北京大学计算概论(C语言)经典课件Lecture5——程序设计简介及编程环境.ppt

计算概论 (Introduction to Computing),主讲人：马思伟 北京大学数字媒体研究所 /,第五讲 程序设计简介及编程环境,提纲,程序设计语言 程序基本框架及基本元素 程序书写规则 编程环境 学习程序设计五要素,程序设计语言,程序：描述计算机处理数据、解决问题的过程，这是程序的实质，但程序的描述形式却可以是多种多样的，可以用不同的方式表述。 程序设计：为计算机的执行部件-CPU安排执行计划 程序设计语言：（也被称为“编程语言”，Programming Language）是人们编制程序所使用的语言。 机器语言：01000000表示把存储在寄存器EAX中的数值加1 汇编语言：INC EAX(汇编器将其转化为机器语言) 高级语言,机器语言,机器指令 采用二进制代码形式，符合具体计算机的指令系统，可以由计算机直接执行 是一种可以在程序设计中使用的语言，被称为“机器语言” 每一条机器指令包括两个主要方面：操作（指出计算机应做什么）和被操作的对象（指出处理的数据或它的地址） 机器指令 格式：操作码 操作数操作数 分类：数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移,机器语言,8086/8088的指令系统 133条基本指令，可分成个功能组： 数据传送：通用传送、地址传送、标志传送、输入输出等 算术运算：加减乘除符号扩展等 逻辑运算、移位指令：逻辑运算、移位、循环移位 串操作：串处理和重复控制 控制转移：无条件转移、条件转移、循环控制、过程调用、中断指令等 处理器控制：停机、等待等 下面给出了几条以二进制形式描述的 Intel 80386 指令以及对它们的文字解释。 01000000: 把一个寄存器（EAX）的值加一 10001011 00000101 00000000 01111001 10001111 10101101从某个内存单元取出数据，装入EAX寄存器,机器语言,机器指令的执行过程 在CPU的运算器ALU中执行 首先将程序指令和数据放到主存储器中 程序开始，将第一条指令地址放到程序控制单元的IP寄存器中并启动程序 逐条传送指令到运算器中执行，中间结果保存到寄存器组中，控制单元负责取下一条指令 遇到停机指令，程序结束,机器语言,机器指令的执行过程,机器语言,缺点：难记忆，编程效率低；难调试 用机器语言编程，不仅指令操作需要用规定的二进制代码描述，程序里的数据也要程序设计者自己安排存储位置 程序不易修改，无法由一种计算机环境移植到其他环境上,汇编语言,“汇编程序设计语言”的基本想法：采用帮助记忆作用的符号 例如用 ADD 表示加法操作，用 JMP 表示控制性转移等 操作的对象（数据或数据的地址）也能用符号形式表示，例如用 X、Y代表两个存储数据的容器 格式 助记符 操作数操作数,汇编语言,一组具有帮助记忆作用的“汇编指令”，每条汇编指令都和一条机器指令相对应，只是指令码和操作数都采用符号形式。 PUSH ECX MOV ERROR, 0 MOV ECX, EAX CMP ECX, 0 JMP FAIL CALL FACT ,汇编语言,汇编程序： 计算机是不能直接执行的，必须在交给计算机执行之前先把它翻译成二进制的机器语言指令程序 汇编器：把用汇编语言书写的程序翻译成机器语言程序的软件,汇编语言编程,例：算术运算 计算 135+22-1 MOV AX, 135 MOV BX, 22 ADD AX, BX SUB AX, 1 HLT,汇编语言编程,计算 135+22-1 MOV AX, 135 MOV BX, 22 ADD AX, BX SUB AX, 1 HLT,汇编语言编程,累加运算 例：计算从1累加到100的和 用AX保存累加结果，从1开始，每次加一个数，到100为止。将被加数放到BX中保存，即每次加BX，加完后对BX进行加1运算 设置一个循环，判断是否加到100，即判断BX是否为101 CMP 指令对两个操作数作减法运算，将影响的标记记录在标志位中， 供查询使用，而源目操作数均不改变。 MOV AX, 1 MOV BX, 2 calc: CMP BX, 101 JE stop ADD AX, BX INC BX JMP calc stop: HALT,CPU,汇编语言编程,求最大值 例：求一组整数33，15，21， 7， 9，23， 4，76， 87， 45中的最大值 定义一个数组变量DATA存储给定的数据。