１.１計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

１.１.１

二進(jìn)制思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用二進(jìn)制來(lái)表示數(shù)值型信息。二進(jìn)制的每一位基值只有０和１，因易于電子器件實(shí)現(xiàn)而應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是０和１的世界，使用０和１表示數(shù)值，也表示邏輯(０為假，１為真)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。０和１，以及邏輯運(yùn)算代表的二進(jìn)制思維是計(jì)算思維的基礎(chǔ)。因此，人類世界中的信息只有表示為０和１的組合，才能進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。早期的程序員就使用二進(jìn)制來(lái)編寫程序讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行，

從而完成某種任務(wù)。

這種二進(jìn)制語(yǔ)言稱為機(jī)器語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言是機(jī)器指令的集合。機(jī)器指令就是計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別并執(zhí)行的指令。計(jì)算機(jī)的機(jī)器指令是一個(gè)二進(jìn)制編碼。下一頁(yè)返回１.１計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

例如，應(yīng)用８０８６ＣＰＵ完成計(jì)算ｓ＝７６８＋１２２８８－１２８０的三條機(jī)器指令如下:１０１１００００００００００００００００００１１０００００１０１００００００００００１１００００００１０１１０１０００００００００００００１０１假如將指令誤寫成以下形式，運(yùn)算將錯(cuò)誤。１０１１００００００００００００００００００１１０００００１０１０００００００００００１１０００００１０１１０１０００００００００００００１０１不難看出，用機(jī)器語(yǔ)言編寫程序是非常困難的。無(wú)論是記住這些二進(jìn)制編碼，還是找出其中的一些錯(cuò)誤，都非常麻煩。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

早期的程序員們很快就發(fā)現(xiàn)了使用機(jī)器語(yǔ)言帶來(lái)的麻煩，于是，匯編語(yǔ)言產(chǎn)生了。匯編語(yǔ)言是匯編指令的集合。匯編指令采用了類似人類所使用的自然語(yǔ)言的語(yǔ)法來(lái)表示這些指令，從而便于程序員閱讀和記憶。例如，將寄存器ＢＸ的內(nèi)容傳送到寄存器ＡＸ的機(jī)器指令是“１０００１００１１１０１１０００”，而對(duì)應(yīng)的匯編指令則為“ＭＯＶＡＸ，ＢＸ”。很明顯，后者更便于程序員閱讀和記憶。由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別機(jī)器指令，因此需要將采用匯編語(yǔ)言編寫的程序翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的指令序列，這一工作由專門程序來(lái)完成。匯編指令與機(jī)器指令基本上一一對(duì)應(yīng)，

它的執(zhí)行與機(jī)器語(yǔ)言一樣受硬件底層平臺(tái)的限制。更重要的是，用多條指令實(shí)現(xiàn)一個(gè)程序的編寫過(guò)于煩瑣。于是，

高級(jí)語(yǔ)言產(chǎn)生了！高級(jí)語(yǔ)言是對(duì)匯編語(yǔ)言的進(jìn)一步抽象，它更接近于人類使用的自然語(yǔ)言，

同時(shí)又不依賴于計(jì)算機(jī)硬件，編出的程序能在不同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

例如，求兩個(gè)數(shù)的最大值的Ｃ語(yǔ)言代碼如下所示:ｉｆ(ａ>ｂ)

ｍａｘ＝ａ；

ｅｌｓｅ

ｍａｘ＝ｂ；

可見(jiàn)，高級(jí)語(yǔ)言更接近于人類的自然語(yǔ)言描述。但由于計(jì)算機(jī)只能識(shí)別機(jī)器語(yǔ)言，因此用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序也需要經(jīng)過(guò)專門的編譯器程序翻譯成機(jī)器指令，才能在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。綜上所述，程序員發(fā)現(xiàn)使用更接近于自然語(yǔ)言的高級(jí)語(yǔ)言更容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)，只需運(yùn)用計(jì)算思維來(lái)解決問(wèn)題，

