【目錄】程式設計

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概論

‧程式語言簡介 - Introduction of Programming Language
‧直譯與編譯 - Interpretation and Compilation
‧控制流程敘述 - Control Flow Statement
‧變數是什麼 - What is Variable?
‧函式是什麼 - What is Function?
‧陣列是什麼 - What is Array?
‧指標是什麼 - What is Pointer?


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【語言】指標是什麼 - What is Pointer?

　　在前面的文章中，我們已經瞭解到變數是什麼。而在這裡，我們要特別把一種特殊的變數獨立出來解釋。這種特殊的變數，就是所謂的指標(pointer)。

　　首先，我們知道：每一個變數都具有一個唯一的記憶體位址，以及一個變數的值。而所謂的指標，就代表其變數值所儲存的，是某個變數的記憶體位址。




　　那麼，指標有什麼用處呢？

　　或許你還記得，在先前我們曾經提到過的「陣列」。其實，陣列就是指標的一個實現。在使用陣列時，我們所使用的陣列名稱，實際上就是一個指標變數。

　　而這個指標所指向的，就是這一群陣列元素的最前端。而陣列的索引值則代表的是指標的偏移，也就是指標所指位置後的第幾個元素。


　　除此之外，指標也能夠在某些特定的資料結構(data structure)中，扮演控制存取資料元素，或是連結記憶體的角色。

　　例如在我曾經提過的堆疊、佇列、與連結串列中，指標都具有相當大的功用。


　　儘管指標如此便利，但也因此帶來一些不必要的問題。例如：我們可能會因為不當的指標偏移，使得程式不正確的覆蓋掉記憶體所存的值。即使是程式經驗的老手，也可能會因為指標的誤用，導致難以發現的程式錯誤。

　　也就因為如此，在某些程式語言(例如 Java)中，指標就被廢除、為其他方法所替代了。

【語言】陣列是什麼 - What is Array?

　　在前幾篇文章中，我們已經介紹過變數了。但是，假設現在出現了這種情況：現在班上有 30 個人，而你想要寫一個程式，記錄班上所有人的期中考成績，並計算出全班總平均。

　　於是，你可能會這麼寫：

input score1;
input score2;
input score3;
......
......
input score30;

average = score1 + score2 + score3 + ... + score30;

　　喔，這樣的程式看起來真討厭！

　　若是現在班上不只 30 個人，而是 300 個人，你就得重複寫 300 次這種類似 "input scoreX" 這種敘述。無論對於撰寫或是閱讀而言，這種情況都是相當麻煩的一件事。

　　不過，我們可以利用陣列(array)來解決這個問題。


　　陣列所代表的是一串佔用連續記憶體的變數集合。我們可以只利用一個名稱(陣列名稱)來表示這些變數，以省去大量變數命名的麻煩。

　　而在存取時，我們只需要透過指定索引(index)值的方式，就可以取得陣列中的某個元素。換句話說，在某些情況下我們也可以利用迴圈(loop)，來對整個陣列的元素進行處理。

　　例如，上面期中考成績的程式，我們可以利用陣列改寫成這樣：

for (i = 1 to 30)
{
    input score[i];
    total = total + score[i];
}

average = total / 30;

　　由上面可以看到，我們可以直接利用 for 迴圈來依次取得使用者的輸入，並根據索引值 i 存進適當的陣列元素中，同時計算出全班的分數總和以得出平均分數。這樣的寫法是不是簡潔、俐落多了呢？


　　接下來，情況改變一下。若是你現在要記錄的不止是全班期中考成績，而是全年級 15 個班(假設人數皆為 30 人)的期中考成績，那麼該怎麼做呢？

　　別想得那麼難！其實我們只需要將 score 改成一個「陣列的陣列」，也就是一個二維陣列(two-dimensional array)就可以了：

for (i = 1 to 15)
{
    for (j = 1 to 30)
    {
        input score[i][j];
        total[i] = total[i] + score[i][j];
    }

    average[i] = total[i] / 30;
}

　　外圍的 for 迴圈用來控制代表「班級」的索引值 i，內層的 for 迴圈用來控制代表「座號」的索引值 j。於是，我們便可以利用 score[i][j] 來存取 i 班 j 號同學的成績了。


