Файл: Алгоритмизация как обязательный этап разработки программы (Алгоритмизация).pdf
Добавлен: 29.03.2023
Просмотров: 281
Скачиваний: 2
1) задать два числа; 2) если числа равны, то взять любое из них в качестве ответа и остановиться, в противном случае продолжить выполнение алгоритма; 3) определить большее из чисел; 4) заменить большее из чисел разностью большего и меньшего из чисел; 5) повторить алгоритм с шага 2. Описанный алгоритм применим к любым натуральным числам и должен приводить к решению поставленной задачи. Убедитесь в этом самостоятельно, определив с помощью этого алгоритма наибольший общий делитель чисел 125 и 75. Словесный способ не имеет широкого распространения, так как такие описания: • строго не формализуемы; • страдают многословностью записей; • допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний. графическая (изображения из графических символов); Графический способ представления алгоритмов является более компактным и наглядным по сравнению со словесным. При графическом представлении алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий. Такое графическое представление называется схемой алгоритма или блоксхемой. В блоксхеме каждому типу действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений, проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки ит. п.) соответствует геометрическая фигура, представленная в виде блочного символа.
3. СПОСОБЫ ОПИСАНИЯ АЛГОРИТМОВ
Рассмотрим следующие способы описания алгоритма: словесное описание, псевдокод, блок-схема, прoграмма.
Словесное описание представляет структуру алгоритма на естественном языке. Например, любой прибор бытовой техники (чайник, электродрель, фен и т.п.) имеет инструкцию по эксплуатации, т.е. словесное описания алгоритма, в соответствии с которым данный электроприбор должен использоваться. Никаких правил составления словесного описания не существует. Запись алгоритма осуществляется в произвольной форме на естественном, например, русском языке. Этот способ описания не имеет широкого распространения, так как строго не формализуем (под «формальным» понимается то, что описание абсолютно полное и учитывает все возможные ситуации, которые могут возникнуть в ходе решения); допускает неоднозначность толкования при описании некоторых действий; страдает многословностью. Псевдокод — описание структуры алгоритма на естественном, частично формализованном языке, позволяющее выявить основные этапы решения задачи, перед точной его записью на языке программирования. В псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и общепринятая математическая символика. Строгих синтаксических правил для записи псевдокода не существует. Это облегчает запись алгоритма при проектировании и позволяет описать алгоритм, используя любой набор команд. Однако в псевдокоде обычно используются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от псевдокода к записи алгоритма на языке программирования. Единого или стандартного определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором используемых слов и конструкций. Блок-схема – oписание структуры алгоритма с помощью геометрических фигур с линиями-связями, показывающими порядок выполнения отдельных инструкций. Этот способ имеет ряд преимуществ. Благодаря наглядности, он обеспечивает «читаемость» алгоритма и явно отображает порядок выполнения отдельных команд. В блок-схеме каждой формальной конструкции соответствует определенная геометрическая фигура пли связанная линиями совокупность фигур. Рассмотрим некоторые oсновные конструкции, использующиеся для построения блок-схем алгоритмов программ, регламентированные ГОСТ 19.701-90.
Блок, характеризующий начало/конец алгоритма (для подпрограмм — вызов/возврат)
Блок — прoцесс, предназначенный для описания отдельных действий
Блок — Предопределенный процесс, предназначенный для обращения к вспомогательным алгоритмам (подпрограммам)
Блок — ввода/вывода с неопределенного носителя или описания исходных данных
Блок — решение (проверка условия или условный блок)
Блок — границы цикла, описывающий циклические процессы типа: «цикл с предусловием», «цикл с постусловием»
Соединительные блоки
Описания алгоритма в словесной форме, на псевдокоде или в виде блок-схемы допускают некоторый произвол при изображении команд. Вместе с тем она настолько достаточна, что позволяет человеку понять суть дела и внедрить алгоритм. На практике исполнителями алгоритмов выступают компьютеры. Поэтому алгоритм, предназначенный для исполнения на компьютере, должен быть записан на «доступном» ему языке, такой формализованный язык называют языком программирования. Программа – описание структуры алгоритма на языке алгоритмического программирования.
4. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Начальные шаги алгоритма можно объединить в следующие алгоритмические конструкции: линейные (последовательные), разветвляющиеся, циклические с предусловием и циклические с постусловием. Любой алгоритм можно сoставить, используя эти четыре алгоритмические конструкции. Линейной называют алгоритмическую конструкцию, выполненную в виде последовательности действий (шагов), в которой каждое действие (шаг) алгоритма выполняется ровно один раз, причем после каждого i-го действия (шага) выполняется (i+1) -е действие (шаг), если i-е действие — не конец алгоритма. Разветвляющейся (или ветвящейся) называется алгоритмическая конструкция, обеспечивающая выбор между двумя альтернативами в зависимости от значения входных данных. При каждом конкретном наборе входных данных разветвляющийся алгоритм сводится к линейному. Различают неполное (если – то) и полное (если – то – иначе) ветвления. Полное ветвление позволяет организовать две ветви в алгoритме (то или иначе), каждая из которых ведет к общей точке их слияния, так что выполнение алгоритма продолжается независимо от того, какой путь был выбран (рис. 1). Неполное ветвление предполагает наличие некоторых действий алгоритма только на одной ветви (то), вторая ветвь отсутствует, т.е. для одного из результатов проверки никаких действий выполнять не надо, управление сразу переходит к точке слияния.
Рис. 1. Полное ветвление
Циклической (или циклом) называют алгоритмическую конструкцию, в которой некая, идущая подряд группа действий (шагов) алгоритма можем выполняться много раз, в зависимости от входных данных или условия задачи. Группа повторяющихся действий на каждом шагу цикла называется телом цикла. Любая циклическая конструкция содержит в себе элементы ветвящейся алгоритмической конструкции.
Цикл с предусловием
В данной циклической структуре сначала проверяется значение условного выражения (условие) перед выполнением очередного шага цикла. Если значение условного выражения истинно, исполняется тело цикла. После чего управление вновь передается проверке условия и т.д. Эти действия повторяются до тех пoр, пока условное выражение не примет значение ЛОЖЬ. При первом же несоблюдении условия цикл завершается. Количество шагов цикла заранее не определено и зависит от входных данных задачи. Особенностью цикла с предусловием является то, что если изначально условное выражение ложно, то тело цикла не выполнится ни разу.
|
|
б) |
а)
Рис. 2. Блок-схема цикла с предусловием: два варианта изображения с помощью условного блока, а) и с помощью блока границы цикла б)
Цикл с постусловием
Как и в цикле с предусловием, в циклической конструкции с постусловием заранее не определено число повторений тела цикла, оно зависит от входных данных задачи. В отличие от цикла с предусловием, тело цикла с постусловием всегда будет выполнено хотя бы oдин раз, после чего проверяется условие. В этой конструкции тело цикла будет выполняться до тех пор, пока значение условного выражения ложно (условие "окончания" цикла). Как только оно становится истинным, выполнение команды прекращается. Возможно построение цикла и с условием "продолжения" цикла, т.е. тело цикла будет выполняться до тех пор, пока значение условия истинно. Блок-схема данной конструкции представлена на рис. 3 двумя способами: с помощью условного блока, а и с помощью блока управления б.
Рис. 3. Блок-схема цикла с постусловием
Проанализируем три типа циклических алгоритмов: цикл с параметром (который называют арифметическим циклом), цикл с предусловием и цикл с постусловием (их называют итерационными). Существует разновидность цикла с предусловием, называемая арифметический цикл. В арифметическом цикле число его шагов (повторений) однозначно определяется правилом изменения параметра, которое задается с помощью начального (N) и конечного (К) значений параметра и шагом (h) его изменения. Т.е., на первом шаге цикла значение параметра равно N, на втором – N + h, на третьем – N + 2h и т.д. На последнем шаге цикла значение параметра не больше К, но такое, что дальнейшее его изменение приведет к значению, большему; чем К., например, вывести 10 раз слово «Привет!». Его блок-схема использует специальный блoк начала арифметического цикла с указанием, что переменная i в нем будет изменяться от 1 до 10 с шагом 1.
5. ПОНЯТИЕ ПРОГРАММИРОВАНИЯ И КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММЫ
Термин программирование означает процесс и искусство создания компьютерных программ с помощью специальных языков программирования. В общем смысле слова, программирование есть формализация предопределенного состояния, по реакции на событие, реализуемого средствами математики или естественных наук. В узком смысле слова, программирование рассматривается как кодирование алгоритмов на заданном языке программирования. В более широком смысле программирование - процесс создания программ, то есть разработка программного обеспечения.