而無(wú)須考慮計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的要求與限制。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

１.１.２

計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)學(xué)科為代表的計(jì)算思維又稱構(gòu)造思維，其以設(shè)計(jì)和構(gòu)造為特征，最本質(zhì)的內(nèi)容是抽象與自動(dòng)化。抽象與自動(dòng)化反映了計(jì)算的根本問(wèn)題，即什么能被有效地自動(dòng)進(jìn)行。程序是讓計(jì)算機(jī)自動(dòng)執(zhí)行的指令序列，數(shù)據(jù)、指令和程序是計(jì)算思維最基本的內(nèi)容，程序設(shè)計(jì)與構(gòu)造是一種計(jì)算思維。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和計(jì)算思維相輔相成，語(yǔ)言是思維的體現(xiàn)，思維是語(yǔ)言的載體。對(duì)于程序設(shè)計(jì)課程來(lái)說(shuō)，學(xué)生應(yīng)掌握的編程能力是計(jì)算思維和技能化知識(shí)的綜合體，

實(shí)踐操作是對(duì)計(jì)算思維能力結(jié)果的一種驗(yàn)證。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

１.１.

３

計(jì)算思維在Ｃ語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用Ｃ語(yǔ)言是一種面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，是目前世界上普遍流行、使用非常廣泛的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之一，由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的ＤｅｎｎｉｓＭＲｉｔｃｈｉｅ設(shè)計(jì)。當(dāng)前最新的Ｃ語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)為Ｃ１１，在它之前的Ｃ語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)為Ｃ９９。鑒于Ｃ語(yǔ)言對(duì)底層硬件操作方面的優(yōu)勢(shì)，Ｃ語(yǔ)言廣泛應(yīng)用于操作系統(tǒng)(如Ｗｉｎｄｏｗｓ、Ｌｉｎｕｘ、ＵＮＩＸ等操作系統(tǒng))、工業(yè)控制等軟件的開發(fā)。另外，Ｃ語(yǔ)言具有繪圖能力強(qiáng)、可移植性好的特點(diǎn)，并具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，因此也適用于二維、三維圖形動(dòng)畫軟件的開發(fā)。計(jì)算思維是模型與算法相結(jié)合的思維過(guò)程，是抽象與自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。在Ｃ語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)中，先把待解決的問(wèn)題抽象成與其相應(yīng)的模型，然后確定算法，編寫程序求解問(wèn)題，最后由機(jī)器自動(dòng)執(zhí)行。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.１計(jì)算思維與程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言

一個(gè)Ｃ語(yǔ)言程序的設(shè)計(jì)與構(gòu)造，首先將簡(jiǎn)單的語(yǔ)句組合成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句，進(jìn)而抽象為函數(shù)，最后將多個(gè)函數(shù)組合為復(fù)雜的程序。函數(shù)機(jī)制有利于實(shí)現(xiàn)窮舉法、遞推法、遞歸法、回溯法、

迭代法、

分治法、

貪心法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等典型算法，同時(shí)使程序更簡(jiǎn)短而清晰，有利于維護(hù)，并提高代碼的重用性，

從而提高程序開發(fā)的效率。上一頁(yè)返回１.２Ｃ程序的基本結(jié)構(gòu)

先來(lái)看一個(gè)最小的Ｃ程序———ｈｅｌｌｏｃ，

以此來(lái)了解Ｃ程序的基本結(jié)構(gòu)。

該程序能在屏幕上輸出以下內(nèi)容:可以看出，一個(gè)Ｃ程序由注釋、預(yù)處理命令和主程序組成，主程序由一組函數(shù)組成。每個(gè)程序至少有一個(gè)函數(shù)，即主函數(shù)ｍａｉｎ。下一頁(yè)返回１.２Ｃ程序的基本結(jié)構(gòu)

１.２.１

注釋在ｈｅｌｌｏｃ代碼清單的第一部分，

包含在“/?”

