《程序设计基础》课件

程序设计基础程序设计是计算机科学的核心领域之一，它涉及用编程语言创建计算机程序，以实现特定功能学习程序设计基础知识是通向软件开发、数据科学、人工智能等众多领域的敲门砖什么是程序设计

1.指令集程序设计就是用特定的语言编写一系列指令，告诉计算机如何完成特定的任务逻辑这些指令需要遵循一定的逻辑顺序，才能让计算机理解并执行解决方案程序设计是将现实世界的问题转化为计算机可执行的指令，最终解决问题程序设计的基本要素算法数据结构程序语言编程工具程序设计的核心是算法，数据结构是组织和存储数程序语言是程序员与计算编程工具为程序员提供了它定义了程序解决问题的据的模式，它影响着程序机交流的工具，不同的程代码编辑、编译、调试等步骤算法是程序的灵魂的性能和可维护性常用序语言具有不同的语法和功能，简化了程序开发过，决定了程序的效率和准的数据结构包括数组、链特性，选择合适的语言是程，提高了效率确性表、树、图等程序设计成功的关键

3.程序设计的基本过程

1.问题分析首先，需要仔细分析问题，明确程序要解决的任务，并确定输入、输出和处理过程

2.算法设计设计解决问题的具体步骤和方法，并用程序语言描述出来

3.程序编码根据算法设计，将步骤用选定的程序语言编写成代码

4.程序测试运行程序，测试代码的正确性和效率，并进行调试和修改

5.程序维护程序开发完成后，还需要进行维护，以适应新的需求或修复错误程序语言的分类

4.面向过程语言面向对象语言12重点关注程序执行的步骤将程序抽象为对象，通过，通过一系列指令完成任对象之间的交互实现功能务，例如C语言，例如Java和C++脚本语言函数式语言34通常用于快速开发和自动以函数为中心，强调数据化任务，例如Python和不变性，例如Haskell和JavaScript Lisp变量的定义和使用

5.变量命名数据类型变量名要具有描述性，能够不同的数据类型占据不同的反映变量的含义和作用，方内存空间，并支持不同的操便理解程序逻辑作要根据变量的实际用途选择合适的数据类型赋值操作通过赋值语句将数据存储到变量中，为程序提供数据处理的基础数据类型及其特点

6.整型浮点型字符型布尔型整型数据类型用于存储整数浮点型数据类型用于存储实字符型数据类型用于存储单布尔型数据类型用于存储逻，例如

1、

2、3等整型数数，例如

1.

23、

4.56等浮个字符，例如a、b等字辑值，只有两种取值真（据类型根据数值的大小分为点型数据类型根据精度要求符型数据类型通常使用char true）和假（false）布尔不同类型，例如short、int分为不同类型，例如float表示型数据类型通常使用bool、long等、double等表示表达式和赋值语句表达式赋值语句表达式由运算符、操作数和赋值语句用于将表达式的结函数调用组成，用于计算值果存储到变量中，使用等号表达式可以是简单的常量“=”进行赋值，例如a=10，也可以是复杂的运算，例或b=a+5如1+

