Exhaustive Studieanteckningar: Grundläggande Programmering och Datortsvetenskap

Syfte med programmering och grundläggande koncept

• Automatisera uppgifter: Programmering syftar till att göra receptiva processer snabbare, mer effektiva och mindre felbenägna. Man låter datorn utföra tråkiga eller repetitiva uppgifter automatiskt istället för att människor gör dem manuellt.

  • Exempel på automatisering:

    • Räkna ut poäng i ett spel.

    • Skicka mejl automatiskt.

    • Sortera bilder eller filer.

• Skapa lösningar: Genom programmering bygger man verktyg, system och applikationer som löser specifika problem i vardagen eller arbetslivet. Det handlar om att bygga appar, spel och program som hjälper människor.

  • Exempel på lösningar: TikTok, Minecraft, bankappar och Spotify.

• Kommunicera med datorer: Programmering innebär att ge datorn instruktioner på ett språk den förstår. Eftersom datorer inte förstår mänskliga språk som svenska eller engelska, använder man programmeringsspråk som:

  • Python

  • C#

  • Java

Grundläggande programmeringsbegrepp

• Programmering: Processen att skriva instruktioner som en dator kan tolka och utföra. Det är i essens att skriva instruktioner till datorn (t.ex. "Visa texten Hej!").

• Programmeringsspråk: Ett verktyg för att kommunicera med datorn, likt ett språk man använder för att "prata" med hårdvaran. Exempel inkluderar Python, C# och JavaScript.

• Kod: De faktiska instruktionerna som skrivs i ett programmeringsspråk. Exempel: Print("Hej!").

• Variabel: En behållare eller "låda" som lagrar data vilken kan ändras under programmets körning. En variabel har ett namn (identifierare) och ett värde.

  • Exempel: Namn = "Julia", Ålder = 25.

  • Python-exempel med datatyper:

    • name = "anna" (text/string)

    • Age = 25 (heltal/int)

    • Height = 1.75 (flyttal/float)

    • isStudent = true (sanningsvärde/bool)

  • C#-exempel för utskrift:

    • Console.WriteLine("namn" + name);

    • Console.WriteLine("ålder" + age);

    • Console.WriteLine("längd" + height + meter);

    • Console.WriteLine("Är student" + isStudent);

• Konstant: En variabel vars värde aldrig ändras efter att programmet har startat. Ett typiskt exempel är $PI = 3.14$.

Datatyper och Operatorer

• Datatyper: Olika slags information som kan lagras. Variabler används för att lagra dessa för senare bruk.

  • Text (string): Exempel: "Hej", "Alex".

  • Heltal (int): Exempel: 5, 12.

  • Decimaltal (float): Exempel: 3.14, 1.52.

  • Logiska värden (bool): Kan endast vara True eller False (sant eller falskt). Exempel: ärHungrig = true.

• Operatorer: Symboler som används för beräkningar och jämförelser (matte-tecken).

  • + : Plus

  • - : Minus

  • * : Gånger

  • / : Delat

  • == : Lika med (jämförelse)

  • % : Modulus (returnerar resten vid heltalsdivision, t.ex. $10 \% 3 = 1$).

Kodstruktur och Logik

• Kommentar: Text i koden som datorn ignorerar. Den används bara för att hjälpa människor att förstå koden eller förklara syftet med en viss del.

  • Exempel Python: # här räknar vi poäng.

  • Typer av kommentarer:

    • Python: # för enradiga, """ """ (Docstring) för flerradiga.

    • C#: // för enradiga, /* */ för flerradiga.

• Indentering: Hur kod struktureras med indrag (mellanrum i början av raderna). I vissa språk, som Python, är detta kritiskt eftersom datorn använder indentering för att förstå vilka koddelar som hör ihop logiskt.

  • Exempel:python if x > 5: print("Hej!")                  Här ser datorn att print hör till if-satsen på grund av indraget.

• Block/Kodblock: Sammanhängande delar av kod som hör ihop, markerade med indrag eller klamrar. Kan liknas vid ett stycke i en bok.

Kontrollstrukturer: Villkor och Loopar

• Villkor (if-satser/Conditions): Gör att programmet kan fatta beslut. Datorn kan välja olika vägar beroende på om ett villkor är sant eller falskt.

  • Exempel: Om spelaren har $0$ liv blir det "Game Over". Om man trycker på hopp-knappen ska karaktären hoppa.

  • Struktur: Består ofta av if, else if (elif i Python), och else (alternativet som körs om inget annat stämmer).

  • Logiska operatorer: Används för att kombinera villkor:

    • && (and): Båda villkoren måste vara sanna.

    • || (or): Minst ett villkor måste vara sant.

    • ! (not): Inverterar villkoret (sant blir falskt).

  • Nästlade if-satser: En if-sats inuti en annan för att kontrollera flera beroende krav. Exempel: python if age >= 10: if ticket: print("Du får komma in")         

• Loopar: Konstruktioner som gör att kod kan upprepas flera gånger för att hantera repetitiva uppgifter effektivt.

  • Iteration: Varje enskilt varv som loopen kör sitt kodblock.

  • While-loop: Körs så länge ett specifikt villkor är sant.

  • For-loop: Körs ett bestämt antal gånger, ofta genom ett intervall (t.ex. range(5) i Python som skapar talen $0, 1, 2, 3, 4$).

  • Oändlig loop: En loop som aldrig tar slut för att villkoret alltid är sant (t.ex. While True).

  • Break: Avbryter loopen direkt i förtid.

  • Continue: Hoppar över resten av koden i nuvarande iteration och går direkt till nästa varv.

