第1章 C++介绍：1.1 程序与编程语言

2025-02-28  本文已影响0人  hwdong

第1章 C++介绍

1.1 程序与编程语言

1.1.1 计算机是什么

计算机是一种通用计算设备，能够根据指令处理数据。每台计算机都配备一个 中央处理单元（CPU），它是一块微处理器芯片，负责执行数据处理指令。不同的计算机可能使用不同的 指令集。

计算机指令

计算机通过执行一系列指令来处理任务，并通常会生成某种输出。这类似于人们按照步骤完成任务的方式。例如，“做饭”可以分解为以下步骤：

  1. 取米并放入洗米盆。
  2. 用自来水冲洗大米。
  3. 如果电饭锅未清洗，则清洗电饭锅。
  4. 将米和水放入电饭锅。
  5. 插上电源，按下开关。
  6. 饭煮好后，拔下电源（任务完成）。

虽然人类可以理解复杂的自然语言指令，但计算机只能处理简单的 机器指令，它们使用特定的计算机语言表示。无论多么复杂的计算任务，计算机最终都会将其分解成一系列简单的、逐条执行的 机器指令。这些指令的集合被称为 程序。

以下是几种常见的计算机指令：

计算机的组成部分

计算机由四大类核心组件组成：

  1. 输入设备：用于接收用户输入，例如键盘、鼠标、扫描仪和麦克风。
  2. 处理单元：执行计算任务的组件，主要是 中央处理单元（CPU）。现代计算机还可能配备 图形处理单元（GPU），最初用于图形处理，但如今也可用于通用计算。
  3. 存储设备：包括 主存储器（内存） 和 二级存储器（如硬盘、光盘、U 盘等），用于存储程序和数据。
  4. 输出设备：用于向用户呈现计算结果，例如显示器、扬声器和打印机。

示例：自动售票机
虽然自动售票机并不完全是计算机，但它可以帮助理解计算机的基本组成部分：

中央处理单元（CPU）

CPU 是计算机的核心，被称为 计算机的大脑，负责计算、数据处理和设备控制。它主要由以下部分组成：

  1. 算术/逻辑单元（ALU）：执行数学运算和逻辑判断。
  2. 控制单元（CU）：决定下一条要执行的指令。
  3. 寄存器：高速存储区域，用于存放临时数据。

不同类型的 CPU 支持不同的 指令集，例如 Intel x86-64、IBM PowerPC 或 ARM。

存储器

计算机将 程序 和 数据 存储在 存储器（Memory） 中，存储器分为 主存储器 和 辅助存储器。

主存储器（内存，RAM）

辅助存储器（外存）

计算机的 操作系统 提供对辅助存储器的管理，允许用户以 文件 形式存储数据，并通过 文件系统 组织文件。例如，Windows 操作系统使用 资源管理器 访问文件和目录。

1.1.2 计算机编程

1. 算法（Algorithm）

算法 是完成特定任务或解决某个问题的一系列步骤（指令）。它类似于菜谱中的制作步骤或数学家祖冲之计算圆周率的方法。

2. 程序与编程

程序 是算法在计算机中的实现，即计算机可执行的指令序列。编程 则是将算法转换为计算机可以理解的程序的过程，使用特定的计算机语言编写指令，使计算机按照既定逻辑执行任务。

3. 二进制

计算机的底层硬件由大量 晶体管 组成，而晶体管只有 "开"（1）和 "关"（0）两种状态。因此，计算机采用 二进制（0 和 1）来表示所有数据，包括整数、字符等。

在计算机中，一个晶体管可以存储 1 个二进制位（bit，简称 b），即 0 或 1。多个晶体管可以组合表示更复杂的数值。例如：

4. 机器语言

计算机内部的指令和数据都是以 0 和 1 组成的 二进制代码 进行存储和处理。机器语言（Machine Language） 是计算机能够直接理解和执行的一种指令集合。

例如，以下是用 Intel 8086 机器语言执行 17 + 20 的指令：

1011 0000 0001 0001   // 将 17 存入 AL 寄存器  
0000 0100 0001 0100   // 将 20 加到 AL 寄存器  
1010 0010 0100 1000 0000 0000   // 将 AL 的值存入内存地址 0x0048

解析：

早期编程的挑战
在 20 世纪 40 年代，程序员必须直接使用机器语言进行编程，甚至通过穿孔卡片输入指令。这种方式既繁琐又容易出错，极大地限制了计算机的使用效率。

5. 汇编语言（Assembly Language）**

为了简化机器语言的编写，引入了 汇编语言（Assembly Language）。汇编语言使用 助记符（Mnemonic） 代替二进制代码，使程序更易读，例如：

MOV AL, 17D         ; 将 17 存入 AL 寄存器  
ADD AL, 20D         ; 将 20 加到 AL 寄存器  
MOV [0048H], AL     ; 将 AL 的值存入内存地址 0x0048

汇编语言的特点

尽管汇编语言相较于机器语言更加直观，但仍然对程序员要求较高，且代码冗长，不利于开发大型程序。

6. 高级语言（High-Level Languages）

由于汇编语言仍然过于低级，程序员需要书写大量指令才能完成简单任务。因此，开发者创造了 高级语言，如 C、C++、Python、Java 等，使编程更加高效。

在高级语言中，一条指令可能对应多条机器指令，并且采用接近自然语言的表达方式。例如：

sum = 17 + 20;

这行 C++ 代码等效于上面的机器语言和汇编语言指令。高级语言的优点包括：

由于计算机无法直接理解高级语言，必须借助 编译器（Compiler） 或 解释器（Interpreter） 先将其转换为机器语言，然后再执行。

机器语言、汇编语言、高级语言对比

语言类型 示例 特点
机器语言 1011 0000 0001 0001 计算机直接执行，效率最高，但极难理解
汇编语言 MOV AL, 17D 可读性稍强，但仍然复杂
高级语言 sum = 17 + 20; 可读性好，跨平台，易于编写

随着计算机技术的发展，高级语言成为主流，但在底层优化、操作系统开发、嵌入式系统等领域，汇编语言仍然有一定的应用价值。

7 编译器、解释器与 C++ 语言

高级语言编写的程序在计算机执行之前，必须转换为机器语言。这种转换方式主要有两种：编译（Compilation） 和 解释（Interpretation）。

C++ 是一种 编译型语言，它的源代码必须经过 编译器（Compiler） 转换为机器代码，才能运行。

编译器与解释器的区别

对比项 编译器（Compiler） 解释器（Interpreter）
工作方式 先将整个程序翻译成机器代码，然后执行 逐行翻译并执行
执行效率 运行速度快，因为已转换为机器语言 运行速度较慢，因为需要边翻译边执行
错误检测 只有在编译时发现错误 可以在执行时逐行发现错误
常见语言 C、C++、Java（编译为字节码后解释执行） Python、JavaScript、Shell 脚本

编译型语言的优势

编译器能对代码进行全局优化，提高运行效率。因此，C++ 在高性能计算、系统编程、嵌入式开发等领域具有广泛应用。相比解释型语言，编译后的 C++ 程序通常运行更快，并且可以直接操纵硬件。

8 C++ 语言概述

C++ 语言的起源与发展

C++ 由 Bjarne Stroustrup 于 1979-1980 年 在 贝尔实验室（Bell Labs） 开发，初衷是对 C 语言 进行扩展，使其支持 面向对象编程（OOP）。

C++ 的应用领域

C++ 具有高效的执行性能和强大的底层操作能力，被广泛应用于以下领域：

现代 C++ 的演进

在 20 世纪 80 年代至 2000 年初，C++ 语言的标准化进程较为缓慢。然而，自 2011 年 起，C++ 进入了 现代 C++（Modern C++） 时代。

如今，工业界已普遍采用 现代C++ 进行开发，而传统的 C 语言风格编程逐渐被淘汰。

为何直接学习现代 C++？

在高校教学中，许多课程仍然停留在 C 语言或 C++98 时代，导致学生学习的知识 落后于工业界。相比之下，直接学习 C++17 或 C++20 能够：

总之，C++ 既是一门 高效、强大 的系统级编程语言，也是不断演进、与时俱进的现代化语言。学习 现代 C++，才能真正发挥 C++ 的优势，适应当前的技术趋势。

9 C++ 程序开发步骤

与其他编程语言类似，使用 C++ 编写程序也需要遵循一定的步骤。这个过程包括以下几个主要阶段：

  1. 理解问题
    首先，需要清楚地理解所面临的问题。关键问题包括：
    • 输入：程序需要哪些数据？这些数据从哪里来？（如键盘、文件等）
    • 输出：程序将输出什么结果？该结果如何显示或保存？（如屏幕显示、保存到文件等）
  2. 提出算法
    根据问题描述，设计出解决问题的步骤和逻辑。算法是用来描述如何解决问题的指令序列，通常用伪代码或流程图来表示。
  3. 编写程序
    将算法转化为 C++ 代码。通过编程语言的语法和规则，将算法实现为可执行的程序。
  4. 测试
    通过不同的测试用例验证程序的正确性。测试时，除了使用有效数据进行验证外，还要考虑非法输入的情况，查看程序是否能够正确处理错误。

举例：计算一组数值的平均值

假设我们要编写一个程序来计算一组数值的平均值，以下是整个开发流程的实例：

  1. 理解问题

    • 输入：这些数值从哪里来？用户是通过键盘输入，还是从文件中读取？
    • 输出：程序计算出来的平均值是如何呈现的？是打印在屏幕上，还是保存到文件中？

  2. 提出算法
    算法的核心思想是：

    • 初始化两个变量，一个用于存储总和，另一个用于计数。
    • 循环读取每一个数值，将其加到总和中，并增加计数器。
    • 最后，用总和除以计数器，得到平均值。

    伪代码示例：

    -----------start-------------
总和 sum = 0
计数器 count = 0
重复：
    读入一个数值
    如果读取失败，结束循环
    否则：
        将读取的数值加到总和 sum
        计数器 count 增加 1
计算平均值：average = sum / count
输出/打印平均值 average
-----------end-------------

  3. 编写程序
    根据上述算法，使用 C++ 语言将其实现为程序：

    #include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    double sum = 0;      // 总和
    int count = 0;       // 计数器
    double value;        // 输入的数值

    while (cin >> value) {
        sum += value;
        count++;
    }

    if (count > 0) {
        double average = sum / count;
        cout << "平均值为: " << average << endl;
    } else {
        cout << "没有输入有效的数值!" << endl;
    }

    return 0;
}

  4. 测试
    运行程序时，输入不同的测试数据，确保其输出结果正确。

    • 正常情况：输入一系列数字，程序计算并输出正确的平均值。
    • 边界情况：没有输入任何数值时，程序应该提示用户没有有效数据输入。
    • 非法输入：输入非数值数据（如字符串或特殊字符），程序应当能够适当地处理错误或提示。

    示例测试输入：

    10 20 30

    输出结果：

    平均值为: 20

通过这种方法，我们可以从理解问题、设计算法、编写程序，到最终的测试，逐步完成一个 C++ 程序的开发过程。

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