笔记

Lecture 0 - CS50x 2023

笔记

欢迎!

这门课不仅仅是关于计算机编程!
事实上，你将在此学到极具价值的问题解决技巧。这些技巧不仅能立即应用于本课程之外的学习，更能助你一臂之力，在未来的职业生涯中大放异彩！
然而，这并不容易! 在这门课程中，你将会面临海量的信息。你会惊讶于你在未来几周内能够完成的事情。
本课程的重点在于帮助你从现有水平不断进步，而非达到某种既定的标准。
本课程最重要的建议是：请务必安排充足的时间来学习。每个人学习的方式都不同。如果起步阶段遇到困难，请不要灰心。随着时间的推移，你的技能定会不断提升。

后续内容

本周你将学习 Scratch，一种可视化编程语言。

然后，在未来的几周里，你将学习 C 语言。它看起来像这样：

  #include <stdio.h>

  int main(void)
  {
      printf("hello, world\n");
  }

后续课程中，你还将学习算法。
你将学习内存。
你将学习如何识别并修复代码中的缺陷，以及导致计算机崩溃的常见原因。
你将学习诸如哈希表之类的数据结构。
然后，我们将过渡到一种新的、更高级的语言，称为 Python。你的代码看起来像这样：
```
  print("hello, world")
```
通过本课程，你将深入了解现代编程语言从早期语言演变而来的过程。
我们还将研究如何使用数据库和第三方框架来构建 Web 应用程序。

社区!

你将与来自哈佛学院、哈佛推广学院以及通过 edX.org 参与本课程的同学们共同组成一个学习社区。
本课程还会组织解谜日和 CS50 展览会等活动。

计算思维

本质上，计算机编程就是接收输入，产生输出，从而解决问题。而输入和输出之间的过程，也就是我们常说的“黑盒”，正是本课程要重点探讨的内容。
举例来说，我们需要统计班级的出勤情况。可以用“一元计数法”，也就是扳手指头来数。现在的计算机则使用二进制计数。我们常说的“位 (bit)”，就是从“二进制数字 (binary digit)”这个概念衍生出来的。一个“位”要么是 0，要么是 1。
计算机的世界只有 0 和 1。0 代表“关”，1 代表“开”。计算机内部有数百万甚至数十亿个晶体管，它们通过不断地开关来工作。
想象一下，如果用一个灯泡来计数，它只能表示 0 或 1 两种状态。
但是，如果有三个灯泡，就能表示更多的信息了！
使用三个灯泡，以下可以代表零：
```
0 0 0
```
类似地，以下将代表一：
```
0 0 1
```
按照这个逻辑，我们可以提出以下等于二：
```
0 1 0
```
进一步扩展这个逻辑，以下代表三：
```
0 1 1
```
四将显示为：
```
1 0 0
```
事实上，我们只用三个灯泡就可以数到七！
```
1 1 1
```
我们可以这样理解：在二进制数中，每一位上的值代表着不同的权重：
```
4 2 1
```
计算机使用“以 2 为基数”的计数方式，也就是二进制。如下图所示：
```
  2^2  2^1  2^0
  4    2    1
```
所以，需要三个比特位（分别代表 4、2 和 1）才能表示最大为 7 的数字。
计算机通常用 8 个比特位（也就是一个字节）来表示一个数字。例如，00000101 这个二进制数就代表十进制的 5。

文本

正如数字是 1 和 0 的二进制模式一样，字母也用 1 和 0 表示！
由于数字和字母都用 0 和 1 来表示，为了区分它们，就有了 ASCII 编码，将特定的字母对应到特定的数字。
例如，字母 A 被决定映射到数字 65。
例如，你收到一条短信，其底层二进制数据可能对应着 72、73 和 33 这几个数字。将它们转换为 ASCII 码，就会得到如下信息：
```
  H   I   !
  72  73  33
```
多亏有了像 ASCII 这样的标准，我们才能对这些数值达成共识！
这是一个扩展的 ASCII 值图：
如果你愿意，你可以了解更多关于 ASCII 的信息。

