程序员入伙书——程序在干什么？

程序员是写程序的，程序是干什么的？

我的独门总结：形形色色的程序，大到组成整个操作系统或者办公软件，小到打印一个九九乘法表，它们都有三个共同的功能块：

• 计算
• 流程控制
• 输入输出

计算，不但是数学运算，也包括对语言文字信息的分析，判断异同、比较大小，都属于“计算”的范畴。如果没有计算，如果所有的数据、信息都不需要处理，我们要计算机做什么？当打字机使么？

流程控制，包括条件判断、循环、跳转。通过使用流程控制，我们可以写很短的程序，让计算机重重复复地执行成千上万的步骤，并且花样繁多。计算机虽然不会思考，但它们做明确具体的事情时还是比人速度快、而且重复性好。你让计算机做两个数相除，做一亿次的结果都是一样的，且它也不喊累。可让人来做的话，首先就是慢，也可能做错，做十次会不耐烦，做五百次会精神崩溃。小时候被老师罚抄作业十遍的同学，请自行默默回忆童年时的阴影。

输入：键盘、鼠标指令，从网络上接收服务请求，或者从硬盘读个图片……把外部设备上的电信号吸纳进计算机的过程，都算是输入。输出：在屏幕上显示一张图片、一些文字，往U盘上拷东西，播放音乐或视频……把计算机心里想明白的事情说出来的过程，这些都是输出。如果程序没有输入，那么它每次的运算都是从已知的、固定的条件开始，结果会单调得让人厌烦。学编程的时候，看到一群老年大专生用BASIC语言打印熊猫，以为自己在编程，心里的怜悯油然而生。如果程序没有输出，计算机有电没电的区别就不太大了，当然，冬天屋里冷的时候，多开个电器，确实可以更暖和一些。

可以说，所有的程序做的事情不外乎这三个概念。你打开网络浏览器，IE也好，FireFox也罢，你输入一个网址，按回车键，它就向网络端口上输出一个请求，向那个网址要网页，要来的网页从网络端口输入进来，浏览器反复判断每个传进来的数据流，看它们是图片还是一般文字，如果是图片，还需要做些解码工作，计算摆放它们的位置，显示在窗口上。在这个回合里，计算、流程控制、输入输出都是齐全的。除了这三样，确实也没有其它的操作了。

说了这么多，我来演示三个例子吧。

第一个例子，是算从1加到100的总和，传说高斯用很聪明的办法搞定了这道题，我们来看看很笨很死脑筋、却擅长做高速计算的计算机是怎么做的。打开Python的窗口（说啥呢？），输入（虽然可以拷贝粘贴，但我更希望你亲自敲一遍）：

total = 0
for i in range(1, 101):
	total = total + i
	# 请在这里多敲一两次回车（Enter）键，以使Python显示>>>提示符
print(total)

打字时请注意，Python对每行的缩进要求很严格，因为它认为这是表达程序结构的一部分，所以一定要按照这个例子里来敲。敲完最后一行“print(total)”，如果你看到了5050，就知道自己做对了。

讲解一下：这个程序的逻辑很简单，就是从1到100一路累加下去。你可以想象一个空箱子，第一次我们往里头放1个桃，第二次放2个桃，第三次放3个桃，一直这样放下去，最后一次放100个桃。然后我们停下来，数一下箱子里有多少个桃子。

这段程序里，第一行的“total = 0”就是“准备一个空箱子”，第二行的“for i in range(1, 101):”意思是：把以下缩进内容循环执行100次，每次循环时，把1、2、3、……100轮番放到i里去。range括号里的101是个结束量，本身不计入循环。

第三行相对于第二行缩进，表示它是被循环执行的一句。做惯数学题的同学们一定会对这句话大惑不解，既然total = total + i，那么等式两边的total互相抵消，i一定等于0了。在程序员的世界里，这句话却是这么理解的：等号不是“相等”，而是“把等号右边的计算结果放到左边的变量里来”的意思。所以这句话就是：把total和i相加，计算结果还放回到total里来。

敲完这行后打回车键，Python不确定你是不是还有其它的东西要交给上头的for语句循环，就把光标停在缩进几格的位置等着，因为我们这个程序很简单，只有一个累加操作，所以可以再敲一个回车，意思是我没有其它的语句要在for循环里做了。Python就把光标停在顶头一格，然后显示出>>>提示符来，我们再输入print(total)来显示total的值（箱子里现在有多少个苹果），程序到这里就做完了，结果和我们预想的一样：5050。

第二个例子，是打印九九乘法表，请仔细输入：

for i in range(1, 10):
	for j in range(1, i + 1):
		print("%3d" % (i * j), end='')
	print('')

再次提醒：打字时请注意，Python对每行的缩进要求很严格，因为它认为这是表达程序结构的一部分，所以一定要按照这个例子里来敲，每打一个Tab（制表符）缩进一层。

打完最后一行时，Python会在那里默默地等着你，看你还有没有别的话说。你只要再打一个回车，它就会明白你已经没有什么要补充的了，于是它开始运行这段程序，输出以下结果：

  1
  2  4
  3  6  9
  4  8 12 16
  5 10 15 20 25
  6 12 18 24 30 36
  7 14 21 28 35 42 49
  8 16 24 32 40 48 56 64
  9 18 27 36 45 54 63 72 81

现在讲解一下。

这个程序的第一行“for in in range(1, 10):”意思是说：把以下缩进的内容循环9次，循环第一次时，让变量i等于1，循环第二次时，让变量i等于2，……range身后的括号里的第二个数字是10，这样可以把i从1循环到9，而到10的时候循环就停了。

第二行“for j in range(1, i + 1):”说：把以下缩进的内容循环若干次。若干次是多少次？得看i等于多少。如果i等于4，那就是循环4次。注意在range里，我写的是i + 1，之所以加上1，是因为i + 1本身不计入循环，这样可以让j刚好从1循环到i。

第三行“print(“%3d” % (i * j), end=”)”比第二行更缩进一层，所以第二行所说的循环，就是循环这一句。这一句的意思是说：计算i乘以j（i * j，乘号在Python里表达为星号），计算结果向右对齐、连空格带结果共占三个格子（所谓”%3d”）打印出来（print），打印完本结果之后，不要着急换行（end = ”）。如果不写这个end = ”，print就会自作主张地在i乘以j的计算结果后面跟一个换行。

第四行“print(”)”的意思是说：现在可以换行了。打印一个空字符（两个单引号之间什么都没有”），默认跟一个换行。

我们来手工跑一下这个程序：

进入第一层循环。
i = 1。
进入第二层循环。
j = 1。
计算i * j，得到1。
把1打印到屏幕上，不要换行。
因为j现在已经等于i了，第二层循环做完了，现在执行第二层循环后面这句。
打印一个空字符，默认再打一个换行。
现在屏幕上显示

  1

i现在还小于10，第一层循环需要继续执行下去。
i = 2。
进入第二层循环。
j = 1。
计算i * j，得到2。
把2打印到屏幕上，不要换行。
现在屏幕上显示

  1
  2

j现在还小于i，第二层循环继续。
j = 2。
计算i * j，得到4。
把4打印到屏幕上，不要换行。
因为j现在已经等于i了，第二层循环做完了，现在执行第二层循环后面这句。
打印一个空字符，默认再打一个换行。
现在屏幕上显示

  1
  2  4

i现在还小于10,第一层循环需要继续执行下去。
i = 3。
进入第二层循环。
j = 1。
计算i * j，得到3。
:
:
:

前两个例子里有计算：total加i或者i乘以j，隐藏在range里头的i和j的递增都是。有流程控制：用for引导的循环就是。没有输入，因为我们很确定被计算的对象：从1累加到100，是九九乘法表而不是三三乘法表。有输出，5050和九九乘法表被打印在屏幕上。

再举第三个例子，这个例子里有运算、流程控制、和观众互动的输入输出。它的功能是，你随意给它一个数字，它通过猜测的方法“计算”出这个数字的平方根。

因为这里有需要输入的环节，我担心你敲完代表“请输入一个数字”这句话，Python就会误认为紧接着的下一行程序是你的输入。所以，这里我们换一种方法来玩。请点击Python窗口菜单的File，然后选New Window，会弹出一个不带提示符的空白窗口。在这个窗口里，输入以下程序段（我们也常常称之为“代码”，是英文code的意译）：

print('Please input a number: ', end = '')
n = abs(float(input()))
high = max(1, n)
low = 0
while True:
    result = (high + low) / 2
    if abs(result * result - n) < n * 1E-8:
        break
    if result * result > n:
        high = result
    else:
        low = result
print('Square root of %g is %g' % (n, result))

输入完毕后，点菜单File选Save（或者直接按Ctrl-S），把这个程序起个名字存到硬盘上（名字随意，我推荐sqrt.py，意思是square root . python）。
现在点菜单Run选Run Module（或者直接按F5键），会应声跳出Python Shell窗口，显示：

>>> ======================= RESTART =======================
>>> 
Please input a number: 

恭请你出题。随意输入一个数字，敲回车，看看结果吧：

>>> ======================= RESTART =======================
>>> Please input a number: 3
Square root of 3 is 1.73205

对于这个例子，我这次不做讲解了，请读者自己悟一下，为什么通过做四则运算就可以求平方根呢？ 🙂