第1章 程式設計的方法

本書的目的在於帶你象電腦科學家一樣思考。這種思考方式集數學、工程及自然科學之大成。象數學家一樣，電腦科學家使用形式語言表達他們的思想（特別是計算學）。象工程師一樣，電腦科學家進行設計，將元件組裝成系統，從備選方案中權衡利弊。象科學家一樣，電腦科學家觀察複雜系統的行為，形成假說，並對預言進行檢驗。

對電腦科學家來說，最為重要的技能是解決問題。解決問題意味著提出問題、創造性地思考解決方案並清晰地、精確地表述解決方案。事實證明，學習程式設計的過程對於實踐解決問題的技巧是個極佳的機遇。這就是本章為何稱作“程式設計的方法”。

一方面，將學習程式設計，這本身就是一種技能。另一方面，將把程式設計當作達到目標的手段。隨著深入，目標會變得愈加清晰。

1.1 Python程式語言

Python是本書要講述的程式語言。Python是高階語言的一例；或許也曾聽說過其他的高階語言，如C、C++、Perl和Java等。

低階語言有時也被稱為“機器語言”或者“組合語言”。一般來說，計算機只能執行用低階語言編寫的程式。因此，用高階語言編寫的程式在執行前需要進行處理。這一額外的處理過程會花費一些時間，這是高階語言小的缺點。

優點是多數的。首先，使用高階語言更容易程式設計。用高階語言編寫程式時，編寫佔用的時間較少，程式更短，更易於閱讀，而且它們的正確度更高。其次，高階語言是可移植的，這意味這它們稍作甚至不做修改就可在不同種類的計算機上執行。低階程式僅能在一種計算機上執行，為了在其他的計算機執行，不得不重新編寫。

基於這些優點，大部分的程式都用高階語言編寫。低階語言只用作一些特定的應用中。

兩種將高階語言處理成低階語言的程式是：直譯器和編譯器。直譯器讀取高階語言程式並進行執行，也就是說程式叫它做什麼它就做什麼。它一次只處理程式的一點，交替地讀取程式碼行和執行運算。直譯器的結構如圖1.1所示。

圖1.1 直譯器一次只處理程式的一點，交替地讀取程式碼行和執行運算

編譯器讀取程式並在程式開始執行前將其完全翻譯。在這種模式中，高階程式也被稱為原始碼，翻譯後的程式稱為目的碼或者可執行程式碼。一旦編譯了程式，可以重複地執行而無需再翻譯。編譯器的結構圖1.2所示。

圖1.2 編譯器將原始碼翻譯成可被硬體執行器執行的目的碼

因為Python程式由直譯器執行，Python被認為是一種解釋性語言。使用直譯器有兩種方法：互動式和指令碼式。在互動式中，鍵入Python程式，直譯器顯示結果：

>>> 1 + 1
2

符號>>>是直譯器的提示符，用來標明它已就緒。如果鍵入1 + 1，直譯器回答2。

另外，可以將程式碼儲存在檔案中，再使用直譯器來執行檔案的內容，這樣的檔案也被稱為指令碼。依照慣例，Python指令碼的檔名以.py結尾。

要執行指令碼，需要告訴直譯器指令碼檔案的名稱。如果指令碼的名稱是dinsdale.py，工作在UNIX命令列視窗中，應該鍵入python dinsdale.py。在其他的開發環境中，執行指令碼的細節各異。對於自己的環境，可以在Python網站http://python.org查詢相應的指令。

在互動式中，因為鍵入後即可執行，所以便於測試小段程式碼。但對於多行的，應該將程式碼儲存作指令碼，以便日後的修改和執行。

1.2 程式是什麼？

程式是規範化如何執行計算的指令序列。計算可以數學的，諸如求解等式或者找出多項式的根之類，但也可以是符號計算，比如查詢和替換文件中的文字或者（最奇怪的是）編譯程式。

其細節因語言不同而不同，但在每種語言中，一些基本的指令都會出現：

• 輸入：從鍵盤、檔案或者其他裝置獲取資料。
• 輸出：在螢幕上顯示資料或者將資料傳送到檔案或者其他裝置。
• 運算：執行基本的數學運算如加和乘。
• 條件執行：檢查某種條件並執行相應的程式碼。
• 重複：重複地執行某些動作，通常使用一些變數。

