第01讲：绪论

《计算机程序设计》

苏醒

计算机学院计算机研究所编译系统研究室

1. 课程介绍

课程概况

课程基本情况
- 学校公共基础选修课（限选课其实是必修）
- 48学时，3学分
- 以C++为教学语言，主要是兼容C的部分

为什么要学习C/C++编程？
- 三大科学研究方法：理论、实验、计算
- 培养计算思维：现代工程学科是专业领域与计算的交叉
- C/C++：进一步理解计算机的底层原理
- 编程的乐趣！

编程的乐趣

创造事物的纯粹乐趣，掌控全局的驾驭感
持续学习与非重复性劳动的快乐

Your are the GOD to computer while programming!

教员箴言

学习编程，既有用，又好玩！

教材与参考书

教材：C++程序设计（第四版）
参考书：Linux C编程一站式学习

温馨提示

点击课件上的链接可以直达目标！

教学平台

头歌平台
- 教学班级邀请码KGVSZ
- 功能：实训、测试与考试

知士荟学习交流社区
- 程序设计课程板块提问、回帖
- 功能：知识问答

课程主页
- https://xsu.quarto.pub/computer-programming/
- 功能：教学计划、幻灯片

温馨提示

课件右下角校徽其实是课程主页传送门 :-D

教学安排

课次	教学模块	课次	教学模块	课次	教学模块
1	绪论	9	指针	17	链表
2	语言基础	10	程序调试	18	综合应用2
3	控制结构	11	数组进阶	19	文件IO
4	控制结构	12	字符串	20	函数进阶
5	输入输出	13	函数参数	21	标准库
6	工具链	14	综合应用1	22	大模型
7	函数初步	15	结构	23	总结复习
8	数组初步	16	联合与枚举	24	答疑

上机安排

上课当天第9-10节，地点同上课教室

翻转课堂

本学期课程设置翻转课堂活动，初步执行方案如下：
- 学员分组，每组4人
- 每次课由一组学员讲解一个内容主题
- 时间8-10分钟，准备材料：PPT、源代码、文稿等
- 讲清组内成员的分工、贡献度

推荐主题（包括但不限于）

知识点精讲（在课堂教学基础上拓展、加深）
算法题目精讲（leetcode等）
解决编译、链接错误的经验
开发工具使用经验（VSCode等开发环境及插件）
程序调试技巧
AI工具在程序设计中的应用

教员箴言

不打无准备之仗，不讲无准备之课！排练！排练！排练！

成绩评定

成绩模块	比例	备注
课堂练习	10%	简短编程练习、翻转课堂表现
实训作业	20%	有严格限时，期末补交有罚分
单元测试	20%	无期中考试，计划5次单元测试
期末考试	50%	闭卷机试，10道编程题

温馨提示

本课程不采用期末考试一票否决制！
单元测试通常安排在上机时间
务必重视平时成绩的积累！

2. 程序设计概述

计算机系统（回顾）

硬件是身体，软件是灵魂！

计算机系统组成

软件的三个组成部分：程序、数据、文档

计算机程序

程序是对计算任务的处理对象和处理规则的描述
- 处理对象：程序要处理的数据，包括数字、文字和图像等，数据组织形式称为数据结构
- 处理规则：施加在数据上的的操作步骤，使用算法描述

名人名言

程序 = 数据结构 + 算法

— Niklaus Wirth

计算机科学史讲堂

Niklaus Wirth，瑞士计算机科学家，ETH教授，瑞士计算机科学主要奠基人之一，1984年图灵奖（首位德语获奖者）、1988年IEEE计算机先驱奖获得者，Pascal/Modula-2/Oberon发明者，在程序设计语言领域建树卓越，坚持简洁优美的设计理念。首次提出“软件危机”概念（也称Wirth定律）。

Niklaus Wirth（尼古拉斯·维尔特，1934-2024）是瑞士计算机科学巨匠，以创造Pascal语言及一系列简洁优雅的编程语言闻名于世。他于2024年1月1日在苏黎世家中因心脏衰竭辞世，享年89岁。

学术之路 Wirth 1934年2月15日生于瑞士温特图尔，父亲是地理学教授。他在苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）获得电子工程学位（1959），随后赴北美深造，先后在加拿大拉瓦尔大学获硕士学位（1960），在加州大学伯克利分校获博士学位（1963），导师是计算机设计先驱 Harry Huskey。

