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1、计算机程序设计基础第一讲 绪论清华大学 郑 莉教材：C+语言程序设计（第4版）第1章C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学目录1.1 计算机程序设计语言的发展1.2 面向对象的方法1.3 面向对象的软件开发1.4 信息的表示与存储1.5 程序的开发过程1.6 小结2C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学计算机程序计算机的工作是用程序来控制的程序是指令的集合。指令是计算机可以识别的命令。31.1 计算机程序设计语言的发展C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.1.1 机器语言与汇编语言由计算机硬件系统可以识别的二进制指令组成的语言称为机器语言。计算机发展的初期，软件工程师们只能用机
2、器语言来编写程序。这一阶段，在人类的自然语言和计算机编程语言之间存在着巨大的鸿沟。汇编语言将机器指令映射为一些可以被人读懂的助记符，如ADD、SUB等。此时编程语言与人类自然语言间的鸿沟略有缩小，但仍与人类的思维相差甚远。因为它的抽象层次太低，程序员需要考虑大量的机器细节。41.1 计算机程序设计语言的发展C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.1.2 高级语言 高级语言屏蔽了机器的细节，提高了语言的抽象层次，程序中可以采用具有一定含义的数据命名和容易理解的执行语句。这使得在书写程序时可以联系到程序所描述的具体事物。51.1 计算机程序设计语言的发展C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华
3、大学1.1.3面向对象的语言出发点：更直接地描述客观世界中存在的事物(对象)以及它们之间的关系。特点：是高级语言。将客观事物看作具有属性和行为的对象。通过抽象找出同一类对象的共同属性和行为，形成类。通过类的继承与多态实现代码重用61.1 计算机程序设计语言的发展C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.1.3 面向对象的语言（续）优点：使程序能够比较直接地反映问题域的本来面目，软件开发人员能够利用人类认识事物所采用的一般思维方法来进行软件开发。71.1 计算机程序设计语言的发展C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.2.1 面向对象方法的由来 面向过程的程序设计方法最早的程序目的：用
4、于数学计算主要工作：设计求解问题的过程缺点：对于庞大、复杂的程序难以开发和维护81.2 面向对象的方法C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学面向过程的结构化程序设计方法设计思路自顶向下、逐步求精。采用模块分解与功能抽象，自顶向下、分而治之。程序结构：按功能划分为若干个基本模块，形成一个树状结构。各模块间的关系尽可能简单，功能上相对独立；每一模块内部均是由顺序、选择和循环三种基本结构组成。其模块化实现的具体方法是使用子程序。91.2 面向对象的方法 - 1.2.1 面向对象方法的由来C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学面向过程的结构化程序设计方法（续）优点：有效地将一个较复杂的程序系统
5、设计任务分解成许多易于控制和处理的子任务，便于开发和维护。101.2 面向对象的方法 - 1.2.1 面向对象方法的由来C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学面向过程的结构化程序设计方法（续）缺点：可重用性差、数据安全性差、难以开发大型软件和图形界面的应用软件把数据和处理数据的过程分离为相互独立的实体。当数据结构改变时，所有相关的处理过程都要进行相应的修改。每一种相对于老问题的新方法都要带来额外的开销。图形用户界面的应用程序，很难用过程来描述和实现，开发和维护也都很困难。111.2 面向对象的方法 - 1.2.1 面向对象方法的由来C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学面向对象的方法将
