，降低编程复杂度。

  • 示例：“1+2”的汇编实现

    指令序号 操作码 操作数1 操作数2 指令含义
    1 MOV A – 将十进制“1”存入寄存器A
    2 ADD A 2 十进制“2”与寄存器A中的数相加，结果存回A

  • 局限性：仍需了解硬件细节，未完全脱离机器依赖。

3. 高级语言（最高级）

  • 核心特点：独立于特定计算机系统，语法接近人类自然语言，可读性和通用性强。
  • 执行流程：需通过“编译器”将高级语言编写的源程序（如.c文件）转换为目标程序（如.obj文件），再经“链接程序”生成可执行程序（如.exe文件）。
  • 主流语言：根据IEEE Spectrum 2023排行榜，热门语言包括Python、C++、C、Java等。

4. 重点：C语言

  • 发展背景：20世纪70年代由美国贝尔实验室的D.M.Ritchie设计，用于开发UNIX系统。

  • 语言结构：类比人类语言的层级关系，形成清晰的语法体系

    类别 结构
    人类语言 字 → 词 → 句子 → 段落 → 文章
    C语言 标识符 → 表达式 → 语句 → 函数 → 程序

  • 基础示例：输出“I love China!”的C程序

    #include <stdio.h>  // 引入标准输入输出库
int main() {         // 主函数，程序入口（C程序必须有且仅有一个main函数）
    printf("I love China!");  // 输出语句
    return 0;        // 主函数返回值，标识程序正常结束
}

（1）C语言核心组成单元

  • 标识符：用于命名变量、函数等的符号，规则如下：

    • 由英文字母（A-Z、a-z）、数字（0-9）、下划线（_）组成；
    • 不能以数字开头；
    • 区分大小写（如Word3与word3是不同标识符）；
    • 不能与“关键字”重名。

  • 关键字：C语言预定义的特殊标识符，具有固定含义，不可自定义

    常用关键字 功能说明
    int、char、double 数据类型声明
    if、else、while、for 流程控制
    return、break、continue 程序跳转
    void、static、const 存储类型/修饰符

  • 表达式：用运算符连接运算对象的式子，用于计算或判断

    运算符类型 符号示例 功能说明
    算术运算符 +、-、*、/、%、++ 加减乘除、取余、自增
    关系运算符 >、<、==、!=、>=、<= 比较大小关系
    逻辑运算符 !（非）、&&（与）、
    赋值运算符 =、+=、-=、*= 变量赋值及扩展赋值
    其他 sizeof（求字节数）、(类型)（强制转换） 数据操作辅助

  • 语句：C语言的基本执行单位，一条语句对应一个或多个机器指令，如：

    • 赋值语句：sum = 1 + 2;
    • 输出语句：printf("Hello");
    • 分支语句：if (sunny == 1) fly_kite = 1; else stay_home = 1;

  • 函数：C程序的基本功能单位，实现代码模块化，示例：两数交换函数

    #include <stdio.h>
// 自定义函数swap：通过指针交换两个整数的值
void swap(int *a, int *b) {
    int temp = *a;  // 临时变量存储*a的值
    *a = *b;        // 将*b的值赋给*a
    *b = temp;      // 将临时变量的值赋给*b
}
int main() {
    int num1 = 2, num2 = 3;
    swap(&num1, &num2);  // 调用swap函数，传入变量地址
    printf("交换后的两个数: %d %d", num1, num2);  // 输出结果：3 2
    return 0;
}

三、从问题到程序：程序设计完整流程

程序设计需遵循标准化步骤，确保逻辑清晰、可维护性强。

1. 核心步骤

  1. 分析问题：明确问题需求（如“计算1到100的和”“找出三个数中的最大值”），确定输入、输出和处理逻辑。

  2. 设计算法：

    • 算法定义：解决问题的具体方法和步骤，需满足“有穷性”“确定性”“可行性”。
    • 表示方法：
      • 自然语言：如“计算1+2+…+100”的步骤：
        1. 令sum=0（累加结果）、augend=1（累加项）；
        2. sum = sum + augend；
        3. augend = augend + 1；
        4. 若augend ≤ 100，跳转至步骤2；否则执行步骤5；
        5. 输出sum的值。
      • 流程图：用图形符号表示算法，常用符号包括
        • 开始/结束框（椭圆形）、执行框（矩形）、选择框（菱形）、输入输出框（平行四边形）、流程线（箭头）。
    • 经典结构：顺序结构（按步骤执行）、选择结构（if-else，根据条件分支）、循环结构（while/for，重复执行）。

