Файл: Обзор языков программирования высокого уровня ( ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ ).pdf

1.3 Основные понятия

В основе любой компьютерной программы лежит алгоритм. Алгоритмом принято называть систему четких однозначных указаний, определяющих последовательной действий над некоторыми объектами, за конечно количество итераций приводящих к желаемому результату [6]. Алгоритмы типичным образом решают не только частные задачи, но и большие классы однотипных задач. Принято выделять пять основных свойств алгоритмов:

• конечность – после определенного числа шагов алгоритм должен завершаться;
• определенность – каждый шаг алгоритма должен быть четко и однозначно определен;
• ввод – алгоритм может иметь некоторое количество входных данных, определяемых до начала работы;
• вывод – алгоритм может иметь некоторое количество выходных данных, получаемых в результате исполнения;
• эффективность – все операции, подлежащие реализации в рамках алгоритма, должны быть достаточно простыми, чтобы их в принципе можно было точно выполнить за конечный отрезок времени [9].

Алгоритм не может существовать сам по себе - он предназначен определенному исполнителю действий. Например, алгоритм вычисления производной предназначен тем, кто хотя бы частично знаком с основами высшей математики и математического анализа.

Исполнителем алгоритма называется тот субъект или объект, для управления которым разрабатывается алгоритм. Другими словами, исполнителем алгоритма является некоторая реальная или абстрактная система (биологическая, техническая или биотехническая), которая способна выполнить действия, предписываемые алгоритмом.

Характерные черты исполнителя алгоритма (см. рисунок 1):

Рисунок 1 – Характерные черты исполнителя алгоритма

• среда – «место обитания» исполнителя;
• система команд – конечный набор команд, которые исполнитель может понять (умеет выполнять). Каждая команда обладает своими условиями применимости (условиями среды) и результатами;
• элементарные действия – действия, совершаемые исполнителем после вызова команды;
• отказы – ситуация, возникающая в том случае, когда вызывается команда в недопустимых условиях среды.

Важно отметить, что исполнитель не вникает в смысл выполняемых им действий – его действия формальны, отвлечены от содержания поставленной цели и строго соответствуют алгоритму [8].

В настоящее время существует несколько форм записи алгоритмов (см. рисунок 2):

• словесное описание;
• построчная запись;
• блок-схема;
• запись на языке программирования.

Рисунок 2 – Формы представления алгоритмов

Словесное описание алгоритма характеризуется минимальным количеством ограничений и представляет собой наименее формализованный вид. Однако, алгоритм, записанный в словесной форме, получается менее строгим и допускает некоторые неопределенности. Кроме того, данная форма записи может оказаться очень объемной и трудной для человеческого восприятия. В качестве примера рассмотрим нахождение наибольшего общего делителя (НОД) двух чисел. Если числа равны, то НОД равняется любому из этих чисел. В противном случае из большего числа требуется вычесть меньшее, запомнить получившуюся разность, подставить ее вместо большего числа и повторить алгоритм.

Построчная запись алгоритма представляет собой запись на естественном языке с соблюдением следующих правил:

• шаги алгоритма должны быть пронумерованы;
• реализация шагов происходит согласно их порядковым номерам, начиная с первого;
• в качестве типичных шагов алгоритма выступает чтение данных, их запись, обработка, проверка какого-либо условия, переход к шагу с определенным номером, завершение вычислений.

Приведем пример записи алгоритма вычисления НОД двух чисел в построчной записи:

1. ВводA, B
2. ЕслиA = B, переход к шагу 8
3. Если A>B, переход к шагу 6
4. B = B – A
5. Переход к шагу 2
6. A = A – B
7. Переход к шагу 2
8. НОД = А
9. Вывод НОД
10. Конец

Построчная запись алгоритма сокращает количество неопределенностей. Кроме того, такая запись обеспечивает отработку навыков логически строгого изложения хода решения задачи и облегчает последующее изучение алгоритмических языков программирования. Основным недостатком такой записи является сложность ее восприятия для человека.

Наиболее популярным и наглядным способом представления алгоритмов является их графическое представление в виде блок-схем. Схемы представляют собой последовательность определенных блоков, которые предписывают выполнение некоторых функций. Блоки внутри себя содержат поясняющую информацию, которая и характеризует действия алгоритма.

Схема представляет собой некоторую абстракцию процесса решения задачи, отражая при этом наиболее значимые моменты. Схемы широко применяются с древних времен до настоящего времени - чертежи египетских пирамид, карты завоеванных земель, принципиальные электрические схемы и т.п.

На территории нашей страны действует единая система программной документации (ЕСПД), сформировавшаяся в 1981 г. Данная система описывает условные графические изображения, которые применяются в алгоритмах (ГОСТ 19.003-80 «Схемы алгоритмов и программ. Обозначения условные графические»), а также набор правил, которые следуют соблюдать при записи блок-схем (ГОСТ 19.002-80 «Схемы алгоритмов и программ. Правила выполнения»).

На сегодняшний день существует целое множество программных продуктов, облегчающих построение блок-схем. К ним относятся такие программы, как MicrosoftVisio, Dia, OpenOffice.orgDrawи т.п.

Основные блоки алгоритмов, используемые в блок-схемах, приведены на рисунках 3-8. Именно о данных конструкциях пойдет речь в следующей главе.

