CS100 Recitation 1

Grateful acknowledgment to GKxx for his outstanding efforts on CS100.

GKxx

TA Members

李超凡 lichf1@shanghaitech.edu.cn

  • 2022 SI100B Fall SP TA
  • 2023 SI100B Fall SP head TA & 2023 Fall SIST outstanding TA
  • 2024 SI100B Spring EE headTA & 2024 Spring SIST outstandingTA
  • IGEM2023top10&金奖，全国大学生电子设计大赛二等奖，21级娄鑫导师组组长，社会实践队长，科道书院团总支副书记，篮球俱乐部副社长，Sertraline乐队主唱、吉他手，四级压线王，六级耐考王，知乎盐选会员，B站大会员，网易云黑金会员

TA teams

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目录

  • 开始
  • 编译、运行一个 C 程序
  • 初识函数
  • scanf 和 printf
  • 算术类型

开始

为什么要学“任何东西”？

为什么要学 C/C++ ？

  • 为什么要学微积分/离散数学/XXXX/......？

为什么要学“任何东西”？

为什么要学 C/C++ ？

  • 为什么要学微积分/离散数学/XXXX/......？

重走一个学科/领域从无到有的发现历程

  • 理解学科中的基本思想、基本方法、里程碑、走过的弯路
  • 锻炼学习的能力
  • 应用、创新、革命 ......

怎样学好这门课

关键：把课件、课本等资料上的示例代码独立地实现一遍

  • 作业也会有很多直接来自于课件（包括习题课）的题目
    • 看懂、掌握基本的知识
    • （尝试）独立地实现
    • 对比课件上的写法，有什么区别？哪种更好？
  • 仅仅做到能“看懂”是不够的，只有独立实现才能内化为自己的知识。
    • 学数学也是如此。

关于学术诚信

我们采取相对宽松的规则。

  • 简单题、教学题不查重，鼓励模仿和借鉴好的写法、好的思路。
    • 部分题目会设置与 TA 的线下 check 。
  • 允许帮别人 debug 。
  • 鼓励使用 AI 工具辅助学习，比如让 ChatGPT/Copilot 帮你解释代码。
    • 注意谨慎求证。
  • 但是禁止直接抄袭来自他人、网络、 AI 生成的代码。

About TA's responsibilities...

  • You can ask TAs to:

    • 帮你看看你代码可能存在的问题
    • 帮助你理解课程内容
    • ...

  • TAs can refuse you to:

    • 给AI生成的代码Debug
    • 咨询请假事务和其他事务
    • 在ddl之前提供你正确的代码
    • 延长作业ddl

环境配置

环境配置

  • Option 1 : Code editor + Compiler
    • Code editor代码编辑器: VS Code
    • Compiler编译器: MinGW(Minimal GNU for Windows) is suggested for Windows users.
  • Option 2 : IDE(Integrated Development Environment)集成开发环境
    • CLion, Virtual Studio...

如果你刚刚开始，建议使用“VS Code”，因为它通常可以满足你作为初学者的所有需求。
随着项目的增长和任务的变得更加复杂，您可能需要考虑在工具链中添加一个IDE，因为它们可以帮助您完成一些非常具有挑战性的日常任务。

Review

introduction to C/C++

  • C/C++和Python有什么不同
  • 如何运行一个C语言程序？

Review

introduction to C/C++

  • C/C++编译（Compile）
  • Python解释（Inteprete）

编译语言和解释语言

20240923020319

编译语言和解释语言

  • 编译性语言会更有效率
  • 解释性语言会更有灵活性（跨平台）

编译语言和解释语言

编译性语言会更有效率

  • C语言会把程序在编译的时候编译成二进制执行文件(.exe/.o)
  • 为了方便有时候程序员会把万行代码拆成几百份小文件(.c/.h)
    • 几百个源代码文件可以编译为几百个二进制执行文件(.o)
    • 修改一行代码不需要编译所有的代码，只用编译那一行代码所在的一个文件

编译语言和解释语言

解释性语言会更有灵活性

  • java和python的源文件会在它们被运行的时候被解释成字节码

20240923124212

编译语言和解释语言

解释性语言会更有灵活性

  • java和python的源文件会在它们被运行的时候被解释成字节码
  • 字节码是与平台无关的指令

20240923124212

编译、运行一个 C 程序

编译 、 运行一个C程序

假设我们现在有一个文件 "hello.c".

  • Firstly, we compile it.
    • Command: gcc hello.c -o hello
      • -o" 即为指定输出文件的名字
      • 如果没有-o，文件名就默认为"a"
    • 编译之后，可执行文件被生成
      • On Windows, it will be named "hello.exe".
      • On Linux/MacOS, it will be named "hello".

编译、运行一个C程序

Now we have got the compiled file "hello.exe" or "hello".