用BX记录当前数的索引，每处理完一个数加1。CX为计数寄存器，隐式地为循环指令LOOP计数。 MOV AL, 0 MOV BX, 0 MOV CX, 10 next: CMP DATABX, AL JL unchanged MOV AL, DATABX unchanged: INC BX LOOP next HLT,汇编语言,缺点： 描述机制层次太低，其基本描述单位仍然是指令，这种方式与人们描述计算过程的需要之间差距太大 与计算机硬件的具体结构、指令系统联系过于紧密，这种情况造成的后果是在一种计算机上开发的程序极难搬到另一种不同结构的计算机上使用 不仅工作量将非常大（与重写差不多），而且很容易引出程序错误，修改也非常困难。 特点 直接对硬件操作，运行效率高 需要对硬件熟悉，编程难度高,高级程序设计语言,特点 在对计算过程的描述方面，完全脱离了简单的指令方式，采用类似于数学公式的书写方式描述由一些数据计算出结果的过程 用一些更高级程序流程描述结构取代简单的跳转指令方式，以更好地满足书写程序的需要 程序存储数据的空间处理数据的语句,高级程序设计语言,4个核心概念 变量 表达式、语句、赋值,高级程序设计语言,4个核心概念 变量 内存中的若干字节，存放数据，初值、中间结果、最终结果 高级语言中的变量采用字符串形式的名字，如 x、len、Max、Number 等 一方面名字可以帮助人们掌握变量所代表的信息含义，在程序里只要用变量的名字就可以读写访问它的存储单元里的数据,高级程序设计语言,4个核心概念 变量 表达式、语句、赋值 表达式：类似于数学中的代数运算式。 语句：程序中基本的动作单位 赋值语句：最基本的语句 X=2*1.047-2 ; /左面是变量，右面是表达式 Y=X*X; /读取变量X的值，参与计算 X = 2 * SIN(1.047)； Y = X * COS(W)；,高级语言程序的执行,高级语言程序不可能直接地在计算机上执行 要在计算机上执行高级语言程序，有两种基本方法 第一种方法称为编译（Compilation）：把高级语言程序（也称为“源程序”）转换成为机器语言的可以由计算机直接执行的程序，即转变为“可执行程序”（Executable Program） 另一种称为“解释”（Interpretation）的实际执行方式,高级语言程序的执行,编译器 把高级语言程序看成是符合一定语法结构的符号串，对它进行加工变换， 一般分为两个阶段， 源程序首先被翻译成机器语言，这种翻译结果称为“目标码”（object code），目标码构成的程序片段称为目标模块。 第二步，这些目标模块被与其他一些基本模块（由编译软件提供）连接在一起，最终形成“可执行程序”（executable program） 第一个加工步骤称为“编译”（compiling），第二个步骤称为“连接”（linking）。,编译过程,高级语言程序的执行,高级语言程序还可以采用另一种称为“解释”（Interpretation）的实际执行方式。这种方式由一种称为“解释器”（Interpreter）软件实现。解释器在工作方式上与编译器不同，它不对源程序进行翻译，而是直接对源程序的语句进行分析和解释，实现源程序所描述的功能。,高级语言,Fortran Formular Translation，IBM, 20世纪50年代（1954-1957） 主要用于科学计算 COBOL 1960，Common Business Oriented Language，可读性强，程序罗嗦 主要用于编制商业企业信息管理系统的处理程序和软件 BASIC Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code, John Kemeny, Thomas Kurtz, 1964年 1985年 True Basic； Quick Basic，Visual Basic,高级语言,PASCAL 1968， N.Wirth C/C+ 1972年， Dennis Retchie, C语言 1983年，Bjarne Stoustup, C+，面向对象程序设计 Ada 美国军用程序设计语言，针对装备在机电设备、武器装备里的计算机控制、管理软件系统开发应用。 Java 1991年，Sun公司，Jame Gosling, Bill Joe,C语言,由美国贝尔实验室的 Dennis Retchie 在 1972 年设计开发，开发目的是想成为一种编制“系统程序”的工具语言 Retchie 等人首先用自己发明的 C 语言编写了 UNIX 操作系统。