第 九 章 程序设计基础

1. 第九章 程序设计基础

2. 目 录 • 9.1 程序和程序设计语言 • 9.2 算法 • 9.3 程序设计步骤与程序设计方法 • 9.4 常用程序设计语言 • 9.5 程序设计范型

3. 4.1 Word 的启动与退出 9.1 程序和程序设计语言

4. 9.1.1 程序的一般概念 • 9.1.2 程序设计语言的概述 • 9.1.3 程序设计语言的结构

5. 甲地 B线5公里 A线8公里 乙地 C线4公里 丙地 9.1.1 程序的一般概念 依据实际案例并精心计算 例：某人从甲地到丙地去。 • 步行 • 骑车 • 开车 • 时间 • 红绿灯 • 铁道 解决该计算问题的方法、步骤就包含了程序的概念。

6. 9.1.1 程序的一般概念 • 计算机程序的概念： • 为实现某一算法而编写的指令序列。 • 宏观地描述该指令序列，可用计算机的 • 机器语言 • 汇编语言 • 高级语言 • 用经典的公式可表示为： • 程序 = 算法 + 数据结构

7. 9.1.2 程序设计语言的概述 • 程序设计——编写程序的全过程。 • 有学者认为： • 程序设计 = 算法 + 数据结构 + 程序设计语言 • 程序设计语言——人和计算机之间对话和交流的一种工具，用于描述计算机所执行的操作。 • 计算机程序设计语言有几百种，但是最常用的不过10多种，了解一些程序设计语言的不同特性，有助于为特定任务而选择适当的程序设计语言。

8. 9.1.2 程序设计语言的概述 • 1.机器语言（Machine Language） • 指令——指挥计算机完成某个基本操作的命令。 • 指令系统——所有的指令集合。 （第一代程序设计语言） • 机器语言——用二进制代码表示指令系统的语言。 • 机器语言程序——由二进制代码按一定规则组成的、能被机器理解和运行的指令序列。（也称可执行程序 ）

9. 9.1.2 程序设计语言的概述 • 例如：计算累加器A=8+10的机器语言程序如下：

10. 9.1.2 程序设计语言的概述 • 2.　汇编语言（Assembly Language ） • 汇编语言——实质就是以容易记忆的代码或英文单词来代替约定的机器指令。（第二代程序设计语言） • 例如：用ADD表示加、SUB表示减、JMP表示跳转、MOV表示数据的传送指令等 。 • 汇编源程序——使用汇编语言编写的程序。

11. 9.1.2 程序设计语言的概述 • 2.　汇编语言（Assembly Language ） • 例如：上述计算累加器A=8+10的汇编语言程序如下：

12. 9.1.2 程序设计语言的概述 • 3.　高级语言（High Level Language） • 高级语言——类似数学语言或人的自然语言，同时又不依赖于某种计算机硬件，使得设计编制的程序能够在所有机器上通用。 （第三代程序设计语言） • 程序设计语言在不同的系统平台使用比较普遍的有：FORTRAN、ALGOL、COBOL、LISP、PL/I、BASIC、SIMULA 67、Pascal、C、Smalltalk 80、Ada、C++、VC、VB、Delphi、Java、JavaScript、C#、Visual BASIC.NET。

13. 9.1.2 程序设计语言的概述 • 程序设计语言的特点 • 高级语言的特点： • 编程容易 • 效率低 • 需要编译系统 • 易读 • 易维护 • 汇编语言的特点： • 编程不容易 • 效率较高 • 需要汇编程序 • 不易读 • 不易维护 • 机器语言的特点： • 编程难 • 效率高 • 需要指令系统 • 难读 • 难维护

14. 9.1.3 程序设计语言的结构 • 程序结构的多样性： • 结构化程序 • 模块化程序 • 面向对象的程序结构 • 一个良好结构的程序具有以下等特点： • 结构清晰 • 容易阅读 • 容易理解 • 容易验证 • 容易维护

15. 入口 语句A 语句B 出口 9.1.3 程序设计语言的结构 • 1996年，计算机科学家Boehm和Jacopini提出并从数学上证明：任何一个算法，都能以三种基本控制结构表示，即顺序结构、选择结构和循环结构。 • 结构化程序设计中——顺序结构

16. 入口 真 条件 假 语句序列A 语句序列B 出口 9.1.3 程序设计语言的结构 • 结构化程序设计中——选择结构 • 根据条件的判断确定应该执行哪一条分支的语句序列。（又称为分支结构 ） 单分支、多分支结构？

17. 入口 入口 语句序列 真 真 条件 语句序列 假 出口 出口 当型循环结构 直到型循环结构 条件 假 9.1.3 程序设计语言的结构 • 结构化程序设计中——循环结构 • 主要用于重复执行相同的语句序列（被称为循环体），直到判定条件为假（或为真）时才可终止执行循环体。

18. 9.1.3 程序设计语言的结构 • 结构化程序设计的特点 • 每种结构，只有一个入口和一个出口，这是结构化设计的一个原则。遵循结构化程序设计的原则，按照结构化程序设计方法设计出的程序具有明显的优点： • 其一，程序易读、理解和维护。将复杂程序分解成若干子结构，便于控制、降低程序的复杂性，因此容易编写程序，同时便于验证程序。 • 其二，提高编程工作效率，降低软件开发成本。由于结构化编程方法能够把错误控制到最低限度，因此能够减少调试和查错的时间。

19. 9.2 算法

20. 9.2.1 算法的概念与特征 • 1976年Niklaus Wirth（也是Pascal语言发明者，1984年获得图灵奖）的专著： • Algorithms ＋ Data Structures ＝ Programs • （算法 十 数据结构 = 程序） • 在计算机软件开发行业中产生了极为深远的影响，从而推动了软件开发技术和方法步入正轨，使人们开始深入研究数据结构和算法设计与分析的技术和方法。

21. 9.2.1 算法的概念与特征 • 算法——解决某个具体问题而采取的方法与步骤的完整和准确的描述。是指令的有限序列，其中每一条指令表示一个或多个操作。是问题的程序化解决方案，这些解决方案本身并不是答案，而是获得答案的精确指令。 • 算法的分类 • 顺序算法：是由冯·诺依曼型计算机体系结构所决定的，其主要思想是指令逐条运行，每次执行一步操作。 • 并行算法：要求在一些更新式的计算机中可以在同一时间执行多条指令。

22. 9.2.1 算法的概念与特征 • 一个算法必须具备五项基本特征：有穷性、确定性、数据输入、数据输出和可行性。 • （1）有穷性——算法是有序指令的集合，并在执行有穷步骤后能够终止。 • （2）确定性——每条指令必须有确切的含义，且无二义性。 • （3）输入数据——可有零个或多个输入数据。这些输入数据取自于某个特定对象的集合。 • （4）输出数据——必须有一个或多个输出数据。 • （5）可行性——描述的操作都可以通过已经实现的基本运算执行有限次来实现，也可以证明整个算法实施后可以得到预期的解。

23. 9.2.1 算法的概念与特征 • 例5.1 一个非算法的计数过程 ① 令n为0； ② 置n为n+1； ③ 返回②。 结论：不能称为算法。 原因：违背了算法特征中（1）、（4）、（5）。

24. 9.2.1 算法的概念与特征 • 例5.2用自然语言编写一个不超过1万次的计数器算法： • ① 令n为0； • ② 置n为n+1 • ③ 若n小于10000，则返回②；否则，输出n之值，且算法到此结束。 结论：是算法。 原因：符合算法特征。 • 在算法设计过程中，其实还有有关正确性、可读性、健壮性、效率与低存储量需求，以及算法效率的度量等问题。

25. 9.2.2 算法的描述方法 • 流程图（FlowChart） • PAD图（Problem Analysis Diafram，问题分析图） • N-S图 • 自然语言 • 伪代码 • UML图 （Unified Modeling Language，统一建模语言）

26. 9.2.2 算法的描述方法 • 流程图 • 流程图（框图）用不同形状的几何图形表示不同性质的操作，用流程线指明算法的执行方向。ANSI(美国国家标准化协会)、ISO（国际标准化组织）和我国国家标准中均有类似的规定。常见的流程图符号如下：

27. 9.2.2 算法的描述方法 • 向下或向右的流程线可以不画出箭头。当流程线有交叉时，则画一半圆通过交叉点。

28. 9.2.2 算法的描述方法 • 2. PAD图 • 由日立公司推出的PAD图是一种二维图。即从上向下顺序执行，从左到右表示层次关系。表示三种基本结构的PAD图如下：

29. 9.2.2 算法的描述方法 • 3. N-S图 • 1973年美国两位学者提出无流程线的N-S图（盒图）。 • 结构化程序设计由三种基本结构而组成，则算法也应采用结构化描述方法，N-S图的基本单元是矩形框，框内可以有三种基本结构，形如堆积木，也只有一个入口和一个出口。三种基本结构的N-S图如下：

