02.程序设计入门

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程序设计入门

本章介绍程序设计的基础知识，重点讲解C语言的核心要素。内容涵盖头文件的作用、变量类型定义、主函数结构及程序语句规范，详细解析输入输出函数scanf与printf的格式化用法。通过顺序结构示例（如数值运算、图形输出）和分支结构（条件判断、运算符选择）演示基本逻辑设计，并结合评测系统机制强调代码格式与数据精度的重要性。本章通过典型例题帮助读者掌握程序设计的基本流程、语法规则及调试技巧，为后续算法学习奠定基础。

C语言基本要素

C++ 兼容 C 语言的语法，所以我们不必拘泥于“.c”还是“.cpp”这样的扩展名，新手不用管那么多，无论是写C++风格还是C语言风格，一律在C++的编译环境（.cpp文件）中写就好。

头文件

为了避免从电脑直接看得懂的“01011...”写起，或者从“MOV”、“ADD”这类非常底层的“汇编语言”写起，我们学习一个相对“高级”的语言，即C语言。那些高频使用的“向屏幕输出一些字符”等操作，C语言已经帮我们做好了，我们只需要“告诉”C语言，让C语言去要求电脑做这些事。

“告诉”这个动作需要特定的指令来做，而C语言怎么知道这个指令是做什么的呢？它把不同类型的功能封装在了不同的文件里，所以我们要先让编译器知道，我们要用哪些文件里的功能，就要把这些文件“包含”进来，这就是“include”指令，包含进来的文件叫“头文件”。

现在要包含一个处理“输入输出”这类操作的功能包，这个头文件是“stdio.h”，“std”是标准（standard）的缩写，“io”是“input/output”的缩写。

这样接下来的程序，就可以用“stdio.h”里包含的功能。

包含头文件的语法是：

  • 一个#符号，表示现在要做一些“特殊”的事情，“#”后面不同的内容对应不同的事情
  • #后紧跟“include”，表示我们现在要做的是“包含头文件”这样的事情，至于能做其它什么事情，以后再了解
  • 头文件用一对<>包裹
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#include<stdio.h>

变量

要计算总要有计算的对象，基础的计算对象就是“变量”，可以类比学过的代数，\(x,y,z...\) 这样的代数，然后把数字代进去就能计算不同的数据。

代数有整数有小数，在电脑中还有字符，要让电脑看得懂，能合理的用“0101...”这样的二进制存储，需要告诉它这些代数是什么类型，这就是变量类型。

先了解最常用的：

  • int：整数（1，2，-6... 这样的数）
  • double： 浮点数（0.4、2.5、5.0...这样有小数部分的精度的数）

变量还有一些其它的类型，以后用到再了解。

主函数

C语言的功能是由“函数”组成的，初高中学过“函数”的概念，是把一些代数丢进去，完成固定的一套计算。比如 \(f(y)=x*2+1\) ，C语言的函数可以延申这个概念，把一些变量（变量可以是 \(x,y,z\) 这样的代数，也可以是更复杂的结构）丢进去，完成固定的程序逻辑。

一个程序运行，总得有一个开端，即从哪里开始，这就是“主函数”的作用，告诉系统从这里开始。

函数可以有返回值（算完之后告诉调用它的地方它算出了个什么类型的东西），也可以没有返回值，但主函数必须有返回值，这是C语言的规则，它用来告诉操作系统这个程序执行的是否成功。

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int main() {
    // 主函数的代码 
    return 0;
}

主函数的语法是：

  • int：主函数返回值必须是 int，不能是别的
  • main：表示函数的名字，main这个名字是专门用于主函数的，不能用其它名字，大小写也不能改
  • ()：一个小括号里写函数的参数，主函数有特定的参数，不过可以省略，初学时可以先不管它的参数
  • {}：包裹定义主函数要做的事的代码
  • return 0;：主函数包裹的代码的末尾必须是return 0;，表示当执行到这里的时候，向调用主函数的“东西”（比如操作系统的某个进程）告知本程序正常结束。

这里“//”是注释语法，用于写一些帮助自己回忆代码是干什么的注释，对电脑来说这些内容不存在，纯粹是给人看的。

程序语句

C语言中常规程序的语句末尾都要有分号“;”，表示一个语句的结束（以下语句的含义后文会说明）。

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int a, b;
a = 3;
b = 4;
int c = a + b;

定义变量

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int a, b;

这里定义两个变量 a 和 b，他们是 int 类型。

赋值

数学中“=”表示两个变量/数字相等，而程序中，“=”表示将右边的值存入左边的变量，变量是一个可以改变的代数。

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int a = 3, b;
b = 5;

输入

让用户在弹出的黑框框中输入想要的数字，再用输入的数字计算，就有了用户交互，这样程序就可以做很多事了。

我们前面已经#include<stdio.h>，所以可以用输入输出相关的功能了：

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int a, b;
scanf("%d%d", &a, &b);

scanf 也是函数，"%d%d", &a, &b就是传给它的参数。

  • "%d%d" 表示要输入两个整数，这里%用于标识输入，%之后跟的内容具体定义了要输入什么，好让电脑在内存中做好准备，%d就是要输入一个整数（int），如果是%lf就是要输入一个double。
  • &a对应前一个%d，用户在黑框框输入的第一个数就会存入a这个变量，同理&b对应第二个%d，&是“取地址”符号，&a表示指向a的内存地址，这里先不用了解那么多，知道这个格式能输入数据即可。

知识点：int的输入输出都用%d，double的输入用%lf，输出用%f。这时你可能有个疑问，没错确实有个输入是%f的变量类型float，但编程之初我们不想讨论过多内容，减轻初学者压力，这里简单说就是float能表达的精度不够，而现代计算机性能很好，在算法竞赛中我们都用double就好了。

计算

计算a+b的和，很直观在代码中写a+b即可，它得到的结果可以存入一个变量，也可以直接当参数传给函数。

比如 int c = a + b; 就把 a+b 的结果存入 c。

输出

printf("%d\n", a + b); 就把a+b 的结果作为参数传给 printf这个函数，这里的%d 和scanf的%d含义一样，printf用于输出，所以就是把a+b的结果作为整数的格式输出。 \n 表示输出后换一行（在文本编辑器里换一行就是敲一下回车）。

double的输出用%f，注意这里没有“l”。

知识点：输出也会有一些特异的需求，比如输出小数保留多少位，输出整数能不能右对齐前面补空格让总长度固定等，就会有 %.3f、%02d 等用法，当遇到时，可查资料寻找可用的格式化方法。

一个基本的a+b

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#include<stdio.h>
int main() {
    int a, b;
    scanf("%d%d", &a, &b);
    printf("%d\n", a + b);
    return 0;
}

例：输出浮点数

读入一个双精度浮点数（double），分别按输出格式 %f ，%f 保留 5 位小数，%e 和 %g 的形式输出这个数，每次在单独一行上输出。

输入：

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12.3456789

输出：

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12.345679
12.34568
1.234568e+01
12.3457
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#include<stdio.h>
int main() {
    double x;
    scanf("%lf", &x);
    printf("%f\n%.5f\n%e\n%g\n", x, x, x, x);
    return 0;
}

评测系统的机制

把代码通过网页（或软件）提交到评测系统，评测系统会在后台编译并执行你的代码，将一系列你看不到的输入数据发送给你的程序，将输出的内容和答案对比，然后告诉你你的代码是否正确。

新手经常会问“我样例都通过了为什么提交了还不对呢”，这里再次强调一下：评测系统会测许多并不会让你看到的其它数据。

在电脑中，空格“”，回车等内容也都是由“字符”来表达的，它们都有编码，传统评测系统对答案的格式有严格的要求，你的程序的输出结果要与评测机上的答案完全一致才能通过。

比如假设评测机上的答案是

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如果你的程序输出的是 123 或 1 2 3，就都无法通过。

找一个OJ的a+b的题，提交你的代码试试把

顺序结构

顺序结构是程序设计中最基本、最简单的控制结构之一。它指的是程序按照代码书写的先后顺序依次执行，从上到下逐条执行语句，没有跳跃、分支或循环。在顺序结构中，每一条语句都会被执行一次，并且严格按照它们在源代码中的排列顺序执行。

上文的例子都是顺序结构，先定义变量，然后输入，然后输出，然后return……

例：用“*”输出菱形

用 * 构造一个对角线长 5 个字符，倾斜放置的菱形。

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  *
 ***
*****
 ***
  *

因为图形很简单，不需要做特别的逻辑处理，简单粗暴用printf输出它就好。

图形分为 5 行，且要考虑每个空格也是答案的一部分，输出这样的内容肯定是错误的：

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*
***
*****
***
*

每一行要把“”和“*”都打出来，且要把换行的符号（“\n”）也打出来，答案如下：

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#include<stdio.h>
int main() {
    printf("  *\n");
    printf(" ***\n");
    printf("*****\n");
    printf(" ***\n");
    printf("  *\n");
    return 0;
}

例 计算 \((a+b)/c\) 的值

给定 3 个整数 \(a, b, c\)， 计算 \((a+b)/c\) ，其中 \(/\) 是整除运算。

输入

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1 1 3

输出

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0

“整除运算”的意思是只取计算结果的整数部分，小数部分省略。

知识点：大多编程语言默认相同类型的变量在计算过程中类型不变，int只能存整数，它无法表达 1/2=0.5这样的概念，故int与int之间的计算，编译器默认结果自动取整，也就刚好符合“整除运算”的要求，即1整除2=0，保留0.5的整数部分0。

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#include<stdio.h>
int main() {
    int a, b, c;
    scanf("%d%d%d", &a, &b, &c);
    printf("%d\n", (a + b) / c);
    return 0;
}

知识点：在读入多个数字的时候，scanf的格式化输入%d会自动跳过不是数字的符号，从而方便我们不用关心输入的数字之间有多少空格、多少换行，即无论输入的是 

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还是 
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scanf("%d%d%d", &a, &b, &c); 都能正确地完成输入

例 浮点数向零舍入

输入一个双精度浮点数，将其向零舍入到整数。说明：向零舍入的含义是，正数向下舍入，负数向上舍入。

输入数据范围是 \(-10^{15}\leq x \leq 10^{15}\)。

这是一个 double 向整数转换的任务，在编程语言中向0舍入是默认机制，不需要我们写特别的代码逻辑。

关于强制转换，可以直接将double赋值给整数变量，也可以给值前面加(变量类型)来得到转换后的值。

知识点：题目告知输入范围，并不是让你来判断题目输入的对不对，而是给你一个信息，让你知道在处理一个什么规模的问题，从而调整自己的实现思路。

知识点：int可以表达的范围是 -2147483648~2147483647，也就是32个二进制位能表达的范围，更大的整数类型是 long long，它有64个二进制位，能表达 -9,223,372,036,854,775,808~9,223,372,036,854,775,807，大约 \(10^{19}\)，它对应的输入输出占位符是%lld

输入

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2.3
-2.3

输出

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-2
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#include<stdio.h>
int main() {
    double x;
    scanf("%lf", &x);
    printf("%lld\n", (long long)x);
    return 0;
}

分支结构

分支结构（也称为选择结构）是程序设计中用于实现条件判断和不同路径执行的重要控制结构。通过分支结构，程序可以根据特定条件选择执行不同的代码块，从而实现更复杂的功能和逻辑处理。

if语句

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if(条件) {
    // 满足条件则执行这里
}

或者

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if(条件1) {
    // 满足条件1则执行这里
} else if(条件2) {
    // 满足条件2则执行这里
} else {
    // 剩下的情况执行这里
}

例 整数大小比较

输入两个整数，比较它们的大小。若 \(x>y\) ，输出 > ；若 \(x=y\) ，输出 = ；若 \(x<y\)，输出 < 。

数据范围 \(0\leq x \leq 2^{32}, -2^{31} \leq y \leq 2^{31}\)

输入：

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1000 100

输出：

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>
  • 这题范围很大，用long long
  • 因为=是赋值用的，判断相等得用==
  • 输出的好习惯：单行输出都带上\n在结尾换行
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#include<stdio.h>
int main() {
    long long x, y;
    scanf("%lld%lld", &x, &y);
    if(x > y) {
        printf(">\n");
    } else if(x == y) {
        printf("=\n");
    } else {
        printf("<\n");
    }
    return 0;
}

三元运算符

在“非此即彼”且逻辑简单的时候，用三元运算可简化代码，写起来很“帅”

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条件 ? 符合条件执行这里 : 不符合条件执行这里

上题用三元运算符也可以完成，不过它不是“非此即彼”的，有三种情况，可以三元运算套三元运算，这样写：

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#include<stdio.h>
int main() {
    long long x, y;
    scanf("%lld%lld", &x, &y);
    printf(x > y ? ">\n" : (x == y ? "=\n" : "<"));
    return 0;
}

switch

一个变量或表达式有多种可能的目标值，可以用switch：

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switch(变量) {
    case 值1: 变量是值1时的逻辑; break;
    case 值2: 变量是值2时的逻辑; break;
    case 值3: 变量是值3时的逻辑; break;
    // ...
    default: 除了以上情况外时的逻辑;
}

注意：除最后的default外，每个 case 最后必须有 break ，否则它之后的 case 也会被执行

例 简单计算器

给两个数字、一个符号，如果符号不是加减乘除则输出Invalid operator!，如果除0则输出Divided by zero!

输入

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1 2 +

输出

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#include<stdio.h>
#include<math.h>
int main() {
    int a, b;
    char c;
    scanf("%d%d %c", &a, &b, &c);
    switch(c) {
        case '+': printf("%d\n", a + b); break;
        case '-': printf("%d\n", a - b); break;
        case '*': printf("%d\n", a * b); break;
        case '/': 
            if(b == 0) {
                printf("Divided by zero!\n");
            } else {
                printf("%d\n", a / b);
            }
            break;
        default: printf("Invalid operator!\n");
    }
    return 0;
}

知识点： - 字符需要用char这个变量类型， - 读入%d能自动跳过空白，但%c不行，它会读空白字符，题目输入由空格隔开，所以要加一个空格占位后再写%c - 字符常量用单引号'，后面课程的字符串章节会更详细的讲解