  • Secondly, we run it.
    • Command: Linux/MacOS ./hello; Windows: .\hello
    • 当然你也可以双击它，但它会“一闪而过”。（因为运行结束后窗口就会关闭）

编译、运行一个C程序

We should type gcc hello.c -o hello and ./hello in the terminal（终端） to compile and run.

  • 终端是一个CLI（命令行界面），允许您与操作系统通信。
  • 您必须要求操作系统为您运行可执行文件。

在 VSCode/CLion 的终端中执行以上指令

  • VSCode: ctrl+` 开启终端，默认 working directory 为当前打开的文件夹。

  • CLion: 最下面 "Terminal"/“终端”，或 Alt+F12

可以先 cd 到方便的位置（如果需要的话）

环境变量 PATH

当你执行 gcc hello.c -o hello 的时候，你唤醒的 gcc 是你安装在某处的 gcc (Linux/Mac) / gcc.exe (Windows)

例如，Windows 上的 D:\mingw64\bin\gcc.exe

终端如何认识到你想找的 gcc 是 D:\mingw64\bin\gcc.exe？

环境变量 PATH

当你执行 gcc hello.c -o hello 的时候，你唤醒的 gcc 是你安装在某处的 gcc (Linux/Mac) / gcc.exe (Windows)

例如，Windows 上的 D:\mingw64\bin\gcc.exe

终端如何认识到你想找的 gcc 是 D:\mingw64\bin\gcc.exe？

  • 将 D:\mingw64\bin 添加到环境变量 PATH。

编译、运行、调试一个 C 程序

VSCode/CLion 本身不具备任何编译、运行、调试的功能！ 它只是把编译器、可执行文件和 GDB 的结果打在公屏上，然后给你提供一些方便操作的按钮。

初识函数

定义一个函数

语法：ReturnType FunctionName(Parameters) { FunctionBody }

  • 数学上，函数是
  • 一个函数的参数的类型对应 ，返回值类型对应 。

例：下取整函数 的参数和返回值类型分别是什么？

定义一个函数

语法：ReturnType FunctionName(Parameters) { FunctionBody }

  • 数学上，函数是
  • 一个函数的参数的类型对应 ，返回值类型对应 。

例：下取整函数 的参数和返回值类型分别是什么？

int floor(double x) {
  // ...
}

定义一个函数

一个函数可以接受多个参数（），每个参数的类型都需要写出来。

  • 哪怕它和前一个参数类型相同，也不可以省去。(int x, int y) 不可以省略为 (int x, y)
ReturnType myFunction(Type1 a1, Type2 a2, Type3 a3) {
  // ...
}

定义一个函数

一个函数可以没有返回值，这样的函数返回值类型为 void。

和数学函数不同，C 函数不仅仅是“接受一些参数、返回一个值”，它实际上就是将一小段具有特定功能的代码单独拎出来，并且给它起个名字。

定义一个函数

一个函数可以不接受参数（），写法是在参数列表里放一个 void

ReturnType do_some_work(void) {
  // ...
}

和 C++ 不同，参数列表空着并不代表不接受参数，而是表示 "accepting unknown parameters"。这项规则自 C23 起才被删除。

  • 这是 C 的一个历史遗留问题。上古时期的 C 并不注重参数类型检查，这可能更接近汇编的风格，但也更容易出错。

另一个历史遗留问题

在 C99 之前，一个函数如果不写返回值类型，则返回值类型默认为 int。

事实上在旧的 C 语言中存在着大量的“默认为 int”的规则，在很多场合下这种写法极易引发难以预料的问题。

  • 不幸的是，为了兼容已经存在的上亿行旧代码，编译器大概率会允许这种写法，并仅仅给出一个 warning。

你可能见过一些人写这样的 main 函数：

main() {
  // ...
}

这不符合现代 C 语言的语法，也是极不推荐的写法。

更糟糕的历史遗留问题

如果你调用了一个未经声明的函数

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int x = my_mysterious_function();
  printf("%d\n", x);
}

C++ 编译器会给出一个十分正常的报错: "... was not declared in this scope"

a.cpp: In function ‘int main()’:
a.cpp:4:11: error: ‘my_mysterious_function’ was not declared in this scope
    4 |   int x = my_mysterious_function();
      |           ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

更糟糕的历史遗留问题

如果你调用了一个未经声明的函数

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int x = my_mysterious_function();
  printf("%d\n", x);
}

而 C 编译器会允许，并且给出一个令人困惑的 warning: "implicit declaration"

a.c: In function ‘main’:
a.c:4:11: warning: implicit declaration of function ‘my_mysterious_function’
[-Wimplicit-function-declaration]
    4 |   int x = my_mysterious_function();
      |           ^~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