表情符号

随着时间的推移，通过文本进行交流的方式越来越多。
由于二进制编码的位数有限，无法表示人类使用的所有字符，因此 Unicode 标准扩展了编码的位数，从而能够表示更多的字符。
你可能每天都在使用表情符号。以下内容你可能很熟悉：
为了让表情符号更具个性化，计算机科学家们希望为每个表情符号添加不同的肤色选项。他们面临的挑战是，如何在现有编码的基础上实现这一点。最终，表情符号的创建者们决定，用一部分编码表示表情符号的基本结构，另一部分编码表示肤色。
越来越多的功能被添加到 Unicode 标准中，以表示更多的字符和表情符号。
如果你愿意，你可以了解更多关于 Unicode 的信息。
如果你愿意，你可以了解更多关于表情符号的信息。

RGB

红色、绿色和蓝色（简称 RGB）是三种颜色的数值组合。
如果我们采用之前用过的数字 72、73 和 33，它们在文本中表示 HI!，但在图像读取器中会被解读为一种浅黄色。其中，红色分量是 72，绿色分量是 73，蓝色分量是 33。

图像、视频和声音

图像本质上是 RGB 值的集合。
视频是由一系列连续的图像组成，这些图像按顺序排列，类似于翻页书。
音乐可以通过 MIDI 数据表示。

算法

解决问题是计算机科学和编程的核心所在。
想象一下，在电话簿中查找单个姓名的基本问题。
你会怎么做呢？
一种方法就是从第一页开始，一页一页地翻，直到最后一页。
另一种方法是每次翻两页。
最后一种可能更好的方法是直接翻到电话簿中间，然后判断：“我要找的名字是在这页之前还是之后？” 接着，重复这个步骤，每次将查找范围缩小一半。
这些方法都可以被称为算法。每种算法的效率可以用所谓的 大O表示法 来衡量，如下所示：
注意，第一个算法（红色高亮显示）的大O复杂度是 n，这意味着如果电话簿里有 100 个名字，最坏情况下需要查找 100 次。第二个算法，每次查找两页，大O复杂度是“n/2”，效率提高了一倍。最后一个算法的大O复杂度是 log2n，也就是说，问题规模翻倍，查找步骤只增加一步。

伪代码和编程的基本构建块

编写伪代码的能力对于在本课程和计算机编程中取得成功至关重要。

伪代码是代码的一种人类可读的版本。例如，考虑到上述第三种算法，我们可以这样编写伪代码：

拿起电话本
翻到电话簿中间
看那一页
如果那个人在这一页上
    给那个人打电话
否则，如果那个人在书的前半部分
    翻到书的左半部分的中间
    返回第3行
否则，如果那个人在书的后半部分
   翻到书的右半部分的中间
   返回第3行
否则
   退出

编写伪代码是一项非常重要的技能，主要有两个原因。首先，在创建正式代码之前编写伪代码，可以帮助你提前理清问题的逻辑。其次，编写伪代码后，你可以将它提供给其他人，帮助他们理解你的编码思路和代码的工作方式。
请注意，我们的伪代码语言有一些独特的特点。首先，其中一些行以动词开头，例如拿起、打开、看等。稍后，我们会将它们称为函数 (functions)。
其次，请注意，有些行包含诸如if或else if之类的语句。这些被称为条件语句 (conditionals)。
第三，请注意，有些表达式可以被陈述为真或假，例如“那个人在书的前面”。我们称这些为布尔表达式 (boolean expressions)。
最后，请注意像“返回第3行”这样的语句。我们称这些为循环 (loops)。
在接下来要讨论的Scratch中，我们将使用上述每个编程的基本构建块。

