Programming concepts

欢迎来到程序设计的核心！

在本章中，我们将探讨过程式程序设计（procedural programming）的基础架构。试着将程序想象成一道食谱：你需要准备材料（数据/资料）、操作指示（语句/叙述），以及处理突发状况的方法（异常处理）。在阅读完这些笔记后，你将学会如何使用每位程序员都必须掌握的基本结构与计算机“对话”。别担心内容看起来很多——我们将循序渐进，一步步来！

1. 基础架构：语句类型

在过程式程序设计中，我们会给计算机一系列指令。你需要了解五种主要的语句类型：

关键语句类型

1. 变量声明（Variable Declaration）：这就像是在告诉计算机：“嘿，在内存里留个位置给我存一个值，并把它命名为 'Score'。”
2. 赋值（Assignment）：将数值存入变量中。例如：Score = 10。
3. 选择（Selection）：进行决策。如果条件成立（True），则执行某件事；否则，执行另一件事（使用 IF 或 CASE 语句）。
4. 迭代（Iteration）：重复执行一段代码（使用循环）。
5. 子程序（Subroutine）：一个有名字的代码块，专门执行特定任务。当你需要时，可以随时“调用”它。

输入与输出

如果程序无法与你互动，那它就没什么用处了！
- 输出（Output）：在屏幕上显示信息。
- 输入（Input）：通过键盘从用户端获取信息。

标识符名称与注释

为变量命名时，请使用具备意义的标识符名称（meaningful identifier names）。与其将变量命名为 x，不如命名为 user_age。这会让类阅读代码时更容易理解！
同样地，请善用注释（comments）。这些是给类看的笔记，计算机会自动忽略它们。它们的功能是解释你为什么要编写这段代码。

重点复习：
- 使用有意义的名称（例如：用 totalPrice 而不是 t）。
- 使用注释来解释复杂逻辑。
- 选择（Selection） = 做决定。迭代（Iteration） = 重复动作。

2. 算术运算

计算机本质上是非常快速的计算器。你需要熟悉以下运算：

- 加法 (+) 与 减法 (-)。
- 乘法 (*) 与 实数/浮点数除法 (/)：这会给出完整的答案，例如： \( 7 / 2 = 3.5 \)。
- 整数除法 (DIV)：这会告诉你一个数除以另一个数可以包含几个“完整”的数。例如： \( 7 \text{ DIV } 2 = 3 \)。
- 余数 (MOD)：这会告诉你除法之后剩下的“余数”。例如： \( 7 \text{ MOD } 2 = 1 \)。
- 指数运算（幂运算）：将数值进行乘方（例如： \( 2^3 = 8 \)）。
- 四舍五入（Rounding）：将数值调整至最接近的整数或小数位。
- 截断（Truncation）：直接切除小数部分，不进行四舍五入。

记忆小撇步：
将 MOD 想象成“剩下来的东西”。如果你有 7 个饼干要分给 2 个人，每人可以拿 3 个（这就是 DIV），最后会剩下 1 个饼干（这就是 MOD）！

3. 关系运算与布尔运算

选择语句（如 IF）依赖关系运算符（Relational Operators）来进行判断：

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

布尔逻辑（AND, OR, NOT, XOR）

有时候你需要结合多个条件进行判断。
- AND：两个部分都必须为真（True）。
- OR：至少有一个部分为真。
- NOT：反转结果（真变为假，假变为真）。
- XOR（互斥或）：其中一个为真，但不能两个都为真。

优先级

当有一连串的逻辑判断时，计算机会遵循特定的优先级：
1. NOT（最高优先级）
2. AND
3. OR（最低优先级）

常见误区：不要误以为 OR 是互斥的。在程序设计中，如果两边条件皆为真，OR 的结果依然为真。如果你想要条件“二选一”，请使用 XOR！

4. 字符串处理操作

字符串（string）就是一连串的字符（例如 "Hello World"）。你需要知道如何处理它们：

- 长度（Length）：计算字符串中有多少字符。
- 位置（Position）：找出特定字符位于哪里。
- 子字符串（Substring）：截取字符串的一部分（例如，从 "Golden" 中取出 "Gold"）。
- 串接（Concatenation）：将两个字符串接在一起（例如，"Foot" + "ball" = "Football"）。
- 字符转编码（Character to Code）：找出字符的数值编码（如 ASCII）。
- 编码转字符（Code to Character）：将数值编码转回字符。

类型转换（Casting）

通常你需要变更数据类型才能进行运算。例如，如果你从用户那里得到 "10"，它是一个字符串，你必须先将它转换成整数（integer），才能进行数学加法！

5. 高级控制结构

迭代（循环）

重复执行代码有两种主要方式：
- 确定性迭代（Definite Iteration）：你知道确切要重复多少次（例如：FOR 循环）。
- 不确定性迭代（Indefinite Iteration）：重复执行直到某个条件改变为止（例如：WHILE 循环）。

嵌套结构

你可以将一个选择结构放在另一个里面（嵌套选择），或是一个循环放在另一个里面（嵌套迭代）。
类比：想象一个时钟。分针每转动 60 次（内层循环），时针才前进 1 次（外层循环）。

异常处理（Exception Handling）

有时候程序会发生错误（例如尝试除以零）。异常处理允许你的程序“捕捉”这些错误并优雅地解决它，而不是直接崩溃。

6. 子程序与作用域

子程序（subroutine）是你主程序中的一个具名“小程序”。
优点：代码更易读，不需要重复编写相同的逻辑，且更容易测试。

参数与返回值

- 参数（Parameters）：传递进入子程序的资料，供其运算使用。
- 返回值（Return Values）：子程序将运算结果回传给主程序。

全局变量 vs. 局部变量

- 全局变量（Global Variables）：可以在整个程序的任何地方访问。
- 局部变量（Local Variables）：仅存在于创建它的特定子程序内部。

你知道吗？使用局部变量是更良好的实践。这可以防止子程序意外更动到程序其他地方不该碰到的资料！

堆栈框架（Stack Frames）

当计算机调用子程序时，它会使用堆栈框架来追踪各种状态。它会储存：
1. 返回地址（return address）（子程序结束后要回到哪里）。
2. 传递给它的参数。
3. 子程序内部使用的局部变量。

重点回顾

- 过程式程序设计包含序列、选择与迭代。
- DIV 用于整数商；MOD 用于余数。
- 布尔运算顺序：先 NOT，再 AND，最后 OR。
- 子程序有助于整理代码；局部变量能确保安全。
- 堆栈框架是计算机用来记录“调用子程序前所在位置”的方法。