Witaj świecie, czyli wstęp do programowania

Na samym początku przydałoby się określić, czym jest to mistyczne programowanie i czy po napisaniu pierwszego programu możemy zacząć marzyć o zostaniu mitycznym #programista15k. Na drugie pytanie odpowiedź jest prosta – marzyć nikt nie zabrania. Na pierwsze jest bardziej złożona. Pojęcie programowania możemy zdefiniować jako proces tworzenia programu komputerowego przy użyciu kodu źródłowego, czyli kodu zrozumiałego dla człowieka, tłumaczonego przez komputer na kod wynikowy – binarny. Generalnie wyszukiwanie w internecie, czym jest programowanie może spowodować co najwyżej lekkie załamanie nerwowe, ale w skrócie chodzi o opracowanie zestawu poleceń dla komputera, które ten ma wykonać. Dla przykładu:

#include <iostream>

int main(){
    std::cout << "Hello World!" << endl;
    return 0;
}

Prosty, przykładowy kod w języku C++, który wydrukuje nam na terminalu „Hello World”. Taki kod sam w sobie nie spowoduje jednak magicznie wydrukowania zadanego tekstu na terminalu. Musi przejść jeszcze proces kompilacji, czyli przetłumaczenia kodu źródłowego na kod maszynowy. To dość duże uproszczenie, ale na ten moment w zupełności nam wystarczy. Warto po prostu wiedzieć, że to, co uruchamia komputer nie jest tak pięknym kawałkiem kodu jak to powyżej, tylko ciągiem zer i jedynek.

To co można zaprogramować?

Wszystko, ale zaczniemy od absolutnych podstaw – zacząć programowanie należy bowiem od ustalenia, co i w jaki sposób komputer ma za nas zrealizować. Zatem najpierw wymyślimy algorytm, a następnie go zaimplementujemy. Nie znamy na razie zbyt wielu poleceń i pojęć, ale będziemy je sobie stopniowo wprowadzać. Zaczniemy od prostego dodawania a + b zapisanych w kodzie programu, a potem będziemy ten algorytm stopniowo rozwijać.

graph TD;
    Start --> Add;
    Add --> PrintResult;
    PrintResult --> End;
    End[Stop];

    Start[Start]
    Add[Suma a i b]
    PrintResult[Wydrukuj c]

Nie jest to najbardziej złożony algorytm na świecie, nie jest też najlepszy. Można powiedzieć, że jako-taki, a i Mermaid.js, którego mam tu na stronie nie pozwala na rysowanie ładnych algorytmów, ale pozwoli jednak na wprowadzenie ważnego pojęcia, jakim jest zmienna.

Zmienna jest konstrukcją programistyczną posiadającą symboliczną nazwę, wartość i miejsce przechowywania

W kodzie źródłowym przy użyciu nazwy zmiennej możemy się odwołać zarówno do jej wartości jak i miejsca przechowywania – na ten moment interesować nas będzie jedynie wartość. Zmienna (w językach statycznie typowanych) ma również swój określony typ – wykorzystywany chociażby do kontroli, czy wszystkie dane są prawidłowe i czy przypadkiem w miejscu, w którym oczekiwalibyśmy liczby nie pojawił nam się magicznie tekst. W zaprezentowanym powyżej przykładzie zmiennymi będą zarówno a, b jak i c. Deklarowanie zmiennej w kodzie w języku C++ musi występować wraz z typem tej zmiennej. Alokuje to odpowiednią ilośc miejsca w pamięci komputera - dla przykładu typ int będzie zajmował więcej miejsca niż char.

Wracając do programowania

Kod źródłowy, który zaraz napiszemy czytany i wykonywany będzie linijka po linijce, od góry do dołu, od lewej do prawej. To może być czasami nieoczywiste, im dalej w las tym łatwiej będzie się zgubić, ale taka prawidłowość będzie działać praktycznie zawsze. Większość środowisk od razu po stworzeniu nowego projektu zaserwuje nam przykładowy kod „Hello World”, przeanalizujemy go zatem:

#include <iostream>

Dyrektywa #include informuje preprocesor, aby w punkcie pojawienia się jej uwzględnił zawartość określonego pliku. W tym wypadku będzie to biblioteka iostream, która obsługuje strumień wejścia/wyjścia (i/o). Tak naprawdę to jedyne co preprocesor wykonuje, to wyszukanie zadanego pliku i zastąpienie jego zawartością podanej dyrektywy.

int main(){

main to główna funkcja programu. Jak każda funkcja ma zestaw argumentów zamknięty w nawiasach okrągłych – tu akurat tych argumentów nie ma, więc nawias jest pusty. Funkcja posiada również ciało, zawarte pomiędzy nawiasami klamrowymi ( { i } ).

std::cout<<”Hello World\n”;

Tu się dzieje trochę więcej. Zaczynając od tego std:: na początku na jakimś dziwnym „\n” kończąc. Zaczniemy od cout – z technicznego punktu widzenia jest to obiekt klasy ostream, zdefiniowany w pliku nagłówkowym iostream.