当然，它是无法运行的，链接器会抱怨“找不到名为 my_mysterious_function 的函数”。

更糟糕的历史遗留问题

如果你调用了一个未经声明的函数

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int x = my_mysterious_function();
  printf("%d\n", x);
}

C 标准认为你“隐式地声明” (implicitly declare) 了这个函数，于是压力全都给到链接器。

这一规则 C99 起被删除，但为了向后兼容 (backward compatibility)，编译器很可能仍然支持，只是给一个 warning。

main 函数的返回值

函数的返回值是传给它的调用者的。

  • main 的“调用者”是谁？

main 函数的返回值

函数的返回值是传给它的调用者的。

  • main 的“调用者”是谁？——程序的调用者/“宿主环境” (hosted environment)

main 函数返回 0 ——程序正常退出

main 函数返回其它值——代表某种错误

  • 一些程序会用不同的返回值表达不同的含义。
  • 也有的程序只是在“任何错误”发生时都返回 1 。

scanf 和 printf

虽然文档有点复杂，但也要试着在这里检索你需要的信息。

scanf

printf

"A+B" problem

#include <stdio.h>

int main(void) {
  int a, b;
  scanf("%d%d", &a, &b);
  printf("%d\n", a + b);
  return 0;
}

A+B Problem

约定输入格式：两行，每行一个整数，分别表示 a 和 b。

  • scanf("%d\n%d\n", &a, &b) 会发生什么？试一试。

A+B Problem

约定输入格式：两行，每行一个整数，分别表示 a 和 b。

  • scanf("%d\n%d\n", &a, &b) 会卡住，直到你输入了一个非空白字符为止。

  • 看看标准：

    whitespace characters: any single whitespace character in the format string consumes all available consecutive whitespace characters from the input (determined as if by calling isspace in a loop). Note that there is no difference between "\n", " ", "\t\t", or other whitespace in the format string.

  • whitespace character: “空白字符”，包括空格、换行、回车、制表等。

A+B Problem

约定输入格式：两行，每行一个整数，分别表示 a 和 b。

  • scanf("%d%d", &a, &b) 可以吗？试一试。

A+B Problem

约定输入格式：两行，每行一个整数，分别表示 a 和 b。

  • scanf("%d%d", &a, &b) 可以。

  • 中间的换行符不写也可以？看看标准：

    "%d" matches a decimal integer.

    The format of the number is the same as expected by strtol with the value 10 for the base argument.

  • strtol 是什么鬼？点进去看看：

    Interprets an integer value in a byte string pointed to by str.

    Discards any whitespace characters (as identified by calling isspace) until the first non-whitespace character is found, then...

printf

double 需要用 %lf 输出。如果我用 %d 输出，会怎样？

#include <stdio.h>

int main(void) {
  double pi = 3.14;
  printf("%d\n", pi);
  return 0;
}

它和先将 pi 转换为 int（小数部分截去）再输出的效果一样吗？

double pi = 3.14;
int pi_int = pi; // pi_int 值为 3
printf("%d\n", pi_int);

printf

在 scanf 和 printf 中，conversion specifier 与对应的变量类型不匹配是 undefined behavior：你不能对程序的行为做任何假定。

以下说法统统是错的：

  • 它会进行某种类型转换再输出
  • 它会输出一个值，只是我不知道它是多少罢了

程序完全有可能在这里直接崩溃。此外，编译器可以假定你的程序不含 undefined behavior，所以它如果发现这里有 undefined behavior，就可以直接把这行代码删掉，这完全符合语言标准。

Tools

Tools

  • CppReference/Textbook: C/C++ 的编程语言参考资料
  • VS Code / Clion: 写代码，debug的工具
  • *Debugger(bundled): 帮助你写代码和debug的工具
  • *CMake: 一个跨平台的项目构建工具，在多文件编译的时候用到
  • *Git: 一个帮助你管理代码版本和查看代码改动的工具
  • ...

Note: 标有星号（*）的工具很重要，但将在我们的课程中进行功能介绍。为了更深入地了解它们的用法，我们鼓励您独立探索

*Debugger

  • breakpoint断点：在特定代码行设置暂停执行，以便更仔细地查看程序在某一行代码执行前的状态。
  • 监视变量：在程序运行时监视变量或表达式的值。
  • 逐步执行：一步一步地运行程序，可以逐行（Step Over），进入函数（Step into），也可以执行函数的剩余部分并在该函数执行结束之后暂停（Step Out）。
  • ...

*Git

  • git init : 初始化一个git仓库
  • git commit : 本地保存仓库更改
  • git reset : 回溯到某个版本
  • git log : 显示历史提交记录
  • git push : 把本地的更改上传远程云端
  • git pull : 从云端拉取远端最新的更改使得和云端仓库一致
  • ...

Good luck and enjoy programming!

CS100 Recitation 1