C++语言程序设计 清华大学 郑莉

第一章绪论清华大学郑莉C++语言程序设计本章主要内容计算机程序设计语言的发展面向对象的方法面向对象的软件开发信息的表示与存储程序的开发过程计算机程序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。计算机语言的发展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。计算机语言的发展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涵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。计算机语言的发展面向对象的语言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计算机语言的发展面向对象的语言优点：使程序能够比较直接地反问题域的本来面目，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。计算机语言的发展程序设计方法的发展历程——面向过程的程序设计方法程序的目的：用于数学计算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面向对象的方法程序设计方法的发展历程——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。面向对象的方法程序设计方法的发展历程——面向过程的结构化程序设计方法优点：有效地将一个较复杂的程序系统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。面向对象的方法程序设计方法的发展历程——面向过程的结构化程序设计方法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。面向对象的方法程序设计方法的发展历程——面向对象的方法将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讯。面向对象的方法程序设计方法的发展历程——面向对象的方法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。面向对象的方法面向对象的基本概念——对象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面向对象的方法面向对象的基本概念——对象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。面向对象的方法面向对象的基本概念——类分类——人类通常的思维方法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。面向对象的方法面向对象的基本概念——类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。面向对象的方法面向对象的基本概念——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。面向对象的方法面向对象的基本概念——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。面向对象的方法面向对象的基本概念——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-复数的加法面向对象的方法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）面向对象的软件开发系统分析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。面向对象的软件开发设计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。面向对象的软件开发编程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。面向对象的软件开发测试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，可以更准确的发现程序错误并提高测试效率。面向对象的软件开发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。面向对象的软件开发信息的表示和存储信息的分类计算机的数字系统程序设计中常用的数制不同进位计数制间的转换信息的存储单位二进制数的编码表示小数的表示方法非数值信息的表示信息的分类┌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┤└逻辑数据信息的表示与存储计算机的数字系统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：对人来说可读性差信息的表示与存储程序设计中常用的数制信息的表示与存储进制基数进位原则基本符号二进制2逢2进10,1八进制8逢8进10,1,2,3,4,5,6,7十进制10逢10进10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,十六进制16逢16进10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F不同进位计数制间的转换——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=1*27+1*26+1*25+1*24+1*23+1*22+1*21+1*20+1*2-1+1*2-2=(255.75)10(3506.2)8=3*83+5*82+0*81+6*80+2*8-1=(1862.25)10(0.2A)16=2*16-1+10*16-2=(0.1640625)10信息的表示与存储不同进位计数制间的转换——十进制→R进制十进制整数转换成R进制的整数“除R取余”法，例如：268余数234┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄0低位217┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄028┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄124┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄022┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄021┄┄┄┄┄┄┄┄┄00┄┄┄┄┄┄┄┄┄1高位所以6810＝10001002信息的表示与存储不同进位计数制间的转换——十进制→R进制十进制小数转换成R进制小数“乘R取整”法，例如：高位0.3125×2=0.6250.625×2=1.250.25×2=0.50.5×2=1.0所以0.312510=0.01012信息的表示与存储不同进位计数制间的转换——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=(001011010.100)2=(132.4)8(1011010.10)2=(01011010.1000)2=(5A.8)16(F7)16＝(11110111)2＝(11110111)2信息的表示与存储信息的存储单位位(bit)：度量数据的最小单位，表示一位二进制信息。字节(byte)：由八位二进制数字组成(1byte=8bit)。K字节1K=1024byteM字节1M=1024KG字节1G=1024M信息的表示与存储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=00101011X=-0101011[X]原=10101011符号位缺点：–零的表示不唯一：[+0]原=000...0[-0]原=100...0–进行四则运算时，符号位需单独处理，且运算规则复杂。信息的表示与存储二进制数的编码表示:反码正数的反码与原码表示相同。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唯一X=-0000000[X]原=10000000[X]反=11111111反码只是求补码的中间码信息的表示与存储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(mod12)–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。信息的表示与存储二进制数的编码表示:补码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，或正数之和得负数信息的表示与存储小数的表示方法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=M×2E–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。信息的表示与存储非数值信息的表示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，用二个七位二进制数