Z ludzkiego punktu widzenia – instrukcja wykorzystywana do wyświetlania danych wyjściowych na domyślnym urządzeniu wyjściowym – np. terminalu, drukarce. Zaraz dalej mamy dwa znaki mniejszości ( « ) – określa nam on, że element wypisany po nim ma być skierowany na domyślne wyjście. To std:: przed rzeczonym cout oznacza, że jest to obiekt znajdujący się w przestrzeni nazw std. Jest to pozostałość po stworzeniu obiektowego języka C++, którego założeniem było zachowanie pełnej kompatybilności z czystym C.

„\n” jest znakiem końca linii – kursor przeskoczy na początek następnego wiersza. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na kończący linię średnik – kończy on linię i niejako informuje kompilator, żeby poszedł dalej. Niektóre języki wykorzystują w tym celu znak nowej linii – jednak C, C++, Java i wiele innych opierać się będzie na średniku kończącym instrukcję. Średnik kończy tylko instrukcję – nie umieszczamy go na końcu funkcji – np. main. return(0); - to polecenie sprawia, że funkcja main() zwraca wartość 0, co oznacza, że program skompilował (w zasadzie to wykonał) się pomyślnie. Jeśli z dowolnego powodu program nie jest w stanie dojść do tego momentu, a co za tym idzie zwrócić 0, to oznacza, że coś poszło nie tak.

} – zamknięcie funkcji main(). Więcej o funkcjach w najbliższym czasie. Taki program możemy skompilować i uruchomić – powinno wydrukować się „Hello World” a program powinien się zakończyć automatycznie,

Przejdźmy do tych obliczeń i implementacji algorytmu, o którym wszyscy zdążyli już zapomnieć. Załóżmy, że a i b zdefiniujemy sobie na razie w kodzie. Celem programu jest policzenie i wydrukowanie wartości zmiennej c, która będzie wynikiem działania 𝑎 + 𝑏 = 𝑐 Zacząć należy od zadeklarowania zmiennych, aby komputer wiedział, jakiego są one typu, gdzie się one znajdują i jakie mają wartości.

int main(){
    int a = 21;
    int b = 37;

Zadeklarowaliśmy zmienne typu integer, czyli liczby całkowite. Do momentu ich nadpisania zmienna a będzie miała wartość 21, natomiast b będzie 37. Nie wydarzy się jednak sytuacja, w której a stanie się wartością „jajco” albo 12.34 – do końca życia programu będzie liczbą całkowitą – niekoniecznie o wartości 21 – to możemy bowiem później zmienić.

int c;

Poniżej deklarujemy zmienną typu całkowitego o nazwie c. Na razie jest ona pusta, za chwilę przypiszemy do niej wynik dodawania a i b.

c = a + b;

Po wykonaniu tej instrukcji zmienna c będzie miała wartość 58 (21 + 37). Pozostaje ją jedynie wypisać:

#include <iostream>
using namespace std;

int main(){
    int a = 21;
    int b = 37;
    int c;

    c = a + b;
    cout << "Wynik dodawania a+b" << c <<endl;
    return 0;
}

Program może zostać uproszczony na dwa sposoby: poprzez umieszczenie obliczenia w miejscu inicjalizacji zmiennej c:

int c = a+b;

lub poprzez całkowite ominięcie zmiennej c i obliczenie wyniku wprost przy wypisywaniu:

cout << "wynik a+b=" << a+b << endl;

Operatory

W programowaniu rozróżniamy wiele operatorów, zarówno logicznych, jak i arytmetycznych.

Typy zmiennych

Zmienne, jak już wcześniej wspomniałem, mogą mieć różne typy. Zależnie od przyjętego typu zmiennej, inaczej interpretowane będą zapisane w pamięci dane.

• char – typ znakowy, czyli pojedynczy znak ASCII, np. „F”
• int – liczba całkowita
• float – liczba zmiennoprzecinkowa
• double – liczba zmiennoprzecinkowa podwójnej precyzji

Zadania do laboratorium

1. Napisz program, który wykona na zmiennych a i b podstawowe operacje matematyczne (+, -, *, /, %) i wydrukuje ich wyniki