Programming fundamentals

欢迎来到程序编写基础！

在本章中，我们将深入探讨计算机科学的核心：程序编写 (Programming)。在这里，你将学习如何向计算机发出指令以解决问题。你可以把程序员想象成编写食谱的厨师；如果指令清晰且顺序正确，成品就会很完美。如果指令一团糟，“蛋糕”（或程序）就不会成功！

如果有些术语起初听起来像外语，别担心，我们会将所有内容拆解成简单易懂的小步骤。

2.2.1 程序代码的构建模块

变量 (Variables) 与常量 (Constants)

当我们编写程序时，需要存储数据以便日后使用。我们使用变量和常量来完成这项工作。

类比：想象一个储物箱。
- 变量 (Variable) 是一个内容可以改变的盒子。例如，游戏中标记为“分数 (score)”的盒子，它从 0 开始，然后变为 10。
- 常量 (Constant) 是一个一旦放入东西就密封起来的盒子。例如，\( \pi \) 的值 (3.141) 或地球的“重力 (Gravity)”。在程序运行期间，这些值始终保持不变。

赋值 (Assignments)、输入 (Inputs) 与输出 (Outputs)

为了使我们的程序具有互动性，我们使用这三种操作：
1. 输入 (Input)： 从用户那里获取数据（例如：询问他们的名字）。
2. 输出 (Output)： 向用户显示数据（例如：在屏幕上打印“Hello”）。
3. 赋值 (Assignment)： 使用 = 符号为变量指定一个值。
示例：score = 10（这意味着“变量 score 现在存储了 10 这个值”）。

程序编写结构 (Programming Constructs)

程序的执行流程有三种方式，你必须掌握：
- 顺序 (Sequence)： 指令按特定的顺序逐一执行。
- 选择 (Selection)： 程序使用 IF 陈述式来做出决策，这就像是路口的分岔。
- 迭代 (Iteration)： 这只是循环 (Loops) 的高级说法。我们重复执行代码，直到任务完成为止。

快速回顾：
- 计数控制循环 (Count-controlled loops)： 重复指定的次数（例如：FOR i = 1 to 10）。
- 条件控制循环 (Condition-controlled loops)： 当某个条件为真时重复执行（例如：WHILE lives > 0）。

运算符 (Operators)：编码中的数学

你需要为了考试认清这些运算符：

算术运算符 (Arithmetic Operators)：

- + (加)
- - (减)
- * (乘)
- / (除)
- ^ (指数 / 幂运算)
- MOD： 除法后的余数（例如：\( 10 \text{ MOD } 3 = 1 \)）。
- DIV： 除法后的整数商（例如：\( 10 \text{ DIV } 3 = 3 \)）。

比较运算符 (Comparison Operators)：

- == (等于)
- != (不等于)
- < (小于)
- <= (小于或等于)
- > (大于)
- >= (大于或等于)

重点归纳： 程序是通过顺序、选择和迭代构建的。使用变量来存储会变化的数据，使用常量来存储不会变化的数据。

2.2.2 数据类型 (Data Types)

每一项数据都有一个“类型”，告诉计算机如何处理该数据。
- 整数 (Integer)： 整数（例如：5, -10, 0）。
- 实数 (Real 或 Float)： 带有小数点的数字（例如：15.5, -0.01）。
- 布尔值 (Boolean)： 只有两个值：True（真）或 False（假）。
- 字符 (Character)： 单个字母、数字或符号（例如：'A', '!', '3'）。
- 字符串 (String)： 一连串的字符组合（例如："Hello World"）。

强制类型转换 (Casting)

有时我们需要将数据从一种类型转换为另一种，这称为强制类型转换 (Casting)。
示例： 如果用户输入“18”，计算机会将其视为字符串。为了对它进行数学运算，我们必须将其转换 (Cast) 为整数。

常见错误： 忘记你不能将字符串与整数相加！除非你将字符串 "5" 转换为数字 5，否则 "5" + 5 会导致错误。

2.2.3 进阶程序编写技术

字符串操作 (String Manipulation)

我们主要可以用两种方式操作字符串：
1. 串接 (Concatenation)： 将两个字符串合并在一起（例如："Foot" + "ball" = "Football"）。
2. 切片 (Slicing)： 从字符串中截取一段（例如：取 "Computer" 的前三个字母得到 "Com"）。

数组 (Arrays / Lists)

数组是一种静态结构，用于在一个名称下存储多个相同数据类型的项目。
- 一维数组 (1D Array)： 就像单排储物柜，每个储物柜都有一个索引 (index)（通常从 0 开始）。
- 二维数组 (2D Array)： 就像表格或电子表格，你需要两个坐标（行和列）才能找到一个项目。

记忆小撇步：永远记住，计算机从 0 开始计数，而不是 1！

文件处理 (File Handling)

程序通常需要在关闭后存储数据，我们使用外部文件来做到这一点：
- 打开 (Open)： 准备好文件以供使用。
- 读取 (Read)： 将文件中的数据读入程序。
- 写入 (Write)： 将数据从程序存入文件。
- 关闭 (Close)： 保存更改并确保文件完整性。

子程序 (Sub Programs)：函数 (Functions) 与过程 (Procedures)

与其重复编写相同的代码 100 次，不如将其封装在一个子程序中并给它命名。
- 过程 (Procedures)： 执行一项任务。
- 函数 (Functions)： 执行一项任务并将值返回 (RETURN) 给主程序。

作用域 (Scope - 本地与全局)：
- 全局变量 (Global Variables)： 可被整个程序看到并使用。
- 本地变量 (Local Variables)： 仅在建立它们的子程序内部“存活”。使用本地变量能让代码更简洁并避免错误！

结构化查询语言 (SQL)

SQL 用于搜索数据库。你只需要知道三个关键字：
- SELECT： 你想要哪些字段（行）？
- FROM： 你在查看哪个表格？
- WHERE： 条件是什么？（例如：WHERE Price > 10）

示例：SELECT Name FROM Students WHERE Grade == 'A'

你知道吗？ 你使用的大多数应用程序，如 Instagram 或 Spotify，都使用类似 SQL 的语言在巨大的数据库中搜索你的照片或歌曲！

重点归纳： 使用子程序让你的代码“模块化”（拆分为不同部分）。使用 SQL 在表格中寻找特定数据。

总复习

1. 顺序、选择和迭代是程序执行的三种方式。
2. 变量会变；常量不会。
3. MOD 算出余数，DIV 算出整数商。
4. 强制类型转换 (Casting) 可改变数据类型（例如：字符串转整数）。
5. 函数有返回值；过程没有。
6. SQL 使用 SELECT, FROM 和 WHERE 来寻找数据。