以后 C 语言逐步发展成为开发系统软件的主要语言 C 语言已成为最重要的软件系统开发语言，由此可见 C 语言在计算机领域地位之重要。,C+语言,C+ 是在 C 语言基础上发展出的一种“面向对象”语言， 由 Bjarne Stroustrup 在美国贝尔实验室开发的（1983），是目前使用最广泛的一种面向对象的程序设计语言。 C+ 是 C 语言的一个扩充 它一方面修正了 C 的一些弱点和不足，使用起来更方便可靠 另一方面，支持“面向对象”（Object-Oreinted，简称为OO）的程序设计方法为基本目标，提供了一套支持面向对象程序设计的机制，如“类”（class）、“对象”（object）等等 面向对象的方法被认为是开发复杂软件系统的一种有效途径， OO 程序设计语言也已经被广泛接受,JAVA,Write once, run everywhere. 目前网络程序开发的主要语言 特点 面向对象 便于网络开发 简单易学,关于语言的思考,自然语言 字-词-短语-句子-文章-文集-文库 词：动词、名词. 短语：成语、短句 C语言 关键字-常量/变量-表达式-语句-程序-程序包-软件系统 常量、变量：整数、浮点数,提纲,程序的基本框架 程序的基本元素 标识符和关键字 数据类型、常量和变量 运算符和表达式 语句,程序的基本框架,程序的基本框架,程序的基本框架,基本元素 主函数：main() 每个程序有一个主函数且只能有一个 程序执行从主函数开始，从主函数结束 主函数可以调用其它函数（标准库函数，用户自定义函数），其它函数不能调用主函数，但其他函数相互之间遵循一定的规则可以相互调用,程序的基本框架,基本元素 标准库函数 C语言提供的各种标准的通用功能函数，调用前必须在程序开始的地方用include语句包含含该函数的定义文件 例: s = (float)(PI * pow(r, 2); pow(x,y) /求xy（math.h，数学函数） scanf(“%f”, /printf(“%f”, ) 往屏幕中输出数据（stdio.h，输入输出函数）,程序的基本框架,基本元素 自定义函数 必须先定义，后调用 例：s2 = getArea(r2);,程序的基本框架,程序的基本框架,基本元素 变量：存放数据的容器，有不同的数据类型 语句：由分号结尾的单一命令，可以一条语句完成一条或若干条指令功能 float s, r; / 变量定义语句 r = 10; / 变量赋值语句 s = 3.1416*r*r; / 执行乘法运算并赋值的语句 代码段：用大括号（）围起来的多条语句构成一个代码段 int i; for (i=0; i=1; i+) ,程序的基本框架,基本元素 编译预处理-宏定义 用一个简单的符号代替宏体部分内容，例 #define PI 3.14159 PI 符号常量（宏名，最好用大写，以区别一般变量） 3.14159宏体（可以是一个表达式） 作用：用简单符号代表宏体部份内容（编译时会先自动替换），可用作常量定义或其他作用 意义：直观/多次使用/便于修改 注意：#define 可出现在程序的任一位置（作用范围：由此行到程序末尾），宏定义不是C语句，不必在行未加分号，否则会连分号一起置换。,程序的基本框架,基本元素 编译预处理-文件包含 #include /stdio.h 标准前导文件，输入输出函数库头文件 #include “myhead.h” /自定义前导文件 C语言是一种“装配式”语言，许多常规的工作如输入、输出、数学函数等，往往事先由人做成各种“程序模块”(.lib)，并将其定义存放在各种所谓“头文件”(.h)中。文件包含的作用，就是根据需要把相应的某个“头文件”定义所涉及的“程序模块”在编译时先整体嵌入所编的程序中。用户也可以将自己设计的程序模块等做成“程序模块”及“头文件”，供其他程序“包含”（调用）。,程序的基本框架,基本元素 注释 单行注释 / 段注释 /*/ 总结 有且只有一个主函数main() 用#include 包含头文件 用#define定义宏 每条语句必须以句号结束 由大括号组成语句段 函数可以调用其他函数,标识符和关键字,标识符 程序员对程序中的各个元素加以命名时使用的命名记号，包括：数据类型名、变量名、常量名、函数名、宏名称、 C语言中，标识符是以字母，下划线( _ ) 开始的一个字符序列，后面可以跟字母，下划线，数字。 合法的标识符 identifier userName User_Name definesys_ value _Name name1 非法的标识符 2mailroom# a%bc !abc2,标识符和关键字,关键字 具有专门的意义和用途，不能当作一般的标识符使用。