  3. 编写程序：

    • 按算法逻辑，用选定的高级语言（如C语言）编写源程序；
    • 注意语法规范（如语句结尾加;、括号配对）。

  4. 测试程序：

    • 编译：检查语法错误，生成目标程序；
    • 运行：测试功能正确性（如输入边界值、异常值），修复逻辑错误。

  5. 编写文档：记录程序关键信息，便于维护和使用，文档内容示例

    文档明细 具体内容 备注
    程序文件名称 FindTallestMan.c 源文件
    程序功能描述 找出三个数中最大的数及位置 –
    输入数据格式 小数,小数,小数 示例：1.9,1.8,1.7
    输出数据格式 身高最高的是第X人，他的身高是Y米 X、Y由程序计算输出

四、让计算机认识世界：数据表示方式

计算机仅能识别数字，需将各类信息（整数、小数、字符）转换为二进制形式存储。

1. 整数表示

  • 存储单位：字节（1字节=8位二进制），字节有唯一地址（内存地址）。

  • 表示方法：

    • 无符号整数：仅表示非负数，1字节范围为0~255（2⁸-1）。
    • 有符号整数：用最高位（符号位）表示正负（0为正，1为负），采用补码存储（解决“+0”与“-0”重复问题）：
      • 正整数：补码=原码（二进制本身）；
      • 负整数：补码=原码（除符号位外）按位取反 + 1。

  • C语言整数类型

    数据类型 字节数 是否有符号 取值范围
    unsigned short 2 无 0~65535（2¹⁶-1）
    signed short 2 有 -32768~32767（-2¹⁵~2¹⁵-1）
    unsigned int/long 4 无 0~4294967295（2³²-1）
    signed int/long 4 有 -2147483648~2147483647（-2³¹~2³¹-1）
    unsigned long long 8 无 0~18446744073709551615（2⁶⁴-1）
    signed long long 8 有 -9223372036854775808~9223372036854775807（-2⁶³~2⁶³-1）

2. 小数表示（浮点数）

  • 特点：位数不固定，采用“指数形式”存储（类似科学计数法），如十进制19.625=二进制10011.101=1.0011101×2⁴。

  • 存储结构（以4字节float为例）：1位符号位 + 8位指数位 + 23位尾数位。

  • C语言浮点类型

    数据类型 字节数 有效数位 数值范围（绝对值）
    float 4 6~7位 0 及 1.2×10⁻³⁸~3.4×10³⁸
    double 8 15~16位 0 及 2.3×10⁻³⁰⁸~1.7×10³⁰⁸
    long double 16 18~19位 0 及 3.4×10⁻⁴⁹³²~1.1×10⁴⁹³²

  • 注意：浮点数存在精度误差（如0.1无法用二进制精确表示），需避免直接用“==”比较。

3. 字符表示

  • 编码标准：

    • 英文字符/数字：采用ASCII码（1字节），如’A’=65（十进制）=1000001（二进制），‘a’=97，‘0’=48。
    • 中文字符：采用GB2312编码（2字节），解决ASCII码无法表示中文的问题。

  • C语言字符类型

    类型 字节数 取值范围 说明
    char（有符号） 1 -128~127 存储ASCII码或窄字符
    unsigned char（无符号） 1 0~255 存储扩展ASCII码

  • 表示方式：字符常量需用单引号包裹，如'A'（字符）与A（标识符）、"A"（字符串）区分。

五、思考题

  • 如何区分十进制数与八进制（以0开头，如012=10十进制）、十六进制数（以0x开头，如0xA=10十进制）？
  • 为什么字符需要用单引号引起来？（区分字符常量与标识符、字符串）