Programming concepts

歡迎來到程式設計的核心！

在本章中，我們將探討程序化程式設計（procedural programming）的基礎架構。試著將程式想像成一道食譜：你需要準備材料（數據/資料）、操作指示（語句/敘述），以及處理突發狀況的方法（異常處理）。在閱讀完這些筆記後，你將學會如何使用每位程式設計師都必須掌握的基本結構與電腦「對話」。別擔心內容看起來很多——我們將循序漸進，一步步來！

1. 基礎架構：語句類型

在程序化程式設計中，我們會給電腦一系列指令。你需要了解五種主要的語句類型：

關鍵語句類型

1. 變數宣告（Variable Declaration）：這就像是在告訴電腦：「嘿，在記憶體裡留個位置給我存一個值，並把它命名為 'Score'。」
2. 賦值（Assignment）：將數值存入變數中。例如：Score = 10。
3. 選擇（Selection）：進行決策。如果條件成立（True），則執行某件事；否則，執行另一件事（使用 IF 或 CASE 語句）。
4. 迭代（Iteration）：重複執行一段程式碼（使用迴圈）。
5. 子程式（Subroutine）：一個有名字的程式碼區塊，專門執行特定任務。當你需要時，可以隨時「呼叫」它。

輸入與輸出

如果程式無法與你互動，那它就沒什麼用處了！
- 輸出（Output）：在螢幕上顯示資訊。
- 輸入（Input）：透過鍵盤從使用者端獲取資訊。

識別碼名稱與註解

為變數命名時，請使用具備意義的識別碼名稱（meaningful identifier names）。與其將變數命名為 x，不如命名為 user_age。這會讓人類閱讀程式碼時更容易理解！
同樣地，請善用註解（comments）。這些是給人類看的筆記，電腦會自動忽略它們。它們的功能是解釋你為什麼要編寫這段程式碼。

重點複習：
- 使用有意義的名稱（例如：用 totalPrice 而不是 t）。
- 使用註解來解釋複雜邏輯。
- 選擇（Selection） = 做決定。迭代（Iteration） = 重複動作。

2. 算術運算

電腦本質上是非常快速的計算機。你需要熟悉以下運算：

- 加法 (+) 與 減法 (-)。
- 乘法 (*) 與 實數/浮點數除法 (/)：這會給出完整的答案，例如： \( 7 / 2 = 3.5 \)。
- 整數除法 (DIV)：這會告訴你一個數除以另一個數可以包含幾個「完整」的數。例如： \( 7 \text{ DIV } 2 = 3 \)。
- 餘數 (MOD)：這會告訴你除法之後剩下的「餘數」。例如： \( 7 \text{ MOD } 2 = 1 \)。
- 指數運算（冪運算）：將數值進行乘方（例如： \( 2^3 = 8 \)）。
- 四捨五入（Rounding）：將數值調整至最接近的整數或小數位。
- 截斷（Truncation）：直接切除小數部分，不進行四捨五入。

記憶小撇步：
將 MOD 想像成「剩下來的東西」。如果你有 7 個餅乾要分給 2 個人，每人可以拿 3 個（這就是 DIV），最後會剩下 1 個餅乾（這就是 MOD）！

3. 關係運算與布林運算

選擇語句（如 IF）依賴關係運算子（Relational Operators）來進行判斷：

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

布林邏輯（AND, OR, NOT, XOR）

有時候你需要結合多個條件進行判斷。
- AND：兩個部分都必須為真（True）。
- OR：至少有一個部分為真。
- NOT：反轉結果（真變為假，假變為真）。
- XOR（互斥或）：其中一個為真，但不能兩個都為真。

優先順序

當有一連串的邏輯判斷時，電腦會遵循特定的優先順序：
1. NOT（最高優先級）
2. AND
3. OR（最低優先級）

常見誤區：不要誤以為 OR 是互斥的。在程式設計中，如果兩邊條件皆為真，OR 的結果依然為真。如果你想要條件「二選一」，請使用 XOR！

4. 字串處理操作

字串（string）就是一連串的字元（例如 "Hello World"）。你需要知道如何處理它們：

- 長度（Length）：計算字串中有多少字元。
- 位置（Position）：找出特定字元位於哪裡。
- 子字串（Substring）：擷取字串的一部分（例如，從 "Golden" 中取出 "Gold"）。
- 串接（Concatenation）：將兩個字串接在一起（例如，"Foot" + "ball" = "Football"）。
- 字元轉編碼（Character to Code）：找出字元的數值編碼（如 ASCII）。
- 編碼轉字元（Code to Character）：將數值編碼轉回字元。

類型轉換（Casting）

通常你需要變更資料類型才能進行運算。例如，如果你從使用者那裡得到 "10"，它是一個字串，你必須先將它轉換成整數（integer），才能進行數學加法！

5. 進階控制結構

迭代（迴圈）

重複執行程式碼有兩種主要方式：
- 確定性迭代（Definite Iteration）：你知道確切要重複多少次（例如：FOR 迴圈）。
- 不確定性迭代（Indefinite Iteration）：重複執行直到某個條件改變為止（例如：WHILE 迴圈）。

巢狀結構

你可以將一個選擇結構放在另一個裡面（巢狀選擇），或是一個迴圈放在另一個裡面（巢狀迭代）。
類比：想像一個時鐘。分針每轉動 60 次（內層迴圈），時針才前進 1 次（外層迴圈）。

異常處理（Exception Handling）

有時候程式會發生錯誤（例如嘗試除以零）。異常處理允許你的程式「捕捉」這些錯誤並優雅地解決它，而不是直接崩潰。

6. 子程式與作用域

子程式（subroutine）是你主程式中的一個具名「小程式」。
優點：程式碼更易讀，不需要重複編寫相同的邏輯，且更容易測試。

參數與返回值

- 參數（Parameters）：傳遞進入子程式的資料，供其運算使用。
- 返回值（Return Values）：子程式將運算結果回傳給主程式。

全域變數 vs. 區域變數

- 全域變數（Global Variables）：可以在整個程式的任何地方存取。
- 區域變數（Local Variables）：僅存在於建立它的特定子程式內部。

你知道嗎？使用區域變數是更良好的實踐。這可以防止子程式意外更動到程式其他地方不該碰到的資料！

堆疊框架（Stack Frames）

當電腦呼叫子程式時，它會使用堆疊框架來追蹤各種狀態。它會儲存：
1. 返回位址（return address）（子程式結束後要回到哪裡）。
2. 傳遞給它的參數。
3. 子程式內部使用的區域變數。

重點回顧

- 程序化程式設計包含序列、選擇與迭代。
- DIV 用於整數商；MOD 用於餘數。
- 布林運算順序：先 NOT，再 AND，最後 OR。
- 子程式有助於整理程式碼；區域變數能確保安全。
- 堆疊框架是電腦用來記錄「呼叫子程式前所在位置」的方法。