和“?/”之間的內(nèi)容屬于注釋。

注釋既可以單獨(dú)占一行，也可以和程序中的其他代碼在同一行。注釋可以占多行，稱為塊注釋。

在現(xiàn)在的編譯系統(tǒng)中，注釋也可以從“//”開始到本行結(jié)束，稱為行注釋。注釋是程序員用自然語(yǔ)言向其他程序員傳遞該程序的有關(guān)信息，不是真正執(zhí)行的語(yǔ)句，不影響程序的執(zhí)行。注釋一般分為序言性注釋和功能性注釋:(１)序言性注釋通常在程序的開始，

用于說(shuō)明程序的名稱、

功能、

設(shè)計(jì)思想、

版本、設(shè)計(jì)者等信息。(２)功能性注釋通常在程序代碼內(nèi)部，

用于說(shuō)明關(guān)鍵數(shù)據(jù)、

語(yǔ)句、

控制結(jié)構(gòu)的含義和作用。注釋能夠提高程序的可讀性，便于程序的維護(hù)，為程序適當(dāng)增加一些注釋是一種良好的程序設(shè)計(jì)習(xí)慣。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.２Ｃ程序的基本結(jié)構(gòu)

１.２.２

預(yù)處理ｈｅｌｌｏｃ代碼清單的第二部分是預(yù)處理命令。Ｃ語(yǔ)言的編譯分為預(yù)處理和編譯，先執(zhí)行預(yù)處理，再執(zhí)行編譯。預(yù)處理命令均以“?！狈?hào)開始，且每條預(yù)處理命令獨(dú)占一行。常用的預(yù)處理命令是庫(kù)包含。

“＃ｉｎｃｌｕｄｅ<ｓｔｄｉｏｈ>”

用于告訴編譯器，

本程序要將一個(gè)“ｓｔｄｉｏｈ”文件的內(nèi)容包含。“ｓｔｄｉｏｈ”(ｓｔｄｉｏ即ｓｔａｎｄａｒｄｉｎｐｕｔｏｕｔｐｕｔ的縮寫)是Ｃ語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出函數(shù)庫(kù)中定義的一個(gè)頭文件，包含了標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)中定義的輸入/輸出函數(shù)的說(shuō)明信息。函數(shù)ｐｒｉｎｔｆ是標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫(kù)ｓｔｄｉｏ的輸出函數(shù)，要想使用函數(shù)ｐｒｉｎｔｆ，就必須在預(yù)編譯階段包含此庫(kù)函數(shù)的頭文件ｓｔｄｉｏｈ。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.２Ｃ程序的基本結(jié)構(gòu)

１.２.３

主程序程序ｈｅｌｌｏｃ的最后一部分是主程序，是算法的描述。Ｃ語(yǔ)言程序是由一個(gè)主函數(shù)ｍａｉｎ和若干子函數(shù)組成的。函數(shù)可以分為兩部分———函數(shù)首部和函數(shù)體。

函數(shù)的概念來(lái)自數(shù)學(xué)。

表１－１所示為Ｃ語(yǔ)言函數(shù)與數(shù)學(xué)函數(shù)的對(duì)比。在數(shù)學(xué)函數(shù)ｆ(ｘ)＝ｘ２＋ｘ＋１中，ｆ稱為函數(shù)名，ｘ稱為函數(shù)的自變量，ｆ(ｘ)的定義給出了通過(guò)自變量計(jì)算函數(shù)值的方法。Ｃ語(yǔ)言函數(shù)定義與數(shù)學(xué)函數(shù)類似，

函數(shù)首部ｉｎｔｍａｉｎ()等同于數(shù)學(xué)函數(shù)中等號(hào)的左邊部分，

函數(shù)體等同于數(shù)學(xué)函數(shù)中等號(hào)的右邊部分。函數(shù)首部(函數(shù)頭)中的ｉｎｔ表示函數(shù)的執(zhí)行結(jié)果是一個(gè)整數(shù)，ｍａｉｎ是函數(shù)名，()中是函數(shù)的參數(shù)，相當(dāng)于數(shù)學(xué)函數(shù)中的自變量。在本例中，函數(shù)沒(méi)有參數(shù)，()中的內(nèi)容為空。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.２Ｃ程序的基本結(jié)構(gòu)