信不信由你，這些是所有的語言都有的。曾經使用過的每個程式，無論其是否複雜，都由以上這些構成指令。因此，可以將程式看作是將大的、複雜的任務，分解為越來越小的子任務，直到這些子任務足夠簡單以基本的指令方式執行。

也許有點模糊，但討論到演算法時將重回這一主題。

1.3 除錯是什麼？

程式是容易出錯的。出於古怪的原因，程式的錯誤被稱為缺陷（bug），而且修正它們的過程被稱為除錯（debug）。

在一個程式中會發生三類錯誤：語法錯誤、執行錯誤以及語義錯誤。為了快速地解決問題，區分它們是有益的。

1.3.1 語法錯誤

Python只在程式的語法正確時才執行它；否則，直譯器顯示出出錯資訊。語法指的是程式的結構以及關於這種結構的規則。比如，括號必須成對匹配，如(1 + 2)是合法的，但8)就是一個語法錯誤。

在英語中，讀者可能容忍大部分的語法錯誤，這就是我們為何可以讀卡明斯的詩歌而沒有吐出錯誤資訊的原因。Python不會如此寬巨集大量。只要程式中出現語法錯誤，不論它出現在何處，Python都將顯示出錯資訊並退出，而且不能執行該程式。初出茅廬的程式設計人員，可能要花費大量的時間去解決語法錯誤。隨著經驗的增長，幾乎很少出錯而且找出它們也更快。

1.3.2 執行時錯誤

第二類錯誤是執行時錯誤，如此稱呼是因為此類錯誤直到程式啟動執行時才出現。此類錯誤也被稱為異常。因為它們通常暗示發生了一些意料之外（而且是不好的）的事情。

執行時錯誤在本書開頭幾章的簡單程式中很少出現，遇到它們還要稍等片刻。

1.3.3 語義錯誤

第三類錯誤是語義錯誤。如果程式中有語義錯誤，就計算機不產生任何出錯資訊的意義上而言，它可以成功執行，但沒有做該做的事。它做了另一些。特別地，它沒有按要求的做。

問題在於已編寫的程式不是要想寫的程式。程式的含義（它的語義）是錯誤的。標識語義錯誤可能棘手些，因為它需要回溯程式的輸出並盡力找出所做的。

1.3.4 除錯的經驗

您所要具有的最重要的技能是除錯。雖然除錯可能令人沮喪，但它是最理性、最具挑戰性，也是程式設計時最有趣的一部分。

在某種意義上，除錯有點像偵破工作。要處理證據，要推斷導致所見結果的過程及事件。

除錯也如科學實驗。一旦有了關於如何出錯的思路，將修改程式並重試。如果假設是正確的，可以預測修改的結果，將逐步邁向可行的程式。如果假設是錯誤的，需要用一個新的替換它。如夏洛克•福爾摩斯（Sherlock Holmes）所言：“當排除掉所有的不可能，無論剩下什麼，也無論多麼不可能，必定是真相。”（A. Conan Doyle, The Sign of Four）

對有些人而言，程式設計和除錯是同一件事。也就是說，程式設計是逐漸除錯程式直到它確實是所要的。在程式設計開始應抱有這樣的理念：程式處理一點並做小的修改，隨著深入，對它們進行除錯。這樣才能擁有可行的程式。

例如，Linux是一種包括成千上萬程式碼行的作業系統，但它開始時只是Linus Torvalds用來利用Intel 80386晶片的簡單程式。據Larry Greenfield說：“Linus早期的專案之一是在列印AAAA和BBBB之間進行切換的程式。它後來才演化成Linux。”（The Linux Users’ Guide Beta Version 1）

後續的章節將對除錯和其他的程式設計活動給出更多的建議。

1.4 形式語言與自然語言

自然語言是人們日常用的語言，如英語、西班牙語和法語。它們不是人們設計的（雖然人們試圖給它們附加了一定的秩序）；它們自然地演進。

形式語言是由人們為特定的應用而設計的語言。例如，數學家使用的符號就是一種形式語言，在表達數字和字元之間的關係方面是它的特長。化學家使用形式語言表達分子的化學結構。並且最重要的是：

