理解编程语言只需四个词-编程知识体系介绍（带python及scratch案例）

学习编程有时候会给人一种高深莫测的错觉，容易让人“敬而远之”。事实并非如此，学习编程其实就是学习一种语言——一种与机器对话的语言。编程语言与人类语言有着很多相似的东西，只要你懂了机器的语言构成，学习编程的过程就像结交一个好朋友。 而你编写程序的过程就像与老朋友聊天一样有趣。这章我们就先从整体上认识一下编程语言的体系，很多编程语言都符合这个标准。

1. 编程体系概述

很多编程语言的主体部分都可以概括为四个部分：数据、运算、控制和执行。Scratch和Python也不例外。

通过设置或者从外界侦测获得数据，然后对获得数据进行运算，根据运算结果用条件判断和循环等方式进行控制，最后执行相应的程序，实现相应的功能或效果，如图4.1所示。

编程体系示意图

比如从Scratch的代码模块分类中我们可以看到数据、运算、控制三个模块；而运动、外观、画笔等模块则可以归为“执行”部分；“侦测”模块是获得数据的一种方式；“事件”是综合运用了数据、运算、控制的一种方式；“更多模块”主要是用函数进行封装，是提高效率的方法。Python与Scratch类似，Scratch的方法都能在Python中找到对应的实现方式。

后面我们用几个案例来说明一下这个编程系统，让大家加深理解。

1.1 案例一：自动驾驶汽车

假设我们设计一辆能够自动驾驶的汽车，能够根据周围的环境自动调整速度和方向，完成驾驶。这个过程就用到了我们上述的编程系统。

数据部分：侦测与前后左右车辆或障碍物的距离，获得数据；提取当前的速度和方向等数据；

运算部分：根据需求对获得的数据进行处理；

控制部分：根据运算结果制定控制计划，如根据车距合理提高或降低行驶速度；根据计算结果判读是否具备改变行驶方向的条件。

执行部分：根据控制计划作出实际的操作，达到最终的结果。

1.2 案例二：我们完成一个愿望

我们完成一个愿望的过程，其实也是在运行上述编程系统，只不过我们没有发觉而已。比如我们要完成筹备一次旅行的的过程。这个过程涉及很多内容：身体条件准备、财务条件准备、生活及工作的安排、出行计划的制定、出行方式的选择等。上述的每一个部分都在默默的运行上述系统，为了简单说明问题，我们只提取其中的“财务准备”来说明问题。

数据部分：通过各种途径了解到某地旅游的各种数据：最佳旅游天数、日均消费额、各个消费项目、最佳出行日期等数据。

运算部分：对获得的数据进行运算，总共需要多少资金，还有多长时间进行准备，每天需要攒钱多少等。

控制部分：根据运算结果制定自己的准备计划，如每天需获得多少资金，通过哪些项目进行节约资金或获得资金。

执行部分：严格执行上面制定的计划并最终获得

1.3 案例三：我们的身体本身

让我们惊讶的是我们的身体本身也在默默地按照编程系统不停运行。身体的触觉、听觉、视觉、嗅觉、痛觉等系统都符合编程系统的设置。这里我们以视觉为例进行说明。

数据部分：我们通过各个感觉器官获得外部的各种刺激，不一定折算成我们熟悉的阿拉伯数值，但一定以某种“数据”形式传递给我们的大脑。例如我们感受到的光的强度。

运算部分：我们的大脑根据获得的“数据”进行各种精密运算，得到我们身体需要的“数据”。例如我们将获得的光的强度的数据传递给大脑，大脑将这个强度数据与眼睛能够承受的光强度数据进行比较运算。

控制部分：根据大脑的运算结果进行判读，形成对器官的不同指令。例如根据运算结果制定眼睛睁眼、眯眼、闭眼的不同指令。

执行部分：我们的身体根据“控制”部分的指令产生相应的反应或动作。例如执行大脑对眼睛额指令，当光线强的时候，眼睛按照指令进行眯眼或闭眼。

2 数据

中国古代哲学（比如《易经》）认为世间万物可以从“象、数、理”三个维度进行描述，这是有一定道理的。比如说我们日常用品，你能看到这个东西，说明他有一定的具象，同时你也可以从长宽高、重量、方位等数据进行描述，同时，这个东西为什么是这个样子（“象”），为什么是这个数据（“数”）一定有他存在的道理，及所谓的“理”。 所以，从某种层面上说我们的世界是一个“数据”的世界，我们在这里讨论的“编程”更是一个离不开数据的小世界，计算机最底层的代码只不过是在处理“0”与“1”两个数字。

在编程语言中数据，一部分由程序捕获，一部分由编程者给定。需要我们注意的是，这里的数据不仅指数学中所指的各个数字，也包括字符串、布尔值等其他内容。更具体的内容，我们会在下面的章节中详细学习。

3 运算

运算指的是对各类数据进行相应的处理，这里既包括我们传统意义上的加减乘除、取模、求余、比较大小等数据运算，也包括或、且、非等逻辑运算。

逻辑运算在程序设计中与数据运算一样重要。特别是在条件判断的控制部分，发挥着举足轻重的作用。就像三个人投票决定某件事：两种相反的意见的关系互为“非”，如“同意”与“不同意”；几个人只要有一人同意即可通过，几个人的意见之间的关系就是“或”； 几个人都同意才可以通过，不同人的意见之间的关系为“且”。

4 控制

控制指根据运算的结果调整、制定相应的指令或计划。主要包括两个方面：条件控制与循环控制。

条件控制就像一个“看门人”，控制符合什么样条件的人才能进入；条件控制也可以是“谈判者”，守住心中的底线，在什么样的一个数值范围内可以接受条件并完成交易。

循环控制就像一个喜欢动脑的“机灵鬼儿”，最不想干的就一遍又一遍地反复做同样的工作，于是他将问题简化，制定了一个自动程序，一按按钮，就可以翘着二郎腿晒太阳去了。

在接下来的章节中我们会详细了解这些“看门人”、“谈判者”和“机灵鬼儿”。

5 执行

“执行”部分的语句最为丰富。是直接呈现最终结果的命令。在各种编程语言中，执行部分的语句也是种类和数量最多的部分。如在Scratch系统自带的代码分类中的运动、外观、声音、画笔等几个部分都可以归结为“执行”部分。

这就像一个企业的人事结构，出主意提想法的是少数人，真正将想法实现，变为真正产品的的是占比最多的专业人才，这些专业人才在执行任务的过程中也需要相互合作。在企业里，专业人才就相当于编程系统中的“执行部分”。编程的过程与管理一个企业出奇相似，如果我们从学习编程的过程中领悟了管理思维，这算是额外收获。

6 提高效率

在本书的后面章节，我们还会学到提高编程效率的两大利器：“函数式编程”和“面向对象编程”。大家首先要明白一点：这两个利器非常好用、对提高编程效率的作用无可替代，但是对于编程实现的功能来说，并没有添加新的东西。也就是说我们完全可以不通过这两大利器完成相应的功能，所以大家学习的时候不要有心理压力，我们只是换了一种更高效的程序编写方式。也许你的心中还有疑虑，既然可以选择不用，为什么还要学习他们？相信你看了后面章节的案例就会有了答案：太方便太强大了，没有理由不用。

7 Scratch案例——无人驾驶汽车

详见链接 Scratch案例——无人驾驶汽车

8 Python案例——喝墨水的小乌龟

详见链接 Python案例——喝墨水的小乌龟