【MVCD 2】 - 技术栈

CS 41 完整课程内容整理

课程一：数据结构与面向对象编程（4月11日）

一、课程基本信息

日期：2023年4月11日
主题：数据结构与面向对象编程
重要通知 ：
- Assignment 0周四截止
- 今天是组队最后一天，需在Canvas注册小组
- 周四在各自section教室见面（Arpit-Econ 206, Chase-380-381T, Will-Encina West 208）
- Assignment 1（小组作业）周四发布

二、学习目标

学完本课后，学生将能够：

区分不同数据结构（lists、tuples、sets、dictionaries）及其属性和方法
根据具体任务选择合适的内置数据结构
设计和实现自定义Python对象（类）来增强Python功能

三、内置数据结构

核心特性对比表

数据结构	可变性	有序性	可迭代	查找复杂度	定界符
List	✔	✔	遍历元素	O(n)	[]
Tuple	✘	✔	遍历元素	O(n)	()
Set	✔	✘	遍历元素	O(1)	{}
Dictionary	✔	✘	遍历键	O(1)键	{}

1. Lists（列表）

特点：

可变（mutable）：创建后可修改
有序（ordered）：有第0、1、2...个元素
异构（heterogeneous）：可存储不同类型元素

常用方法：

.count(elem) - 计数元素出现次数
.index(elem) - 返回首次出现的索引
.append(elem) - 末尾添加元素 O(1)
.extend(iterable) - 扩展列表
.insert(idx, elem) - 在指定位置插入
.sort(key=None, reverse=False) - 原地排序
elem in lst - 检查元素是否存在
del lst[i] - 删除第i个元素
.pop(i=-1) - 返回并删除元素
.remove(elem) - 删除首个匹配元素 O(n)

2. Tuples（元组）

特点：

不可变（immutable）：创建后不可修改（因此可哈希）
有序（ordered）：有索引顺序
异构（heterogeneous）：可存储不同类型元素

不可变性的优势：

存储效率更高
可哈希，能作为字典的键
注意：元组存储的是不可变引用，但引用的对象本身可能可变
python 复制代码
```
tup = (1, 2, [3, 4])
tup[2].append(5)
tup # => (1, 2, [3, 4, 5]) # 有效但不建议
```

3. Sets（集合）

特点：

可变（mutable）：可添加/删除元素
无序（unordered）：无索引概念
异构（heterogeneous）：可存储不同类型
唯一性（unique）：自动去重，元素必须可哈希

数学运算：

s & t - 交集
s | t - 并集
s < t - 真子集检查
s <= t - 子集检查
s ^ t - 对称差
s - t - 差集

操作复杂度：

.add() - O(1)
.remove() - O(1)
成员检查 - O(1)

4. Dictionaries（字典）

特点：

可变（mutable）：可修改键值对
关联性（associative）：通过键访问值，非位置索引
异构（heterogeneous）：键值可为不同类型
键唯一（unique keys）：每个键只能出现一次，键必须可哈希

常用方法：

val = d[key] - 访问值
.copy() - 浅拷贝
.get(key, default) - 安全获取值
.keys() - 返回所有键
.values() - 返回所有值
.items() - 返回键值对元组
.clear() - 清空字典
.pop(key, default) - 删除并返回值

四、集合操作常用模式

基础操作

python 复制代码

# 获取元素数量
len(collection)

# 遍历元素
for elem in collection:
    ...

# 从可迭代对象创建新数据结构
list("abcabc")  # => ['a', 'b', 'c', 'a', 'b', 'c']
set("abcabc")   # => {'a', 'b', 'c'}

# 枚举集合
enumerate(['a', 'b', 41])  # => <(0, 'a'), (1, 'b'), (2, 41)>
for i, elem in enumerate(['a', 'b', 41]):
    ...

高级操作

python 复制代码

# 排序
sorted("cbda")                     # => ['a', 'b', 'c', 'd']
sorted("cbda", reverse=True)       # => ['d', 'c', 'b', 'a']

# 配对组合
zip(['arpit', 'chase', 'will'], ['B+', 'A', 'A-'])  
# => <('arpit', 'B+'), ('chase', 'A'), ('will', 'A-')>
for a, b in zip(collection1, collection2):
    ...

# 范围生成
range(a, b, c)  # 从a（含）到b（不含），步长为c
range(3, 10, 2) # => <3, 5, 7, 9>

五、列表推导式（Comprehensions）

实例：奇数平方问题

问题：返回100以下所有奇数平方数

传统循环方法：

python 复制代码

for i in range(loop_max):
    if (i ** 2) % 2 != 0:
        output.append(i ** 2)

推导式方法：

python 复制代码

return [
    i ** 2
    for i in range(int(num ** (1/2)))
    if (i ** 2) % 2 != 0
]

推导式语法结构

列表推导式：

python 复制代码

[fn(x) for x in iterable if cond(x)]

[] - 方括号定义列表
fn(x) - 应用的函数
for x in iterable - 遍历可迭代对象
if cond(x) - 可选的条件过滤

字典推导式：

python 复制代码

{f(k): g(v) for k, v in iterable if cond(k, v)}

{} + : - 花括号+冒号定义字典

核心模式：遍历集合 → 检查条件 → 对元素应用操作

课程二：类与面向对象（接上节）

一、实际问题引入

Stanford学生课程管理系统设计

需要管理的实体：

学生（Student）属性：

姓名（字符串）
SUNet ID（字符串）
已修课程集合
课程成绩
当前修读课程集合

课程（Course）属性：

课程ID（字符串）- 跨学期标识
院系（字符串）
课程号（字符串）
学期（字符串）
先修课程集合
当前注册学生集合

功能需求：

实现学生选课函数
检查先修课程要求

思考：应该用什么数据结构解决这个问题？

二、类的概念（Classes）

高层理解：房屋建造类比

类 = 蓝图（Blueprint）

python 复制代码

class House:
    utilities = {
        'electricity': 'A&E #8675309',
        'water': 'Palo Alto Mutual #6054756961'
    }
    
    def __init__(self):
        self.locked = True

实例 = 实际房屋（Instance）

python 复制代码

red = House()
blue = House()
green = House()

类的组成部分

1. 类属性（Class Attributes）

在所有实例间共享

python 复制代码

House.utilities['electricity']   # => 'A&E #8675309'
red.utilities['electricity']      # => 'A&E #8675309'
green.utilities['electricity']    # => 'A&E #8675309'

2. 实例属性（Instance Attributes）

每个实例独有

python 复制代码

red.locked   # => True
blue.locked  # => True
red.locked = False
blue.locked  # => True  # 不受red影响

注意：Python中所有属性都是公开的（public）

三、self参数详解

python 复制代码

class House:
    def __init__(self):
        self.locked = True

self的含义：

方法的第一个参数是对象自身的引用
可以命名为任何名字，但传统上用self
适用于所有方法，不仅是__init__

调用机制：

python 复制代码

House.__init__           # => <function __init__(self)>
red = House()
red.__init__             # => <bound method House.__init__>

# 等价关系
instance.method(some_args) ~ function(instance, some_args)

四、自定义实例化

构造函数参数

python 复制代码

class Student:
    def __init__(self, name, sunet):
        self.name = name.title()
        
        # 验证SUNet
        if not set(sunet) <= set('0123456789'):
            raise ValueError(f"Invalid SUNet: {sunet}.")
        self.sunet = sunet

使用示例：

python 复制代码

parth = Student('parth sarin', 'noneya')  # ValueError
tara = Student('tara jones', '5625165')
tara.name  # => 'Tara Jones'