Scratch

Scratch 是一种由麻省理工学院 (MIT) 开发的可视化编程语言。
Scratch 使用的是我们在本次讲座前面介绍过的那些基本编程构建模块。
Scratch 是学习计算机编程的绝佳入门方式，因为它能让你以可视化的方式操作这些构建模块，而无需操心花括号、分号、圆括号之类的语法问题。
Scratch 的 IDE (集成开发环境) 界面如下所示：
请注意，在左侧，是你在编程时可以使用的各种构建块。在这些构建块的右侧，你可以将它们拖拽到编程区域来搭建程序。在编程区域的右侧，你会看到猫咪所在的舞台。舞台是你的程序运行和呈现效果的地方。
Scratch 使用如下所示的坐标系：
请注意，舞台中心位于坐标 (0,0)，现在猫咪也位于这个位置。
首先，把“当绿旗被点击”积木拖到编程区。然后，再把 say 积木拖过去，和之前的积木连接起来。
请注意，现在点击舞台上的绿旗，猫咪就会说“hello world”。
这很好地解释了我们之前讨论的编程原理：
请注意，输入 hello world 被传递给 say 函数，而该函数运行的副作用就是猫咪说出 hello world。
我们可以让程序更具互动性，让猫咪对特定的人说 hello。按如下方式修改你的程序：
请注意，点击绿旗后，ask 函数开始运行。程序会提示用户输入姓名 ( What's your name? )，并将用户输入的姓名储存在名为 answer 的变量里。接着，程序会将 answer 传递给名为 join 的特殊函数，这个函数会将文本字符串 hello 和用户输入的姓名拼接在一起。然后，拼接好的字符串会被传递给 say 函数，猫咪就会说“Hello, [用户姓名]”。现在，你的程序就具有交互性了。
类似地，我们可以这样修改程序：
请注意，点击绿旗后，这个程序会将同样的变量和 hello 拼接在一起，然后传递给 speak 函数。

抽象

除了伪代码之外，抽象是计算机编程中一项至关重要的技能和概念。
抽象是将一个问题简化为越来越小的问题的行为。
例如，如果您要为朋友举办一个盛大的晚宴，那么准备一整桌菜的难题可能会让人感到无从下手！但是，如果您将烹饪饭菜的任务分解为越来越小的任务（或问题），那么完成这顿美味佳肴的重任就会显得轻松一些。
在编程区，输入以下代码：

请注意，您一遍又一遍地做着同样的事情。事实上，如果您发现自己反复编写相同的语句，那么您很可能可以更巧妙地进行编程——将这种重复的代码抽象出来。

您可以按如下方式修改您的代码：

请注意，循环实现的功能和之前的程序完全一样。但是，通过将重复部分抽象成一个重复执行代码的积木，问题就得到了简化。

我们甚至可以使用 define 积木来更进一步！按如下方式编写代码：
请注意，我们正在定义我们自己的名为 meow 的积木。这个函数会播放 meow 的声音，然后等待一秒。在下面，您可以看到，当单击绿旗时，我们的 meow 函数会重复三次。
我们甚至可以提供一种方法，让函数可以接受输入 n 并重复多次：

请注意，n 是从“meow n times”中获取的。 n 通过 define 积木传递给 meow 函数。
顺便说一句，我们可以将猫称为 sprite——游戏编程中用于屏幕上对象或角色的通用术语，玩家将与之交互。

If

条件语句是编程的基本组成部分，程序会检查是否满足特定条件。如果满足条件，程序会执行某些操作。
为了说明条件语句，请按如下方式编写代码：

请注意，forever 积木会不断重复执行，持续检查猫是否碰到了鼠标指针。
我们可以这样修改程序，来加入视频感应功能：
请记住，编程通常是一个反复试验的过程。如果您感到沮丧，不妨冷静下来，仔细分析一下当前的问题。您现在正在处理的具体问题是什么？什么在起作用？什么不起作用？

Expanding Your Imagination

在本次讲座中，我们展示了一些Scratch程序，旨在激发大家的想象力。
Oscartime 是 David 自己的 Scratch 程序之一 —— 虽然创作过程中，为了这段音乐，他听了无数遍，现在可能都有点怕了。不妨花点时间亲自体验一下这个游戏。
要自己动手制作Oscartime，首先要添加一个路灯。
然后，按如下方式编写代码：
注意，当鼠标悬停在Oscar角色上时，他的造型会发生变化。点击此链接，可以查看更多代码细节：
接下来，按照下面的方法修改代码，创建一个下落的垃圾。
注意，垃圾在Y轴上的初始位置是180，X轴的位置是随机的。当垃圾高于地面时，每次会向下移动3个像素。点击此链接，可以查看更多代码细节：[]
接下来，修改代码，让垃圾可以被拖动。
点击此链接，可以查看更多代码细节：
接下来，我们可以按如下方式实现评分变量：
点击此链接，可以查看更多代码细节：