ｍａｉｎ函數(shù)是Ｃ語(yǔ)言程序中的一個(gè)特殊函數(shù)，每個(gè)程序有且僅有ｍａｉｎ函數(shù)，它代表程序運(yùn)行時(shí)的入口。程序運(yùn)行時(shí)，首先找到ｍａｉｎ函數(shù)，然后依次執(zhí)行ｍａｉｎ函數(shù)中包含的每條語(yǔ)句，直到ｍａｉｎ函數(shù)結(jié)束。除了ｍａｉｎ函數(shù)外，程序中使用的函數(shù)可以分為兩類:一類是我們?yōu)榱藢?shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能而自己編寫的函數(shù)，通常稱為“自定義函數(shù)”；另一類是由編譯器提供的函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)，通常稱為“庫(kù)函數(shù)”。上述程序中所使用的ｐｒｉｎｔｆ函數(shù)就是一個(gè)庫(kù)函數(shù)。函數(shù)體是實(shí)現(xiàn)如何從自變量得到函數(shù)值的過(guò)程，即算法的描述。Ｃ語(yǔ)言函數(shù)的定義部分被放在一對(duì)大括號(hào)中，可以包含一系列語(yǔ)句，這些語(yǔ)句給出了函數(shù)執(zhí)行的操作。在Ｃ語(yǔ)言程序中，分號(hào)是語(yǔ)句結(jié)束的唯一標(biāo)志；一條語(yǔ)句既可以獨(dú)占一行，也可以占用多行；多條語(yǔ)句可以放在同一行。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.２Ｃ程序的基本結(jié)構(gòu)

程序ｈｅｌｌｏｃ包含以下兩條語(yǔ)句:(１)ｐｒｉｎｔｆ("Ｈｅｌｌｏ，Ｗｏｒｌｄ!＼

ｎ")；函數(shù)ｐｒｉｎｔｆ用于格式化輸出到屏幕，在頭文件ｓｔｄｉｏｈ中聲明。(２)ｒｅｔｕｒｎ０；ｒｅｔｕｒｎ語(yǔ)句用于表示退出程序，０是函數(shù)的值。上述程序中的ｉｎｔ、ｉｎｃｌｕｄｅ、ｖｏｉｄ、ｒｅｔｕｒｎ是Ｃ語(yǔ)言的保留字，保留字又稱為關(guān)鍵字。每種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言都規(guī)定了自己的一套保留字。保留字是具有特殊含義和功能的詞匯，不能被用作其他用途。Ｃ語(yǔ)言有３０多個(gè)保留字，全部使用小寫形式。后續(xù)章節(jié)將逐步介紹Ｃ語(yǔ)言的其他保留字。上一頁(yè)返回１.３Ｃ程序的編譯

使用任何文本編輯器都可以創(chuàng)建一個(gè)擴(kuò)展名為ｃ的Ｃ程序文件，但要把Ｃ程序文件轉(zhuǎn)換為機(jī)器可以執(zhí)行的程序，則需要以下３個(gè)步驟:(１)預(yù)處理。

程序首先被送給預(yù)處理器。

預(yù)處理器執(zhí)行以＃開頭的命令，

其功能類似編輯器，它既可以向程序添加內(nèi)容，也可以對(duì)程序進(jìn)行修改。(２)編譯。

修改后的程序可以進(jìn)入編譯器。

編譯器將程序翻譯成機(jī)器指令(即目標(biāo)代碼)。(３)連接。

連接器把編譯器產(chǎn)生的目標(biāo)代碼和所需的其他附加代碼整合，

產(chǎn)生完全可執(zhí)行的程序。這些附加代碼包括程序中用到的庫(kù)函數(shù)。上述工作煩瑣而復(fù)雜，幸運(yùn)的是，這些工作由現(xiàn)有的系統(tǒng)程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，無(wú)須用戶完成，這類系統(tǒng)程序一般稱為編譯器。現(xiàn)有的Ｃ語(yǔ)言編譯器多種多樣，接下來(lái)將簡(jiǎn)單介紹常用的幾種。下一頁(yè)返回１.３Ｃ程序的編譯

