Programming concepts - Computer Science (0478) - Cambridge IGCSE

欢迎来到编程概念的世界！

你好，未来的程序员！这一章节是真正充满乐趣的开始。我们将从理解计算机如何工作（硬件和数据），转向为计算机提供具体的、分步骤的指令——这就是编程的全部意义所在！

掌握这些基础概念将使你能够设计、编写并理解任何算法，为你应对 Paper 2 中实际的问题解决题型打下坚实的基础。如果代码一开始看起来有些陌生，不必担心；我们会将一切拆解成易于理解的部分。让我们开始吧！

8.1 编程概念：构建基石

8.1.1 变量与常量

可以将变量和常量想象成计算机内存中带有标签的存储盒。

变量 (Variables)

变量是一个内存位置，用于存储在程序执行期间可以改变的值。
示例：玩家的得分（Score）会随着游戏进行而改变。

常量 (Constants)

常量是一个内存位置，用于存储在程序执行期间不能改变的值。
示例：圆周率 (\(\pi\)) 的值或固定的税率（TaxRate）。

在伪代码中，我们使用关键字来声明它们：

变量声明：
DECLARE TotalScore : INTEGER
常量声明：
CONSTANT MaxAttempts ← 3
赋值： 我们使用赋值运算符 ← 将值存入变量。
TotalScore ← 100

8.1.2 基本数据类型

当你声明一个变量或常量时，必须告知计算机它将存储哪种数据类型。这有助于计算机分配正确的内存空间并防止错误。
类比：数据类型就像是容器上的标签——如果标签写着“水”，你就不会试图往里装电了！

你需要掌握的基本数据类型包括：

INTEGER（整数）： 整数（正数、负数或零）。没有小数点。
常量示例：5, -100, 0
REAL（实数）： 可以包含小数部分的数字。
常量示例：3.14, -0.5, 4.0
CHAR（字符）： 单个字母、数字或符号。用单引号括起来。
常量示例：'A', '7', '@'
STRING（字符串）： 字符序列（文本）。用双引号括起来。
常量示例："Hello World", "CS0478"
BOOLEAN（布尔值）： 逻辑值，只能为 TRUE（真）或 FALSE（假）。
常量示例：TRUE, FALSE

快速回顾：

如果你要存储某人的年龄，使用 INTEGER。如果你要存储他们的名字，使用 STRING。如果你要检查灯是“开”还是“关”，使用 BOOLEAN。

8.1.3 输入与输出 (I/O)

程序需要与用户交互。这通过 I/O 命令来处理。

INPUT（输入）： 从用户（通常是键盘）读取数据并将其存储在变量中。
语法：INPUT <变量>
示例：INPUT UserName
OUTPUT（输出）： 向用户显示数据或信息（通常是屏幕）。
语法：OUTPUT <值>
示例：OUTPUT "Hello, ", UserName

8.1.4 (f) 运算符

运算符是用于执行计算或比较的特殊符号。

算术运算符（计算）

用于执行数学运算：

+ (加法)
- (减法)
* (乘法)
/ (除法，结果为 REAL 实数)
^ (乘方，例如 \(2^3\))
DIV： 整除（返回商，舍弃余数）。
示例：DIV(10, 3) 返回 3
MOD： 取模（返回整除后的余数）。
示例：MOD(10, 3) 返回 1

记忆窍门： MOD 是除法后的“剩菜”（余数）。DIV 是除法能完全进入多少次。

关系运算符（比较）

用于比较两个值，始终返回一个 BOOLEAN 结果（TRUE 或 FALSE）。

= (等于)
< (小于)
<= (小于等于)
> (大于)
>= (大于等于)
<> (不等于)

逻辑运算符（组合条件）

用于组合多个布尔条件。

AND（与）： 仅当所有条件都为 TRUE 时，结果才为 TRUE。
OR（或）： 只要至少有一个条件为 TRUE，结果即为 TRUE。
NOT（非）： 反转条件（TRUE 变为 FALSE，FALSE 变为 TRUE）。

示例：IF (Age > 18) AND (IsCitizen = TRUE) THEN...

运算符关键要点： 算术运算符产生数字。关系和逻辑运算符产生 BOOLEAN 值（用于决策）。

8.1.4 控制结构：顺序、选择、迭代

(a) 顺序结构 (Sequence)

顺序结构是最简单的控制结构。指令按照它们出现的顺序一条接一条地执行。这是程序的默认执行流。

示例：
1. Total ← 0
2. Number1 ← 10
3. Total ← Total + Number1

(b) 选择结构 (Selection)

选择结构允许程序根据条件（布尔测试）来决定执行哪段代码。

IF 语句

用于一到两种可能的结果：

IF <条件> THEN
    <语句>
ELSE
    <语句>
ENDIF

CASE 语句

当基于单个变量的值有多种可能的结果时使用。

INPUT Grade
CASE OF Grade
    'A' : OUTPUT "Excellent"
    'B' : OUTPUT "Good"
    OTHERWISE OUTPUT "Needs Improvement"
ENDCASE

嵌套语句 (8.1.5)

嵌套语句是指一个选择或迭代结构完全包含在另一个结构内部。这对于处理复杂逻辑至关重要。
考试中你不需要编写超过三层嵌套的语句。

嵌套 IF 示例：

IF Score > 50 THEN
    IF Score > 90 THEN // 嵌套 IF
        OUTPUT "Top result!"
    ELSE
        OUTPUT "Pass"
    ENDIF
ELSE
    OUTPUT "Fail"
ENDIF

(c) 迭代结构 (Iteration/Looping)

迭代意味着重复执行一段代码多次。主要有三种类型：

1. 计数循环 (FOR)

