【CS50x(2022)】 Week2 - Array

這週提供了遇到 bug 時的解決方式，也深入講解了 main function 的使用。

課程內容

  • Compiling
  • Debugging
  • Memory
  • Arrays
  • Characters
  • Strings
  • Command-line arguments
  • Applications

Debugging methods

寫程式常常遇到一個讓人困擾的問題，就是運作起來跟想像中的不一樣。大家常說的 debug 或者說除錯，其實就是找出程式運作不如預期的原因，並且解決它的過程。用肉眼直接找出原因是很沒有效率的，畢竟就是覺得邏輯沒問題才會這樣寫並且很有自信地讓程式碼運行 😅

講師介紹了 3 種課程中遇到 bug 可以使用的方法，除了 debug50 這個課程提供的工具外，其他兩種方法也是我在學習過程中很常使用的 debug 方式。

用 printf() 呈現程式運作過程

printf() 是一個在 terminal 印出() 中內容的指令。在程式碼適當位置中加入，可以觀察程式碼運作細節，方便藉由觀察印出的「值」跟預想中的相不相符來確認發生錯誤的地方。

例如：如果要在 terminal 印出3個 # 

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// 程式碼內容
int main(void)
{
    for (int i = 0; i <= 3; i++)
    {
        printf("#\n");
    }
}

// 實際輸出結果
#
#
#
#

這個時候就可以在迴圈內加一行 printf() 來檢查輸出的次數為什麼和預期的不一樣。 

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// 程式碼內容
int main(void)
{
    for (int i = 0; i <= 3; i++)
    {
        printf("loop %i\n", i);  // 新增這一行檢查用的 printf()
        printf("#\n");
    }
}

// 實際輸出結果
loop 0
#
loop 1
#
loop 2
#
loop 3
#

這樣就可以看出 for loop 的迴圈檢查條件設置錯誤，只要將 i <= 3 更正為 i < 3 即可。

這種方式也是我目前最常使用的 debug 方式。當運行結果和預期中不同時，藉由這種方式可以把一大段的程式碼分區塊進行測試，針對特定段落進行檢查，可以更精確地找到發生問題的原因並進行改正。

debug50(課程工具)

CS50 課程開發了線上的 codespace ，裡面已經進行了相關的環境設定、也提供了一些工具，讓註冊這門課的學生可以專注在學習課程內容上。 debug50 就是其中一個好用的工具，可以把程式運作的流程一步一步的呈現，在複雜一點的程式結構 debug 上會比 printf() 更方便一點。

Rubber duck

Rubber duck debugging 是用書寫或是口說的方式，將整個流程一步一步的說出來。藉由這個「輸出」的過程來釐清每個步驟，進而找出發生錯誤的原因。

Rubber duck 對我來說不僅僅用在 debug 上，通常在正式開始寫程式前，我就會先用 pseudocode 的方式規劃整個流程，除錯過程中比對原來的 pseodocode 來進行檢查。另外就是，「寫部落格」對我來說也是 Rubber duck 的應用，要進行「輸出」首先要先在腦中進行整理，之後才能用比較有條理的方式進行表達。

Characters

每一個 Character 在記憶體中是以 ASCII value 的形式紀錄的，這也讓 char 這個 data type 有很特別的應用方式。 

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int main(void)
{
    char c1 = 'H';
    char c2 = 'I';
    char c3 = '!';
  
    printf("%c%c%c\n", c1, c2, c3);
    // output: HI!

    printf("%i %i %i\n", c1, c2, c3);
    // output: 72 73 33
}

在 week1 的 C 語言介紹課程供提到，使用 printf() 引用變數時，必須清楚定義變數的 data type 。在前面課程中覺得「沒必要」、「多此一舉」的動作，在這裡就體現出了這麼做的原因。 由於是以 ASCII value 來紀錄，因此 data type 的定義也就關係到了記憶體中 value 的解讀方式，進而能呈現出不同的結果。