程式語言是設計用來表示計算的形式語言。

形式語言通常有著嚴格的語法規則。例如，3 + 3 = 6是語法正確的數學語句，但3 + = 3 $ 6不是。H₂O是正確的化學式，但₂Zz不是。

語法規則有兩種型別，標記和結構。標記是基本的語言元素，如詞、數字和化學元素等等。對於3 + = 3 $ 6問題之一是$在數學中不是合法的標記（至少目前如此）。類似地，₂Zz也不合法，因為沒有縮寫為Zz的元素。

語法規則的第二種型別是語句的結構。也就是說，安排標記的方式。語句3 + = 3是非法的，因為即使+和=是合法的標記，但不能一個緊跟在另一個後面。類似地，在化學式中下標出現在元素名稱之後，而不是之前。

習題 1 用英語寫出一個結構良好的句子，其中要含有無效的標記。接著另一個句子，其中含有的標記都有效但結構無效。

在閱讀英語中的句子或者形式語言中的語句時，要理解語句的結構是怎樣的（雖然在自然語言中，通常潛意識的這樣做）。這個過程稱為解析。

例如，當聽到句子：“The penny dropped”（“終於明白了”），“the penny”應該理解為主語，“dropped”是謂語。一旦解析完語句，就能理解它的意思，或者說語句的語義。假如理解了“penny”的含義和“drop”的含義，就會理解該句通常的含義。

雖然形式語言和自然語言有許多共同的特徵——標記、結構、語法和語義，但也有些不同。

二義性。自然語言充滿了二義性，它是人們用語境和其他資訊表達的。形式語言被設計得幾乎或者完全無二義性，這意味這任何語句僅有一個意思，且不必考慮語境。

冗餘性。為了彌補二義性並減少誤解，自然語言使用了大量的冗餘。結果是，它們常常囉囉嗦嗦。形式語言很少冗餘而更加精確。

無修飾性。自然語言充滿了習慣用語和比喻。如果我說：“The penny dropped”，可能沒有硬幣而且也沒有掉落（這一習慣用語意思是終於明白了）。形式語言說的是什麼就是什麼。

人們說著自然語言長大——每個人——通常對自然語言的適應要經過一個艱難的過程。在某些方式上，形式語言和自然語言的不同與詩歌和散文的不同有些相似，但有著更多的不同。

詩歌。用詞表音也表意，並且詩歌整體上表現效果或者反映情感。二義性不僅是常見的，而且常常是故意的。

散文。詞語的文學意義更重要，結構更多是在表意方面。散文比詩歌更易於分析，但常常還是有二義性。

程式。計算機程式的意義是非二義性的和字面上的。通過分析標記和結構完全可以理解其意義。

這對閱讀程式也有所暗示。首先，要記住形式語言比自然語言更稠密，因此對懂它們要花更長的時間。而且，結構非常重要，因此從上到下、從左到右的閱讀通常不是好主意。相反，要學會在頭腦中解析程式，識別出標記，解釋出結構。最後，細節更重要。小的拼寫和發音錯誤，在自然語言中矇混過關，但在形式語言中有很大的不同。

1.5 第一個程式

使用新語言編寫的第一個程式通常稱為：“Hello, World!”，因為它所做的只是顯示：“Hello, World!”。在Python中，寫作：

print 'Hello, World!'

這是輸出語句的一個例子，它實際上不列印在紙面上。而是將值顯示在螢幕上。本例的輸出是：

Hello, World!

程式中的引號引在要顯示的文字的開頭和結尾；它們不出現在結果中。

在Python 3中，輸出的語法稍有不同。

print('Hello, World!')

