Файл: Основные структуры алгоритмов: сравнительный анализ и примеры их использования (ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ).pdf

В зависимости от применяемых базовых структур различают следующие типы алгоритмов:

• линейные
• разветвляющиеся
• циклические.

11

2.1 Линейная алгоритмическая структура. Типовые примеры

Линейным называется алгоритм, блоки которого расположены последовательно один за другим, нет условий и повторений.

Покажем общую структуру линейного алгоритма в виде блок-схемы.

Основной принцип программирования заключается в том, что обрабатывать можно только те данные, которые находятся в определенных областях оперативной памяти компьютера. Для того чтобы поместить исходные данные в оперативную память используются операторы ввода данных.

Для реализации процесса обработки данных используется оператор присваивания.

Результат вычислений помещается в область S оперативной памяти. Чтобы вывести результат из памяти на экран монитора необходимо использовать оператор вывода.

Операторы ввода данных :

1. INPUT — оператор ввода данных с клавиатуры. Данные задаются в виде переменных. Переменная – это величина, значение которой может меняться в процессе выполнения программы. Для обозначения переменной используются их имена (идентификаторы) – последовательность до 40 латинских букв и цифр, начинающаяся с буквы. Данные могут быть следующих основных типов:

• целые INTEGER (Y%) – 2 байта в памяти (от -32768 до 32767),
• длинные целые LONG (Y&) – 4 байта (от -231 до 231 -1),
• вещественные SINGLE (Y) – 6 знаков после, -4 байта (от -3.4Е+38 до 3.4Е+38),
• вещественные удвоенной точности DOUBLE (Y#) -16 знаков после ,– 8 байт (от -Е+308 до Е+308),

12

• символьные STRING (Y$) – последовательность символов до 32767 символов длиной.

Например: INPUTa,b или INPUT “Введите два числа”;a,b

2. DATA, READ – операторы ввода данных из блока памяти. Например: DATA 3,4: READ a,b

Оператор присваивания может быть использован как для ввода данных (Например: a=3: b=4), так для вычисления выражений. (Например: S=a*b). Оператор присваивания вычисляет выражение, расположенное справа от символа присваивания (=) и результат присваивается переменной, расположенной слева от символа присваивания. При записи арифметического выражения используются арифметические операции и функции. Приоритет выполнения арифметических операций сохраняется. Функции можно использовать стандартные (встроенные) COS(X), SQR(X) … и задаваемые самим пользователем. (Например: Y=3*SQR(X)^2)

Для вывода данных используется оператор PRINT.

Например: PRINT S или PRINT “Площадь”;S или PRINT a,b,S

Для окончания программы используется оператор END. В начале программы можно использовать оператор очистки экрана – CLS.

Пример линейной программы вычисления площади прямоугольника и ее алгоритм в виде блок-схемы:

CLS

INPUT “Введите две стороны прямоугольника”; a,b

S = a * b

PRINT “Площадь”; S

END

13

2.2 Разветвляющая алгоритмическая структура, основы операторы циклов, типовые примеры

Алгоритм называется разветвляющимся, если содержит хотя бы одно условие, в результате которого обеспечивается переход на один из двух возможных вариантов решения задачи. Ветвление может быть полным (действия и после да и после нет) и неполным (в случае если нет – ничего не происходит).

Пример разветвляющегося алгоритма – алгоритм решения квадратного уравнения. Появление условия при решении этой задачи связано с отсутствием корней при отрицательном дискриминанте. Рассмотрим блок-схему этого алгоритма:

Для данной алгоритмической структуры характерно, что в любой момент времени её реализации осуществляется обработка только по какой-либо одной из ветвей.

Для описания разветвляющегося алгоритма существуют операторы:

1. условный

блочной структуры:

IF условие THEN

блок действий 1

ELSE

блок действий 2

ENDIF

14

линейной структуры:

IF условие THEN блок 1 ELSE блок 2

Обе структуры могут быть использованы как в полной форме так и в усеченной – без блока ELSE.

При работе условного оператора сначала проверяется выполнение условия. Если условие выполняется (истинное), то реализуется блок 1, в противном случае – блок 2. Условие – это логическое выражение, использующее операции сравнения (=, <, > <=, >=, <>) и логические операции (AND, OR).

Программа решения квадратного уравнения с использованием условного оператора имеет вид:

CLS: INPUT A,B,C: D=B^2-4*A*C

IF D>0 THEN

X1=(-b+SQR(d))/(2*a): X2=(-b-SQR(d))/(2*a): PRINT X1,X2

ELSE

PRINT ”Решенией нет”

ENDIF

2. выбора (выражением может быть список через запятую 1,3,4 диапазон значений 1 TO 9; операция сравнения IS >=).

SELECTCASE выражение

CASE условие 1

блок операторов 1

CASE условие 2

блок операторов 2

CASEELSE

Блок операторов n

15

END SELECT

CLS: INPUT A,B,C: D=B^4*A*C

SELECT CASE D

CASE IS >0

X1=(-b+SQR(d))/(2*a)

X2=(-b-SQR(d))/(2*a): PRINT X1,X2

CASE ELSE

PRINT ”Решениейнет”

ENDSELECT

END

16

2.3 Циклические алгоритмические структуры, основные операторы ветвления, типовые примеры

Алгоритм называется циклическим, если содержит участок, повторяющийся один или много раз.

