004 程序设计基本方法
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一、概要
- 计算机与程序设计
- 编译和解释
- 程序的基本编写方法
- 计算机编程
二、计算机与程序设计
2.1 计算机
计算机是根据指令操作数据的设备
- 功能性：对数据的操作，表现为数据计算、输出输出处理和结果存储等
- 可编程性：根据一系列指令自动地、可预测地、准确地完成操作者的意图
2.2 计算机的发展
计算机的发展参照摩尔定律，表现为指数方式
- 计算机硬件所依赖的集成电路规模参照摩尔定律发展
- 计算机运行速度因此也接近几何级数快速增长
- 计算机高效支撑的各类运算功能不断丰富发展
2.3 摩尔定律 Moore’s Law
计算机发展历史上最重要的预测法则
- Intel公司创始人之一戈登·摩尔在1965年提出
- 单位面积集成电路上可容纳晶体管的数量约每两年翻一番
- CPU/GPU、内存、硬盘、电子产品价格等都遵循摩尔定律
现实世界中的摩尔定律：
2.4 计算机发展
计算机的发展参照摩尔定律，表现为指数方式
- 当今世界，唯一长达50年有效且按照指数发展的技术领域
- 计算机深刻改变人类社会，甚至可能改变人类本身
- 可预见的未来30年，摩尔定律还将持续有效
2.5 程序设计
程序设计是计算机可编程性的体现
- 程序设计，亦称编程，深度应用计算机的主要手段
- 程序设计已经成为当今社会需求量最大的职业技能之一
- 很多岗位都将被计算机程序接管，程序设计将是生存技能
2.6 程序设计语言
程序设计语言是一种用于交互(交流)的人造语言
- 程序设计语言，亦称编程语言，程序设计的具体实现方式
- 编程语言相比自然语言更简单、更严谨、更精确
- 编程语言主要用于人类和计算机之间的交互
编程语言种类很多，但生命力强劲的却不多
- 编程语言有超过600种，绝大部分都不再被使用
- C语言诞生于1972年，它是第一个被广泛使用的编程语言
- Python语言诞生于1990年，它是最流行最好用的编程语言
三、编译和解释
3.1 编程语言的执行方式
计算机执行源程序的两种方式：编译和解释
- 源代码：采用某种编程语言编写的计算机程序，人类可读，例如：
result = 2 + 3 - 目标代码：计算机可直接执行，人类不可读 (专家除外)，例如：
11010010 00111011
3.2 编译
将源代码一次性转换成目标代码的过程：
执行编译过程的程序叫作编译器
3.3 解释
将源代码逐条转换成目标代码同时逐条运行的过程：
执行解释过程的程序叫作解释器
3.4 编译和解释
- 编译：一次性翻译，之后不再需要源代码（类似英文翻译）
- 解释：每次程序运行时随翻译随执行（类似实时的同声传译）
3.5 静态语言和动态语言
根据执行方式不同，编程语言分为两类
- 静态语言
使用编译执行的编程语言，如C/C++语言、Java语言
编译器一次性生成目标代码，优化更充分，程序运行速度更快
- 脚本语言
使用解释执行的编程语言，Python语言、JavaScript语言、PHP语言
执行程序时需要源代码，维护更灵活，源代码在维护灵活、跨多个操作系统平台
四、程序的基本编写方法
4.1 IPO
程序的基本编写方法
- I：Input 输入，程序的输入
- P：Process 处理，程序的主要逻辑
- O：Output 输出，程序的输出
4.2 理解IPO
- 输入
程序的输入：文件输入、网络输入、控制台输入、交互界面输入、内部参数输入等
输入是一个程序的开始
- 输出
程序的输出：控制台输出、图形输出、文件输出、网络输出、操作系统内部变量输出等
输出是程序展示运算结果的方式
- 处理
处理是程序对输入数据进行计算产生输出结果的过程
处理方法统称为算法，它是程序最重要的部分
算法是一个程序的灵魂
4.3 问题的计算部分
一个待解决问题中，可以用程序辅助完成的部分
- 计算机只能解决计算问题，即问题的计算部分
- 一个问题可能有多种角度理解，产生不同的计算部分
- 问题的计算部分一般都有输入、处理和输出过程
4.4 编程解决问题的步骤
6个步骤 (1-3)
- 分析问题：分析问题的计算部分，想清楚
- 划分边界：划分问题的功能边界，规划IPO
- 设计算法：设计问题的求解算法，关注算法
使用计算机解决问题
- 编写程序：编写问题的计算程序，编程序
- 调试测试：调试程序使正确运行，运行调试
- 升级维护：适应问题的升级维护，更新完善
4.5 求解计算问题的精简步骤
3个精简步骤
- 确定IPO：明确计算部分及功能边界
- 编写程序：将计算求解的设计变成现实
- 调试程序：确保程序按照正确逻辑能够正确运行
五、计算机编程
5.1 编程能够训练思维
- 编程体现了一种抽象交互关系、自动化执行的思维模式
- 计算思维：区别逻辑思维和实证思维的第三种思维模式
- 能够促进人类思考，增进观察力和深化对交互关系的理解
5.2 编程能够增进认识
- 编程不单纯是求解计算问题
- 不仅要思考解决方法，还要思考用户体验、执行效率等
- 能够帮助程序员加深用户行为以及社会和文化认识
5.3 编程能够带来乐趣
- 编程能够提供展示自身思想和能力的舞台
- 让世界增加新的颜色、让自己变得更酷、提升心理满足感
- 在信息空间里思考创新、将创新变为现实
5.4 编程能够提高效率
- 能够更好地利用计算机解决问题
- 显著提高工作、生活和学习效率
- 为个人理想实现提供一种借助计算机的高效手段
5.5 编程带来就业机会
- 程序员是信息时代最重要的工作岗位之一
- 国内外对程序员岗位的缺口都在百万以上规模
- 计算机已经渗透于各个行业， 就业前景非常广阔
5.6 学习编程的误区
Q：编程很难学吗？ A：掌握方法就很容易！
- 首先，掌握编程语言的语法，熟悉基本概念和逻辑
- 其次，结合计算问题思考程序结构，会使用编程套路
- 最后，参照案例多练习多实践，学会举一反三
六、小结
- 计算机的功能性和可编程性
- 编译和解释、静态语言和脚本语言
- IPO、理解问题的计算部分
- 掌握计算机编程的价值
