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计算机与程序设计

计算机的概念

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、输入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

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

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

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  • 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

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

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

编译和解释

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

编译

将源代码一次性转换成目标代码的过程叫编译。执行编译过程的程序叫作编译器。

解释

将源代码逐条转换成目标代码同时逐条运行的过程叫解释。执行解释过程的程序叫作解释器。

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)

静态语言和脚本语言

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
  • 脚本语言：使用解释执行的编程语言，如 Python语言、JavaScript语言、PHP语言

执行方式不同，优势各有不同

  • 静态语言：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：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上有优势

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

    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

    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

    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

    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

使用计算机解决问题

  1. 分析问题：分析问题的计算部分，想清楚
  2. 划分边界：划分问题的功能边界，规划IPO
  3. 设计算法：设计问题的求解算法，关注算法
  4. 编写程序：编写问题的计算程序，编程序
  5. 调试测试：调试程序使正确运行，运行调试
  6. 升级维护：适应问题的升级维护，更新完善

求解计算问题的精简步骤

  1. 确定IPO：明确计算部分及功能边界
  2. 编写程序：将计算求解的设计变成现实
  3. 调试程序：确保程序按照正确逻辑能够正确运行

计算机编程

Q: 为什么要学习计算机编程? A: 因为“编程是件很有趣的事儿”!


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

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

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

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

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

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，学会举一反三次