Файл: Алгоритмизация как обязательный этап разработки программы (Основные алгоритмические конструкции. Понятие компьютерной программы).pdf

Содержательная (аналитическая) теория алгоритмов стала возможной лишь благодаря фундаментальным работам математиков в области логических теорий алгоритмов. Развитие такой теории связано с дальнейшим и расширением формального понятия алгоритма, которое слишком сужено в рамках логических теорий. Формальный характер понятия позволит применять к нему математические методы исследования, а его широта должна обеспечить возможность охвата всех типов алгоритмов, с которыми приходиться иметь дело на практике.

Для записи алгоритмов, предназначенных для исполнителей-автоматов, необходима формализация, поэтому в таких случаях применяют формальные специальные языки. Преимущество формального способа записи состоит в том, что он дает возможность изучать алгоритмы как математические объекты; при этом формальное описание алгоритма служит основой, позволяющей интеллектуально охватить этот алгоритм.

Для записи алгоритмов используют самые разнообразные средства. Выбор средства определяется типом исполняемого алгоритма. Выделяют следующие основные способы записи алгоритмов:

■ вербальный – алгоритм описывается на человеческом языке;

■ символьный – алгоритм описывается с помощью набора символов;

■ графический – алгоритм описывается с помощью набора графических изображений.

Общепринятыми способами записи алгоритма являются графическая запись с помощью схем алгоритмов (блок-схем) и символьная запись с помощью какого-либо алгоритмического языка.

Для описания алгоритма с помощью схем изображают связанную последовательность геометрических фигур, каждая из которых подразумевает выполнение определенного действия алгоритма. Порядок выполнения действий указывается стрелками.

В схемах алгоритмов используют следующие типы графических обозначений.

Начало и конец алгоритма обозначают с помощью одноименных символов (рис. 1.1).

Шаг алгоритма, связанный с присвоением нового значения некоторой переменной, преобразованием некоторого значения с целью получения другого значения, изображается символом "процесс" (рис. 1.2).

Выбор направления выполнения алгоритма в зависимости от некоторых переменных условий изображается символом "решение" (рис. 1.3).

Здесь Р означает предикат (условное выражение, условие). Если условие выполнено (предикат принимает значение ИСТИНА), то выполняется переход к одному шагу алгоритма, а если не выполнено, то к другому.

Имеются примитивы для операций ввода и вывода данных, а также другие графические символы. В настоящий момент они определены стандартом ГОСТ 19.701–90 (ИСО 5807–85) "Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения". Всего сборник ЕСПД содержит 28 документов.

По схеме алгоритма легко составить исходную программу на алгоритмическом языке.

В зависимости от последовательности выполнения действий в алгоритме выделяют алгоритмы линейной, разветвленной и циклической структуры.

В алгоритмах линейной структуры действия выполняются последовательно одно за другим.

В алгоритмах разветвленной структуры в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия производятся различные последовательности действий. Каждая такая последовательность действий называется ветвью алгоритма.

В алгоритмах циклической структуры в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия выполняется повторяющаяся последовательность действий, называющаяся телом цикла. Вложенным называется цикл, находящийся внутри тела другого цикла. Итерационным называется цикл, число повторений которого не задается, а определяется в ходе выполнения цикла.

В этом случае одно повторение цикла называется итерацией.

1.4 Основные алгоритмические конструкции

Линейной называют алгоритмическую конструкцию, реализованную 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. (рис.2.1)

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 алгоритме (то или иначе), каждая из которых ведет к общей точке их слияния, так что выполнение алгоритма продолжается независимо оттого, какой путь был выбран (рис).2.2

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).2.3

Алгоритмическая конструкция «Цикл»

Циклической (или циклом) называют алгоритмическую конструкцию, в которой некая, идущая подряд группа действий (шагов) алгоритма может выполняться несколько 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.

Рассмотрим три типа циклических алгоритмов: цикл с параметром (который называют арифметическим циклом), цикл с предусловием и цикл с постусловием (их называют итерационными).

Арифметический цикл

В арифметическом цикле число его шагов (повторений) однозначно определяется правилом изменения параметра, которое задается с помощью начального (N) и конечного (К) значении 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.

Пример: Вывести 10 раз слово «Привет!».

Параметр цикла обозначим i, он будет отвечать за количество выведенных слов. При i = 1 будет выведено первое слово, при i = 2 будет выведено второе слова и т.д. Так как требуется вывести 10 слов, то последнее значение параметра i = 10. В заданном примере требуется 10 раз повторить одно и то же действие: вывести слово «Привет!».

Составим алгоритм, используя арифметический цикл, в котором правило изменения параметра i – 1, 10, 1. То есть начальное значение параметра i = 1; конечное значение i =10; шаг изменения h = 1. На рисунке представлена блок-схема алгоритма решения данной задачи. (Рис. 2.4 )

Вывод к главе 1.

Для каждой задачи может существовать множество алгоритмов, приводящих к цели. Увеличение эффективности алгоритмов составляет одну из задач современной информатики.

Алгоритм может быть представлен различными способами:

• на разговорном естественном язык;
• на языке блок-схем;
• на языке программирования.

Выбор и разработка алгоритма и численного метода решения задачи

имеют важнейшее значение для успешной работы над проектом.

Глава 2. Программирование

2.1 Понятие программирование

Процесс работы компьютера заключается в выполнении программы, то есть набора вполне определённых команд во вполне определённом порядке. Машинный двоичный код использующий в своей структуре всего два символа «нуль» и «единица», при определенной последовательности может задать бесконечное количество команд «мозгу» современного компьютера – процессору (конечно же процессор сам по себе не может воспринять последовательность чисел как определенную команду. Данный код переводится в понятной процессору язык, а именно последовательность коротко-срочных электрических импульсов). 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.^[3]

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.^[4]

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:

Функция : язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые применяются для передачи компьютеру инструкций по выполнению того или иного вычислительного процесса и организации управления отдельными устройствами.

Задача : язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для передачи команд и данных от человека компьютеру, в то время как естественные языки используются лишь для общения людей между собой. В принципе, можно обобщить определение «языков программирования» - это способ передачи команд, приказов, чёткого руководства к действию; тогда как человеческие языки служат также для обмена информацией.

Исполнение : язык программирования может использовать специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более двух с половиной тысяч языков программирования. Каждый год их число пополняется новыми. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты иногда применяют в своей работе более десятка разнообразных языков программирования.

Но создать язык, удобный для написания программ, недостаточно. Для каждого языка нужен свой переводчик. Такими переводчиками являются специальные программы-трансляторы.

Транслятор - это программа, предназначенная для перевода программы, написанной на одном языке программирования, в программу на другом языке программирования. Процесс перевода называется трансляцией. Тексты исходной и результирующей программ находятся в памяти компьютера. Примером транслятора является компилятор.

Компилятор - это программа, предназначенная для перевода программы, написанной на каком-либо языке, в программу в машинных кодах. Процесс такого перевода называется компиляцией.

Компилятор создаёт законченный результат - программу в машинных кодах. Затем эта программа выполняется. Откомпилированный вариант исходной программы можно сохранить на диске. Для повторного выполнения исходной программы компилятор уже не нужен. Достаточно загрузить с диска в память компьютера откомпилированный в предыдущий раз вариант и выполнить его.

Существует другой способ сочетания процессов трансляции и выполнения программы. Он называется интерпретацией. Суть процесса интерпретации состоит в следующем. Вначале переводится в машинные коды, а затем выполняется первая строка программы. Когда выполнение первой строки окончено, начинается перевод второй строки, которая затем выполняется и так далее. Управляет этим процессом программа-интерпретатор.

Интерпретатор - это программа, предназначенная для построчных трансляции и выполнения исходной программы. Такой процесс называется интерпретацией.

В процесс трансляции входит проверка исходной программы на соответствие правилам используемого в ней языка. Если в программе обнаружены ошибки, транслятор вводит сообщение о них на устройство вывода (обычно, на экран дисплея).

Интерпретатор сообщает о найденных им ошибках после трансляции каждой строки программы. Это значительно облегчает процесс поиска и исправления ошибок в программе, однако существенно увеличивает время трансляции. Компилятор транслирует программу намного быстрее, чем интерпретатор, но сообщает о найденных им ошибках после завершения компиляции всей программы. Найти и исправить ошибки в этом случае труднее. Поэтому интерпретаторы рассчитаны, в основном, на языки, предназначенные для обучения программированию, и используются начинающими программистами. Большинство современных языков предназначены для разработки сложных пакетов программ и рассчитаны на компиляцию.