6、数据及对数据的操作方法封装在一起，作为一个相互依存、不可分离的整体对象。对同类型对象抽象出其共性，形成类。类通过一个简单的外部接口，与外界发生关系。对象与对象之间通过消息进行通信。121.2 面向对象的方法 - 1.2.1 面向对象方法的由来C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学面向对象的方法（续）优点：程序模块间的关系更为简单，程序模块的独立性、数据的安全性就有了良好的保障。通过继承与多态性，可以大大提高程序的可重用性，使得软件的开发和维护都更为方便。131.2 面向对象的方法 - 1.2.1 面向对象方法的由来C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.2.2 面向对象的基本概念对象
7、一般意义上的对象：是现实世界中一个实际存在的事物。可以是有形的（比如一辆汽车），也可以是无形的（比如一项计划）。是构成世界的一个独立单位，具有静态特征：可以用某种数据来描述动态特征：对象所表现的行为或具有的功能141.2 面向对象的方法C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学对象（续）面向对象方法中的对象：是系统中用来描述客观事物的一个实体，它是用来构成系统的一个基本单位。对象由一组属性和一组行为构成。属性：用来描述对象静态特征的数据项。行为：用来描述对象动态特征的操作序列。151.2 面向对象的方法 - 1.2.2 面向对象的基本概念C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学类分类人类通常
8、的思维方法分类所依据的原则抽象忽略事物的非本质特征，只注意那些与当前目标有关的本质特征，从而找出事物的共性，把具有共同性质的事物划分为一类，得出一个抽象的概念。例如，石头、树木、汽车、房屋等都是人们在长期的生产和生活实践中抽象出的概念。161.2 面向对象的方法 - 1.2.2 面向对象的基本概念C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学类（续）面向对象方法中的类具有相同属性和服务的一组对象的集合为属于该类的全部对象提供了抽象的描述，包括属性和行为两个主要部分。类与对象的关系：犹如模具与铸件之间的关系，一个属于某类的对象称为该类的一个实例。171.2 面向对象的方法 - 1.2.2 面向对象的
9、基本概念C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学封装把对象的属性和服务结合成一个独立的系统单元。尽可能隐蔽对象的内部细节。对外形成一个边界（或者说一道屏障），只保留有限的对外接口使之与外部发生联系。181.2 面向对象的方法 - 1.2.2 面向对象的基本概念C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学继承继承对于软件复用有着重要意义，是面向对象技术能够提高软件开发效率的重要原因之一。定义：特殊类的对象拥有其一般类的全部属性与服务，称作特殊类对一般类的继承。例如：将轮船作为一个一般类，客轮便是一个特殊类。191.2 面向对象的方法 - 1.2.2 面向对象的基本概念C+语言程序设计（第4版），
10、郑莉，清华大学多态性多态是指在一般类中定义的属性或行为，被特殊类继承之后，可以具有不同的数据类型或表现出不同的行为。这使得同一个属性或行为在一般类及其各个特殊类中具有不同的语义。例如：数的加法-实数的加法 -复数的加法201.2 面向对象的方法 - 1.2.2 面向对象的基本概念C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学面向对象的软件工程面向对象的软件工程是面向对象方法在软件工程领域的全面应用。它包括:面向对象的分析（OOA）面向对象的设计（OOD）面向对象的编程（OOP）面向对象的测试（OOT）面向对象的软件维护（OOSM）211.3 面向对象的软件开发C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华
11、大学1.3.1 分析系统分析阶段应该扼要精确地抽象出系统必须做什么，但是不关心如何去实现。面向对象的系统分析，直接用问题域中客观存在的事物建立模型中的对象，对单个事物及事物之间的关系，都保留他们的原貌，不做转换，也不打破原有界限而重新组合，因此能够很好地映射客观事物。221.3 面向对象的软件开发C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.3.2 设计针对系统的一个具体实现运用面向对象的方法。其中包括两方面的工作：把OOA模型直接搬到OOD，作为OOD的一部分针对具体实现中的人机界面、数据存储、任务管理等因素补充一些与实现有关的部分。231.3 面向对象的软件开发C+语言程序设计（第4版），
