編譯四階段| 直譯語言 | 陣列概念 | 除錯三妙招

Bicky

2024/09/10閱讀時間約 2 分鐘

程式並不是寫完就可以自動運行，就跟不是買了水龍頭回家就有水的意思一樣。部分的程式語言還需要經過「編譯」的階段，轉成 0 和 1，本篇會講解與示範編譯的四個階段。另外帶入「陣列」的觀念，讓你了解資料儲存結構的形式，再分享三個除錯的方法。

真正的 C 語言運行需要四個編譯階段，第一篇提到的 make 檔名 是在 CS50 的平台中只是其中方便初學者理解有編譯這個過程存在，真正的編譯需要有四個階段。下面是這四個階段的簡單說明：

編譯四階段總覽

Preprocessing

這個階段會處理程式中的指令，比如 #include，用來引入外部函式庫。編譯器會找到這些函式庫並將內容加入程式，確保函式庫功能可以被正確編譯。

Compling

編譯成 Assembly language ，更難直觀看懂的語言。不同的編譯器適用不同的指令，Linux C 語言常用 gcc 當作編譯器。在 CS50 的編譯器中使用 Clang 編譯

Assembling

轉成電腦能看懂的 0 和 1，每個標頭檔函示庫的功能會個別編譯。

Linking

將個別已轉成 0 和 1 的標頭檔內容連結，讓程式可運行。

Preprocessing

這次我們改用 clang 指令進行編譯：

使用 clang 編譯

左邊出現 ./a.out 的預設檔名編譯檔案

此時檔名尚未更新，需要運行./a.out的預設檔名才有結果

如何自訂檔名?

clang -o 自定義檔名檔案名稱.c

顯示錯誤，原因是沒有編譯到 <cs50.h> 這個函式庫的功能，電腦就不知道 get_string 是什麼意思。

如果程式有使用其他的 library ，就要另外編譯。

clang -o 自定義檔名檔案名稱.c -l函式庫

補充說明：gcc 也是一種編譯模式，你也可以試試。

gcc 是 C 語言常用的編譯方式

Compling 編譯

編譯器將 C 語言的原始碼轉換為組合語言（assembly language），這是比 C 語言更接近電腦用語的語言。不同的編譯器，組合語言的指令可能有所不同。以下的組合語言由 ChatGPT 提供，一般人類很難直接寫出組合語言。

section .data
    hello db 'Hello, World!', 0xA  ; The string to print (0xA is a newline character)

section .text
    global _start                  ; Entry point for the program

_start:
    ; System call to write (sys_write)
    mov rax, 1                     ; System call number for sys_write (1)
    mov rdi, 1                     ; File descriptor (1 = stdout)
    mov rsi, hello                 ; Pointer to the string
    mov rdx, 13                    ; Length of the string
    syscall                        ; Call kernel

    ; System call to exit (sys_exit)
    mov rax, 60                    ; System call number for sys_exit (60)
    xor rdi, rdi                   ; Exit code 0
    syscall                        ; Call kernel

Assembling

轉成 0 和 1 的二進位語言，即機器語言（machine code）。

10111000 00000001 00000000 00000000 00000000  //節錄 hello,world 部分machine code

Linking

將多個機器語言輸入：

main.o（主程式的機器語言）。
標頭檔中 printf 函式所屬的函式庫機器語言。
如果有 <cs50.h> 的 get_string 功能也會在這個階段連結成完整的程式。

每個程式語言都要編譯嗎？

不一定。世界上也有「直譯語言」，也有介於兩者中間的型態。

Compiled Language 編譯語言：

知名的 C 語言 C++ 都屬於編譯語言，編譯語言的概念如下圖：

左邊是你的電腦，右邊是我的電腦，而編譯語言會先將程式碼編譯成０和１並儲存成「新的檔案」，再把這個檔案給我的電腦執行。此圖片截圖自，影片版請點以下連結：

Compiler and Interpreter: Compiled Language vs Interpreted Programming Languages

Interpreted Language 直譯語言：

網頁常用的 JavaScript 就屬於直譯語言。

直譯語言直接把原始的程式碼，傳送到我的電腦，直接在我的電腦逐條直譯。相較於編譯語言，直譯語言需要給對方「原始程式碼檔案」。

兩者比較：

稍微了解編譯的過程後，我們來看另一個常用的功能：陣列。

沒有陣列的程式

老師希望計算每個學生的平均成績，如果學生人數不多，可能會這樣寫：

#include <stdio.h>

int main()
{
    int score1 = 72; // 定義每個變數表示一個成績
    int score2 = 73;
    int score3 = 33;
    printf("Average: %f\n", (score1 + score2 + score3) / 3.0); // 計算平均分數
}

問題： 這個方法可以處理少數學生的成績，但如果有 100 位學生，這樣寫程式就非常不方便，因為你需要定義 100 個變數，並在計算平均時把它們一個個相加。萬一第 50 位學生轉學，你還必須手動去修改變數名稱，甚至重寫部分程式碼。