博士毕业后，Wirth 在斯坦福大学计算机科学系任教（1963-1967），参与了 ALGOL 语言的国际标准化工作。1968年，他回到母校 ETH Zurich 任教授，直至1999年退休，期间两次赴施乐帕洛阿尔托研究中心（Xerox PARC）学术休假（1976-77 和 1984-85）。

语言谱系 Wirth 创造了令人叹为观止的编程语言家族，时间跨度长达42年（1965-2007）： - Euler（1965）：博士论文作品，尝试简化 ALGOL-60 - ALGOL-W（1966）：在 IBM 360 上广泛使用的教学语言 - Pascal（1970）：使他名垂青史的结构化编程教学语言 - Modula-2（1979）：引入模块化编程概念 - Oberon（1987）：极致简化的操作系统与语言一体化设计 - Oberon-07（2007）：晚年仍在完善的语言版本

图灵奖与荣誉 1984年，Wirth 因”开发了一系列创新的计算机语言”获颁 ACM 图灵奖（计算机科学界的诺贝尔奖）。他还获得 IEEE 伊曼纽尔·皮奥尔奖、京都奖（2014）等多项荣誉。

1. 模型飞机与简洁哲学 童年时，Wirth 热衷制作和放飞模型飞机。由于预算有限，他被迫设计最简单、最易修复的模型——这段经历深刻影响了他”简洁优于复杂”的计算机设计理念。正如他那句著名格言：

“人们越来越误将复杂性当作精密，这令人困惑——不可理解的东西理应引起怀疑，而非赞赏。”

2. 64岁学飞行的”研究访问” 1998年，64岁的 Wirth 突发奇想要学开真飞机。当时美国参议员、前宇航员约翰·格伦以77岁高龄重返太空，Wirth 受此激励：“既然格伦这年纪能上太空，我也能学飞行”。

他偷偷策划了一次”研究访问”，飞到加州投奔学生 Michael Franz，每天清晨去 Palomar 机场上课，晚上回学生家 dinner。关键是他计划事后才告诉妻子 Diana，因为觉得妻子会认为太危险。结果他成功拿到飞行执照，晚年常驾驶小型运动飞机，甚至曾穿压力服乘坐军用喷气式战机完成了空中翻筋斗（Loop）。

3. Wirth 定律 除了软件成就，Wirth 还提出了与摩尔定律齐名的 Wirth 定律： > “软件变慢的速度比硬件变快的速度更快。”（Software is getting slower more rapidly than hardware becomes faster.）

这一定律至今仍是计算行业的辛辣讽刺。

4. 潜望镜礼物 Wirth 曾送给同事 Carl August Zehnder 一份恶作剧礼物：一个自制的潜望镜。原因是 Zehnder 的办公桌堆满文件，Wirth 体贴地让他能通过潜望镜看到文件堆外的世界。

5. 拒绝商业化的纯粹学者 尽管 Pascal 在商业上巨大成功，Wirth 始终拒绝在公司持股。他将书籍版税全部捐给 ETH 基金以保持学术独立性，并坚持：“ETH 给我的薪水足够体面，这就够了”。他在 ETH 主导开发了 Lilith（1980年，约制造100台）和 Ceres（1991年）工作站，后者经费从 70 万瑞郎精打细算减至 50 万，剩余资金全数归还学校。

6. 语言设计的”仇视” Wirth 以批判 C++ 等过度复杂的语言闻名，认为它们违背了结构化编程的初衷。他的设计语言一脉相承，从 Pascal 到 Oberon，始终追求“足够小以至于能被单人完全理解”的系统。

7. 直至晚年的好奇心 即使退休后，Wirth 仍对量子计算机等新技术保持浓厚兴趣，曾请 ETH 物理学教授专门讲解，最后幽默地承认自己”还是没完全搞懂工作原理”。

Niklaus Wirth 用一生诠释了”少即是多”的工程美学，他的语言影响了从 Ada 到 Java 的无数后继者，其极简主义哲学在当今软件膨胀的时代更显珍贵。

Wirth是计算机科学领域的重要人物，他发明了Pascal语言，是Modula-2和Oberon语言的设计者，他的设计理念影响了后来的编程语言设计。

ALGOL-W：Wirth开发了ALGOL-W，作为ALGOL 60的后继者。它引入了递归过程等特性，提高了代码的效率和可读性
Pascal：1970年开发的Pascal语言，以其简单、清晰和高效而著称。它在计算机科学教育中被广泛使用，并对后续语言如Ada和Delphi产生了深远影响
Modula-2：20世纪80年代开发的Modula-2语言，在Pascal的基础上引入了模块化编程的概念，强调了强类型检查和静态作用域

Wirth在软件工程领域发挥了重要作用，倡导结构化编程和高效的软件设计原则。他的著作《算法+数据结构=程序》（1976年出版）强调了算法和数据结构在程序设计中的关系。

hardware is becoming faster more slowly than software is becoming slower。

尼古拉斯·Wirth（Niklaus Wirth）的名字在发音上有一个著名的梗。他的姓氏“Wirth”在德语中的正确发音类似于“Veert”，但许多美国人在发音时会将其读作“Worth”。这导致了他著名的俏皮话：“在欧洲，人们按名字称呼我（Wirth），但在美国，人们按价值称呼我（Worth）”。

Niklaus Wirth 曾有一个在计算机科学界广为流传的经典双关笑话，巧妙地结合了编程语言的核心概念与他的名字发音差异：

Wirth 的姓氏源自德语，正确发音近似 “Veert”（或 “Wirt”），而英语使用者通常按拼读习惯念成 “Worth”（价值，谐音 “沃斯”）。

当有人问 Wirth 该如何正确发音他的名字时，他回答道：

“If you call me by name, it is ‘Neeklaws Veert’, but if you call me by value, it is ‘Nickle’s Worth’.” （“如果你按名调用我，我是’尼克劳斯·维尔特’；如果你按值调用我，我就是’五分钱的价值’。”）

他后来更精炼地总结为：

“Whereas Europeans generally pronounce my name the right way (‘Ni-klows Wirt’), Americans invariably mangle it into ‘Nick-les Worth’. This is to say that Europeans call me by name, but Americans call me by value.” （“欧洲人正确地按名叫我，而美国人总是按值叫我。”）

这个玩笑的精妙之处在于它借用了编程语言中两种参数传递机制的术语：

Call by name（按名调用）：直接引用实参的名称/标识符（对应德语原音 “Veert”）
Call by value（按值调用）：传递实参的数值副本（对应英语误读 “Worth”，即”价值”）

“Nickle’s Worth”（五分钱的价值）既是对其姓氏的英语谐音误读，又暗指一种”数值”。

多位计算机科学家证实曾在 1970 年代末至 1980 年代的演讲中亲耳听到 Wirth 讲述这个笑话——这对于一位以严肃著称的学者来说，是难得的自我调侃。

软件开发过程

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 28px
---
flowchart LR
  ra[需求分析]
  ad[算法设计]
  ci[程序编码]
  td[测试调试]
  ra --> ad
  ad --> ci
  ci --> td
  td --> ci

需求分析：明确要解决的问题
算法设计：将问题转化为计算机算法
程序编码：用程序设计语言实现算法
测试调试：发现和纠正程序中错误

算法设计

问题：求两个整数的商，若除数为0则向用户报错

文字描述

读入两个整数，即被除数和除数
如果除数等于0，则输出除数为0的错误信息
否则，计算被除数和除数的整商，并输出结果

流程图描述

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 24px
---
flowchart LR
  start(["开始"])
  input[/"读入除数、被除数"/]
  if0{"除数为0"}
  compute["计算整商"]
  output[/"输出整商"/]
  error[/"输出错误"/]
  End(["结束"])
  start --> input
  input --> if0
  if0 -- 否 --> compute
  compute --> output
  if0 -- 是 --> error
  output --> End
  error --> End

  classDef condition height:10,width:20
  class if0 condition

软件开发过程

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 28px
---
flowchart LR
  ra[需求分析]
  ad[算法设计]
  ci[程序编码]
  td[测试调试]
  ra --> ad
  ad --> ci
  ci --> td
  td --> ci

需求分析：明确要解决的问题
算法设计：将问题转化为计算机算法
程序编码：用程序设计语言实现算法
测试调试：发现和纠正程序中错误

程序编码

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 24px
---
flowchart LR
  start(["开始"])
  input[/"读入除数、被除数"/]
  if0{"除数为0"}
  compute["计算整商"]
  output[/"输出整商"/]
  error[/"输出错误"/]
  End(["结束"])
  start --> input
  input --> if0
  if0 -- 否 --> compute
  compute --> output
  if0 -- 是 --> error
  output --> End
  error --> End

