計算機(jī)程序設(shè)計與語言

1、第4章計算機(jī)程序設(shè)計與語言,中國石油大學(xué)出版社,Add your company slogan,www.themegallery.com,LOGO,本章概要,本章介紹計算機(jī)程序設(shè)計的基本概念，包括模型的建立、算法的設(shè)計和表達(dá)、計算機(jī)程序設(shè)計語言、程序的編寫、程序的測試、程序文檔的建立和程序的維護(hù)。通過本章的學(xué)習(xí)，你將具備計算機(jī)程序設(shè)計的基本能力，可以利用學(xué)到的知識和方法嘗試解決很多問題。學(xué)完本章，你將能夠：◎了解程序設(shè)計的基本步驟；

2、◎掌握至少兩種表達(dá)算法的方法；◎識別簡單程序中的控制結(jié)構(gòu)；◎列出如今流行的編程語言；◎描述各種編程語言的主要特征。,www.themegallery.com,LOGO,本章要點,,www.themegallery.com,LOGO,4.1.1 計算機(jī)程序,程序是計算機(jī)執(zhí)行任何操作的驅(qū)動力，是計算機(jī)為完成某一任務(wù)所必須執(zhí)行的一系列指令。,4.1.2 程序設(shè)計步驟,（1）建立模型：從實際問題抽象出數(shù)學(xué)模型，即由物理模型到抽象模型

3、，用形式化方法描述現(xiàn)實世界。（2）算法設(shè)計：給出解決問題的方法和步驟，即算法。同一個問題可以有不同的解決辦法，從中選取一種最合適的。（3）算法表達(dá)：選擇一種或幾種表達(dá)算法的工具，對算法進(jìn)行清晰的表達(dá)。（4）編寫程序：選擇程序設(shè)計語言，把算法程序化。（5）程序測試和調(diào)試：對編寫好的程序進(jìn)行測試，修改程序中的錯誤。（6）程序文檔編寫與程序維護(hù)：整理和編寫程序文檔，以便更好地維護(hù)程序。,www.themegallery.com,LO

4、GO,4.1.3 程序設(shè)計語言,計算機(jī)語言的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)器語言、匯編語言和高級語言三個階段。機(jī)器語言是計算機(jī)能直接執(zhí)行的二進(jìn)制形式的語言。匯編語言的實質(zhì)和機(jī)器語言是相同的，都是直接對硬件操作，只不過指令采用了英文縮寫的標(biāo)識符，更容易識別和記憶。高級語言更接近自然語言和數(shù)學(xué)語言，和匯編語言相比，它不但將許多相關(guān)的機(jī)器指令合成為單條指令，并且去掉了與具體操作有關(guān)但與完成工作無關(guān)的細(xì)節(jié)，如使用堆棧、寄存器等，這樣就大大簡化了程序中的指令，使

5、程序員可以離開機(jī)器層次，在更抽象的層次上表達(dá)意圖，以接近問題本質(zhì)的方式去思考和描述問題。高級語言所編制的程序不能直接被計算機(jī)識別，必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換才能被執(zhí)行。,4.2 模型與算法,4.2 模型與算法模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)的一種描述，是對現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象和簡化。模型由現(xiàn)實系統(tǒng)的有關(guān)元素組成，能夠反映這些元素之間的關(guān)系，從而反映現(xiàn)實系統(tǒng)的本質(zhì)。模型分為物理模型和數(shù)學(xué)模型兩大類。物理模型由物理元素構(gòu)成，又稱為形象模型。數(shù)學(xué)模型由關(guān)系、函數(shù)等數(shù)學(xué)

6、對象符號組成，又稱為邏輯模型或抽象模型。,4.2.1 建立模型,物理模型的建立：對客觀存在的事物進(jìn)行形象的描述，列出已知的所有物理元素及其關(guān)系，明確需要解決的問題。 數(shù)學(xué)模型的建立：在物理模型的基礎(chǔ)上，忽略不重要的細(xì)節(jié)（如在一個籠子里這個事實與要解決的問題無關(guān)），抓住本質(zhì)性的元素，對其符號化后，再用數(shù)學(xué)的方法描述出來。,4.2.2 算法設(shè)計,算法是解決問題的方法和步驟 評價算法基本的標(biāo)準(zhǔn)有兩個：一是時間標(biāo)準(zhǔn)（時間復(fù)雜度），二

7、是空間標(biāo)準(zhǔn)（空間復(fù)雜度）。,4.2.2 算法設(shè)計,設(shè)計算法時，還要注意以下幾點：（1）通用性。一個算法總是針對某類問題設(shè)計的，所以對于求解某類問題中的任何一個問題應(yīng)該是有效的。例如，上面給出的解二元一次方程組的算法就有一定的通用性。（2）確定性。算法中的每個步驟都是確定的，在什么情況下做什么也非常明確，沒有含糊不清的地方。（3）有限性。一個算法在執(zhí)行時，必須經(jīng)過有限步后停下來，結(jié)束算法執(zhí)行，給出結(jié)果,4.2.3 算法表達(dá),為了

8、提高算法表達(dá)的清晰程度，需要選擇一種合適的描述算法的工具。常用的描述工具有流程圖、N-S圖、PAD圖和偽碼等。這些工具不是程序設(shè)計語言，不能直接被計算機(jī)執(zhí)行，使用它們的目的就是把算法表述出來。,算法表達(dá),求解二元一次方程組算法,4.3 程序設(shè)計實現(xiàn),建立模型、算法設(shè)計和算法表達(dá)三個步驟完成后，下一步是編寫計算機(jī)程序，也就是要選擇一種程序設(shè)計語言，將用偽碼或流程圖等表達(dá)的算法翻譯成用程序設(shè)計語言表達(dá)的程序。,www.themegall

