[CS50] Week 1 C - 中文導讀筆記

＊此筆記是依據胡立老師的 CS50 中文導讀直播影片所寫。

胡立老師的直播：
CS50 中文導讀：week 1

如果想要對第一週內容有更全面的了解，建議配合 [CS50] Week 1 C - 課程筆記 一起閱讀。因為第一週課程筆記內容已經蠻長了，所以我把課程筆記裡沒寫到，而胡立老師有額外補充的部分寫在這一篇，如果在課程筆記就寫過的部分（像是 command line 指令），這篇就沒有重複寫。這篇我略過關於 Scratch 的講解。

以下是我的筆記整理：

1. continue; 跟 break; 使用方法/時機。
break; 在條件判斷式 switch 裡面蠻常見的，用來跳出一個段落 (block)。但是 continue; 我就比較不熟。

胡立老師在直播裡用 while 迴圈跟 if 示範 continue;：

輸出結果：

當 while 迴圈跑到 count == 5 的時候，會進入 if 那個段落，遇到 continue; 後，再次回到 while 迴圈開始的地方，然後還是 count == 5，所以又再次進入 if 那個段落，遇到 continue;，又回到 while 迴圈開始的地方，於是就一直重複而無法跳到下面的 count++;，所以輸出結果只有 1、2、3、4。

移動 count++; 的位置後：

輸出結果：

count++; 移到上面位置後，count 進入 while 迴圈就先加 1，所以輸出結果的開始數字變成 2，到數字等於 5 的時候沒有被印出來（因為遇到 continue; 就跳回 while 迴圈開始的地方），然後印出 6、7、8 以及後面的數字。

break; 的示範：

輸出結果：

break; 執行後就跳出 while 迴圈，所以輸出結果只有 2、3、4。

2. 在 CS50 IDE 上有內建 C 的編譯器 (compiler)，編譯器的功能是把人類打的原始碼 (source code) 轉換成電腦看得懂的機器語言 (machine code)，看似簡單的編譯過程事實上分成四個階段：

1) 預處理 (preprocessing)
a. 檢查語法錯誤。
b. 處理 #include。找到你 #include 的檔案，然後貼到你正在編輯的檔案上。
c. 可以輸入以下指定來看 preprocessing 在做什麼事情（以 hello.c 為範例）：

clang -E hello.c

輸入以上指令後，可以看到 #include <stdio.h> 的內容被貼到檔案裡，原本 hello.c 檔案內的註解也消失了。

2) 編譯 (compiling)
a. 把 C 的程式碼轉換成組合語言，組合語言是比較低階的語言 (C code -> Assembly code)。
b. 輸入以下指定來看 compiling 在做什麼事情（以 hello.c 為範例）：

clang -S hello.c

輸入以上指令後，會出現一些看不懂的文字（比 C 語言難懂，比機器語言好懂）。因為直接把 C 語言編譯成機器語言比較難，所以會先把 C 語言編譯成組合語言。

3) 組合 (assembling)
把組合語言轉成機器語言 (Assembly code -> Machine code)。

4) 連結 (linking)
a. 把你寫的程式碼，系統的程式碼，CS50 的程式碼，全部連結組合在一起。
b. 輸入以下指定來看 linking 在做什麼事情（以 hello.c 為範例）：

xxd -l 40 -c 10 hello

輸入以上指令後，把 hello.c 的 binary 檔案內容顯示出來（事實上是用 16 進位顯示出來）。
xxd 是指令。
-l 是 limit 的意思，表示顯示出的資料限制。
40 顯示 40 bytes 的意思，表示顯示出 40 bytes 的資料。
-c 是 column 的意思，表示一行顯示幾個 bytes 的資料。
10 是 bytes 的意思，表示一行會顯示 10 bytes 的資料。

c. 修改 binary。
輸入以下指令後可以修改原本的檔案（以 hello.c 為範例）：

vim -b hello

輸入以上指令後，會進入另一個畫面，輸入 %!xxd 可以找到自己原始碼中的字母對應到的數字，修改數字後輸入 %!xxd -r 再輸入 :wq 存檔離開後，執行 ./hello 會發現原始碼被修改了。（參考：在 Linux 下使用 vim 配合 xxd 查看并编辑二进制文件）

3. 數字的儲存（假設數字只有 4 bits 大小）。
1) 如果假設數字只有 4 bits 大小，那麼我們可以用二進制 0000 ~ 1111 來表示整數：

但這樣子就只有正整數，無法表示負數了。

2) 負數的表示。
a. 直覺用第一個 bit 表示負值 ，但會造成 +1 跟 -1 相加不為 0：

第一個 bit 以 0 表示正數 +，1 表示負數 -。
但只是改變第一個 bit，會發現相加應該為 0 的正負數，相加後卻不等於 0。

b. 所以利用結果來反推答案，利用溢位 (overflow) 來表示 0（實際上是10000）：

這裡反推出二進制的 0001 跟 1111 相加會變成 10000，但因為只能儲存 4 bits 大小的數字，所以數字溢位後變成二進制的 0000，也就是 0。

由剛才的例子發現，利用數字溢位 10000 可以表示 0，但要考慮哪兩數相加為 10000 之前，可以先拆解成更小的步驟：

i) 先考慮如何讓兩數相加為 1111。雖然我們目標是要找兩數相加為 10000，但找到相加為 1111 比起要找到溢位後成 10000 比較容易，因為不用另外思考進位問題。這裡用二進制 0111（十進制 +7）為例：

0111 與 1000 相加會成為 1111，但還不是我們要找的答案。

ii) 把剛才找出的答案後再 +1。

把剛才找到的 1000 加上 1 之後就變成 1001，而最後的答案也成為 10000，如我們一開始的目標一樣。

之後就反推二進制 1001 是十進制的 -7。

iii) 用以上的方法推論出數字只有 4 bits 大小的情況下，可以表示哪些正負整數：

然後就會發現：如果現在有一個數字是正數，把所有 bit 反轉之後 +1，那個數字就是負數。
而 1000 是如何得出它是 -8 的呢？1000 反轉之後 +1 還是 1000，所以由 1001 - 1 得出 1000 是 -8，因為 1001 是 -7，所以 -7 -1 = -8。
0 雖不是正數或負數，不過會佔一個 bit，所以正整數會比負整數少一個。

就可以得到以下的結論：

在 C 語言裡 int有 32 bits，所以最大的正整數是 2^31 - 1 (2147483647)。

3) 小數的表示方式。
a. 最大問題：用有限（電腦記憶體有限）表示無限，所以怎麼存都不可能存的精準。
b. IEEE 754 是二進位浮點數算術標準，請參考維基百科：IEEE 754 Wikipedia。
c. 十進位小數轉換成二進位，請參考：10 進位轉 2 進位小數算法。有些十進位小數轉換二進位的時候會有無法轉換完全的情況（像是十進位的 0.3），所以會有不精準的情況產生。


這次的導讀筆記就到這裡，許多內容都從胡立老師的投影片截圖下來的。筆記如果有錯還請指正。