12、郑莉，清华大学1.3.3 编程 OOP工作就是用一种面向对象的编程语言把OOD模型中的每个成分书写出来，是面向对象的软件开发最终落实的重要阶段。241.3 面向对象的软件开发C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.3.4 测试测试的任务是发现软件中的错误。在面向对象的软件测试中继续运用面向对象的概念与原则来组织测试，以对象的类作为基本测试单位，可以更准确地发现程序错误并提高测试效率。251.3 面向对象的软件开发C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.3.5 维护将软件交付使用后，工作并没有完结，还要根据软件的运行情况和用户的需求，不断改进系统。使用面向对象的方法开发的软件，其程序
13、与问题域是一致的，因此，在维护阶段运用面向对象的方法可以大大提高软件维护的效率。261.3 面向对象的软件开发C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学信息的分类 指令 控制信息 控制字 信息 定点数 数值信息 数据信息 浮点数 字符数据 非数值信息 逻辑数据271.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.1 计算机的数字系统计算机采用的是二进制数字系统。基本符号：0、1进位原则：逢二进一优点：易于物理实现二进制数运算简单机器可靠性高通用性强缺点：对人来说可读性差281.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学程序设计中常用的数制291.4
14、信息的表示和存储 - 1.4.2 几种进位记数制之间的转换C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学R 进制十进制各位数字与它的权相乘，其积相加。例如:(11111111.11)2=127+126+125+124 +123+122+121+120+12-1+12-2 =(255.75)10(3506.2)8=383+582+081+680+28-1=(1862.25)10(0.2A)16=216-1+1016-2=(0.1640625)10301.4 信息的表示和存储 - 1.4.2 几种进位记数制之间的转换C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学十进制 R 进制十进制整数转换成R进制的整数
15、“除R取余”法，例如：2 68 余 数 2 34 0 低位 2 17 0 2 8 1 2 4 0 2 2 0 2 1 0 0 1 高位所以 681010001002311.4 信息的表示和存储 - 1.4.2 几种进位记数制之间的转换C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学十进制 R 进制（续）十进制小数转换成R进制小数“乘 R 取整”法，例如： 高位 0.3125 2 = 0 .625 0.625 2 = 1 .25 0.25 2 = 0 .5 0.5 2 = 1 .0所以 0.312510 = 0.01012 321.4 信息的表示和存储 - 1.4.2 几种进位记数制之间的转换C+语言
16、程序设计（第4版），郑莉，清华大学二、八、十六进制的相互转换每位八进制数相当于三位二进制数每位十六进制数相当于四位二进制数(1011010.10)2=(001 011 010 .100)2=(132.4)8(1011010.10)2=(0101 1010 .1000)2=(5A.8)16(F7)16(1111 0111)2(11110111)2331.4 信息的表示和存储 - 1.4.2 几种进位记数制之间的转换C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.3 信息的存储单位位(bit，b)：度量数据的最小单位，表示一位二进制信息。字节(byte，B)：由八位二进制数字组成(1 byte
17、= 8 bit)。千字节 1 KB = 1024 B兆字节 1 MB = 1024 K吉字节 1 GB = 1024 M341.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.4 二进制数的编码表示:原码符号绝对值表示的编码例如：X=+0101011 X原= 0 0101011X=-0101011 X原= 1 0101011 符号位缺点：零的表示不惟一：+0原 =000.0 -0原 =100.0进行四则运算时，符号位须单独处理，且运算规则复杂。351.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.4 二进制数的编码表示:反码正数的反码与原码表示相同
18、。负数的反码与原码有如下关系：符号位相同(仍用1表示)，其余各位取反(0变1，1变0)。例如：X=-1100110 X原 =11100110 X反 =10011001X=+0000000 X原 =00000000 X反 =00000000反码中零的表示也不惟一X=-0000000 X原 =10000000 X反 =11111111反码只是求补码的中间码361.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.4 二进制数的编码表示:补码模数：n位整数(包括一位符号位)，则它的模数为 2n 。 n位小数，小数点前一位为符号位，则它的模数为 2。补数：一个数减去另一个数，或者说
19、一个数加上一个负数，等于第一个数加上第二个数的补数。例： 8+(-2)=8+10 ( mod 12 )一个二进制负数可用其模数与真值做加法 (模减去该数的绝对值) 求得其补码。371.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.4 二进制数的编码表示:补码（续）计算机中的补码表示法负数的补码由该数反码的末位加 1 求得对补码再求补即得到原码补码运算规则符号位可作为数值参加运算减法运算可转换为加法运算：加上一个负数等于加上该数的补码补码运算的结果仍为补码运算结果溢出：负数之和得正数，或正数之和得负数381.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1
20、.4.5 定点数和浮点数计算机中通常采用浮点方式表示小数一个数 N 用浮点形式表示可以写成： N=M2E E表示2的幂，称为数N的阶码。阶码确定了数N的小数点的位置，其位数反映了该浮点数所表示的数的范围。M表示数N的全部有效数字，称为数N的尾数。其位数反映了数据的精度。391.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.6 数的表示范围机器中数的表示范围与数据位数及表示方法有关。一个M位整数(包括一位符号位)：如果采用原码或反码表示法，能表示的最大数为2m-1 -1，最小数为-(2m-1 -1)。若用补码表示，表示范围为-2m-1 2m-1 -1。一个n位定点小数，采
21、用原码或反码表示时，范围为-(1-2-n )(1-2-n )。采用补码表示时，范围为-1 (1-2-n )。浮点数的表示范围，由阶码位数和尾数位数决定。若阶码用r位整数(补码)表示，尾数用n位定点小数(原码)表示，则浮点数范围是：401.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.4.7 非数值信息的表示西文字符：ASCII码：用7位二进制数表示一个字符，最多可以表示27=128个字符EBCDIC码：用8位二进制数表示一个字符，最多可以表示28=256个字符汉字：应用较为广泛的是国家标准信息交换用汉字编码(GB2312-80标准)，简称国标码。是二字节码，用二个七位二进制
22、数编码表示一个汉字。411.4 信息的表示和存储C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.5.1 基本术语源程序：用源语言写的，有待翻译的程序目标程序：也称为结果程序，是源程序通过翻译程序加工以后所生成的程序。翻译程序：是指一个把源程序翻译成等价的目标程序的程序。421.5 程序的开发过程C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学三种不同类型的翻译程序汇编程序：其任务是把用汇编语言写成的源程序，翻译成机器语言形式的目标程序。编译程序：若源程序是用高级程序设计语言所写，经翻译程序加工生成目标程序，那么，该翻译程序就称为编译程序。431.5 程序的开发过程 - 1.5.1 基本术语C+语言程序
23、设计（第4版），郑莉，清华大学三种不同类型的翻译程序（续）解释程序：这也是一种翻译程序，同样是将高级语言源程序翻译成机器指令。它与编译程序不同点就在于：它是边翻译边执行的，即输入一句、翻译一句、 执行一句，直至将整个源程序翻译并执行完毕。441.5 程序的开发过程 - 1.5.1 基本术语C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.5.2 程序的开发过程编辑将源程序输入到计算机中，生成后缀为cpp的磁盘文件。编译将程序的源代码转换为机器语言代码。连接将多个源程序文件以及库中的某些文件连在一起，生成一个后缀为exe的可执行文件。运行调试451.5 程序的开发过程C+语言程序设计（第4版），郑莉，清华大学1.6 小结语言是一套具有语法、词法规则的系统。计算机程序设计语言是计算机可以识别的语言，用于描述解决问题的方法，供计算机阅读和执行。计算机语言可以分为：机器语言、汇编语言、高级语言和面向对象的语言。面向对象的软件工程是面向对象方法在软件工程领域的全面应用。计算机加工的对象是数据信息，而指挥计算机操作的是控制信息。所有的信息在计算机内部都是用二进制数表示的，具体的表示方式根据信息的类型有所不同。46