当你明确知道循环需要运行多少次时使用。

它会自动初始化、检查并增加（或减少）计数器变量。

FOR Counter ← 1 TO 10
    OUTPUT "Loop number: ", Counter
NEXT Counter

2. 前置条件循环 (WHILE)

条件在循环运行之前进行测试。如果条件初始为 FALSE，循环内部的代码将永远不会执行（执行零次）。

WHILE <条件> DO
    <语句>
ENDWHILE

3. 后置条件循环 (REPEAT UNTIL)

条件在循环运行之后进行测试。这保证了循环内部的代码至少会执行一次。循环会一直重复，直到条件变为 TRUE 为止。

REPEAT
    <语句>
UNTIL <条件>

常见错误提醒： WHILE 循环只要条件为 TRUE 就会运行。REPEAT UNTIL 循环会一直运行直到条件变为 TRUE（即：只要条件为 FALSE 就会持续运行）。

8.1.4 (d, e) 求和、计数与字符串处理

(d) 求和与计数

这是循环中常见的两种模式：

计数： 跟踪某事发生的次数。通常将计数变量初始化为 0，每当事件发生时加 1。
示例：NumberOfStudents ← NumberOfStudents + 1
求和（累加）： 保持数值的运行总和。通常将总数变量初始化为 0，每当出现新值时将其加到变量中。
示例：TotalSales ← TotalSales + CurrentSaleValue

(e) 字符串处理

这些是用于处理文本（STRING 数据）的标准函数。

LENGTH(<标识符>)： 返回字符串中的字符数。
示例：LENGTH("Cat") 返回 3。
LCASE(<标识符>)： 将字符串或字符转换为小写。
UCASE(<标识符>)： 将字符串或字符转换为大写。
SUBSTRING(<标识符>, <开始位置>, <长度>)： 返回字符串的一部分。你需要指定起始位置和要包含的字符数。
注意：伪代码通常使用 1 作为第一个字符的起始位置，但大纲确认在编程系统中可能使用 0 或 1。请遵循题目中的惯例，如果未指定则使用 1。
示例：SUBSTRING("Program", 3, 4) 返回 "ogra"。

你知道吗？ 在许多编程语言（如 Python）中，字符串索引从 0 开始，而不是 1！但在 IGCSE 伪代码中，除非另有说明，否则通常从 1 开始。

8.1.6 过程、函数与变量作用域

随着程序规模扩大，我们会将它们拆分成更小的、可复用的代码块。

过程与函数

过程（Procedure）和函数（Function）都是可复用的子程序，但它们有一个关键区别：

过程： 一个命名代码块，执行一项任务但不返回值。使用 CALL 关键字调用。
示例：CALL DisplayMenu()
函数： 一个命名代码块，执行一项任务并必须返回一个值到调用它的地方。它作为表达式的一部分使用。
示例：Area ← CalculateArea(5, 10)

参数 (Parameters)

参数是传递给过程或函数的值，以便子程序使用。它们充当子程序的输入。

// 定义一个带有一个参数的过程
PROCEDURE Line(Size : INTEGER)
    // ... 使用 Size 的语句 ...
ENDPROCEDURE

// 调用该过程
CALL Line(60)

你可能会接触到最多三个参数的过程和函数。

局部变量与全局变量

作用域 (Scope) 指的是程序中可以访问变量的区域。

全局变量： 在程序最开始（主程序体中）声明。它可以在程序的任何地方访问和修改，包括在过程和函数内部。
局部变量： 在特定的过程或函数内部声明。它只能在该子程序内部使用。一旦子程序执行完毕，局部变量就会被销毁。
就像是一张只有你自己能读的秘密草稿纸。

为什么要使用局部变量？ 它们可以防止意外冲突。如果两个不同的过程都使用名为 i 的变量，只要 i 在各自内部被声明为局部变量，它们就不会产生冲突。

8.1.7 库例程与 8.1.8 可维护的程序

8.1.7 库例程 (Library Routines)

这些是编程环境中包含的预写函数，可以节省你的时间。你需要掌握的主要例程（除了字符串函数、MOD 和 DIV）包括：

ROUND(<标识符>, <小数位数>)： 将 REAL 数四舍五入到指定的小数位数。
示例：ROUND(3.14159, 2) 返回 3.14
RANDOM()： 返回一个 0 到 1 之间（包含 0，不含 1）的随机 REAL 数。
若要生成 1 到 10 之间的随机整数：Value ← ROUND (RANDOM() * 10, 0)

8.1.8 创建可维护的程序

可维护的程序是指他人（或以后你自己）容易理解、调试和更新的程序。

关键特性包括：

有意义的标识符： 为变量、常量、过程和函数使用描述性名称（例如，用 MaximumScore 而不是 MS）。
注释： 使用 // 添加备注来解释代码的作用，尤其是复杂的部分。
过程和函数的使用： 将代码拆分为逻辑子部分使主程序流更清晰。

子程序关键要点： 过程执行任务；函数返回数值。始终使用有意义的命名和注释，让你的代码易于维护。

8.2 数组：存储数据列表

8.2.1 数组的声明与使用

数组是一种数据结构，用于存储固定数量的相同数据类型的项，并通过索引（数字）进行访问。

类比：数组就像是一排完全相同的邮箱，每个邮箱都有顺序编号。

1. 一维 (1D) 数组

一维数组是一个简单的列表或向量。

声明：

DECLARE StudentNames : ARRAY[1:30] OF STRING // 30个元素，索引从 1 到 30

使用： 使用方括号 [ ] 访问元素。

StudentNames[1] ← "Ali" // 将 "Ali" 放入第一个位置
OUTPUT StudentNames[5] // 输出位置 5 的值

2. 二维 (2D) 数组

二维数组是列表的列表，通常可视化为表格或网格（行和列）。