2、3*

4、a+b或sinx运算符运算符根据其功能可以分为算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、位运算符等运算符的优先级和结合性决定了表达式的计算顺序例如乘法运算符的优先级高于加法运算符顺序结构程序设计指令顺序1从上到下执行线性执行2按顺序完成步骤无分支3直线执行流程顺序结构是最基本、最简单的程序结构它按照程序代码的顺序，从上到下依次执行每条指令，没有分支或循环这就像一条直线，从起点到终点，没有岔路例如，在计算一个简单的算术表达式时，程序会按照运算符的优先级，一步一步地进行计算，最终得到结果选择结构程序设计if-else语句1根据条件判断执行不同代码块switch-case语句2根据表达式值选择执行代码块嵌套选择结构3多个选择结构相互嵌套使用选择结构程序设计允许程序根据不同的条件执行不同的代码块，提高程序灵活性和可读性if-else语句是最基本的结构，根据条件判断执行不同的代码块switch-case语句适用于多个条件判断的情况，根据表达式值选择执行相应的代码块嵌套选择结构可以实现更复杂的判断逻辑，多个选择结构相互嵌套使用，提高程序的逻辑判断能力循环结构程序设计循环结构概述循环嵌套循环结构是程序设计中非常重要的控制结构，允许程序重复执行特定代码循环结构可以嵌套使用，创建更复杂的循环结构，以便处理多层迭代问题块，直到满足特定条件123循环结构种类常见的循环结构包括while循环、do-while循环和for循环，它们在执行方式和应用场景上有所区别函数定义和使用函数定义函数使用函数是一段独立的代码块，用于完成函数定义后可以通过函数名和参数调特定任务函数定义包括函数名、参用，函数执行完成后返回结果数列表和函数体函数可以提高代码复用率，简化程序函数通过关键字“def”定义，后面接结构，便于调试和维护函数名和参数列表，函数体使用缩进表示

12.函数递归编程定义递归函数是指在函数内部调用自身的函数它利用自身调用来解决问题，通常用于处理具有重复子问题的任务结构递归函数通常包含两个关键部分基本情况和递归情况基本情况终止递归，而递归情况则调用自身，逐步缩减问题应用递归编程在处理树形结构、图形算法、排序算法等领域有着广泛的应用，例如快速排序、二叉树遍历等优缺点递归编程简洁易懂，但过度使用会导致性能问题，例如栈溢出和效率低下指针概念及其使用

14.内存地址指针存储变量的内存地址，用于直接访问内存数据内存操作指针允许程序直接操作内存数据，提高效率动态内存分配指针用于动态分配内存空间，根据需要灵活调整内存使用指针概念及其使用内存地址间接访问12指针是一种特殊的变量，通过指针，可以间接访问它存储的是内存地址内存中存储的数据动态内存分配数据结构34指针可以用于动态分配内指针广泛应用于数据结构存空间，以满足程序运行的设计，如链表和树时所需的内存需求结构体定义和应用结构体定义结构体成员访问结构体应用结构体是用户自定义的数据类型，用通过结构体变量名和成员名来访问结例如，可以用结构体来存储学生信息于将不同类型的数据组合在一起构体中的数据成员，包括姓名、学号、成绩等文件的读写操作

16.文件读写是程序与外部数据交互的重要方式打开文件1使用系统提供的函数或类打开文件，并获取文件句柄读写数据2通过文件句柄进行数据的读写操作，将数据读入内存或写入文件关闭文件3释放文件句柄，确保文件操作的完整性和安全性常见的操作包括文件打开、读写、关闭等模块化程序设计代码重用1提高代码效率独立模块2模块之间相互独立易于维护3便于代码修改和更新模块化程序设计是一种将程序分解为多个独立模块的方法，每个模块负责特定功能模块化程序设计可以提高代码的重用性、可读性和可维护性面向对象程序设计数据抽象继承面向对象编程将数据和操作数据的方法封装在一起，形成对象继承允许创建一个新的类，继承现有类的属性和方法，实现代码重用多态封装多态性允许对象根据上下文进行不同的操作，提高代码灵活性封装将对象的内部数据隐藏起来，只暴露必要的方法，提高代和可扩展性码安全性和可维护性类和对象的定义

19.类对象类是对象的模板，定义了对象的属性和方对象是类的实例，拥有类定义的属性和方法，是创建对象的蓝图法，是真实世界中事物的抽象数据成员成员函数对象包含的数据，用于描述对象的状态，对象的行为，用于操作对象的数据，例如例如名称、年龄等移动、计算等继承和多态特性继承多态应用场景子类可以继承父类的属性和方法，促同一个方法可以根据对象类型进行不广泛应用于图形绘制、数据结构、游进代码复用，减少冗余代码同的解释和执行，增强程序灵活性戏开发等领域，提高代码可读性和可维护性异常处理机制

1.异常概念

2.异常处理流程12异常是指程序运行过程中异常处理机制包括捕获、出现的错误或异常情况，处理和恢复异常，以保证会导致程序无法正常执行程序的健壮性和稳定性

3.异常类型

4.异常处理语句34常见异常类型包括算术使用try-catch语句捕获异异常、数组越界、文件操常，使用finally语句执行作异常等清理操作，以确保资源释放算法分析基础算法分析的重要性分析方法算法分析是评估算法效率的关键步骤它可以帮助我们了常用的算法分析方法包括时间复杂度分析和空间复杂度分解算法在不同输入规模下的性能表现，从而选择最优的算析时间复杂度分析主要关注算法执行时间与输入规模之法解决方案间的关系，而空间复杂度分析则主要关注算法执行过程中所需存储空间与输入规模之间的关系时间复杂度分析时间复杂度分析是对算法运行时间随着输入数据规模增长的趋势进行量化评估它以大O符号表示，例如On、On logn、On^2，用于比较算法效率，选择更优算法时间复杂度含义O1常数时间复杂度Olog n对数时间复杂度On线性时间复杂度On logn对数线性时间复杂度On^2平方时间复杂度空间复杂度分析空间复杂度是指算法在运行过程中所占用的内存空间大小，它与算法执行过程中所需要的存储空间量相关空间复杂度是衡量算法效率的一个重要指标，通常用On表示，其中n表示输入数据的规模O1On常数级线性级算法所需的存储空间与输入数据规模无关算法所需的存储空间与输入数据规模成正比Olog nOn^2对数级平方级算法所需的存储空间与输入数据规模的对数算法所需的存储空间与输入数据规模的平方成正比成正比递归算法设计

25.递归的定义1递归算法是一种将问题分解为更小的子问题，然后调用自身来解决这些子问题的算法它通常用于解决树形结构、图结构等数据结构上的问题递归的步骤2递归算法一般包含两个步骤**基本情况**和**递归步骤**基本情况是算法的停止条件，而递归步骤是调用自身来解决更小的子问题递归的应用3递归算法应用广泛，例如求解斐波那契数列、汉诺塔问题、二叉树遍历等

26.排序算法实现排序算法概述排序算法是指将无序的元素序列按一定顺序排列的过程，是计算机科学中基础且重要的算法之一常用排序算法常见的排序算法包括冒泡排序、插入排序、选择排序、归并排序、快速排序等，每种算法都有其优缺点，适用于不同的数据场景算法实现排序算法的实现通常需要使用循环结构和比较操作，并根据排序算法的逻辑进行元素交换或移动算法分析对排序算法进行时间复杂度和空间复杂度分析，可以评估算法的效率和资源消耗查找算法设计

28.线性查找1顺序扫描数据，逐个比较二分查找2有序数据，每次排除一半哈希查找3利用哈希函数，快速定位数据查找算法用于在数据集合中找到特定数据，应用广泛线性查找适用于无序数据，而二分查找要求数据有序哈希查找则通过哈希函数将数据映射到特定位置，实现快速查找数据结构基础树形结构线性结构图结构树形结构以层次化方式组织数据它线性结构以序列方式组织数据，例如图结构以节点和边表示数据之间的关们用于表示层次结构，例如文件系统数组或链表它们用于表示有序数据系它们用于表示网络、社交关系或或组织图表，例如数字列表或字符串交通路线程序调试技巧代码审查调试工具仔细检查代码，查找语法错误、逻辑使用调试器设置断点，逐步执行代码错误和潜在问题，查看变量值，跟踪程序执行流程日志记录测试用例在代码中添加日志语句，记录程序运设计各种测试用例，覆盖不同场景，行过程中的关键信息，帮助定位错误验证程序功能的正确性程序设计规范与风格代码风格代码可读性一致的代码风格提高可读性，方便团队协清晰、简洁的代码提高维护效率，降低错作误率代码注释代码模块化详细注释帮助理解代码逻辑，方便日后维模块化设计降低复杂度，提高代码重用性护和修改。