__init__可以像普通函数一样接受参数
可以在构造时进行数据验证和处理

五、魔术方法（Magic Methods）

Python内置操作与魔术方法的对应

python 复制代码

str(x)      # => x.__str__()
x == y      # => x.__eq__(y)
x < y       # => x.__lt__(y)
x + y       # => x.__add__(y)
next(x)     # => x.__next__()
len(x)      # => x.__len__()
hash(x)     # => x.__hash__()
el in x     # => x.__contains__(el)

特点：

以双下划线开头和结尾
Python自动调用这些方法实现运算符和内置函数
可以自定义这些方法来控制对象行为

六、实战演示

演示项目：构建Axess系统

filter_pixels.py - 像素过滤
odd_squares.py - 奇数平方
axess.py - 学生课程管理系统

课程三：电子学入门（4月18日）

一、课程概述

电子学定义 ：

处理电子（电）的行为和控制以及电子电路、设备和系统的设计与应用的物理学和工程学分支。

为什么CS 41要学电子学？

我们可以构建实体物品！（We can build physical stuff!!）

相关作业：

Assignment 2 - augment.py
主题：在哪里制作电路？

二、电子学基础

电路的三大核心属性

1. 电流（Current）

电路中电子的流动
单位：安培（amperes/amps）
类比：电流像水流过管道，正如水需要管道流动，电流需要导线流动

2. 电压（Voltage）

电路中两点间的电势差
单位：伏特（volts）
作用：决定电流的流动
类比：电压是"推力"，使电流通过电路流动。就像水在压力下流过管道，电流在电压作用下流过导线

3. 电阻（Resistance）

物体阻碍电流流动的特性
类比：像减速交通的路障。就像管道中狭窄或粗糙的部分使水流困难，电路中较高的电阻使电流更难流动

欧姆定律（Ohm's Law）

三个因素的关系：电压、电流、电阻

这些概念是电气工程的基础

三、电路基础概念

接地（Ground）

电路中的参考点或"零电压"点
作为电流返回电源的路径，完成电路回路

四、微控制器（Microcontroller）

定义：

包含微处理器、内存和输入/输出外设的集成电路，能够执行指令并控制外部设备或系统。

Micro:bit V2介绍

产品特点：

小型口袋大小的计算机
专为学生学习编程和电子学设计

主要功能：

LED显示屏
- 5x5 LED矩阵
- 可显示文本、图像和动画
按钮
- 两个可编程按钮
- 可用作程序输入
加速度计
- 检测运动和方向变化的传感器
指南针
- 检测磁场方向的传感器
温度传感器
- 测量环境温度
引脚（Pins）
- 一组引脚可连接外部传感器、执行器和其他组件

GPIO引脚

定义：

GPIO = General Purpose Input/Output（通用输入/输出）
微控制器或计算机上的数字引脚
可用于输入和输出操作

功能：

这些引脚可以利用输出和输入电压
可以用代码处理
帮助我们构建电路
可与更传统的电路接口

五、实践演示

代码演示（Code Demo）

使用micro:bit进行实际编程演示

特殊导体实验

神秘的"幽灵"导体

猜猜是什么？

⚠️ 警告：

这是危险的！
仅在超低电流和电压下安全

人体导电原理：

为什么人体能导电？

水是导体，因为它含有带电粒子或离子，可以在水中移动并传导电流
人体约60%是水！

实验主题：人体连接（Human Connection!!）

课程总结

核心要点

数据结构选择原则 ：

根据数据的可变性、有序性、唯一性和访问模式需求选择：

需要顺序和修改 → List
需要不可变和哈希 → Tuple
需要去重和快速查找 → Set
需要键值映射 → Dictionary

面向对象编程：

类是对象的蓝图
实例是类的具体实现
使用魔术方法自定义对象行为

电子学基础：

电压、电流、电阻是电路的三大要素
微控制器连接软件与硬件
通过编程控制物理世界

课程进度

Assignment 0 → Assignment 1（小组作业）→ Assignment 2（电子学）
从纯软件逐步过渡到软硬件结合