C语言中的关键字有：int、char、float、double、short、long、unsigned、struct、union、enum、auto、extern、register、static、typedef、goto、return、sizeof、break、continue、if、else、do、while、for、switch、case、default、void、entry、include、define、undef、ifdef、ifndef、endif、line 分类 基本数据和返回值类型：int, void, return 构造数据类型定义：typedef, struct, union 控制流: if, switch, for, break, goto 编译预处理: include, define 变量长度: sizeof 注意: C语言标识符区分大小写，name和Name表示不同的标志符,数据类型、常量和变量,数据类型（Data Type） 基本数据类型（Primary Data Types） 构造数据类型（Composite Data Types） 常量（Constant） 变量（Variable）,数据类型、常量和变量,数据类型（Data Type） 基本数据类型（Primary Data Types） 一个数据类型所占的具体字节数，可以通过sizeof运算符来确定。,数据类型、常量和变量,数据类型（Data Type） 基本数据类型（Primary Data Types） 字符的存储通常用其二进制编码（如ASCII码/8位、汉字内码/16位）来表示，所以字符数据类型char只占8位，它可以表示一个ASCII字符，对于汉字字符，则需要将2个char数据当作一个整体。 构造数据类型 由一个或多个基本数据类型组合而成 包括：数组、结构、链表等,数据类型、常量和变量,常量和变量 数据是计算机程序处理的主要对象，在程序中数据是以常量和变量的形式出现。常量和变量的区别仅在于程序执行过程中变量的值是可以改变的，而常量的值不能改变。 常量 是用文字串表示的，它区分为不同的类型： 整型常量：123，-123 长整型常量：123l，-123L 单精度浮点常量：1.23f，-1.23e12f 双精度浮点常量：1.23，-1.23e12 字符常量：用单引号对括起来的一个字符，如a字符串常量：用双引号对括起来的一个字符序列，如“This is a constant string.”。 在C中，除了直接写出常量的值之外，还可以通过预编译命令“#define”把一个标识符定义为常量，其定义格式为：#define PI 3.14159,数据类型、常量和变量,变量 和数学中的变量有所不同，程序中的变量代表某个内存中某个存储单元的名字或某块内存区域的名字。它用于指定一个所要访问的存储单元在整个存储空间中所处的位置。显然，存储单元所存储的数据在程序执行过程中是可能变化的。 在程序中定义变量时，会在内存中为它开辟一块区域，用来放置它所代表的数据。把数值存放到某个变量所指示的内存区域的过程称为赋值。使用某个变量中存储的数据称为变量的引用。不同的变量可以占用不同大小的内存空间。一个变量所占内存空间的大小是在变量定义时决定的。在程序中，有三种情况涉及到变量：变量的定义、变量的赋值和变量的引用。,数据类型、常量和变量,数据类型、常量和变量,变量的定义就是在程序中声明将要使用一块内存区域保存数据。这块区域的大小是由变量所属的数据类型决定的。变量的定义包括变量数据类型、变量的名字、变量的初始化几个部分，其形式为： DataTypevarName= value , varName=value; int n, n1 = 4; 变量的名字必须是一个合法的标识符，每个变量的名字作为它的唯一标识。变量名所对应的就是内存区域的地址。如果不对变量进行初始化，变量的初值是不确定的（内存空间中内存单元里是有内容的）。 在程序执行过程中，变量的值（内存单元中的内容）是可以变化的。给变量指定一个新的数值的过程称为变量的赋值，通过赋值语句完成： n = 26;,数据类型、常量和变量,变量里存储的数据可以用来参与运算，这一过程称为变量的引用。例如： int totalFee= 0 ; /变量赋值 int tuitionFee= 5000 ; /变量赋值 int travelExpense= 300 ; /变量赋值 int livingExpense= 1000 ; /变量赋值 int others = 1000 ; /变量赋值/变量引用 totalFee = tuitionFee+ travelExpense+ livingExpense+ others ;,数据类型、常量和变量,数据类型、常量和变量,变量定义示例 字符型变量：代表8位的字符，ASCII字符，定义示例 char c1;无初值 char c2 = 0;赋初值为字符0 char c3 = 33;用整数赋初值，是字符的ASCII码，此处为! 特殊字符的常量表示法： 反斜线（Backslash） 退格（Backspace）b 回车（Carriage return）r 进纸符（Form feed）f 制表符（Form feed）t 换行（New line）n 单引号（Single quote）,数据类型、常量和变量,变量定义示例 整型变量： int num1, num2; long len1, len2 = 3L; 必须在数字后加l或L int x = 123, y = 321; short s = 10;long y = 123L; 必须在数字后加l或L long z = 123l; 必须在数字后加l或L3,数据类型、常量和变量,变量定义示例 实型变量定义示例： double d1 = 127.0;赋初值为127 double d2 = 127;赋初值为127 float f1 = 127.0f;必须在数字后加f或F float f2 = 4.0e38f;错误！32位浮点数不能超过3.4028234663852886e38,数据类型、常量和变量,变量定义使用实例：,运算符与表达式,表达式（Expression）是由操作数（常量和变量）和运算符按一定的语法形式组成的符号序列。 一个常量或一个变量名字是最简单的表达式，其值即该常量或变量的值； 表达式的值还可以用作其他运算的操作数，形成更复杂的表达式。 表达式的计算结果称为表达式的值。,运算符与表达式,运算符（Operator）规定了对操作数的处理规则，C语言中的运算符有： 算术运算符：(负号)，+，*，/，%，+， 关系运算符：，=，&，|， 赋值运算符：=，及其扩展赋值运算符如+=，=，*=，/=等。 条件运算符：? ：,运算符与表达式,其它运算符 分量运算符，(在结构数据类型及指针中用到) 下标运算符index(在数组中用到) 数据长度运算符sizeof （以字节为单位） int a；sizeof(int); sizeof(a); 分隔符, （函数参数分隔，变量定义等） inta, b, c;intmax( inta, intb, intc); 强制类型转换运算符(DataType) year = (int) ceil(x/2); 函数调用运算符() ,运算符与表达式,分类，根据运算符的不同，表达式也有不同的类型： 算术表达式 关系表达式 逻辑表达式 位运算表达式 赋值表达式 条件表达式 在一个复杂的表达式中，往往包含有其他类型的表达式。,运算符与表达式,算术表达式：使用算术运算符和括号将操作数连接起来的表达式称为算术表达式： (负号)，+ (加法)，(减法)，* (乘法)，/ (除法)，% (取余数，只对整型数据有效)，如： -3+a-b*5，(x+y)/z +(3*r/5) +(自加)、(自减)：只适合于变量，不适合于常量或表达式，例如：5+ 或(a+b)-都是不正确的。这两个运算符可用在变量之前或变量之后，如i+ 和+i。对变量来说，这二种情况的效果都是一样的，都是使变量i加1。但在表达式中，则它们的含义不同，如： j = +i; 表示先将i的值加1，再赋给j，如果i的值是5，则j的值是6。（先给变量加1，再使用变量） j = i+; 表示先将i的值赋给j，再把i的值加1，如果i的值是5，则j的值是5。（先使用变量，再给变量加1）,运算符与表达式,关系表达式：使用关系运算符和括号将操作数连接起来的表达式称为关系表达式： (大于)，=(大于等于)， y,(x+1) = 4,(-3+a-b*5) = (x+y)/z +(3*r/5) = = (等于)、!= (不等于)，如： x = = y, (x+y) != z 在关系运算中，若规定的关系不成立，则表达式的值为0，否则为1。0和1都看作是整型量。在C语言中，没有其他语言中的布尔量（真：true，假：false），而是将0看作假，非0看作真。,运算符与表达式,逻辑表达式：使用逻辑运算符和括号将操作数连接起来的表达式称为逻辑表达式： &(逻辑与)：当2个操作数都为非0或真时，结果为1（真），否则为0（假），如： (x1) & (x20) !(逻辑非)：将一个非0或为真的操作数变为0，或将0或为假的操作数变为1，如： !(xy) 逻辑运算&和|连接的表达式是自左向右求值的，一旦知道结果的真、假值，求值马上停止： (a+1c)&(b+11)，若(a+1c)为0，则表达式的值为0 (a+1c)|(b+11) ，若(a+1c)为1，则表达式的值为1,运算符与表达式,位运算表达式：使用位运算符和括号将操作数连接起来的表达式称为位运算表达式： &(按位与)，|(按位或)， (按位异或)，!(按位非)：二进制位逻辑运算 (右位移)，将左侧操作数的二进制数值向右移动若干位（由右侧的操作数给出），移出去的位丢弃，空出的位用符号位（对有符号数）或0（对无符号数）来填补。,运算符与表达式,位运算符的操作数必须是整型数据。在C中，整型数据分有符号整数和无符号整数，是用一定长度的二进制位来表示。以32位整数为例来说明位移动运算：有符号数：有符号整数做位移运算时，符号位是不参与移动的。左移时，空出的位用0填补；右移时，空出的位用符号位填补。(机器内数据的补码表示) 无符号数：没有符号位，不管左移或右移，空出的位用0填补。 位移运算的实质（在不发生溢出时）： 左移：xn，相当于x/2n,运算符与表达式,赋值表达式 “”是C语言中基本的赋值运算符，基本的赋值表达式形式为：“变量表达式”，它将表达式的值赋给变量。如： x = y+1, a=b=c=1 C语言中除了基本的赋值运算符外，还有一系列复合赋值运算符：+=，=，*=，/=，%=，=，=，&=，=，|=，它们是由2个运算符组成，相应的赋值表达式形式为： “变量op=表达式”，它等价于基本赋值表达式： “变量=变量op表达式”，如： x *= 2 等价于x = x*2 x += y+1 等价于x = x + (y+1),运算符与表达式,条件表达式 C语言中的条件运算符“? :”可以构成条件表达式，其形式为：“表达式1?表达式2:表达式3” 该表达式的求值过程为：先求表达式1的值，若它不等于0（为真），则求表达式2的值，此时，该值就是整个条件表达式的值；若表达式1的值等于0，则求表达式3的值，并作为整个条件表达式的值。即表达式2和表达式3之中，只有一个表达式被求值。如将x和y中最大的值赋给z，可以写成： z = (xy)? x : y,运算符与表达式,运算符的优先级和结合性 一个复杂的表达式值，往往要涉及不同的运算符，在表达式求值时，其计算次序是要符合一定的规则的，即不同运算符的先后次序是不同的。（不用死记，复杂表达式中多用“()”运算符）,运算符与表达式,数据类型转换 在表达式中，整型、实型、字符型数据可以混合运算。运算中，不同类型的数据需要先强制转化为同一类型（利用强制类型转换运算符），然后进行运算。但是，在把容量大的类型转换为容量小的类型时必须注意：转换过程中可能导致溢出或损失精度 double a = 4.0e40; int b = (int)a; /ba浮点数到整数的转换是通过舍弃小数得到，而不是四舍五入(int)23.7 = 23(int)-45.89f = -45,VC+编程环境,VC+编程环境 - 基本概念,Project（工程） 在VC编程环境下，编写程序的工作是以Project为单位。在开始一个新程序时，要先建立一个Project，之后在程序编写过程中所有与这个程序有关的文件都会包含在这个Project中。编制的程序可以有各种不同类型，编程环境为每种类型的程序准备了一个模版，用来生成程序的最初框架。在我们这本书里只介绍编写Win32 Console Application类型的程序。这类程序的特点是：程序运行中会打开一个类似于DOS操作系统的界面，所有键盘输入都是通过DOS界面进行的，而所有输出都是输出到DOS窗口中。,VC+编程环境 - 基本概念,Source File（源程序） 源程序是我们用高级程序设计语言书写的程序。源程序必须经过编译连接变成可执行程序（机器代码）才能运行。在下面的章节中，我们主要用介绍C语言编写程序。,VC+编程环境 - 基本概念,Compile（编译） 把源程序变成机器代码的过程称为编译。不同的高级语言有不同的编译器。,VC+编程环境 - 基本概念,Link（连接） 各种高级语言都会提供一些常用的功能函数，我们自己编写的程序里会调用这些功能函数。同时要把我们写的程序装载到内存里运行，也需要加载一定的与环境相关的信息。所以将我们自己