Рисунок 3 – Блок ввода/вывода

Рисунок 4 – Вычислительный блок (блок обработки данных)

Рисунок 5 – Блок принятия решения (проверки условия)

Рисунок 6 – Блок начала/конца программы

Рисунок 7 – Блок начала цикла

Рисунок 8 – Блок конца цикла

В рамках данной главы описана история развития языков программирования, приведена их классификация, а также рассмотрено понятие алгоритма.

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАТОРЫ ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ

2.1 Операторы присваивания

Дальнейшее рассмотрение операторов языков программирования высокого уровня будем вести на примере языка Паскаль. Данный выбор обусловлен простотой языка и строгим синтаксисом.

В языке Паскаль оператор присваивания обозначается двумя символами «:=», между которыми не ставится пробел. В левой части данного оператора должна стоять переменная, а в правой части – выражение, значение которого будет присвоено переменной.

Очень часто в Паскале можно увидеть конструкцию вида p:=p+1. Данная запись не содержит ошибки. Внутри компьютера данный оператор выполняется следующим образом: сначала берется исходное значение переменной, к которому прибавляется единица. После этих действий результат вычислений помещается в переменную p. Таким образом в языке Паскаль реализуется инкремент переменной.

Очень важно следить, чтобы все переменные, которые участвуют в правой части оператора присваивания, были определены к моменту его исполнения. В качестве правых частей для вычисления численных переменных операторы присваивания используют арифметические выражения, состоящие из переменных, констант, знаков операций, скобок и вызовов функций. В общем случае правила построения выражений аналогичны математической записи. Бинарные операции, применимые к целочисленным данным приведены в таблице 1 [19].

Для примера реализации операции присваивания рассмотрим задачу вычисления гипотенузы треугольника по двум известным катетам. Согласно теореме Пифагора, гипотенуза будет рассчитываться по формуле:

(1)

Таблица 1 – Бинарные арифметические операции над типом integer

Исходный код программы:

Program Op_prisv;

var

a,b,c:real;

begin

a:=3;

b:=4;

c:=sqrt(a*a+b*b);

end.

В данной программе использованы только операторы присваивания. При этом в двух случаях переменным просто присваивается начальное значение – это катеты треугольника. А в третьем случае происходит вычисление выражения, определяющего корень из суммы квадратов катетов.

В результате выполнения данного кода программа вычислит значение гипотенузы треугольника со сторонамиa, b, и занесет это значение в переменную c.

2.2 Операторы ввода-вывода

Ввод и вывод необходимы для связи программы с внешним миром – таким образом можно получать входные данные от пользователя и выводить полученные результаты на экран. Очевидно, программа без вывода не имеет смысла. В предыдущем примере было рассмотрено вычисление гипотенузы прямоугольного треугольника, однако, без использования оператора вывода нельзя узнать результат, полученный при исполнении программы.

В языке Паскаль операторы ввода-вывода правильнее называть процедурами. Они служат для обмена данными между программой и внешними устройствами. Так, например, можно ввести данные с клавиатуры, из файла, вывести данные на экран или в файл.

Для ввода с клавиатуры в языке Паскаль существует два оператора: Readи Readln. Для вывода на экран – Writeи Writeln. Дополнение «ln» произошло от английского слова «line» - строка, линия. Операторы, заканчивающиеся на «ln» в результате своих действий переводят курсор на новую строку. Так, например, при работе оператора Write курсор останется на следующей позиции после последнего выведенного символа. А в случае оператора Read очередные данные будут считываться из той же строки, где стоит курсор.

Традиционная запись данных операторов содержит параметры, однако, их может и не быть. В таком случае оператор Writeln будет реализовывать просто переход на новую строку, а оператор Readlnбудет ждать ввода любой клавиши.

Кроме стандартного вывода данных в языке Паскаль предусмотрен и форматированный вывод, который существует для того, чтобы сделать отображение на экране более понятным. Форматированный вывод содержит количество позиций, которые при выводе необходимо отвести под значение переменной [5].

В качестве примера использования операторов ввода-вывода модифицируем задачу определения гипотенузы прямоугольного треугольника следующим образом:

Program Op_vvod_vyvod;

uses crt;

var

a,b,c:real;

begin

write('Катет a = ');

readln(a);

write('Катет b = ');

readln(b);

c:=sqrt(a*a+b*b);

writeln('Гипотенуза = ',c:3:2);

writeln('Для завершения нажмите любую клавишу...');

readln();

end.

В данной программе используются операторы ввода исходных данных – катетов прямоугольного треугольника. Для вывода результата на экран используется форматированный вывод. Результаты работы программы приведены на рисунке 9.

Рисунок 9 – Пример работы с операторами ввода-вывода

Кроме того, в программе используется оператор Readln без параметров, который подтверждает завершение программы. Так, после нажатия любой клавиши программа выдаст сообщение о том, что ее работа завершена (см. рисунок 10).

Рисунок 10 – Пример работы оператора ввода без параметров

2.3 Операторы перехода

В языке Паскаль существует два вида операторов перехода – условный и безусловный.

Оператор безусловного перехода вызывает передачу управления оператору, которому предшествует соответствующая метка. Важно отметить, что данный подход не рекомендуется к использованию [16].

Рассмотрим пример программы с использованием оператора безусловного перехода: