看見科學-資訊課程簡報

# C++ 程式設計基礎
### 從語言發展到基本輸出入

> 課堂講義 | 看見科學

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## 大綱 Outline

1. 程式語言的發展
2. Source Code → 執行檔
3. 前處理器 Preprocessor
4. 基本架構
5. 輸入輸出 I/O
6. 變數與型態
7. 運算式 Expression
8. 述句 Statement

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# Part 1
## 程式語言的發展

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## 三種語言層次

```
高階語言  →  C++, Python, Java ...
              ↓ 編譯
組合語言  →  add 2, 3, result
              ↓ 組譯
機器語言  →  01001011 10110100 ...
```

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## Machine Language 機器語言

- 僅由 **0 和 1** 組成
- 代表電路的高低電位
- 電腦**唯一看得懂**的語言
- 缺點：
  - 可讀性極差
  - 不同機器有不同指令集

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## Assembly Language 組合語言

用**助憶碼 mnemonic** 代替機器指令

```assembly
add 2, 3, result
```

- 建置「組譯器」負責轉換
- 可在不同平台移植
- 大幅簡化開發過程

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## High-level Language 高階語言

現在大多數語言都屬於高階語言：

| 語言 | 特性 |
|------|------|
| C | 貼近硬體，效能高 |
| C++ | 支援 OOP，較易理解 |
| Python | 語法簡潔，開發快速 |
| Java | 跨平台，企業應用 |

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## C vs C++

| | C | C++ |
|---|---|---|
| 層次 | 低階語言之間 | 高階語言 |
| 難度 | 較生澀 | 較易理解 |
| OOP | N | Y |
| 關係 | 基礎 | 建立在 C 之上 |

> C++ 可以直接使用 C 的 header！

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## 思考題

> C 語言比 C++ 更「接近硬體」，這代表什麼？  
> 什麼情況下你會選擇用 C 而不是 C++？

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# Part 2
## Source Code → 執行檔

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## 四個步驟

```
Source Code (.cpp)
      ↓  1. 預先處理 Preprocessing
Preprocessed Code
      ↓  2. 編譯 Compilation
Assembly Code
      ↓  3. 組譯 Assembly
Object File (.o)
      ↓  4. 連結 Linking
Executable (.exe / .out)
```

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## 各步驟說明

**1 預先處理**
- 抓取 `#include` 的 header 內容
- 展開 `#define` 的替換
- 組合成單一檔案

**2 編譯**
- 語法檢查
- 優化並轉為 Assembly

**3 組譯**
- Assembly → 機器碼 → Object File

**4 連結**
- 將 Object Files 合併，解析符號，產生執行檔

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## 編譯指令

```bash
# 前往檔案目錄
cd [address]

# 編譯並執行（a.out 為預設輸出名）
g++ name.cpp && ./a.out

# 自訂輸出檔名
g++ -o myprogram name.cpp
```

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##  小測驗

**Q: 以下哪個步驟會進行「語法檢查」？**

A. 預先處理 Preprocessing  
B. 編譯 Compilation Y
C. 組譯 Assembly  
D. 連結 Linking

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##  小測驗

**Q: `g++ name.cpp` 在 Unix 系統預設產生哪個執行檔？**

> 填空：\_\_\_\_\_\_\_

*答案：`a.out`*

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# Part 3
## 前處理器 Preprocessor

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## 常用 Preprocessor 指令

| 指令 | 用途 |
|------|------|
| `#include` | 引入 header 檔 |
| `#define` | 定義常數或簡易 function |
| `#undef` | 取消 `#define` |
| `#if / #elif / #else` | 條件式編譯 |

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## `#define` 用法

```cpp
// 定義常數
#define PI 3.14

// 定義簡易 function（注意：無型別定義！）
#define multiply(a1, a2) (a1 * a2)
```