　　那麼，要記錄全校 3 個年級的學生成績呢？要記錄全區域 10 所學校的學生成績呢？當然，你也可以建立出三維、四維等多維陣列，它們的想法都是差不多的。

【語言】控制流程敘述 - Control Flow Statement

　　對於程式語言而言，敘述通常被認為是一支程式的最小組成單位。例如簡單的指派(assignment) x = 5 或是斷言(assertion) a < b 都屬於一個敘述。


　　不過，其實程式語言總歸而言只具有三種敘述結構，被稱為控制流程(control flow)敘述。分別為循序(sequence)結構、條件(condition，或稱 selection)結構、與重複(iteration，或稱 repetition)結構。

　　循序結構相當直覺且簡單。由字面上解釋，即代表程式以由上而下、有順序性的方式一個敘述接著一個敘述執行。例如：

print "這是第一行，程式會先執行這裏";
print "這是第二行，我會在第一行執行之後執行";
print "這是第三行，我會在第二行執行之後執行";

　　條件結構則是代表程式在執行時，會依據條件值來改變程式執行的順序。當滿足條件時，會執行某一敘述區塊，若條件不滿足時，則執行另一敘述區塊。例如常見的 if 與 switch 敘述：

input a, b;
if (a > b)
{
    print "a 大於 b";
}
else if (a < b)
{
    print "a 小於 b";
}
else
{
    print "a 等於 b";
}

input select;
switch (select)
{
    case 1:
        print "你選了選項 1";

    case 2:
        print "你選了選項 2";

    case 3:
        print "你選了選項 3";

    default:
        print "你選了 1~3 以外的選項";
}

　　至於重複結構，就是指反覆執行程式中的某一敘述區塊，直到符合某項條件(利用條件結構)為止。常見的重複結構則分為前測式迴圈(pre-test loop)、後測式迴圈(post-test loop)、與計數式迴圈(count-controlled loop)三種。

　　前測式迴圈是先測試條件。若條件為真，才執行敘述區塊。當敘述區塊執行完畢後，會再回到測試條件重新測試。若條件仍成立，則再一次執行敘述區塊。如此週而復始下去，直到條件不成立為止。例如常見的 while loop 敘述：

input a, b;
while (a > b)
{
    print a;
    a = a + 1;
}

　　後測式迴圈與前測式迴圈類似。唯一的不同點為：其會先執行敘述區塊一次，然後再測試條件。若條件為真，則重複執行，直到條件不成立才會離開迴圈。因此，迴圈內的敘述至少會被執行一次。例如常見的 do-while loop 敘述：

input a, b;
do
{
    print a;
    a = a + 1;
} while (a > b);

　　而計數式迴圈則不同於兩者。其會利用一個計數器(counter)來記錄迴圈執行的次數，以用於可預測執行次數的情況。例如常見的 for loop 敘述：

input n;
for (i = 1 to n)
{
    print i;
}

　　其實，除了這三種結構之外，還有一個可以進行無條件跳躍的 goto 敘述。

　　所謂的無條件跳躍指令，指的是無條件將程式執行的順序改變，跳到指定的地方繼續執行。它不像前面提到的迴圈或選擇敘述必須經過判斷，才能決定程式執行的順序，因此威力非常的強大。

　　這樣的指令看似方便，卻容易造成程式難以閱讀，也難以除錯。例如：

label:
......
......
goto label;
......
......
goto label;
......
......
goto label;

　　因為這樣子的寫法，我們並不能夠清楚的知道：此時究竟是由哪一個 goto 跳到 label 的。所以一般來說，goto 這類無條件跳躍指令是不太被建議使用的。

【語言】函式是什麼 - What is Function?

　　開發程式時，或許在程式很小的情況，把所有功能通通寫在一個同區塊(block)中是一個可行的方法。但是，一旦程式的規模越變越大，若仍舊將所有內容都寫在一個區塊中，將會導致程式變得難以除錯與閱讀。



　　讓我們舉個例來說明，假設在某個程式中，你需要將幾個變數(variable)做初始化的動作。如以下所示：

score = 0;
life = 3;
item = 50;
win = false;
pause = false;

　　而且，或許你在整個程式中不只要作一次類似的動作：

......
......
score = 0;
life = 3;
item = 50;
win = false;
pause = false;
......
......
score = 0;
life = 3;
item = 50;
win = false;
pause = false;
......
......
score = 0;
life = 3;
item = 50;
win = false;
pause = false;
......
......

　　如此一來，程式不但看起來相當冗長，而且一旦程式有任何錯誤或是更動(例如，我們現在要將 "life = 3" 改成 "life = 5")，就需要一一將每個相同的部分做修改。萬一在修改時又有疏失，對於程式的維護與除錯來說，都是相當不方便的。

　　為了解決這種問題，我們可以將重複性高，或是邏輯概念類似的部分分離成一個函式(function)，並在需要的地方呼叫(call)函式以執行函式內容。




　　函式又稱為副程式(subroutine)，概念有點類似於數學上的「函數」，代表的是一串程式區段的集合。例如上面我們所提到的例子，就可以利用函式改寫成這樣：

function initialize()
{
    score = 0;
    life = 3;
    item = 50;
    win = false;
    pause = false;
}

......
......
initialize();
......
......
initialize();
......
......
initialize();
......
......

　　首先，我們可以看到，一個基本的函式包含兩個部份：函式的名稱與主體。其中，"initialize"是這個函式的名稱。由上面的例子我們可以知道：當我們要執行一個函式時，是需要透過其名稱來做呼叫的。而函式主體，理所當然就是函式所包含的程式區段了。


　　除此之外，我們也可以傳入一些資料到函式裡。

　　例如現在有一個方程式 f(x) = 3x² - 6x + 1，則利用函式可以這麼寫：

function f(x)
{
    return 3 * x * x - 6 * x + 1;
}

print f(5);

　　在這裡，x 稱之一個為參數(parameter)，在意義上有點類似數學中代入函數的數值：我們可以在呼叫函式的同時，傳入適當的參數(變數或是常數)，來得到代入之後的結果。

　　當然，在得出運算的結果之後，我們還必須把這個結果傳回去。而這個傳回的結果，我們稱之為返回(return)值。而在這個例子中，f() 函式的返回值就是 x 代入 3x² - 6x + 1 之後得出的結果。


　　經過以上這些說明，我們可以知道：善加利用函式的方式，程式也會因此變得比較好維護。因為一旦程式有錯誤或是更動，我們不需要再一一更改所有相同的部份，只需要修改函式中的程式碼就可以了。

　　與之前提過的變數相同，函式的使用與規範也隨著程式語言而有所不同。因此大部分的細節這裡並不多提，讓我們留待之後再做解釋。

【語言】變數是什麼 - What is Variable?

　　變數(variable)是什麼？從字面上解釋，變數就是「可變的數」，也就是其值可以隨著時間而改變。假如用更精確的說法來解釋，程式設計上的變數，代表的就是一個擁有名稱的記憶體儲存空間。


　　或許你曾經在計算機概論，或是電腦原理的相關書籍中讀到過。我們可以將電腦的記憶體想像成一個一個小格子(cell)。其中的每一個格子都由 8 個存放著 0 或 1 的位元(bit)組成，稱之為一個位元組(byte)。

　　當然了，為了能夠對每一個記憶體空間進行儲存及存取的動作，因此每一個格子也都擁有一個絕對且唯一的地址(address)。



　　在機器語言或是組合語言這些低階語言中，我們可以直接利用記憶體的地址進行儲存及存取的動作。然而在高階語言的觀念，基於程式設計師撰寫與閱讀的方便上，我們並不希望如此(不管怎麼說，要記憶各個值的存放地址實在是太不直覺了)。

　　取而代之的，我們會給這些需要使用的記憶體空間一個「名字」，使我們能夠直接利用這個名字，對其所對應的記憶體進行操作。而這個擁有名字的記憶體，也就是所謂的「變數」了。

　　但是，不同類型的資料，例如表示字元(character)的變數與表示整數(integer)的變數，所使用到的記憶體空間大小可能就不盡相同。為了有效利用記憶體空間，也就有了各種不同的資料型態(data type)。

　　至於有哪些不同的資料型態，實際上是根據不同程式語言而有所差異的。所以關於變數，剩下的內容就留待介紹各種程式語言時再做說明了。

【語言】直譯與編譯 - Interpretation and Compilation

　　之前，我們提到過高階語言(high-level language)須經由轉換的動作，將原始的程式碼「翻譯」成機器看得懂的二進位機器碼。一般而言，我們可以因這種轉換的動作的不同，將程式語言分為編譯式語言(compiled language)和直譯式語言(interpreted language)兩種。


　　編譯式語言(如 C、C++、Pascal、Delphi 等)利用編譯器(compiler)針對原始程式先進行分析(analysis)以及前置處理(preprocess)的動作，並檢查程式中是否存在文法錯誤之後，再將之全部轉換為某種中介的目標語言(target language)，稱之為目的檔(object file)。

　　將原始碼轉換為目的檔之後，我們還需要經由連結器(linker)連結一個或多個目的檔與外部函式庫(library)，轉換成機器碼以形成可執行檔(executable file)。此後除非程式有所更改，否則不需要再次進行編譯的動作，便可以直接利用可執行檔執行使用了。


　　而直譯式語言(如 VB、Python、REBOL、Ruby 等)相對於編譯式語言，其執行前並不會產生任何目的檔或是可執行檔，而是在執行當中才利用直譯器(interpreter)將執行到的區塊進行解析（parse），再執行對應的機器碼。因此，其執行效率相較於編譯式語言是比較低的。


　　讓我們將高階語言比喻為英文、機器語言比喻為中文，以「演講」為範例描述兩種方式的區別。

　　若是一名演講者有一份英文的演說稿，但是必須以我們聽得懂的中文(假設我們只聽得懂中文)進行演說，則以「編譯」的方式，這名演講者必須先將整篇文章讀過，且全部翻譯成中文的演說稿(意義近似於前面提到的「可執行檔」)。此後，除非演講的內容改變，無論演講者作幾次演說，他都不需要將演講稿重新翻譯。因為他已經有中文的演說稿了！

　　而若以「直譯」的方式，這名演講者在演講前，並不會對這篇演講稿進行任何翻譯的動作。而是在實際演講時，才逐步翻譯目前演講到的內容。所以，這名演講者每次進行演說時，都需要將演講稿重新翻譯一次。


　　由以上這些，我們可以知道：由於編譯式語言需要一次將原始碼全部「翻譯」，因此會先花上較長的時間進行編譯的動作。而直譯式語言則因為執行時才將原始碼進行轉換，因此實際上的執行效率相較於編譯式語言是比較低的。

　　（對直譯的理解有誤，舉例不適當。感謝網友 mitnick 指正。）


　　當然，除了編譯式語言與直譯式語言之外，近來也出現了介於兩者之間的「混合式語言(hybrid language)」，例如著名的 Java 與 C#。

　　其原理為先將原始程式碼「編譯」成其虛擬機器(virtual machine，VM)的「機器語言」(這裡指的是虛擬機器的機器語言，不是實際上的機器語言)。等到要執行程式時，其再藉由虛擬機器「直譯」這些虛擬機器碼。理所當然的，這種程式語言的執行效率也就落在直譯式語言與編譯式語言之間。