１.３.１

ＵＮＩＸ操作系統(tǒng)的ＣＣ編譯器在ＵＮＩＸ操作系統(tǒng)中，用于編譯和連接的程序稱為ＣＣ編譯器。為了編譯和連接程序ｈｅｌｌｏｃ，需要在終端或命令行窗口中輸入下述命令:％ｃｃｈｅｌｌｏｃ說(shuō)明:字符％為ＵＮＩＸ操作系統(tǒng)的提示符，無(wú)須輸入。在使用ＣＣ編譯器時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行連接操作。在編譯和連接程序后，ＣＣ編譯器會(huì)把可執(zhí)行程序放到默認(rèn)名為ａｏｕｔ的文件中。在ＵＮＩＸ系統(tǒng)中，

執(zhí)行如下命令可以把程序ｈｅｌｌｏｃ生成的執(zhí)行文件命名為ｈｅｌｌｏ:％ｃｃ－ｏｈｅｌｌｏｈｅｌｌｏｃ其中，－ｏ選項(xiàng)允許為可執(zhí)行程序的文件選擇名字。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.３Ｃ程序的編譯

１.３.２

Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)的ＧＣＣ編譯器在Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)中，

ＧＣＣ(ＧＮＵＣｏｍｐｉｌｅｒＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ)編譯器是最流行的Ｃ程序編譯器之一，這種編譯器的使用與ＵＮＩＸ操作系統(tǒng)中的ＣＣ編譯器相似。例如，在Ｌｉｎｕｘ操作系統(tǒng)中，

執(zhí)行如下命令可以把程序ｈｅｌｌｏｃ生成的執(zhí)行文件命名為ｈｅｌｌｏ:％ｇｃｃ－ｏｈｅｌｌｏｈｅｌｌｏｃ現(xiàn)在的ＧＣＣ編譯器能夠編譯Ａｄａ、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｊａｖａ和Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ－Ｃ等多種語(yǔ)言。ＧＣＣ編譯器不僅是開源的、免費(fèi)的，還能為多種不同的ＣＰＵ生成代碼，所以ＧＣＣ編譯器廣泛應(yīng)用于商業(yè)軟件開發(fā)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.３Ｃ程序的編譯

１.３.３

Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)的集成開發(fā)環(huán)境在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)中，

常用的編譯系統(tǒng)為集成開發(fā)環(huán)境(ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＩＤＥ)，即一個(gè)軟件包，集編輯、編譯、連接、執(zhí)行、調(diào)試于一體。在該環(huán)境中，既可以編輯ｃ文件，也可以編譯ｃ文件為可執(zhí)行文件。當(dāng)編譯器發(fā)現(xiàn)程序有錯(cuò)時(shí)，它會(huì)在編輯器中把包含出錯(cuò)代碼的行突出顯示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回１.３Ｃ程序的編譯

Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)的常用集成開發(fā)環(huán)境有:１

ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６０ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６０(簡(jiǎn)稱ＶｉｓｕａｌＣ＋＋、ＭＳＶＣ、ＶＣ＋＋或ＶＣ)是Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司推出的以Ｃ＋＋語(yǔ)言為基礎(chǔ)的Ｗｉｎｄｏｗｓ開發(fā)環(huán)境程序，是面向?qū)ο蟮目梢暬删幾g系統(tǒng)。Ｃ＋＋語(yǔ)言全面兼容了Ｃ語(yǔ)言，此環(huán)境包含了Ｃ語(yǔ)言的編譯環(huán)境。由于ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６