Программирование включает в себя:
· Анализ
· Проектирование - разработка комплекса алгоритмов
· Кодирование и компиляцию - написание исходного текста программы и преобразование его в исполнимый код с помощью компилятора
· Тестирование и отладку - выявление и устранение ошибок в программах
· Испытания и сдачу программ
· Сопровождение
Различные языки программирования поддерживают различные стили программирования (так называемые «парадигмы программирования»). Отчасти, искусство программирования состоит в том, чтобы выбрать один из языков, наиболее полно подходящий для решения имеющейся задачи. Разные языки требуют от программиста различного уровня внимания к деталям при реализации алгоритма, результатом чего часто бывает компромисс между простотой и производительностью (или между временем программиста и временем пользователя).
Единственный язык, напрямую выполняемый процессором - это машинный язык (также называемый «машинным кодом»). Как уже было сказано, изначально, все программисты прорабатывали каждую мелочь в машинном коде, но сейчас эта трудная работа уже не делается. Вместо этого, программисты пишут исходный код, и компьютер (используя компилятор, интерпретатор или ассемблер, речь о которых пойдёт чуть позже) транслирует его, в один или несколько этапов, уточняя все детали, в машинный код, готовый к исполнению на целевом процессоре. Однако, в некоторых языках, вместо машинного кода генерируется интерпретируемый двоичный код «виртуальной машины», также называемый байт-кодом (byte-code). Такой подход применяется в Forth, Lisp, Java.
Теперь, когда мы знаем немного о понятии «программирование», можно переходить к материальной части процесса создания программ. Это, разумеется, технические (аппаратные) средства обеспечения программирования - совокупность электрических, электронных и механических компонентов автоматизированных систем составляет их техническое обеспечение (в отличие от программных средств, представляющих собой программное обеспечение автоматизированных систем). Например, электронная вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер - комплекс технических и программных средств, основанных на использовании электроники и предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных в процессе решения вычислительных и информационных задач. Понятие языка программирования. Процесс работы компьютера заключается в выполнении программы, то есть набора вполне определённых команд во вполне определённом порядке. Машинный вид команды, состоящий из нулей и единиц, указывает, какое именно действие должен выполнить центральный процессор. Значит, чтобы задать компьютеру последовательность действий, которые он должен выполнить, нужно задать последовательность двоичных кодов соответствующих команд. Программы в машинных кодах состоят из тысячи команд. Писать такие программы - занятие сложное и утомительное. Программист должен помнить комбинацию нулей и единиц двоичного кода каждой программы, а также двоичные коды адресов данных, используемых при её выполнении. Гораздо проще написать программу на каком-нибудь языке, более близком к естественному человеческому языку, а работу по переводу этой программы в машинные коды поручить компьютеру. Так возникли языки, предназначенные специально для написания программ, - языки программирования. Язык программирования - это специальный язык, на котором пишут команды для управления компьютером. Языки программирования созданы для того, чтобы людям было проще читать и писать для компьютера, но они затем должны транслироваться (транслятором или интерпретатором) в машинный код, который только и может исполняться компьютером. Языки программирования можно разделить на языки высокого уровня и языки низкого уровня. Язык низкого уровня - это язык программирования, предназначенный для определенного типа компьютера и отражающий его внутренний машинный код; языки низкого уровня часто называют машинно-ориентированными языками. Их сложно конвертировать для использования на компьютерах с разными центральными процессорами, а также довольно сложно изучать, поскольку для этого требуется хорошо знать принципы внутренней работы компьютера. Язык высокого уровня - это язык программирования, предназначенный для удовлетворения требований программиста; он не зависит от внутренних машинных кодов компьютера любого типа. Языки высокого уровня используют для решения проблем и поэтому их часто называют проблемно-ориентированными языками. Каждая команда языка высокого уровня эквивалентна нескольким командам в машинных кодах, поэтому программы, написанные на языках высокого уровня, более компактны, чем аналогичные программы в машинных кодах. Создатели языков по-разному толкуют понятие язык программирования. Среди общин мест, признаваемых большинством разработчиков, находятся следующие: