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（PDF已上传头歌）

教材

参考书

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N2KRO
  • 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

详细教学安排参见课程主页

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3-4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
• 大模型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，首次提出“软件危机”概念。

Niklaus Wirth (1934-2024)

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：沃斯开发了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

沃斯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·沃斯（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）”。

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

1. 读入两个整数，即被除数和除数
2. 如果除数等于0，则输出除数为0的错误信息
3. 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

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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

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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

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

高级语言设计：性能与易用性的折中

“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。

Ken Thompson (1943–)

Dennis Ritchie (1941–2011)

Thompson and Ritchie working at a PDP-11

汤普森为曾编写了一款电子游戏《太空旅行》，为了在在贝尔实验室一台过时计算机DEC PDP-7上玩这款游戏，他开始为PDP-7开发一个更灵活的操作系统，后来，酷爱这个游戏的里奇加入，二人共同创造了UNIX。 Unix的设计哲学是不与任何特定计算机硬件完全绑定，即硬件无关。

在开发Unix系统的时候， 二人发明了B语言，1971年在将Unix迁移至PDP-11系统时，里奇改进了B语言，这就是C语言，1973年Unix采用C语言完全重写。

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？

• 目标代码中的地址是相对地址，需要链接器将其转换为绝对地址
• 目标代码只包含了程序的一部分，需要链接器将其与库文件链接为真正的可执行程序

4. 开发环境部署

编程环境

• 课程教学采用Ubuntu Linux系统下的C++开发环境
  • 推荐采用WSL（Windows Subsystem for Linux）方式部署
• 开发工具：VSCode

温馨提示

• 本课程不强制要求使用Linux系统，但强烈推荐使用
• 如果部署遇到难题，也可采用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

• 设置DNS
• 离线安装

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

安装VSCode插件

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