Input och Output (I/O)

• Input: Data som användaren matar in i programmet.

  • Exempel: namn = input("Vad heter du?").

• Output: Resultatet eller informationen som programmet visar tillbaka för användaren.

  • Exempel: print("Hej Julia!").

• Formaterade strängar:

  • Python (f-strängar): print(f"Hej {name}").

  • C#: Console.WriteLine($"Hej {name}");.

Algoritmer och Problemlösning

• Algoritm: En tydlig följd av steg för att lösa ett problem, likt ett recept vid matlagning (t.ex. 1. Ta fram mjölk, 2. Blanda ingredienser, 3. Grädda).

• Pseudokod: En förenklad, språkoberoende beskrivning av ett programs logik skriven på vanligt språk. Det är en planering och inte riktig kod ännu.

• Flödesschema: En visuell representation av stegen i en algoritm med standardiserade symboler:

  • Oval: Start- och slutpunkter.

  • Pilar: Visar flödets väg.

  • Parallellogram: Inmatning eller utmatning (t.ex. "Ange namn").

  • Diamant: Beslut eller fråga (sant/falskt).

  • Rektangel: Aktivitet eller instruktion (t.ex. "Beräkna summan").

  • Hexagon: Förberedelse eller initiering.

• Sortering: Processen att ordna element (stigande $1, 2, 3...$ eller fallande $5, 4, 3...$).

  • Bubble Sort: En enkel algoritm som jämför grannar och byter plats om de ligger i fel ordning. Dess tidskomplexitet beskrivs ofta som $O(n^2)$, vilket innebär att tiden ökar snabbt när mängden data ökar.

Avancerade Begrepp

• Funktioner: Små, återanvändbara kodblock som utför specifika uppgifter. De hjälper till att organisera koden och möjliggör abstraktion (man kan använda funktionen utan att förstå exakt hur dess inre fungerar).

  • Argument: Information som skickas in till funktionen.

  • Returvärde: Det värde funktionen skickar tillbaka.

  • Void (C#): Indikerar att funktionen inte skickar tillbaka något värde.

• Rekursion: När en funktion anropar sig själv istället för att använda en loop.

• Moduler/Bibliotek: Förskriven kod som kan importeras (t.ex. import math i Python) för att använda färdiga funktioner som andra har skapat.

• Objektorienterad programmering (OOP): Ett sätt att bygga program med "objekt" som innehåller både data (t.ex. en bils färg) och funktioner (t.ex. att bilen kan bromsa).

Felhantering och Debugging

• Syntaxfel: Fel i kodens struktur (som stavfel) som hindrar programmet från att köras.

• Semantik: Kodens faktiska innebörd. Ett program kan ha korrekt syntax men göra fel saker logiskt (t.ex. räkna minus istället för plus).

• Undantagshantering: Metoder för att fånga och hantera fel under körning så att programmet inte kraschar (t.ex. att säga "Du måste skriva ett nummer" om någon skriver bokstäver).

• Debugging (felsökning): Processen att identifiera och rätta till buggar i koden.

Hårdvara och Mjukvara

• Hårdvara: De fysiska komponenterna man kan ta på:

  • Processor (CPU): Datorns hjärna som utför beräkningar och bearbetar instruktioner. Den arbetar internt endast med maskinkod (ettor och nollor).

  • RAM (Primärminne): Korttidsminne som lagrar data tillfälligt medan program körs. Raderas när datorn stängs av.

  • Sekundärminne (Lagring): Permanent lagring för filer, program och operativsystem (t.ex. SSD eller hårddisk).

  • Moderkort: Kopplar samman och samordnar alla delar.

  • Grafikkort (GPU): Specialiserat för grafik och matematiska matrisoperationer.

  • In- och utenheter (I/O): Tangentbord/mus (inmatning) samt skärm/högtalare (utmatning).

• Mjukvara: Program och operativsystem (Windows, macOS, Linux) som instruerar hårdvaran.

Kompilering och Exekvering

• Källkod: Den textbaserade kod som programmeraren skriver.

• Kompilering/Tolkning: Processen att översätta källkod till maskinkod som processorn förstår.

  • C#: Källkod $\\rightarrow$ Mellanliggande kod (IL) $\\rightarrow$ CLR (Common Language Runtime) översätter till maskinkod.

  • Python: Källkod $\\rightarrow$ Bytekod $\\rightarrow$ PVM (Python Virtual Machine) exekverar och översätter till maskinkod.

• Körning (runtime): Det som händer medan programmet är igång och exekveras.

Datastrukturer: Listor och Arrayer

• Lista (Python): Dynamisk datastruktur som kan ändra storlek och innehålla olika datatyper.

• Array (C#): Datastruktur med fast storlek som bestäms vid skapandet.

• Index: Positionen för ett element, börjar alltid på $0$. Om Fruits = ["äpple", "banan"], så är Fruits[0] lika med "äpple".

• Operationer: Append (lägg till), Remove (ta bort), Len/Length (kolla antal element), Sortera.

Utvecklingsmiljö (IDE)

• IDE (Integrated Development Environment): Programvara för att skriva och testa kod effektivt (t.ex. Visual Studio, VS Code, PyCharm).

• Funktioner i en IDE:

  • Syntaxmarkering: Färgkodning av kod.

  • Autokomplettering: Föreslår kod under skrivandet.

  • Integrerad terminal: För att köra kommandon direkt.

  • Git-integration: För versionshantering.

• SDK (Software Development Kit): Samling verktyg som behövs för att bygga program för en specifik plattform (t.ex. .NET SDK för C#).