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  int dividend, divisor, quotient; //变量声明
  cout << "Please enter the dividend:" << endl;  //提示输入被除数
  cin >> dividend;
  cout << "Please enter the divisor:" << endl;  //提示输入除数
  cin >> divisor;
  if (divisor == 0) {
    cout << "Error: divisor cannot be zero!"<< endl; //输出错误信息
  } else {
    quotient = dividend / divisor; //执行除法
    cout << "Quotient is " << quotient << endl; //输出商
  }
  return 0;
}

程序设计语言

考考你

回顾《大学计算机基础》课程内容，程序设计语言按照抽象层次分为哪些类别？

机器语言

0001 01 00001111
0011 01 00001101
0100 01 00010011

汇编语言

MOV a,R1
ADD b,R1
MOV R1,sum

高级语言

int a = 1;
int b = 2;
int c = a + b;

程序设计的巴别塔

据不完全统计，人类已经发明近9000种程序设计语言！

高级程序设计语言简史（1956–2004）

世界上最好的语言？

高级程序语言活跃度分析平台——TIOBE Index

教员箴言

没有最好，只有最合适！

3. 初识C/C++语言

C/C++语言

1973年，Ken Thompson与Dennis Ritchie在实现UNIX操作系统过程中设计了C语言

1989年，ANSI制定了C语言标准C89
1999年，ISO制定了C99标准
不断更新的C语言标准：C11/17/23

1983年，贝尔实验室Bjarne Stroustrup对C进行改进和扩充，命名为C++

在C语言中引入了面向对象的思想
兼容C语言，可不加修改地使用C语言代码
C++语言标准：C++98/03/11/14/17/20/23/26

C语言：可爱又迷人的反派角色

优势
- 可移植性
- 最小化设计
- 极致的性能
- 高质量的标准库

不足
- 高级语言中最低级
- 学习难、编程难
- 内存安全风险极高
- 社区分散

“C语言诡异离奇，缺陷重重，却获得了巨大的成功”

——《C陷阱与缺陷》

计算机科学史讲堂

Ken Thompson与Dennis Ritchie，贝尔实验室骨灰级游戏玩家，UNIX操作系统与C语言发明者，1983年图灵奖。

Thompson and Ritchie working at a PDP-11

我来为您搜索Ken Thompson和Dennis Ritchie发明C语言的详细历史过程。 Ken Thompson 和 Dennis Ritchie 发明 C 语言的过程，是一段始于游戏、成于系统工程的传奇计算机史。整个过程贯穿 1969–1973 年，与 Unix 操作系统的诞生密不可分。

源起：为了玩游戏而创造 Unix

1969 年，Thompson 和 Ritchie 都在贝尔实验室参与 Multics 项目——一个由 AT&T、MIT 和通用电气联合开发的宏大操作系统。然而 Multics 过于复杂，贝尔实验室于 1969 年决定退出。

Thompson 此前在 Multics 上开发了一个名为 “Space Travel”（太空旅行）的游戏。项目终止后，他舍不得这个游戏，于是背着老板找了一台被遗弃的 PDP-7 迷你计算机（尽管叫”小型机”，仍有一个房间大），打算移植游戏。

但这台 PDP-7 没有操作系统。Thompson 先用一周时间写内核，一周写文件系统，一周写编辑器，一周写编译器，一个月内用汇编语言完成了 Unix 的原型（最初命名为 UNICS，是 Multics 的戏称）。Ritchie 对此表现出浓厚兴趣，主动加入共同完善，两人成为长期合作伙伴。

B 语言的局限

在开发 Unix 的过程中，Thompson 意识到需要比汇编更高级的语言来提高开发效率。他基于 BCPL（由 Martin Richards 开发）创造了 B 语言——一种极简的、无类型（typeless）的解释型语言。

然而，1971 年 DEC 公司推出 PDP-11 计算机，成为 Unix 的主要目标平台。PDP-11 引入了硬件支持的多种数据类型，特别是 8 位字节（byte）和 16 位整数，以及丰富的寻址模式。

B 语言无法有效利用这些硬件特性： - B 是”无类型”的，所有数据都是机器字（word） - 作为解释型语言，运行效率低下 - 无法直接操作字节地址，不适合 PDP-11 的架构

C 语言的诞生（1972–1973）

1972 年，Dennis Ritchie 决定改进 B 语言。他在 B 的基础上引入了关键特性： - 数据类型系统：char、int、float、数组和结构体（struct） - 指针：直接内存地址操作 - 编译型架构：直接生成机器码，而非解释执行

关于命名，由于它是 B 的继任者，且源自 BCPL（Basic Combined Programming Language），Ritchie 取了 BCPL 的第二个字母，命名为 C。

1973 年是决定性的一年：Thompson 和 Ritchie 用新生的 C 语言完全重写了 Unix 内核。这是计算机史上的里程碑——首次用高级语言编写操作系统内核，证明了 C 语言既具备接近汇编的效率，又拥有高级语言的可移植性。

传播与标准化

C 语言随 Unix 迅速传播。1973 年 10 月，两人在 IBM 操作系统原理研讨会上展示 Unix，引起轰动。

1978 年，Brian Kernighan 和 Dennis Ritchie 合著 《The C Programming Language》（被称为 K&R C 或”白皮书”），成为 C 语言的事实标准，影响了几代程序员。

总结时间线

时间	事件
1969	贝尔实验室退出 Multics；Thompson 为 PDP-7 用汇编写出第一版 Unix
1970	Thompson 创造 B 语言（基于 BCPL）
1971	PDP-11 计算机发布；Unix 移植到 PDP-11
1972	Ritchie 发明 C 语言（加入类型系统和指针）
1973	用 C 语言重写 Unix 内核；首次发表 C 语言论文
1978	《The C Programming Language》（K&R）出版

参考 https://www.britannica.com/biography/Kenneth-Lane-Thompson https://www.electronicdesign.com/technologies/embedded/software/article/21798765/thompson-ritchie-and-kernighan-the-fathers-of-c https://www.historyofinformation.com/detail.php?id=872

Hello World!

helloworld.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
// 主函数
int main() {
  cout << "Hello world!\n";
  return 0;
}

庖丁解牛

#include <iostream>：包含外部库，类似于Python的import
using namespace std;：使用标准命名空间，类似于Python的from ... import *
int main()：主函数，C/C++程序的执行入口
- main函数参数列表为空
- main函数返回值类型为整型int
- {}：代码块，不同于python使用缩进界定代码块边界，C/C++使用花括号标记代码块的开始和结束
- return 0;：返回0，表示程序正常结束，若非0则表示发生错误（别问为什么，问就是惯例）
cout << "Hello world!\n";：输出字符串，类似于Python的print('hello world')
//：行注释，编译器将忽略注释内容
;：语句结束符，所有C/C++语句必须以分号结束，多个语句可以写在同一行，一个语句可以分成多个行

C/C++开发过程

编辑：编写源代码
编译：将源代码转换为目标代码（二进制）
链接：将目标代码与库文件链接为可执行文件
调试：发现和纠正程序中错误

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 28px
---
flowchart LR
  编辑 --> 编译 --> 链接 --> 调试
  调试 -.-> 编辑

进入helloworld.cpp所在的目录，编译、链接此程序并运行

$ g++ -c -o helloworld.o helloworld.cpp # 生成目标文件helloworld.o
$ g++ -o helloworld helloworld.o # 链接生成可执行程序helloworld
$ ./helloworld # 运行可执行程序

对于单一文件构成的程序，编译、链接可以合并为一步

$ g++ -o helloworld helloworld.cpp

考考你

目标代码和可执行程序均为二进制程序，它们之间有何区别？

4. 开发环境部署

编程环境

课程教学采用Linux系统下的C++开发环境（二选一）
- MinGW环境（推荐）
- WSL（Windows Subsystem for Linux）环境
开发工具：VSCode/Cursor

温馨提示

Windows下的MinGW开发环境
- 部署指南与软件参考知士荟社区教程

安装WSL

参照官方文档安装WSL

WSL启用后安装Ubuntu

常见问题

如果遇到“无法解析的服务器地址”，可尝试如下方法

安装工具链

启动WSL Ubuntu系统，执行下列命令安装C++开发工具

sudo apt update
sudo apt install binutils gcc g++ gdb make clang-format clangd

安装C++开发工具

安装VSCode

参照官方文档安装VSCode
安装插件
- Remote-SSH
- WSL
- clang-format
- clangd

总结

课后作业

安装开发环境（务必完成）
完成翻转课堂分组，请课代表提交分组信息：组名+成员名单
预习
- 教材第2、3章

计算机程序设计