`#define` 的 function 不嚴謹，沒有型別檢查

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## `#include` 用法

```cpp
// 引入標準函式庫 header（用角括號）
#include <iostream>
#include <algorithm>

// 引入自訂 header（用雙引號 + 路徑）
#include "usr/lib/head.h"
```

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##  思考題

> `#define multiply(a, b) (a * b)` 這樣定義有什麼潛在問題？  
> 試想：`multiply(1+2, 3)` 會得到什麼結果？

*提示：preprocessor 只做文字替換！*

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# Part 4
## 基本 Source Code 架構

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## Hello World

```cpp
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
 // 單行註解
 cout << "Hello, World!" << endl;
 return 0;
}
```

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## 拆解架構

**1 `#include <iostream>`**
- 告訴前處理器引入 `iostream` header
- 包含基本輸出入（`cout`, `cin`）

**2 `using namespace std;`**
- 使用標準命名空間
- 省去每次寫 `std::cout` 的麻煩

**3 `int main()`**
- 程式的主體，OS 呼叫的入口
- `int` 代表回傳整數型態

**4 `return 0;`**
- 回傳給 OS，`0` 表示程式正常結束

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## 註解 Comments

```cpp
// 單行註解：此行不會被編譯

/* 多行註解
 * 這裡的內容全部無效
 * 通常加 * 對齊並標示
 */
```

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##  程式碼猜輸出

```cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
 // cout << "A" << endl;
 cout << "B" << endl;
 /* cout << "C" << endl; */
 cout << "D" << endl;
 return 0;
}
```

**輸出是什麼？**

> 答案：B（換行）D

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# Part 5
## 基本輸出入 I/O

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## `cout` 輸出

```cpp
// 輸出字串
cout << "Hello World";

// 串接多個輸出
cout << "Hello" << " " << "World";

// 輸出變數
cout << "Your BMI is " << BMI;

// 換行方式（兩種）
cout << "Line 1" << endl; // 換行 + 清除緩存
cout << "Line 2" << "\n"; // 僅換行
```

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## `cin` 輸入

```cpp
int age;
double height;

// 讀取單一變數
cin >> age;

// 讀取多個變數（空白或換行分隔）
cin >> age >> height;
```

>  記得先宣告變數再使用！

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## `printf()` — C 風格輸出

```cpp
#include <cstdio>

printf("abc");              // 輸出 abc
printf("%d", 10);           // 輸出整數 10
printf("%f", 0.1234);       // 輸出 0.123400
printf("%.2f", 0.1234);     // 輸出 0.12
printf("%d年%d月", year, month);
```

| 格式符 | 用途 |
|--------|------|
| `%d` | 整數 int |
| `%f` | 浮點數 float |
| `%.nf` | 輸出 n 位小數 |
| `%s` | 字串 |

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## 加速 C++ I/O

```cpp
// 需要速度時（如競程），加在 main() 開頭
ios_base::sync_with_stdio(false);
cin.tie(NULL);
cout.tie(NULL);
```

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##  程式碼猜輸出

```cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
 cout << "Score: " << 100 - 40 << endl;
 cout << "Pass: " << (60 > 59 ? "Yes" : "No") << endl;
 return 0;
}
```

**輸出是什麼？**

> 答案：  
> `Score: 60`  
> `Pass: Yes`

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##  小測驗

**Q: `endl` 和 `"\n"` 的差別是？**

A. 沒有差別  
B. `endl` 會額外清除緩存（flush）  
C. `"\n"` 不能換行  
D. `endl` 只能在 C++ 用

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# Part 6
## 變數與資料型態

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## 為什麼需要型態？

> 電腦資源有限，需要依資料性質分配空間

把變數想像成**不同大小的盒子**：
- 盒子大小 = 記憶體空間（位元數）
- 硬塞 = **overflow 溢位** 
- 貼標籤 = 變數名稱（識別字）

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## 整數型態

| 型態 | 位元 | 範圍 |
|------|------|------|
| `short int` | 2 | -32768 ~ 32767 |
| `int` | 4 | -2,147,483,648 ~ 2,147,483,647 |
| `long int` | 4 | 同 int |
| `long long` | 8 | ±9.2 × 10¹⁸ |
| `unsigned int` | 4 | 0 ~ 4,294,967,295 |

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## 浮點數與其他型態

| 型態 | 位元 | 說明 |
|------|------|------|
| `float` | 4 | 單精度浮點數 |
| `double` | 8 | 雙精度浮點數（常用） |
| `char` | 1 | 字元，存 ASCII 碼 |
| `bool` | 1 | `true` / `false` |

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## 變數宣告

```cpp
// 只宣告，不賦值
int a, b, c;

// 宣告並賦值
int x = 10;
double pi = 3.14159;

// 混合
int a, b = 33, c;
```

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## 各型態範例

```cpp
bool flag = true;         // 布林值
int count = 100;          // 整數
long long big = 1234567890123LL;  // 大整數
float f = 22.0f;          // 單精度浮點
double d = 3.14159265;    // 雙精度浮點
char c = 'A';             // 字元
char newline = '\n';      // 跳脫字元
```

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## 跳脫字元 Escape Sequence

| 跳脫序列 | 意義 |
|----------|------|
| `\n` | 換行 |
| `\t` | Tab 跳格 |
| `\a` | 警告音 |
| `\0` | 字串結束字元 |
| `\\` | 反斜線 `\` |
| `\"` | 雙引號 `"` |

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## 變數命名原則

Y **好的命名**
```cpp
int exam_score;
double total_price;
bool is_valid;
```

N **不好的命名**
```cpp
int 1score;      // 數字開頭
int exam score;  // 有空格
int __value;     // 雙底線開頭（程式庫保留）
```

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##  小測驗

**Q: 要儲存全班 50 人的成績（0-100），應用哪個型態最適合？**

A. `char`  
B. `short int` Y  
C. `long long`  
D. `double`

*（`short int` 範圍 -32768~32767 已足夠，且省空間）*

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##  程式碼猜輸出

```cpp
#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
 char c = 'A';
 cout << c << endl;
 cout << c + 1 << endl;
 cout << (char)(c + 1) << endl;
 return 0;
}
```

**三行輸出各是什麼？**

> 答案：  
> `A`  
> `66`（ASCII 碼 65+1）  
> `B`（轉回 char）

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# Part 7
## 運算式 Expression

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## 組成

```
運算式 = 運算元 (operand) + 運算子 (operator)
```

三種形式：
```cpp
operand1;                          // 單一運算元
operand1 operator operand2;        // 二元
condition ? expr1 : expr2;         // 條件運算
```

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## 算術運算子

| 優先 | 運算子 | 功能 | 範例 |
|------|--------|------|------|
| 1 | `+` `-` | 正負號 | `-a` |
| 2 | `*` `/` `%` | 乘除取餘 | `a * b` |
| 3 | `+` `-` | 加減 | `a + b` |

> 全數**左結合**（由左至右）

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##  整數除法陷阱

```cpp
int a = 1, b = 3;
cout << a / b; // 輸出 0（整數除法捨去）

float a = 1, b = 3;
cout << a / b; // 輸出 0.333333

// 強制型別轉換
int a = 1, b = 3;
cout << (float)a / b; // 輸出 0.333333
```

----

##  程式碼猜輸出

```cpp
int a = 1, b = 3;
cout << float(a/b) << endl;
cout << (float)a/b << endl;
```

**兩行輸出一樣嗎？為什麼？**

> 答案：  
> 第一行：`0`（先算 `1/3=0`，再轉 float）  
> 第二行：`0.333333`（`a` 先轉 float，再除）

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## 遞增遞減運算子

| 寫法 | 行為 |
|------|------|
| `++a` | 先加 1，再使用值 |
| `a++` | 先使用值，再加 1 |
| `--a` | 先減 1，再使用值 |
| `a--` | 先使用值，再減 1 |

```cpp
int b = 10;
cout << 10 * (++b); // 輸出 110（b先變11，再乘10）
```

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## 邏輯與關係運算子

| 優先 | 運算子 | 說明 |
|------|--------|------|
| 1 | `!` | 邏輯 NOT |
| 2 | `>` `<` `>=` `<=` | 大小比較 |
| 3 | `==` `!=` | 相等/不等 |
| 4 | `&&` | 邏輯 AND |
| 5 | `\|\|` | 邏輯 OR |

>  `=` 是指派；`==` 才是比較！

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## Short-circuit Evaluation 短路運算

```cpp
// && ：左邊為 false → 右邊不執行
false && someFunction();  // someFunction() 不被呼叫

// || ：左邊為 true → 右邊不執行
true || someFunction();   // someFunction() 不被呼叫
```

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## 複合指派運算子

```cpp
a += 1;    // 等同 a = a + 1
b -= a;    // 等同 b = b - a
c *= a;    // 等同 c = c * a
d /= 1000; // 等同 d = d / 1000
e %= 3;    // 等同 e = e % 3
```

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## 條件運算子（三元）

```cpp
// 語法
condition ? expr_if_true : expr_if_false;

// 範例
int score = 60;
cout << (score > 60 ? "pass" : "fail");
// 輸出：fail
```

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##  思考題

> 以下程式碼中，`someFunction()` 會被執行嗎？  
> 說明你的理由。

```cpp
int x = 5;
if (x > 3 || someFunction()) {
 cout << "yes";
}
```

> 答案：**不會**。`x > 3` 為 true，  
> `||` 短路，右邊不執行。

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# Part 8
## 述句 Statement

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## 程式三大結構

| 結構 | 說明 |
|------|------|
| **循序** | 由上到下依序執行 |
| **選擇** | 依條件決定執行哪段 |
| **重複** | 依條件決定執行幾次 |

> 每種結構都只有**一個進入點**和**一個出口**

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## `if` 述句

```cpp
if (condition1) {
    statement1;
}
else if (condition2) {
    statement2;
}
else {
    statementN;
}
```

>  條件範圍**小的放前面**，避免 bug！

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## 巢狀 if — 閏年判斷

```cpp
if ((year % 4) == 0) {
 if ((year % 100) == 0) {
 if ((year % 400) == 0)
 cout << year << "年是閏年(400倍數)";
 else
 cout << year << "年非閏年(100年)";
 }
 else {
 cout << year << "年是閏年(非100倍數4倍數)";
 }
}
else {
 cout << year << "年非閏年（非4倍數）";
}
```

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##  小測驗

**Q: `year = 1900`，以上程式碼輸出什麼？**

A. 1900年是閏年(400倍數)  
B. 1900年非閏年(100年) Y  
C. 1900年是閏年(非100倍數4倍數)  
D. 1900年非閏年（非4倍數）

*（1900 % 4 == 0, 1900 % 100 == 0, 但 1900 % 400 ≠ 0）*

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##  程式碼猜輸出

```cpp
int a = 5, b = 10;
if (a > 3)
 if (b > 8)
 cout << "A" << endl;
 else
 cout << "B" << endl;
else
 cout << "C" << endl;
```

**輸出是什麼？**

> 答案：`A`  
> `a > 3` 為 true，進入內層 if，`b > 8` 為 true，輸出 A

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## 總結 Summary

| 主題 | 重點 |
|------|------|
| 語言層次 | 機器語言 → 組合語言 → 高階語言 |
| 編譯流程 | 預處理 → 編譯 → 組譯 → 連結 |
| 前處理器 | `#include`, `#define`, `#undef` |
| 資料型態 | int, double, char, bool... |
| 運算子 | 算術、邏輯、關係、指派 |
| 控制流 | if / else if / else |

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# 謝謝！
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