　　然而，在某些主流平台(例如 x86)上，程式在第一次執行時可以透過即時編譯(just-in-time compilation，JIT)的方式，編譯成其所在平台的機器碼。經過這個步驟，其執行速度是可以相當於、甚至是優於編譯式語言的。(感謝網友 kgame 補充，mitnick 指正。)


　　而不論是編譯式語言、直譯式語言、還是混合式語言，都各擁有其優點與缺點。至於孰優孰劣，就只能視情況、見仁見智囉。

【語言】程式語言簡介 - Introduction of Programming Language

　　語言(language)，時常是人與人之間賴以溝通的橋樑。正如日常生活中，三五好友間的哈拉閒聊、講台上教授的口述講解、或是我現在寫出來的這一篇文章，都是利用語言做為「你」與「我」之間，互相溝通、交流的管道。

　　同樣的，在電腦蓬勃發展的現代，我們也需要有一種方式，能夠與電腦做「溝通」，讓電腦能夠理解並遵循使用者的命令，以完成某些特定的「任務」。而程式語言(programming language)便是這種人與電腦溝通的「媒介」。


　　由於電腦其實只「看得懂」二進位(binary)數字(0 跟 1)。因此，在早期，程式設計師都是使用一連串 0 跟 1 所組成的機器語言(machine language)來撰寫程式。舉例來說：假設 "0010" 代表「相加(add)」，則 "0010 0001 0110" 這樣的一串指令，就表示著「把記憶體位置 0001 的值加上 6 (0110₂)」。

　　雖然因為這種方式是電腦可以直接理解的，所以使用機器語言撰寫的程式執行效率相當的高；但是，也正因為這串指令對人而言是如此的難以理解，且相當容易出錯。因此對人而言，使用機器語言來寫程式是相當費力的。


　　為了改善機器語言的缺點，組合語言(assembly language)誕生了。組合語言將機器語言的二進位指令，以一對一的方式轉換成簡單的符號或是英文的簡寫，使得指令更容易被人所記憶。於是，我們可以直接使用類似 "ADD 1 6" 的指令，來達成與前面提到的機器碼同樣的動作。

　　而在執行之前，只需要透過組譯器(assembler)將組合語言轉換為機器語言，電腦就看得懂了。雖然因為經過轉換的動作，組合語言的程式執行效率會比機器語言來的差一些，但是程式也因此變得好懂、好寫許多。


　　縱使如此，組合語言對一般人而言還是難以學習。而且，機器語言與組合語言都有一個缺點，就是他們都是「依賴於機器的(machine dependent)」。換句話說，可能你的機器語言(組合語言)程式移到別的機器上，它就不能執行了！

　　因此，相對於機器語言和組合語言這類低階語言(low-level language)，高階語言(high-level language)出現了。(對電腦科學來說，高階與低階僅用於表達其「接近機器的程度」，並無優劣褒貶之意。)包含了常見的 BASIC、Pascal、Fortran、C、C++、Java 等等。


　　高階語言不像低階語言，其採用較接近人類所使用的自然語言(natural language)，以人較容易閱讀理解的文法規則來編寫程式。雖然高階語言比起低階語言執行速度較慢，但是也因此減少了許多程式的學習難度與開發時間。

　　而且，高階語言在不同的平台上，都可以藉由不同平台上的編譯器(compiler)或直譯器(interpreter)被轉換為適當的機器語言，使得程式不再只因轉移平台，就需要將程式全部重新撰寫的情形。




　　自從高階語言出現以來，許許多多不同的程式概念與寫法不斷被提出、修正、改良。直到現今，仍然有許多代表著不同想法的高階語言不斷被創造出來。程式設計學術之盛，由此可見一斑。