9. 程序设计语言笔记

发表于 2025-01-22 分类于计算机知识

1 程序设计语言分类

机器语言
- 特点：直接、高效但可读性差，可移植性差
- 应用：计算机直接识别执行，无需翻译
- 例子：使用二进制指令，如 0000 1000 0001 00000 表示从内存取数等操作
汇编语言（符号语言）
- 特点：使用助记符号代替二进制，一定程度提高了可读性
- 汇编：使用汇编器将汇编语言程序转换为机器语言的过程
- 例子：程序实现两个整数相加，如 LOAD X 表示从内存单元 X 中取数并置于寄存器中
高级语言
- 特点：可读性好，通用性强，独立于特定硬件
- 编译：通过编译器或解释器转换为机器语言或字节码的过程
- 例子与应用领域
  - FORTRAN：主要用于科学计算
  - COBOL：主要用于商业领域
  - C/C++、Python、Java：适应不同应用领域
  - 例子：sum = x + y
发展历程
- 从机器语言到汇编语言，再到高级语言
- 不同阶段语言的发展适应了计算机技术的进步和应用需求的多样化
总结
- 程序设计语言的发展反映了人们对计算机程序可读性、可移植性、以及开发效率需求的提高
- 高级语言的出现极大地促进了软件开发的普及和效率，适应了不同应用领域的需要

2 程序设计过程

编程基本步骤
- 编辑源程序
  - 使用高级语言
  - 文本文件形式，方便阅读和修改
- 翻译源程序
  - 目的：转换为机器语言表示的可执行程序
  - 方法：解释方式和编译方式
解释方式
- 流程
  - 编辑源代码，形成源程序文件
  - 解释器逐条解释并执行语句
- 特点
  - 速度慢，便于观察调试
编译方式
- 流程
  - 编辑源代码，生成源程序文件
  - 编译程序将源程序转换为二进制代码
  - 生成的目标程序可直接执行
- 特点
  - 一次性完成翻译
  - 执行速度快，无需源代码和编辑器
- 扩展功能
  - 高级语言具有不同的扩展功能（如 C++ 为CPP，C 语言为 .c）
翻译工具
- 解释器：针对解释方式
- 编译器：针对编译方式
- 连接器：用于连接编译得到的目标程序和系统库文件
两种方式主要区别
- 编译方式
  - 直接执行目标程序，速度快，不需源代码和编辑器
- 解释方式
  - 需要源代码和解释器，可跨操作系统执行，可移植性好

3 程序设计方法

结构化程序设计
- 定义: 按照层次化、模块化的方法设计程序，提高可读性和可维护性
- 主要思想
  - 程序模块化: 将复杂程序分解成独立功能的模块
  - 语句结构化: 使用顺序结构、选择（分支）结构、循环结构
  - 自顶向下、逐步求精的设计过程: 将复杂问题分解为简单问题，逐步细化
  - 限制转向语句: 比如 goto 语句，应避免滥用，保持程序流程规律
- 优点
  - 易于理解和维护。
  - 提高编程效率，降低开发成本。
- 支持语言
  - 结构化语言: Python、C 语言等。
面向对象程序设计
- 定义: 侧重于通过建立对象及对象间联系来完成计算任务
- 基本概念
  - 对象: 由属性和方法构成
  - 消息: 通过向对象发送消息来触发动作
  - 类: 具有相同属性和方法的对象的抽象
  - 封装: 隐藏实现细节，提供简单接口
  - 继承: 用于描述类之间的共同性质，实现代码重用
  - 多态: 相同操作作用于不同对象产生不同结果
- 优点
  - 具有良好的可读性和可维护性。
  - 实现代码重用，提高编程效率。
- 支持语言
  - 面向对象语言: Java、C++，Python 等

4 程序设计语言基本要素

数据类型(以 Python 为例)
- 基本数据类型
  - 数字类型
    - 整数类型
    - 分数类型
    - 浮点数类型
  - 字符串类型
    - 单引号、双引号表示
    - 包括单行或多行字符串
- 构造数据类型
  - 是用户定义数据类型
  - 由基本数据元素组合而成
数据处理
- 常量和变量
  - 常量：程序执行期间不变的量
  - 变量：存储信息的部分，有名字（变量名）
- 表达式
  - 组成：常量、变量、函数、运算符、括号
  - 功能：通过特定运算算法表达计算式
- 运算符
  - 数值运算符
    - 加法、减法、乘法、除法
    - 计算类型为最宽的类型，数据类型转换关系：整数->浮点数->复数
  - 字符串操作
    - 连接、索引、切片
  - 关系运算符（比较运算符）
    - 比较两个操作数：相等、不等、小于、大于等
  - 逻辑运算符
    - 非（not）运算、与（and）、或(or)，优先级由高到低，结果为逻辑值
输入输出
- 数据输入
  - 使用 input 函数，获取用户输入。输入默认为字符串类型，需转换为所需数据类型
  - 使用 eval 函数，以 python 表达式的方式解析并执行字符串，例如 eval(“1+2”)
- 数据输出
  - 使用 print 函数，输出字符信息或变量值
  - 使用 format 函数，格式化输出，支持占位符
流程控制语句
- 选择结构
  - Python 中提供单分支、二分支和多分支语句
  - if、else、elif 关键字用于条件判断
  - 根据条件选择执行路径
- 循环结构
  - 包括确定次数的循环和非确定次数的循环
  - 确定次数的循环
    - 使用 for 语句，遍历字符串、列表等
  - 非确定次数的循环
    - 使用 while 语句，条件为真时重复执行
函数
- 功能
  - 任务划分，使复杂任务分解为小任务
  - 代码重用，避免重复编写相似代码
- 分类
  - 内置函数与标准库函数
  - 用户自定义函数
- 定义与调用
  - 函数定义：“def 函数名(参数列表): 函数体”
  - 返回值：使用 return 语句返回计算结果
注释
- 目的
  - 提高程序可读性，方便后续修改和维护
- 表示方法
  - 单行注释：以 # 开头
  - 多行注释：使用三引号（‘’’ 或 “”"）包裹，用于较长的说明
  - 没有严格意义上的文档注释
示例程序
- 根据用户输入的百分成绩输出成绩等级
  - 判断条件：成绩大于等于 90、80、70 等
  - 根据成绩范围输出等级（A, B, C 等）
- 统计用户输入的正数个数
  - 使用 “while” 循环，当输入大于0时计数加1
  - 输入非正数时退出循环
总结
- 掌握流程控制语句、函数和注释是编程的基础
- 理解和运用这些基本要素可以有效提高编程效率和代码质量

5 Python 简介及编程环境配置

Python简介
- 发布时间
  - 第一个公开发行版本：1991 年
- 特性
  - 面向对象
  - 解释型语言
  - 自由软件
  - 开源代码
版本信息
- 2.0 系列：已过时
- 3.0 及以后：推荐下载，完全面向对象，代码无法向下兼容
安装与配置
- 下载
  - 根据操作系统选择版本
  - 在官网下载后进行安装
程序运行方式
- 交互式
  - 解释器即时响应用户输入代码
  - 通过命令行工具或 IDLE 启动
- 文件式（批量式）
  - 用户将程序写在文件中
  - 执行文件中的代码
  - 可通过文本编辑器或 IDLE 编写和执行
执行程序的方法
- 命令模式
  - 在命令行工具输入代码
- 图形化环境
  - 使用 IDLE 启动，输入语句并执行
- 文件执行
  - 保存为 .py 文件后在命令行执行
  - 启动 IDLE 进行编写并执行
结论
- 本节简单介绍了 Python 语言及其编程环境的配置和程序执行方式

6 程序设计应用举例

最大公约数的求解
- 算法实现：使用循环语句实现辗转相除法
阶乘的计算
- 方法一：循环语句
  - 描述：通过循环累乘 1 到 N 实现
- 方法二：递归
  - 描述：N 的阶乘 = N*(N-1的阶乘)，底案N=0时，阶乘为 1
  - 实现：定义递归函数实现阶乘计算
计算阶乘和
- 描述：求 1 到 N 各数阶乘的和
- 实现：使用循环语句累加各数阶乘
汉诺塔问题
- 描述：将 N 个不同大小的盘片从 A 柱子移动到 C 柱子，每次只能移动一个盘片，且大盘片不能放在小盘片上面
- 解法：使用递归函数实现