【计算机科学速成课】[40集全/文字版] - 12.编程原理-语句和函数

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上集讲到用机器码写程序，还要处理那么多底层细节对写大型程序是个巨大障碍。为了脱离底层细节，开发了编程语言，让程序员专心解决问题，不用管硬件细节。今天我们讨论大多数编程语言都有的基本元素，就像口语一样，编程语言有"语句"，语句表达单个完整思想，比如"我想要茶"或者"在下雨"。用不同词汇可以代表不同含义比如"我想要茶"变成"我想要独角兽"，但没法把"我想要茶"改成"我想要雨"语法毫无意义，规定句子结构的一系列规则叫语法。

英语有语法，所有编程语言也都有语法，a=5是一个编程语言语句，意思是创建一个叫a的变量，把数字5放里面，这叫"赋值语句"，把一个值赋给一个变量。为了表达更复杂的含义，需要更多语句，比如a=5b=10c=a+b，意思是，变量a设为5，变量b设为10。把a和b加起来，把结果15放进变量c，注意，变量名可以随意取，除了abc，也可以叫苹果、梨、水果。计算机不在乎你取什么名，只要不重名就行，当然取名最好还是有点意义，方便别人读懂

程序由一个个指令组成，有点像菜谱：，烧水、加面，等10分钟，捞出来就可以吃了，程序也是这样，从第一条语句开始，一句一句运行到结尾。刚才我们只是把两个数字加在一起，无聊，我们来做一款游戏吧，当然，现在这个学习阶段来编写一整个游戏还太早了，所以我们只写一小段一小段的代码，来讲解一些基础知识。

假设我们在写一款老派街机游戏：GraceHopper拍虫子，阻止虫子飞进计算机造成故障，关卡越高，虫子越多。Grace要在虫子损坏继电器之前抓住虫子，好消息是她有几个备用继电器，开始编写时，我们需要一些值来保存游戏数据。比如当前关卡数、分数、剩余虫子数、，Grace还剩几个备用继电器。所以我们要"初始化"变量"初始化"的意思是设置最开始的值，关卡=1分数=0虫子数=5备用继电器=4玩家名=Andre。为了做成交互式游戏，程序的执行顺序要更灵活，不只是从上到下执行，因此用"控制流语句"。

控制流语句有好几种，最常见的是if语句，可以想成是"如果X为真，那么执行Y"，用英语举例就是"如果累了就去喝茶"。如果"累了"为真，就去喝茶，如果"累了"为假，就不喝茶，if语句就像岔路口，走哪条路取决于"表达式"的真假，因此这些表达式又叫"条件语句"。在大多数编程语言中，if语句看起来像这样：if[条件]then[一些代码]，结束if语句。比如，if[第一关]，then[分数设为0]因为玩家才刚开始游戏，同时把虫子数设为1，让游戏简单些，注意依赖于if条件的代码，要放在IF和ENDIF之间。

当然，条件表达式可以改成别的，比如：，"分数>10"或者"虫子数<1"，if还可以和else结合使用条件为假会执行else里的代码。如果不是第1关，else里的指令就会被执行，Grace要抓的虫子数，是当前关卡数*3。所以第2关有6个虫子，第3关有9个虫子，以此类推，else中没有改分数，所以Grace的分数不会变。这里列了一些热门编程语言if then else的具体语法，具体语法略有不同，但主体结构一样。if语句根据条件执行一次，如果希望根据条件执行多次，需要"条件循环"，比如while语句，也叫"while循环"。当while条件为真，代码会重复执行，不管是哪种编程语言，结构都是这样，假设到达一定分数会冒出一个同事，给Grace补充继电器，棒极了！

把继电器补满到最大数4个我们可以用while语句来做，来过一遍代码，假设同事入场时，Grace只剩一个继电器。当执行while循环，第一件事是检查条件，继电器数量<4?，继电器数量现在是1，所以是真，进入循环！碰到这一行：继电器数量=继电器数量+1，看起来有点怪，变量的赋值用到了自己，我们讲下这个，总是从等号右边开始，"继电器数量+1"是多少？

当前值是1，所以1+1=2，结果存到"继电器数量"，覆盖旧的值，所以现在继电器数量是2
，现在到了结尾，跳回开始点。和之前一样，先判断条件，看要不要进入循环，继电器数量<4？是，继电器数量是2，所以再次进入循环!3存入"继电器数量"，回到开头，3<4？是! 进入循环，4存入"继电器数量"，回到开头，不！