在大小寫的轉換中，也可以用很特別的寫法： 

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char word = 'h';

if (word >= 'a' && word <= 'z')
{
    printf("%c\n", word - 32);
}
else
{
    printf("%c\n", word);
}
// output: H

看起來很奇怪，「文字」怎麼能進行「比大小」和「四則運算」？其實就是 ASCII value 在不同型別間的轉換而已。

Array & String

Array

Array 是一種 data type ，它可以讓很多相同型別的變數值共用一個變數名稱，並且 array 裡面的值是有「順序性」的，這種方式可以使用較少的變數紀錄相同數量的值。 

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// 用不同變數紀錄個別的值
int score1 = 72;
int score2 = 73;
int score3 = 33;

// 用 array 紀錄所有變數值
int score[] = {72, 73, 33}

String

String 不是 C 語言原生的 data type ，它是由 CS50 library 定義的，所以如果想使用 String ，就要在文件開頭引用 <CS50.h> 。

Strings are actually just arrays of characters —— CS50x
這也是為什麼可以用 array 方式來取 string 裡第 i 個字的原因。

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string s = "HI!";
printf("%c %c %c\n", s[0], s[1], s[2]);
//  output: H I !

每個 string 結尾會被加上 null character, or NUL, or \0 ，用來表示字串的結束。這也是為什麼可以用下列方式來計算字串的長度。 

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string s = "HI!";

int i = 0;
while (s[i] != '\0')
{
    i++;
}

Command-line arguments & Exit status

這關係到 C 的主程式結構。在之前的課程介紹中，講者只說明主程式要寫在 int main(void){} 裡面，卻沒有特別說明原因。其實，可以把主程式看成一個 function 。在 week1 有介紹過 function ，其結構是：
return_type function_name(Command-line arguments){} ，也就是我們最一開始看到的： 

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int main(void)
{
    // 主程式碼執行內容
}

Command-line arguments

通常， main function 不需要引入任何參數就可以直接執行，所以我們直接使用 void 來表示。但既然是 funtion ，當然也有「引入參數」的使用方法，那就是直接在 Command-line 執行 ./file_name 的時候直接放入參數。 

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int main(int argc, string argv[])
{
    // 主程式碼執行內容
}

argc 代表的是「包含執行指令」的 arguments 的 length；而 argv 則是執行指令後設置的參數(其型別為 array of string)。

也就是說，如果我在 terminal 執行以下指令： 

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$ ./file ABC 123
# argv[] = {./file, ABC, 123}
# argc = 3

此時，我就可以在我的 main function 中使用我在 terminal 輸入的參數。

exit status

嗯嗯？主程式有 return value ？？ 看看 int main(void){} ……看起來 return value type 是 interger ，但是我們並沒有設定 return value 啊？

其實， main function 預設會回傳 0 表示沒有任何錯誤發生；而我們可以設置不等於 0 的 return value 來表示錯誤情況發生。可以針對不同的錯誤狀況設置不同的 return value ，這也是我們在執行一些微軟或 Mac 程式，發生錯誤時看到的 error message number。

來看看例子。假如我寫了一個 main function 需要使用者提供一個參數(name)，如果參數無誤會在 terminal 印出 Hello, name： 

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int main(int argc, string argv[])
{
    if (argc == 2)  // 除執行指令外給了一個參數($./hello David)
    {
    printf("hello, %s\n", argv[1]);
    return 0;
    }
    else if (argc == 1) // 只輸入執行指令($./hello)
    {
    printf("missing command-line argument\n");
    return 1;
    }
    else  // 提供大於一個參數($./hello David Brian)
    {
    printf("too many command-line argument\n");
    return 2;
    }

}

小結

相較於前兩週，我花了較多的時間反覆觀看 lecture 影片，不但因為資訊量變大更需要時間吸收，也因為接觸更多沒碰過的「基礎」(像是資料在 memory 中的儲存方式及應用方法)。除了提升對 C 的理解外，也解決了一些我在學習 JavaScript 時的疑惑！

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