ENGG1340 Computer Programming II

课程内容笔记，自用，不涉及任何 assignment，exam 答案

Notes for self use, not included any assignments or exams

Module 0

主要介绍了几种远程登录 CS department 主机的方式

$SSH$ (安全外壳协议, Secure shell)

先使用 SSH 登入 gatekeeper 服务器，再登入 academy 服务器

若使用 HKUVPN 可直接 SSH 登入 academy 服务器

SSH 连接在命令提示符中进行，因此只能通过指令交互，无 GUI (图形界面，Graphical User Interface)
X2Go Client
$SFTP$ (SSH 文件传输协议，SSH File Transfer Protocol)

与 SSH 相同，无法直接登入 academy 服务器且无 GUI

适合进行远端与近端的文件传输
FileZilla (一种 SFTP Client)

Module 1

Why Linux?
- 开源 (open-source software)
- 海量的软件开发工具 (software development tools)
- 免费
Using Linux Shell

Linux 中的 Shell 是一种基于文本的程序 (text-based program)，其接受用户的指令并执行相应的任务 (类似 win 中的命令提示符 cmd)

本课程中使用的 Shell 为 Bash Shell

Shell commands：

directory management
file management
a special use for cat command
other useful commands

有关这些命令的 flag 以及详细用法查阅原 pdf

需要重点认识文件比较命令 diff file1 file2 的原理：它给出了一个将 file1 按行转化为 file2 的方案

Use of vi editor:

vi 编辑器是 unix/linux 系统中的一种基于命令行的文本编辑器 (command-line text editor)，没有图形用户界面

在 shell 中使用 vi filename 来用 vi 编辑器打开文件 filename，如果没有这个名字的文件，vi 编辑器将会新建一个

vi 编辑器有两种模式：

插入模式 Insert mode: 编辑文本所用的模式，按 $I$ 启用
命令模式 Command mode：执行命令所用的模式，按 $Esc$ 启用。首次打开某个文件 vi 编辑器将会处于命令模式

File permission:

intro

Linux 系统中，每个文件与目录都被赋予了两个属性，所有者 (ownership) 与访问权限 (permission, or access rights)

所有者属性分为三种：
- 用户 User：用户 User 是文件的所有者
- 组 Group：一个组 Group 包含很多用户，同组的用户对某文件的访问权限是相同的
- 其他用户 Other
对于每类所有者，文件与目录访问权限也分为三种：
- 读 Read：文件的可读权限意味着允许打开并浏览文件，目录的可读权限意味着允许浏览目录中的内容
- 写 Write：文件的可写权限意味着可以对一个文件进行修改，目录的可写权限意味着可以添加，删除或重命名目录中的文件
- 执行 Execute

display permission

使用 ls -l 命令可以显示文件或目录的 permission indicator

第一个字符 ($-/d$)：$-$ 代表文件 file，$d$ 代表目录 directory

后九个字符分为三组，分别指示用户/组/其他用户的读/写/执行权限
change permission

使用命令 chmod 来改变文件/目录的权限，具体格式为 chmod [who][operator][permissions] filename

[who] 代表修改的所有者

[operator] 代表改变的操作 (add/remove/set permission)

[permission] 代表需要添加/去除的权限

下例描述了给文件 file 的 其他用户 (other) 添加 读写 (read & write) 权限的过程

Standard I/O, file redirection & Pipe

file descriptor

Shell 中的命令经常关联一些开放文件。我们使用 文件标识符 file descriptor 来标记这些文件的类型。具体来说

标准错误 (stderr) 文件用来储存命令执行失败弹出的错误信息
redirection operator

通常来讲，当我们执行命令的时候，输出会在屏幕上显示。我们可以使用 重定向符 redirection operator > 将输出重定向至文件 file.txt 中

例如，我们想将命令 ls -l 的结果输出至文件 file.txt 中，可以如下例使用重定向符

以下是几个重定向符 >, >>, <, 与 << 的含义与它们的常见用法

将标准输出与标准错误重定向至同一个文件 result.txt

对于 a.cpp，先使用命令 g++ a.cpp -o a 编译为可执行文件 a，再使用 ./a < in.txt > out.txt 文件输入输出。这样就不用在程序内部使用 freopen 重定向了
pipe

有时我们想将某个程序的输出重定向作为另一个程序的输入：例如

此时，Shell 将会打印出所有包含 Jan 26 的行

然而，这个方法创建了一个中介文件 file.txt。有什么方法可以直接将 ls 的结果重定向至 grep 中而不用创建一个临时文件进行存储呢

我们可以用管道 pipe | 来做到

Searching for files/directories (find)

命令 find 的格式如下

例：我们想由 当前目录 (current directory) 开始寻找所有前缀为 hello. 的文件

$ find . -name "hello.*" -type f

(注意：. 代表的是当前目录 current directory)

Searching inside a file (grep) and regular expression

grep using regular expression

之前我们介绍了 grep 命令：grep 'abc' file 即搜索并打印文件 file 中所有包含字符串 abc 的行

而 grep 命令的全称为 全局正则表达式打印 (Global regular expression print)，其参数是可以使用正则表达式表示的，具体格式为

(不使用 flag -E 时使用的是原始的根据给出字符串搜索打印)
正则表达式中的特殊字符
- .
  
  字符 . 匹配任意的单个字符 (any single character)
  
  例：'n..d' 匹配 'nMMd'
- ^ 与 $
  
  字符 ^ 必须匹配行首，字符 $ 必须匹配行尾
  
  例：'^apple' 不能匹配 '* apple*' 因为行首字符是空格而不是 'a'
- ?, + 与 *
  
  例：
  
  'abc?' 匹配 'abc' 或者 'ab'
  
  'abc+' 匹配 'abc' 或者 'abccccc'
  
  'abc*' 匹配 'ab', 'abc' 或者 'abcccccccc'
  
  也可以配合使用，如 'a.*c' 可以匹配任意由 'a' 开头，'c' 结尾的字符串
- 小括号 ()
  
  代表一串字串，例：
  
  '(co)+' 匹配 'co' 或者 'coco' 或者 'cocococo'，字符 + 对子串 'co' 起效果
  
  若不加小括号，'co+' 中的字符 + 就只对字母 'o' 起效果了
- 中括号 []
  
  中括号匹配中括号中的字符集中的任意一个字符，例：
  
  '[0123456789]' 或 '[0-9]' 匹配 $0$ 到 $9$ 中的任意一个整数
  
  '[A-Z]' 匹配任意一个大写字母
  
  '[A-Za-z]' 匹配任意一个字母 (大小写都有)
- 大括号 {}
  
  大括号用于表示某个模式重复的次数 (更加精确的 ?, + 与 *)
  
  'a' 可以匹配 'a' 或 'aa'
  
  'a' 可以匹配 'aaa' 或 'aaaa' 或 'aaaaaaa'
extension of 2

Module 2

介绍了编写 .sh 脚本的方法与 Git (一种分散式版本控制系统，distributed version control system)

Module 3

C++ 基础，这个就是小 case 了，在这里记录一些边边角角

编译命令 g++ -pedantic-errors -std=c++11 hello.cpp -o hello

identifier 即变量名 variable name

operator 运算符 & operand 运算数

Division By Zero 错误是 runtime error，并不会产生编译错误信息

运算符的 precedence (优先级) 与 associativity (结合律)

使用 () 来 override precedence & associativity

逻辑运算中的 short-circuit evaluation (短路求值)

类型转换 Type Conversion：

lower type promoted to higher type

例: 3(int, lower type)/2.0 (double, higher type)，operand $3$ 类型由 int 转为 double，此时 operator / 执行双精浮点数除法
In assignment statements, the value of the right side is converted to the type of the left

例：int x = 2.5 等号右边的 $2.5$ 因为被赋给 int 型变量，其类型由 double(2.5) 转化为 int(2)

escape sequence

控制流 (flow of control)

Specifying Block statement : C/C++ V.S. Python

Python : 缩进 Indentation

C/C++ : {}

switch-case statement:

见该例，着重注意 break 在 switch 语句中的处理

当 case 中的 expression 与 switch 中的 expression 匹配时，将会执行该 case 下的所有语句，直至遇到 break

(缺少 break 的 switch 语句，case 7: 下的所有语句都被执行)

Module 4

这一章还是挺重要的，之前没有接触过

主要介绍了 Multiple Source File，File Dependency 文件依赖 与 makefile

Separate Compilation

Multiple Source Files

之前我所接触的都是 Single Source File

一个源文件一次编译一次运行，不用脑子

这是因为我没有接触过大型的 project： Multiple Source Files 有两个优势
- 将各种 features 与主程序 main 分离，提升代码组织性与可读性
- 允许其他程序复用 features
具体来说，我们将需要分离的 feature 从 main 源文件 (.cpp) 中取出

其 声明 (declaration) 组织在自定义的头文件 (.h) 中，定义 (definition) 组织在另一源文件 (.cpp) 中 (这样是为了防止同样的文件被 include 多次)

(main 源文件

gcd_main.cpp)