括號表明print是個函式。在第3章將對函式進行介紹。

本書的剩餘部分，將使用第一種輸出語句。如果使用Python 3時，需要轉換。但除此之外，不必擔心有什麼不同。

1.6 除錯

在計算機面前閱讀本書是個好主意，這樣可以邊讀邊試本書的例子。多數示例以互動的模式執行，但如果把程式碼放在指令碼中，更容易嘗試不同的。

不管何時體驗新功能，都應該嘗試犯錯誤。例如，在“Hello, world!”程式，如果遺漏了一個引號會怎樣？如果兩個呢？如果拼錯了print會怎樣？

這類試驗有助於記住閱讀的內容；也可以求助於除錯，因為知道了錯誤訊息的含義。最好現在就故意犯個錯，這不同於以後或者偶然的錯誤。

程式設計，特別是除錯，有時顯示出強烈的感情色彩。如果在處理一個有難度的bug，可能會感到憤怒、沮喪或者尷尬。

有證據表明，人們對計算機自然的反應是把它們當人看。在它們執行得很好時，可以把它們看作是隊友；當它們固執和粗魯的時候，對它們的反應與對待粗魯、固執的人的方式相同（Reeves和Nass合著的The Media Equation: How People Treat Computers, Television, and New Media Like Real People and Places）。

對這些反應的準備，可能有助於處理它們。一種方法是把計算機看作是具有某種能力的員工，如速度和精確的能力，以及特殊的弱點，如缺乏同情心和無法掌控大局。

你的職責是當好管理員：找到揚長避短的方法。找到使用情感解決問題的方法，不讓你的反應干擾你有效處理的能力。

學習除錯可能令人沮喪的，但它是有價值的技巧，而它在程式設計之外的許多活動中也很有用。在每章結束，都有除錯的章節，如本章這樣，其中包含除錯的思想。希望它們有幫助！

1.7 詞彙表

問題的解決：確切地闡述問題、尋找解決方案以及確定解決方案的過程。

高階語言：像Python一樣被設計成易於閱讀和編寫的程式語言。

低階語言：被設計成易於計算機執行的程式語言；也稱為“機器語言”或者“組合語言”。

相容性：程式可以執行在多種計算機上的特性。

解釋：在高階語言中，通過將其逐行翻譯的方式，來執行程式。

編譯：將高階語言編寫的程式一次性全部翻譯為低階語言，而以後的執行做準備。

原始碼：在編譯前，用高階語言編寫的程式。

目的碼：在翻譯程式後，編譯器的輸出。

可執行：目的碼的另一個名稱，對執行已做好了準備。

提示符：有直譯器顯示的字元，表明已做好準備接收使用者的輸入。

指令碼：儲存在檔案中的程式（通常是將被解釋的）。

互動模式：通過在提示符處輸入命令和表示式，使用Python直譯器的方式。

指令碼模式：使用Python直譯器讀取和執行指令碼中語句的方式。

程式：規定了計算的指令集合。

演算法：為解決某類問題的一般過程。

bug：程式中的錯誤。

除錯：發現和移除所有的類程式錯誤的過程。

語法：程式的結構。

語法錯誤：程式中不可解析（因此也不可解釋）的錯誤。

異常：在程式執行時，發現的錯誤。

語義：程式的意義。

語義錯誤：程式中按照自己方式而不是程式設計人員意圖出現的錯誤。

自然語言：人們所言的自然演進的任何一種語言。

形式語言：為特定目的設計的任何一種語言。此類特定目的如表達數學思想和計算機程式。所有的程式語言都是形式語言。

標記：程式語法結構中的基本元素之一，與自然語言中的字類似。

解析：檢查程式並分析語法結構。

輸出語句：使Python直譯器在螢幕上輸出值的指令。

1.8 習題

習題 2 使用web瀏覽器訪問Python網站http://python.org/。它含有關於Python的資訊和與Python相關的頁面連結，並且也提供對Python文件的搜尋。

例如，如果在搜尋框中輸入print，第一個出現的連結是輸出語句的文件。從某種意義上說，不是每個都對你有幫助，但知道在何處是有益的。

習題 3 開啟Python直譯器，輸入help()來啟動聯機幫助工具。或者也可以輸入help('print')以獲取關於輸出語句的資訊。

如果本例無效，或許要安裝額外的Python文件或者設定環境變數；此細節依賴於你的作業系統和Python版本。

習題 4 開啟Python直譯器，把它用作計算器。對於數學運算Python的語法幾乎和標準的數學符號相同。例如，符號+、-和/和你所料的一樣分別表示加、減和除。乘的符號是*。

如果43分30秒跑了10千米，每英里的平均時間是多少？平均速度是每小時多少英里？（提示：1英里=1.61千米）。