C/C++ Programming

For Can

Last Update：2019年1月2日

0. 序言

市面上有很多C/C++专业书籍，但是这些书籍大同小异，对于非计算机专业出身的读者来说，阅读这些书籍不仅乏味、味同嚼蜡，而且难以触及编程的价值、本质与意义。
在使用C/C++进行工程实践的这近四年来，我对编程这件事有了较深的感触与体悟。我认为，一个真正优秀的程序员不仅应当掌握编程语言本身的特性，他（她）还应当对计算机的运行原理有着深刻的认知。
大部分编程书籍使用“自底向上”的结构构建书籍的骨架，但是这一次，我想用“自顶向下”的方法讲述编程这件事。是的，这不是为了让你对一门语言有多么熟悉，这是为了让你明白究竟什么是编程。

1. 数据与运算

计算机，在你面前的这台机器，从本质上来说，它究竟在干什么？
我的想法是，计算机即：

对输入的数据进行运算，并输出数据的数据处理装置

不论是你的智能手机、PC、Mac，还是家里的空调、冰箱、智能音箱，计算机无处不在地在表达着它的本质。

空调：温度传感器输入温度数据，处理器中预先写好的程序定义了运算规则，对输入的温度数据进行运算，得到输出后，控制压缩机的工作；
智能手机：各类传感器——电子陀螺仪、红外传感器、听筒、触控面板等等——给手机的芯片输入数据，经由操作系统的调度和相关程序的运算处理，输出数据，给予用户反馈（视觉、听觉等）。

以上的说法当然比较简单，但是在一定程度上已经说明了计算机所做的事情。
现在，请一定铭记于心这一流程，即取数据，处理数据，输出数据。
再重复一遍，取数据，处理数据，输出数据。
取数据，处理数据，输出数据。

看起来相当简单。

取数据，处理数据，输出数据。

所谓编程，就是处理数据的艺术。

本节问题：

试再举三例，以论证计算机的本质（即如何取数据，处理数据，输出数据）；
如果你有一些编程的经验，请根据下面的程序论证计算机的本质：

#include <iostream>

using namespace std;

int main(){
  double a = 0;
  cout << "Input a number: ";
  cin >> a;
  if(a > 0){
    cout << "You input a positive number." << endl;
  }
  else if(a == 0){
    cout << "You input a zero." << endl;
  }
  else{
    cout << "You input a negative number." << endl;
  }
  return 0;
}

2. 装数据的盒子

计算机很复杂，甚至可以说非常复杂，它至微又至精，速度至极却又精准无误。这一切得以可靠运行的基础就是数据。

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根据上节的内容可知，数据自始至终贯穿于整个计算机运行过程，所以本节，我们将好好聊一聊计算机中的数据。

首先我们需要明确一个观念，即在计算机中，万物皆为数据，万物皆为01。

无论是你的姓名身世，还是成绩绩点，当我们需要使用计算机来处理这些复杂的数据，使其被我们有效地利用起来的时候，它们都在计算机中被存储为数据，准确地说，是变成了”0“和”1“的有序组合。

切记，在你的存储器中，所谓的数据，只是一堆”0“和”1“而已。最重要的是计算机如何”看待“这些数据（很可惜，计算机如何”看待“数据这件事也要我们教它，后面会谈到）。

这就好比我们看书，书中的文字只是符号而已，但是我们人类具有读写的能力，我们能够见文知义。在一堆庞杂的符号中，在一堆动物看来无序的杂乱的笔画中，我们人类可以理解文字，并看到其深层的含义。

正如动物看不懂书，我们人类也看不懂（或者说很难看懂）那些”0“和”1“的含义，但是机器看得明明白白、清清楚楚。

编程这一过程就是人类写下指令，告诉机器该做什么。机器认识的是”0“和”1“，人类易于理解的是自然语言，编程就是编写近似于自然语言的程序，经由编译器编译为01机器码，再交由机器运行。

实话说，计算机很愚蠢、很耿直，就像一个啥也不会的理工科男朋友，你得告诉他这是什么、那是什么，该怎么做，他听明白了才会做得很好。记住，这是非常让人讨厌的一件事，但是计算机就是这么耿直。

接着，就要讲一讲数据的存取。

把存储器想象成一个超级大的衣柜，一层又一层，顺序摆满了各式各样的衣服。

现在你让我帮你取一件衣服，没错，我就是那个耿直男友——计算机。你说取”那一件“，我可不明白是”哪一件“。正确的方法应该是，你得明确地告诉我那件衣服的位置。

在计算机中，那件衣服的位置就变成了那个数据的位置，”那个数据“是个抽象的概念，正如“那件衣服”可以是裙子、T恤、棉袄等等，数据也充满了多样的形式，可以是类、变量、结构体等等。

那个数据的位置也就是我们时常听到的概念——地址。

不过，一个非常有意思的点来了，当我试图告诉计算机，去取那个地址的数据时，这个地址本身也是数据。

万物皆为数据就是这个意思。

正如你跟让我取第3排，第6列的那件毛衣，第3排，第6列这个位置本身也是数据。

计算机的愚蠢和耿直可不止于此，让我再和你说一件更加惊悚的事实——计算机连数字都不认识。

我们时常提到什么double、int、float类型的数据，为什么要定义这么多繁杂的数据类型啊，当然是因为计算机很蠢啦。刚才我们说计算机只认识0、1，是因为它真的只认识0和1这样的“一位一位的东西”。当你告诉他记录数字“-32”的时候，它可就瞬间懵逼了。数据类型的作用就是告诉计算机——你给我取用 $n$ 位，我要把数字-32放在这 $n$ 位里面。

且看下面的语句：

int a = -32;

这句句子含义非常丰富。首先，int类型在现代大多数计算机中占用32位（即4个字节），因此计算机看到这里后，向存储器申请了一块“地”，这块地有4个字节那么大（毕竟地也是有大有小的）；接着，这个变量叫做 $a$ ，因此以后这块地有了个名字，叫做 $a$ ，就像房产本上也有个名字，从此以后，提到 $a$ ，就代表这块地，这里需要注意， $a$ 只是一个符号；最后，这块地里头放的是什么呢，放了个“-32”。

这块名叫 $a$ 的地里面放的是“-32”。

当之后计算机看到或者使用 $a$ 这块土地的时候，它会查询 $a$ 的属性，一查，发现这是一块int类型的土地，所以是大小为4个字节、含有符号的整数，计算机会用这样的方法来解释放在这32位里面的0和1，这才使计算机将其看作-32。可以说，唯有如此，才能将人与计算机对这32位数据解释得出的含义一致。

最后，我们来认识一个操作符：

这是C/C++中的取地址符。

刚才我们说，名叫 $a$ 的地里面放的是“-32”，那这块地在计算机的哪里呢？用这个操作符就可以轻松得到：

&a

我们来看一个例子：

#include <iostream>

using namespace std;

int main(){
	int a = -32;
	cout << a << endl;
	cout << sizeof(a) << endl;
	cout << &a << endl;
	return 0;
}

得到的输出为：

-32
4
011BFD40

这一节的信息量还是比较大的，认真完成习题哦。

本节问题：

解释本节最后的程序；
我们在这一节一直谈到位、字节的概念，请自查并理解相关概念；
回顾二进制的运算、二进制正负数的表示等计算机基础知识，整理汇总相关资料并务必理解。

C++ Tips

int a；
int * const p = &a // 指针常量，*p可以修改*p = 8;（OK） p不可以修改 p++（ERROR）
int a，b；
const int *p = &a；// 常量指针 *p不可修改 *p = 8;（ERROR） p可以修改 p = &b （OK）
const int * const p = &a； // *p 和 p均不可改变

Champagne_Jin

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