(gcd 源文件 gcd.cpp，包含 gcd 的定义)

(gcd 头文件 gcd.h，包含 gcd 的声明)

注意，所有的源文件都需要被编译 (头文件不需要被编译，它可以视作一个宏)
编译过程 Compilation Process

分别是 预处理 (处理头文件), 编译 (将代码编译成组合代码 Assembly code), 汇编 (将 Assembly Code 编译成机器码 machine code，此时是 .obj 文件的形式), 链接 (将所有的 obj 文件都链接在一起)

Separate Compilation

可以发现 pre-process， compilation 与 assembly 过程均是独立的，只需要单一的目标源文件

因此，在 link 之前，我们可以分别对每个源文件进行前三个编译过程以得到 object codes，再进行 link 过程对其进行连接得到最终的 executable

这样的编译方案称为 Separate Compilation

Separate Compilation 有以下几个优点
- 允许对不同的源文件分别进行编写与编译，并且分别测试其 object codes 的运行情况
- 对某个 project 进行修改时，只有受影响的源文件需要重编译 (recompile) : 这样可大大减少编译时间
- 只向用户提供 object codes 用于运行，从而隐藏真正的类型实现

例子：

对 gcd.cpp, gcd_main.cpp 分别编译得到 object codes gcd.o 与 gcd_main.o

当所有源文件均生成 object codes 后，进行 link 过程得到 final executable gcd

File Dependency 文件依赖性

上图展示了一个简单的文件依赖树。举例来说，若对源文件 calc.cpp 进行修改，则 calc.o 需要重编译并与未修改的 lcm.o 与 gcd.o 进行 link 以生成 final executable

(可看出 separate compilation 的优越性：lcm.o 与 gcd.o 都不需要进行重编译)

当情况更加复杂时，我们需要借助其它的工具来简化重编译过程

Using the make tool

The make tool

当源文件被修改时， Linux 的 make 命令能够很方便的对受到影响的文件进行重编译 (recompile) 与链接 (link)

make 尝试避免不必要的重编译与文件的重新生成

为了实现这个功能，我们需要向 make 命令提供文件的依赖性：储存文件依赖性的文件应被命名为 MakeFile

MakeFile 文件的格式如上

有几个小注意，g++ 中的 -c 参数代表进行预处理，编译，汇编三个步骤，因此最终产生的是 object codes

-o 参数代表自定义生成程序的名称，而不是采取默认名称

make working procedure

我们将需要 生成 (generate / regenerate) 的文件称为目标文件 (target)

make 在进行工作时 (我以伪代码的形式展示，大体思路相同)

File MakeFile[]   // MakeFile is a tree

int upToDate(string FileName) {

  if (MakeFile[FileName] == NULL)  return 0;

  for (i iterate through sons) {

    if (sons.LastModificationTime > MakeFile[FileName].Lastmodification time)

      return 0;

  }

  return 1;

}

void make(string FileName) {

  for (i iterate through sons) {

    if (!upToDate(i))  make(i);

  }

  if (upToDate(FileName))

    return;  // if the current file is up to date after its dependency is updated, then return

  recompile(MakeFile[FileName]);  // using the command in the MakeFile

  MakeFile[FileName].LastModificationTime = CurrentTime;

}

make(target);    // target is the root of MakeFile (usually)

采用这样的策略，能够使得某个源文件被修改后，需要 regenerate 的文件数目最少

make 奇淫技巧 1 ：MakeFile 中的变量

在 MakeFile 中，可以定义变量来指代文件

用 $(variableName) 进行文本替换

另外，MakeFile 中定义了默认的三个变量 @, < 与 ^，它们分别指代

注意：头文件 .h 是不用进行编译的！
make 奇淫技巧 2：假目标 Phony Target

我们可以通过 MakeFile 与假目标简化命令

以 clean 命令为例

当 directory 中没有名为 clean 的文件时，执行 make clean

make 将会发现 clean 是过时的 (因为它根本就不存在)，于是执行 MakeFile 中记录的命令

以这种形式简化了命令的调用

但当目录中存在名为 clean 的文件时，make 可能会发现 clean 并不是过时的，于是不会执行 MakeFile 中的命令

为了解决这个问题，我们在 .PHONY 中声明 clean 是一个假目标：在 .PHONY 中声明的目标文件，即使其并没有过时，也将会被 regenerate

Module 5

介绍了函数和递归的概念，很简单

Function

Pass by value / Pass by reference

Global / Local variable

Variable Scope (还记得 Lexical Scope)

Recursive

Recursive Definition
Stack Overflow
Recursion V.S. Iteration