Циклы бывают с определённым количеством, неопределённым числом вычислений.

Оператор цикла с параметром :

FORI = IН TOIK STEPh

тело цикла

NEXTI

Оператор цикла с предусловием :

DOWHILE условие продолжения вычислений (UNTIL условие прекращения вычислений)

тело цикла

LOOP

Оператор цикла с постусловием:

DO

тело цикла

LOOPWHILE условие продолжения вычислений (UNTIL условие прекращения вычислений)

17

Глава 3. ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. Смысл появления такого языка – оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм.

Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать. Первой цели идеально отвечает язык, который настолько «близок к машине», что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько «близок к решаемой задаче», чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко.

Связь между языком, на котором мы думаем/программируем, и задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная польза быть, по крайней мере, двуязычным. Язык предоставляет программисту набор концептуальных инструментов, если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные ограничения концепции указателя заставляют программиста применять вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться чисто за счет языковых средств.

Может показаться удивительным, но конкретный компьютер способен работать с программами, написанными на его родном машинном языке. Существует почти столько же разных машинных языков, сколько и компьютеров, но все они суть разновидности одной идей простые операции производятся со скоростью молнии на двоичных числах.

Персональные компьютеры IBM используют машинный язык микропроцессоров семейства 8086, т.к. их аппаратная часть основывается именно на данных микропроцессорах.

18

Можно писать программы непосредственно на машинном языке, хотя это и сложно. На заре компьютеризации(в начале 1950-х г.г.), машинный язык был единственным языком, большего человек к тому времени не придумал. Для спасения программистов от сурового машинного языка программирования, были созданы языки высокого уровня (т.е. немашинные языки), которые стали своеобразным связующим мостом между человеком и машинным языком компьютера. Языки высокого уровня работают через трансляционные программы, которые вводят «исходный код» (гибрид английских слов и математических выражений, который считывает машина), и в конечном итоге заставляет компьютер выполнять соответствующие команды, которые даются на машинном языке. Существует два основных вида трансляторов:

• интерпретаторы, которые сканируют и проверяют исходный код в один шаг,
• компиляторы, которые сканируют исходный код для производства текста программы на машинном языке, которая затем выполняется отдельно.

3.1 Интерпретаторы

Одно, часто упоминаемое преимущество интерпретаторной реализации состоит в том, что она допускает «непосредственный режим». Непосредственный режим позволяет вам задавать компьютеру задачу вроде PRINT 3.14159*3/2.1 и возвращает вам ответ, как только вы нажмете клавишу ENTER (это позволяет использовать компьютер стоимостью 3000 долларов в качестве калькулятора стоимостью 10 долларов). Кроме того, интерпретаторы имеют специальные атрибуты, которые упрощают отладку. Можно, например, прервать обработку интерпретаторной программы, отобразить содержимое определенных переменных, бегло просмотреть программу, а затем продолжить исполнение.

Больше всего программистам нравится в интерпретаторах возможность получения быстрого ответа. Здесь нет необходимости в компилировании, так как интерпретатор всегда готов для вмешательства в вашу программу. Введите RUN и результат вашего самого последнего изменения оказывается на экране.

Однако интерпретаторные языки имеют недостатки. Необходимо, например, иметь копию интерпретатора в памяти все время, тогда как многие возможности интерпретатора, а следовательно и его возможности могут не быть необходимыми для исполнения конкретной программы.

19

Слабо различимым недостатком интерпретаторов является то, что они имеют тенденцию отбивать охоту к хорошему стилю программирования. Поскольку комментарии и другие формализуемые детали занимают значительное место программной памяти, люди стремятся ими не пользоваться. Хуже всего то, что интерпретаторы тихоходны. Ими затрачивается слишком много времени на разгадывание того, что делать, вместо того чтобы заниматься действительно делом.

При исполнении программных операторов, интерпретатор должен сначала сканировать каждый оператор с целью прочтения его содержимого (что этот человек просит меня сделать?), а затем выполнить запрошенную операцию. Операторы в циклах сканируются излишне много.

3.2 Компиляторы

Компилятор-это транслятор текста на машинный язык, который считывает исходный текст. Он оценивает его в соответствии с синтаксической конструкцией языка и переводит на машинный язык. Другими словами, компилятор не исполняет программы, он их строит. Интерпретаторы невозможно отделить от программ, которые ими прогоняются, компиляторы делают свое дело и уходят со сцены. При работе с компилирующим языком, таким как Турбо-Бейсик, вы придете к необходимости мыслить о ваших программах в признаках двух главных фаз их жизни: периода компилирования и периода прогона. Большинство программ будут прогоняться в четыре — десять раз быстрее их интерпретаторных эквивалентов. Если вы поработаете над улучшением, то сможете достичь 100-кратного повышения быстродействия. Оборотная сторона монеты состоит в том, что программы, расходующие большую часть времени на возню с файлами на дисках или ожидание ввода, не смогут продемонстрировать какое-то впечатляющее увеличение скорости.