此外，若還需要儲存學生的姓名、學號等資訊，這樣的寫法會讓程式變得更複雜且難以維護。因此，我們需要使用「陣列」來簡化這些操作。

陣列（Array）是什麼？

每個數值都需要占用一些儲存空間，而這個空間的大小取決於數值的型態（例如，整數、浮點數等）。當我們使用陣列時，電腦可以根據每個數值的位置快速找到它，而不是從頭一個一個地搜尋。

可以把陣列想像成一列火車，每個「車廂」就是一個存放數值的位置。我們提前規劃好車廂的位置，這樣當我們需要找到某個特定車廂（數值）時，不需要從火車頭開始搜尋，而是可以直接跳到那個車廂去取東西，而這展現陣列的高效率。

記憶體在硬體上呈現的樣子 ( 本圖截圖自 CS50 Lecture 2）

#include <stdio.h>

int main()
{
    int score[3]; // 我需要有存放3個數值的空間
    int score[0] = 72; // 注意第一個位置是0
    int score[1] = 73;
    int score[2] = 33;
    printf("Average:%f\n", (score[0] + score[1] + score[2]) / 3.0);
}

首先，告訴陣列需要為你準備多少空間。陣列中的每個位置都可以存放一個成績，使用 score[3] 表示我們需要 3 個整數的空間，並且它們的索引（位置）會是 0 到 2。
需要注意的是，陣列的索引是從 0 開始的，所以即使陣列可以存 3 個值，它們的索引分別是 0、1 和 2。

優化程式，使用迴圈：

如果我們有 100 位學生，老師不可能手動為每個學生輸入成績 100 次。所以，當我們發現有重複行為時，應該想到使用「迴圈」來自動化這些操作。這樣可以減少複製貼上，讓程式更有效率。

#include <stdio.h>
#include <cs50.h>

int main()
{
    int score[3]; // 我需要有存放3個數值的空間
    int score[0] = get_int("Score: ");
    for(int i = 0; i < 3; i++)
    {
        score[i] = get_int("Score: ");//請使用者輸入分數，分數會存入記憶體
    }
    printf("Average:%f\n", (score[0] + score[1] + score[2]) / 3.0);
}

優化程式，使用變數：

當你發現有「固定數字」重複出現在程式裡（例如 int score[3]; 跟 (score[0] + score[1] + score[2]) / 3.0);），代表可以使用變數來替代。這樣當學生人數改變時，只需要改變一個地方，程式就能處理不同的人數。

#include <stdio.h>
#include <cs50.h>

int main()
{
    const int N = 3; // 指定 N 為常數，表示這裡 N 只能等於 3，無法更改
    int score[N];    // 使用 N 來宣告一個大小為 N 的陣列，儲存成績
    // 使用迴圈讓使用者輸入 N 個學生的成績
    for(int i = 0; i < N; i++)
    {
        score[i] = get_int("Score: "); // 使用者輸入的成績依次存入陣列中
    }
    // 計算並輸出成績的平均值
    printf("Average: %f\n", (score[0] + score[1] + score[2]) / (float) N);
    // 用 (float) 將 N 轉成浮點數，確保結果是小數
}

使用 `const` 宣告常數，使學生人數固定

在 C 語言中，我們可以使用 const 關鍵字來宣告一個常數，這樣變數的值在程式運行期間不能被修改。適合用在不能被改變的數值，像是固定的學生人數、圓周率等等。在專案協作中，使用 const 有助於工程師溝通時了解這是不能被改變的數值，增加程式易讀性和安全性。

不使用固定常數，讓老師自行輸入

以下提供，不固定學生人數的寫法（節錄版）：

#include <stdio.h>
#include <cs50.h>

int main()
{
    int n = get_int("Number of students: "); // 讓使用者輸入學生人數
    int score[n]; // 根據使用者輸入的學生人數來設定陣列大小

最後還是有 score[0] + score[1] + score[2] 更聰明的寫法如下：

寫一個函數計算功能：透過將計算邏輯封裝在 average 函數中。
迴圈計算總合。

#include <cs50.h>
#include <stdio.h>

const int N = 3; // 適用於全域，其他程式編輯者可在一開始改變陣列長度
float average(int length, int array[]);//prototype宣告等一下使用此函數

int main()
{
    int scores[N]; // 我需要有存放N個數值的空間
    for (int i = 0; i < N; i++)
    {
        scores[i] = get_int("Score: "); // 請使用者輸入分數，分數會存入記憶體
    }
    printf("Average:%f\n", average(N, scores)); // float使 N 轉浮點數
}

float average(int length, int array[])// 定義新函數，平均的算法。
{
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < length; i++)
    {
        sum = array[i] + sum;
    }
    return sum / (float) length; // 變浮點數，平均才會有小數
}