知識點整理

計算機的概念

計算機的定義：計算機是根據指令操作數據的設備。

計算機的兩個基本特性：

• 功能性：計算機硬件所依賴的集成電路規模按照摩爾定律以指數方式增長，計算機運行速度也接近幾何級數快速增加，計算機所能高效支撐的功能不斷豐富發展。
• 可編程性：表達計算機可編程性的程序設計語言也在經歷從機器語言、匯編語言到高級語言的發展過程，并逐步朝著更接近自然語言的方向發展。

計算機技術發展的時代性總結為如下四個階段：

1. 第一階段：1946年到1981年，“計算機系統結構階段”，圍繞計算機系統結構設計開展，1946年，以全球首臺數字計算機ENIAC誕生為標志，該階段計算需求催生出執行高效的C語言（1972）。
2. 第二階段：1982年到2007年，“計算機網絡和視窗階段”。1982年，以全球子網間組網的TCP/IP網絡協議的標準化為標志，互聯網時代到來。網絡將不同類型系統互聯互通，催生了在多種操作系統上執行同一程序需求，Java語言誕生（1975），Windows操作系統催生了Visual Basic（1991）等視窗編程語言。
3. 第三階段：2008年至2017年，“復雜信息系統階段”。以安卓開源移動操作系統的發布為起點，一批新的計算機概念和技術同時提出并推動了計算技術的升級：移動互聯網、多核眾核、云計算、可信計算、大數據、物聯網、互聯網+等。Python語言成為這個階段計算機系統的主流編程語言。
4. 第四階段：約20年后未來的某個時期開始，“人工智能階段”。隨著深度學習、開源硬件、智能機器人、在線搜索引擎、量子計算等技術的發展，未來某個時期將會出現人工功能主導計算的技術階段。

程序設計語言

程序設計語言的執行方式包括：編譯執行和解釋執行。

程序設計語言是計算機能夠理解和識別用戶操作意圖的一種交互體系，它按照特定規則組織計算機指令，使計算機能夠自動進行各種運算處理。按照程序設計語言規則組織起來的一組計算機指令稱為計算機程序。程序設計語言也叫編程語言，包含如下三類：機器語言、匯編語言和高級語言。

• 編譯和解釋的區別：編譯是一次性的翻譯，一旦程序被編譯，不再需要編譯程序或源代碼。解釋則在每次程序運行時都需要解釋器和源代碼。
• 編譯方式的優點：對于相同功能的源代碼，編譯所產生的目標代碼執行速度更快。目標代碼不需要編譯器就可以運行，使用更加靈活。
• 解釋方式的優點：解釋執行需要保留源代碼，程序糾錯和維護方便。只要存在解釋器，源代碼可以在任何操作系統上運行，可移植性好。

Python 語言概述

Python語言是一個語法簡潔、跨平臺、可擴展的開源通用腳本語言。

Python是一門被廣泛使用的高級通用腳本編程語言，一些重要特點如下：

• 語法簡潔。實現相同功能，Python語言的代碼行數僅相當于其他語言的1/10~1/5。
• 與平臺無關。作為腳本語言，用該語言編寫的程序可以不經修改地實現跨平臺運行。
• 粘性擴展。Python可以集成C、C++、Java等語言編寫的代碼，通過接口和函數庫的方式將它們“粘起來”。
• 開源理念。Python語言開源的解釋器和函數庫對程序員具有強大的吸引力，故有較高的群眾基礎。
• 通用靈活。作為一個通用編程語言，可用于編寫各領域的應用程序，這為該語法提供了廣闊的應用空間，可用于科學計算、數據處理、人工智能、機器人等領域。
• 強制可讀。Python語言通過強制縮進（類似段落的首行縮進）來體現語句間的邏輯關系，顯著提高了程序的可讀性，進而增加了Python程序的可維護性。
• 支持中文。Python3.x解釋器采用UTF-8編碼表達所有字符信息，處理中文時更加靈活。
• 模式多樣。盡管Python3.x解釋器內部采用面向對象方式實現，但Python語法層面卻同時支持面向對象和面向過程兩種編程方式。
• 類庫豐富。Python解釋器提供了幾百個內置類和函數庫，此外，世界各地程序員通過開源社區貢獻了十幾萬個第三方函數庫，幾乎覆蓋了計算機技術的各個領域，編寫Python程序可以大量利用已有的內置或第三方代碼，具備良好的編程生態。