30. 9.2.2 算法的描述方法 • 3. N-S图 • 用N-S图描述的计数器算法

31. 9.2.2 算法的描述方法 • 4. 自然语言 • 自然语言是人们日常生活、工作和学习中使用的通用语言，使用自然语言的文字描述算法通俗易懂，但也有它的缺陷： • （1）容易产生歧义性，因为自然语言经常要根据上下文才能判别其含义，不太严格。 • （2）自然语言很难清楚地表达算法的逻辑流程，对于算法中的条件判断、循环，尤其是在这些处理中还有多层嵌套，就很难用清晰而直观的语言来表达算法的流程。因此仅适于描述简单问题。

32. 9.2.2 算法的描述方法 • 5. 伪代码 • 伪代码是介于自然语言和计算机语言之间的文字和符号，它不能被计算机所理解，但使用伪代码描述的算法很容易转变成某种编程语言。 • 常用的伪代码是用自然语言与类Pascal或类C语言相结合的方法来描述算法。

33. 9.2.2 算法的描述方法 • 5. 伪代码 • //用伪代码描述的计数器算法如下： • n ← 0 • do • n ← n+1 • while n < 10000 • 输出n，且算法到此结束。

34. 9.2.3　程序设计典型算法 • 算法——数值算法或非数值算法： • 数值算法——主要用于数值求解或分析，如：求和、求平方根、解方程、用组合梯形法则求定积分等。 • 非数值算法——主要用于各领域管理类的信息处理，如：各种排序、查找等。 • 本节介绍一些简单的常用算法，并假设各数据均能满足值域要求。

35. 9.2.3　程序设计典型算法 • 求3个整数的最大值算法 • 为了编写求3个整数最大值的通用实现过程，采用主函数调用子函数的形式描述算法。 • （2）max3 子函数算法描述如下： • ① 从a与b中取大数送m中; • ② 从m与c中取大数送m中; • ③ 返回m给主函数。 • （1）主函数算法描述如下： • ① 输入三个整数a,b,c; • ② max = max3(a,b,c); • ③ 输出max。

36. 9.2.3　程序设计典型算法 • 求3个整数的最大值的C程序 /*使C预编译包含I/O头文件，则可用scanf、printf函数 */ #include <stdio.h> void main(void) { int a, b, c, max; /* 定义 4 个整型变量 */ int max3(int a, int b, int c); /* max3 函数原形声明 */ printf(“Input 3 integer numbers:”);/*输出双引号中的提示信息 */ scanf(“%d%d%d”, &a, &b, &c); /*输入 3 个整数 */ max = max3(a,b,c); /* 调用 max3 函数求最大值 */ printf(“The max is: %d \n”, max); /* 输出 max 中的最大值 */ } /* End of main function */

37. 9.2.3　程序设计典型算法 • 求3个整数的最大值的C程序 /*求 3 个整数的最大值的子函数 max3 */ int max3(inta,intb,int c) /* max3 函数将返回整型值 */ { int m; /* 定义 m 整型变量*/ if( a > b ) m = a; /* 从 a 与 b 中取大数送 m 中 */ else m = b; if( m > c ) ; /* 从 m 与 c 中取大数送 m 中，“；”即m=m */ else m = c; return(m); /* 返回 m 给主函数 */ } /* End of max3 function */

38. 9.2.3　程序设计典型算法 • 2. 欧几里得算法 • 求解两个不全为0的非负整数m和n的最大公约数，可以采用以下欧几里得算法。 • （2）Euclid(m,n) 子函数算法描述如下： • while n ≠ 0 do • r ← m mod n • m ← n • n ← r • return m • （1）欧几里得算法主函数描述如下： • ① 输入两个不全为0的非负整数m,n; • ② Ecd = Euclid(m,n); • ③ 输出Ecd，且算法到此结束。

39. 9.2.3　程序设计典型算法 • 3. 两个变量值的交换算法 • 计算机实现的两个变量值的交换算法如下： • ① 令 a=5, b=10 • ② c ← a, a ← b, b ← c • ③ 输出 a 和 b 的值。 void main(void) { int a=5, b=10, c; /* 定义 a、b、c 3个整型变量 */ printf(“交换前: a=%d, b=%d\n”, a, b）； c = a; /*将 a 中的值赋值给 c */ a = b; /* 将 b 中的值赋值给 a */ b = c; /* 将 c 中的值赋值给 b */ printf(“交换后: a=%d, b=%d\n”, a, b); }