现在条件为假，退出循环，执行后面的代码，while循环就是这样运作的! 另一种常见的叫"for循环"，不判断条件，判断次数，会循环特定次数，看起来像上图。现在放些真正的值进去，上图例子会循环10次，因为设了变量i，从1开始，一直到10。for的特点是，每次结束，i会+1，当i等于10，就知道循环了10次，然后退出，我们可以用任何数字，104210亿。假设每关结束后给玩家一些奖励分，奖励分多少取决于继电器剩余数量，随着难度增加，剩下继电器会越来越难。因此奖励分会根据当前关卡数，指数级增长，我们要写一小段代码来算指数。指数是一个数乘自己，乘特定次数，用循环来实现简直完美!

首先，创建一个叫"奖励分"的新变量，设为1（看上图），然后for循环，从1到[当前关卡数]，[奖励分]x[继电器剩余数]，结果存入[奖励分]。比如继电器数是2，关卡数是3，for会循环3次，奖励分会乘，继电器数量x继电器数量x继电器数量，也就是1×2×2×2，奖励分是8，2的3次方。这个指数代码很实用，其他地方可能会用到，如果每次想用就复制粘贴，会很麻烦，每次都要改变量名。如果代码发现问题，要补漏洞时要把每一个复制黏贴过的地方都找出来改，而且会让代码更难懂，少即是多！

我们想要某种方法，把代码"打包"可以直接使用，得出结果，不用管内部复杂度，这又提升了一层抽象！为了隐藏复杂度，可以把代码打包成"函数"，也叫"方法"或"子程序"（有些编程语言这么叫）其他地方想用这个函数，直接写函数名就可以了，现在我们把指数代码变成函数第一步，取名，叫什么都行，比如"快乐独角兽"。但因为是算指数直接叫"指数"合适一些，还有，与其用特定变量名，比如"继电器"和"关卡数"，用更通用的名字，比如底数(Base)和指数(Exp)Base和Exp的初始值需要外部传入，剩余代码和之前一样，现在完成了，有函数名和新变量名。最后我们还需要把结果交给使用这个函数的代码，所以用RETURN语句，指明返回什么，完整版代码是这样。

现在可以随意用这个函数，只需要写出名字然后传入2个数字就可以了，如果要算2的44次方，写exponent(244) 结果是18万亿左右，幕后原理是，2和44存进Base和Exp，跑循环，然后返回结果。我们来用这个新函数算奖励分，首先，奖励分初始化为0，然后用if语句，看剩不剩继电器（看上图的>0）如果还剩，用指数函数，传入[继电器数]和[关卡数]，它会算[继电器数]的[关卡数]次方存入奖励分，这段算奖励分的代码，之后可能还会用，也打包成一个函数。没错，这个函数(CalcBonus)会调用另一个函数(Exponent) 还有！这个CalcBonus函数，可以用在其他更复杂的函数，我们来写一个函数每一关结束后都会调用

叫LevelFinished(关卡结束)，需要传入[剩余继电器数][关卡数][当前分]，这些数据必须传入。里面用CalcBonus算奖励分，并加进总分，还有，如果当前分>游戏最高分，把新高分和玩家名存起来，现在代码变得蛮"花哨"了。函数调函数调函数，我们写这样一行代码时，复杂度都隐藏起来了，不需要知道内部的循环和变量，只知道结果会像魔术一样返回，总分53。但是这不是魔术，是抽象的力量。如果你理解了这个例子，就明白了函数的强大之处，和现代编程的核心，比如浏览器这样的复杂程序，用一长串语句来写是不可能的。会有几百万行代码，没人能理解，所以现代软件由上千个函数组成，每个负责不同的事。

如今超过100行代码的函数很少见，如果多于100行，应该有东西可以拆出来做成一个函数。模块化编程不仅可以让单个程序员独立制作App，也让团队协作可以写更大型的程序，不同程序员写不同函数，只需要确保自己的代码工作正常，把所有人的拼起来，整个程序也应该能正常运作！现实中，程序员不会浪费时间写指数函数这种东西，现代编程语言有很多预先写好的函数集合，叫"库"，由专业人员编写，不仅效率高，而且经过了仔细检查。几乎做所有事情都有库，网络、图像、声音，我们之后会讲这些主题，但在此之前，我们先讲算法，好奇吗？你应该才是！

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