Python 語言開發環境配置

運行Python程序有兩種方式：文件式和交互式。

程序的基本編寫方法

每個程序都有統一的運算模式，即輸入數據、處理數據和輸出數據，這種樸素運算模式形成了程序的基本編寫方法，即IPO方法（Input、Process、Output）。

輸入是一個程序的開始。程序要處理的數據有多種來源，因此形成了多種輸入方式。包括文件輸入、網絡輸入、控制臺輸入、交互界面輸入、隨機數據輸入、內部參數輸入等。

1. 文件輸入：將文件作為程序輸入來源。獲得文件控制權后，根據文件格式解析內部具體數據。
2. 網絡輸入：將互聯網上的數據作為輸入來源。使用網絡數據需要明確網絡協議和網絡接口。
3. 控制臺輸入：將程序使用者輸入的信息作為輸入來源。
4. 交互界面輸入：通過提供一個圖形交互界面從用戶處獲得輸入來源，鼠標事件、文本框等…
5. 隨機數據輸入：將隨機數作為程序輸入，需要使用特定的隨機數生成器程序。
6. 內部參數輸入：以程序內部定義的初始化變量為輸入，盡管程序看似沒有從外部獲得輸入，但程序執行之前的初始化過程為程序賦予了執行所需的數據。

處理是程序對輸入數據進行計算產生輸出結果的過程。計算問題的處理方法統稱為“算法”，它是程序最重要的組成部分。

輸出是展示運算成果的方式。程序的輸出方式包括控制臺輸出、圖形輸出、文件輸出、網絡輸出、操作系統內部變量輸出等。

1. 控制臺輸出：以計算機屏幕為輸出目標，通過程序運行環境中的命令行打印輸出結果。
2. 圖形輸出：在計算機中啟動獨立的圖形輸出窗口。
3. 文件輸出：以生成新的文件或修改已有文件方式輸出運行結果，這是程序常用的輸出方式。
4. 網絡輸出：以訪問網絡接口方式輸出數據。
5. 操作系統內部變量輸出：指程序將運行結果輸出到系統內部變量中，這些變量包括管道、線程、信號量等。

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練習題

簡答題

人類為何需要計算？

人類在認識自然的過程中，為了認識自然現象、分析自然規律，需要進行量化計算。人類社會對有限資源的分配、對人類活動的有效管理，需要進行優化計算。人類探索思維空間的數學、邏輯和哲學問題，需要推理演算。

計算機一定是電子的？

判斷一個計算設備是否屬于計算機并不靠其制造材質，計算機不一定是電子的。例如，計算機前沿領域的光計算機、量子計算機、超導計算機、生物計算機等新形態計算機都不是建立在電子學基礎上，但都表達了計算機的概念。

你認為學習計算機編程的原因是什么？

1. 編程能夠訓練思維。編程體現了一種抽象交互關系、形式化方法執行的思維模式，稱為“計算思維”，是區別于邏輯思維和實證思維的第三種思維模式。
2. 編程是一個求解問題的過程，首先需要分析問題，抽象內容之間的交互關系，設計利用計算機求解問題的確定性方法，進而通過編寫和調試代碼解決問題，這是從抽象到解決問題的完整過程。
3. 編程能夠增進認識。編寫程序不單是求解計算題，它要求作者不僅要思考解決問題的方法，更要思考如何讓程序有更好的用戶體驗、更高的執行效率和更有趣的展示效果，能夠幫助程序作者加深對用戶行為以及社會和文化的認識。
4. 編程能夠帶來樂趣。編程能夠提供展示自己思想和能力的舞臺，將所思所想變為現實。
5. 編程能夠提高效率。掌握一些編程技術能夠提高工作、生活和學習效率。
6. 編程帶來就業機會。程序員是信息時代最重要的工作崗位之一，國內外對程序員的缺口都在百萬級及以上規模，就業前景廣闊。

你認為 Python 語言有哪些特點？

言之有理即可。

關于程序的基本編寫方法（IPO方法），你如何理解？

言之有理即可。

判斷題

1. 計算機能夠理解人類語言，人類語言適合描述復雜算法，不會產生語義歧義。（×）
2. 高級編程語言相較于低級編程語言更接近自然語言。（√）