40. 9.2.3　程序设计典型算法 • 4. 排序算法 • 给定一个有n个元素可排序的序列，例如数字数据或字符串数据等，要求按照升序或降序方式重新排列。 • 排序算法：如冒泡排序法、选择排序法、插入排序法、合并排序法、快速排序法等等排序算法。

41. 9.2.3　程序设计典型算法 • 4. 排序算法 • 选择排序法降序方式排序操作过程 • 例如：对序列89，29，68，90，17，34，45操作。 | 89 29 68 90 17 34 45 90 | 29 68 89 17 34 45 90 89 | 68 29 17 34 45 90 89 68 | 29 17 34 45 90 89 68 45 | 17 34 29 90 89 68 45 34 | 17 29 90 89 68 45 34 29 | 17

42. 9.2.3　程序设计典型算法 • 5. 查找算法 • 查找是指从给定的集合（或者是多重集，它允许几个元素具有相同的值）中查找一个给定的值（称为查找键 K）。 • 常用的查找算法有顺序查找和折半查找，还有那些将原来的集合表示为另一种形式以方便查找的算法等等。 • 顺序查找——直接从头到尾搜索集合的查找键。 • 折半查找——必须首先将集合按照降序或升序排序，然后利用折半技术搜索集合的查找键，所以，当集合是有序的时候，使用折半查找效率高、速度快。

43. 9.3 程序设计步骤与程序设计方法

44. 9.3.1 程序设计步骤 一般程序设计应该包含以下4个步骤： （1）针对具体问题进行分析——了解问题性质，明确问题解决所达目标，提供的输入是什么？最终实现的输出是什么？执行中要做什么？怎么做？并建立相应的数学模型。 （2）确定数据结构并设计相应的算法——对具体问题进行概念抽象，构造出解决问题的轮廓，设计程序的数据结构和算法。

45. 9.3.1 程序设计步骤 一般程序设计应该包含以下4个步骤： （3）编写实现算法的程序——根据算法确定解决问题的详细步骤，通常是通过绘制程序流程图，来描述问题处理的过程；然后按照流程图的描述选用某种程序设计语言编写程序。 （4）测试与调试程序——在程序设计过程中，经常不是那么一帆风顺的，尤其是初学者会遇到各种这样或那样的问题，还有一些问题可能是不可预测的，往往不得不返到上一步骤中更改或调整相应的内容，并将相应文档也一并修改，通过举一反三的方法来解决给定问题。

46. 9.3.1 程序设计步骤 测试程序 为了发现程序中的设计错误而运行程序 。 ——所使用的测试用例尤其重要，因为不仅需要合法值域用例，而且非法值域用例也是必须的。 ——程序测试的成功与否直接可以体现程序健壮性。 ——当软件项目是由团队开发时，测试程序可分为：单元测试、组装测试和确认测试。 调试程序 错误定位和纠错的过程，这一过程的快慢与程序设计人员的编程经历和经验是密切相关的 。

47. 开始 编辑源程序 检查确认 yes 源文件 有错？ no 编译程序 yes 目标文件 有错？ 其它目标文件 no 连接程序 库函数 可执行文件 有错？ yes no 运行程序 yes 有错？ 数据 no 结束 9.3.1 程序设计步骤 高级语言编写和运行过程

48. 9.3.2 程序设计方法 • 早期的程序设计方法 • 早期的程序设计方法追求程序的高效率，编程过份依赖技巧，忽视程序清晰，而不注重所编写程序的结构，很少考虑程序的规范化问题，也就是没有固定程序设计方法的时期。 • 程序的可读性、可重用性都很差。其中典型问题是：频繁使用goto语句，特意算计如何节省内存空间。

49. 9.3.2 程序设计方法 • 早期的程序设计方法 • 虽然这些方法存在很多问题，但当时受限于计算机运行速度慢、内存容量小、硬件价格昂贵，程序的规模也比较小，对于单人完成较为简单的任务，事实上这些方法还是经常被采用的。

50. 9.3.2 程序设计方法 • 2.　结构化程序设计方法 • 结构化程序设计方法出现在70年代中期。 • 随着计算机硬件成本急剧下降，软件需要处理的复杂问题也就越来越多。 • 为了摆脱60~70年代初的软件危机，因为当时编程无章可循，程序常常带有强烈的个人色彩，程序的可读性差，程序的调试和维护更困难，促使人们认真反省和研究程序设计中一系列根本性问题：