Programming fundamentals

歡迎來到程式編寫基礎！

在本章中，我們將深入探討電腦科學的核心：程式編寫 (Programming)。在這裡，你將學習如何向電腦發出指令以解決問題。你可以把程式設計師想像成編寫食譜的廚師；如果指令清晰且順序正確，成品就會很完美。如果指令一團糟，「蛋糕」（或程式）就不會成功！

如果有些術語起初聽起來像外語，別擔心，我們會將所有內容拆解成簡單易懂的小步驟。

2.2.1 程式碼的建構模組

變數 (Variables) 與常數 (Constants)

當我們編寫程式時，需要儲存數據以便日後使用。我們使用變數和常數來完成這項工作。

類比：想像一個儲物箱。
- 變數 (Variable) 是一個內容可以改變的盒子。例如，遊戲中標記為「分數 (score)」的盒子，它從 0 開始，然後變為 10。
- 常數 (Constant) 是一個一旦放入東西就密封起來的盒子。例如，\( \pi \) 的值 (3.141) 或地球的「重力 (Gravity)」。在程式運行期間，這些值始終保持不變。

賦值 (Assignments)、輸入 (Inputs) 與輸出 (Outputs)

為了使我們的程式具有互動性，我們使用這三種操作：
1. 輸入 (Input)： 從使用者那裡獲取數據（例如：詢問他們的名字）。
2. 輸出 (Output)： 向使用者顯示數據（例如：在螢幕上列印「Hello」）。
3. 賦值 (Assignment)： 使用 = 符號為變數指定一個值。
範例：score = 10（這意味著「變數 score 現在儲存了 10 這個值」）。

程式編寫結構 (Programming Constructs)

程式的執行流程有三種方式，你必須掌握：
- 順序 (Sequence)： 指令按特定的順序逐一執行。
- 選擇 (Selection)： 程式使用 IF 陳述式來做出決策，這就像是路口的分岔。
- 迭代 (Iteration)： 這只是迴圈 (Loops) 的高級說法。我們重複執行程式碼，直到任務完成為止。

快速回顧：
- 計數控制迴圈 (Count-controlled loops)： 重複指定的次數（例如：FOR i = 1 to 10）。
- 條件控制迴圈 (Condition-controlled loops)： 當某個條件為真時重複執行（例如：WHILE lives > 0）。

運算子 (Operators)：編碼中的數學

你需要為了考試認清這些運算子：

算術運算子 (Arithmetic Operators)：

- + (加)
- - (減)
- * (乘)
- / (除)
- ^ (指數 / 冪運算)
- MOD： 除法後的餘數（例如：\( 10 \text{ MOD } 3 = 1 \)）。
- DIV： 除法後的整數商（例如：\( 10 \text{ DIV } 3 = 3 \)）。

比較運算子 (Comparison Operators)：

- == (等於)
- != (不等於)
- < (小於)
- <= (小於或等於)
- > (大於)
- >= (大於或等於)

重點歸納： 程式是通過順序、選擇和迭代建構的。使用變數來儲存會變化的數據，使用常數來儲存不會變化的數據。

2.2.2 數據類型 (Data Types)

每一項數據都有一個「類型」，告訴電腦如何處理該數據。
- 整數 (Integer)： 整數（例如：5, -10, 0）。
- 實數 (Real 或 Float)： 帶有小數點的數字（例如：15.5, -0.01）。
- 布林值 (Boolean)： 只有兩個值：True（真）或 False（假）。
- 字元 (Character)： 單個字母、數字或符號（例如：'A', '!', '3'）。
- 字串 (String)： 一連串的字元組合（例如："Hello World"）。

強制類型轉換 (Casting)

有時我們需要將數據從一種類型轉換為另一種，這稱為強制類型轉換 (Casting)。
範例： 如果使用者輸入「18」，電腦會將其視為字串。為了對它進行數學運算，我們必須將其轉換 (Cast) 為整數。

常見錯誤： 忘記你不能將字串與整數相加！除非你將字串 "5" 轉換為數字 5，否則 "5" + 5 會導致錯誤。

2.2.3 進階程式編寫技術

字串操作 (String Manipulation)

我們主要可以用兩種方式操作字串：
1. 串接 (Concatenation)： 將兩個字串合併在一起（例如："Foot" + "ball" = "Football"）。
2. 切片 (Slicing)： 從字串中截取一段（例如：取 "Computer" 的前三個字母得到 "Com"）。

陣列 (Arrays / Lists)

陣列是一種靜態結構，用於在一個名稱下儲存多個相同數據類型的項目。
- 一維陣列 (1D Array)： 就像單排儲物櫃，每個儲物櫃都有一個索引 (index)（通常從 0 開始）。
- 二維陣列 (2D Array)： 就像表格或試算表，你需要兩個座標（行和列）才能找到一個項目。

記憶小撇步：永遠記住，電腦從 0 開始計數，而不是 1！

檔案處理 (File Handling)

程式通常需要在關閉後儲存數據，我們使用外部檔案來做到這一點：
- 開啟 (Open)： 準備好檔案以供使用。
- 讀取 (Read)： 將檔案中的數據讀入程式。
- 寫入 (Write)： 將數據從程式存入檔案。
- 關閉 (Close)： 儲存更改並確保檔案完整性。

子程式 (Sub Programs)：函數 (Functions) 與程序 (Procedures)

與其重複編寫相同的程式碼 100 次，不如將其封裝在一個子程式中並給它命名。
- 程序 (Procedures)： 執行一項任務。
- 函數 (Functions)： 執行一項任務並將值返回 (RETURN) 給主程式。

作用域 (Scope - 本地與全域)：
- 全域變數 (Global Variables)： 可被整個程式看到並使用。
- 本地變數 (Local Variables)： 僅在建立它們的子程式內部「存活」。使用本地變數能讓程式碼更簡潔並避免錯誤！

結構化查詢語言 (SQL)

SQL 用於搜尋資料庫。你只需要知道三個關鍵字：
- SELECT： 你想要哪些欄位（行）？
- FROM： 你在查看哪個表格？
- WHERE： 條件是什麼？（例如：WHERE Price > 10）

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

你知道嗎？ 你使用的大多數應用程式，如 Instagram 或 Spotify，都使用類似 SQL 的語言在巨大的資料庫中搜尋你的照片或歌曲！

重點歸納： 使用子程式讓你的程式碼「模組化」（拆分為不同部分）。使用 SQL 在表格中尋找特定數據。

總複習

1. 順序、選擇和迭代是程式執行的三種方式。
2. 變數會變；常數不會。
3. MOD 算出餘數，DIV 算出整數商。
4. 強制類型轉換 (Casting) 可改變數據類型（例如：字串轉整數）。
5. 函數有返回值；程序沒有。
6. SQL 使用 SELECT, FROM 和 WHERE 來尋找數據。