9、ery.com,LOGO,4.3.2 編寫程序,編寫程序的基本要求：首先是保證語法的正確性。只有語法正確的程序才能通過編譯系統(tǒng)的語法檢查。其次是保證語義的正確性，也就是通過運行程序，得到需要的正確結(jié)果。 高質(zhì)量的程序還應(yīng)體現(xiàn)在以下四個方面：可靠性高、運行速度快、占用存儲空間小和易懂性。,三種基本的控制結(jié)構(gòu),（1）順序控制結(jié)構(gòu)。順序控制結(jié)構(gòu)含有多個連續(xù)的步驟，如圖4-2所示。在此控制結(jié)構(gòu)中的A和B是順序執(zhí)行的。順序控制結(jié)構(gòu)是最簡單

10、的一種基本結(jié)構(gòu)。,三種基本的控制結(jié)構(gòu),（2）選擇控制結(jié)構(gòu)。選擇控制結(jié)構(gòu)也稱為分支結(jié)構(gòu)，計算機(jī)根據(jù)所列條件選擇執(zhí)行路徑，如圖4-3所示。在此控制結(jié)構(gòu)中有一個判斷框，它只能有兩個分支，根據(jù)條件P是否滿足而分別執(zhí)行A或B。,三種基本的控制結(jié)構(gòu),（3）重復(fù)控制結(jié)構(gòu)。重復(fù)控制結(jié)構(gòu)又稱循環(huán)結(jié)構(gòu)，可以重復(fù)執(zhí)行一條或多條指令直到滿足退出條件。重復(fù)控制結(jié)構(gòu)主要有以下兩種：,當(dāng)型循環(huán)結(jié)構(gòu),直到型循環(huán)結(jié)構(gòu),4.4 程序的測試、調(diào)試與維護(hù),經(jīng)過建立數(shù)學(xué)模

11、型、算法設(shè)計、算法表達(dá)和編寫程序四個步驟，就得到了用程序設(shè)計語言編寫的源程序代碼，該程序編碼是否能夠滿足實際問題的需要，還應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格的測試、調(diào)試，這是保證程序正確性的重要步驟,4.4.1 程序測試,1. 黑盒測試法與白盒測試法對程序進(jìn)行測試常用兩種方法進(jìn)行，一種是把程序看成一個“黑盒子”，測試人員完全不考慮程序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和處理過程，只考慮程序的功能，通過選擇一些測試數(shù)據(jù)，看程序的功能是否都已實現(xiàn)，這就是黑盒測試法。另一種是把程序看成

12、一個打開的盒子，測試人員只關(guān)注程序內(nèi)部的處理過程，通過選擇一些測試數(shù)據(jù)，檢查程序中的每個語句或分支是否都能正確執(zhí)行，這就是白盒測試法。,,2. 測試的步驟測試工作先對每個模塊進(jìn)行測試，一般采用白盒測試法保證每個程序模塊內(nèi)部的正確性，然后再把測試后的模塊組裝在一起進(jìn)行整體測試，主要測試各模塊是否能正常配合工作，方法多采用黑盒測試法。對模塊的接口進(jìn)行測試，適當(dāng)輔以白盒測試法，以便對主要執(zhí)行路徑進(jìn)行測試。,4.4.2 程序調(diào)試,（1）對測

13、試發(fā)現(xiàn)的錯誤現(xiàn)象進(jìn)行分析，確定程序中的出錯位置；（2）研究有關(guān)部分的程序，找出錯誤的內(nèi)在原因（有的錯誤不一定是編碼錯誤，可能是設(shè)計錯誤）；（3）修改設(shè)計或代碼，以排除這個錯誤；（4）重復(fù)進(jìn)行暴露了這個錯誤的原始測試和其他有關(guān)測試。,4.5 程序設(shè)計語言應(yīng)用,程序設(shè)計語言有幾十年的發(fā)展、應(yīng)用的歷史，了解其發(fā)展和分類有助于在軟件開發(fā)中選擇合適的程序設(shè)計語言。隨著程序設(shè)計語言的發(fā)展，出現(xiàn)了很多軟件開發(fā)工具，其充分展示了程序設(shè)計語言的

14、特性，對提高軟件開發(fā)效率有很大作用。,4.5.1 程序設(shè)計高級語言的分類與選擇,（1）過程性語言：過程性編程語言適合于順序執(zhí)行的算法。用過程性語言編寫的程序有一個起點和一個終點，程序的執(zhí)行是流水線式的，在一個模塊被執(zhí)行完成前，不能處理其他任務(wù)，也無法動態(tài)地改變程序的執(zhí)行過程。 典型代表有：BASIC語言 C語言,,（2）面向?qū)ο蟮恼Z言：面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言是建立在面向?qū)ο缶幊谭椒ǖ幕A(chǔ)上的。面向?qū)ο蟮某绦虮豢闯墒强梢赃M(jìn)行相互

15、通信的若干對象的集合。設(shè)計面向?qū)ο蟪绦蚓褪嵌x對象，建立對象間的通信關(guān)系。程序中的輸入即是對象間發(fā)消息（通信），而輸出則是程序中的對象向顯示器（或打印機(jī)）發(fā)消息（通信）的結(jié)果，程序運行的結(jié)果就是將對象集的初始狀態(tài)變成終結(jié)狀態(tài)（目標(biāo)狀態(tài)）。對象是程序中使用的實體。例如，在Windows環(huán)境下，我們習(xí)慣于用鼠標(biāo)點擊按鈕，這里的按鈕就是一個對象。程序員可以使用面向?qū)ο蟮恼Z言來定義按鈕對象，在程序運行時把它表示出來。C++，c#，Java，