🗊Презентация Основы алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня. (Лекция 1)

Основы алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня Лекции: 32 часа Лабораторные работы: 40 часов Самостоятельная работа: 26 часа

srv-iit3\courses3\BNL\ОАПЯВУ логин: IIT7\spfuser пароль: IIT7user Конспект лекций по курсу: М.П. Батура, В.Л. Бусько, А.Г. Корбит, Т.М. Кривоносова ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ЯЗЫК СИ. – Мн.: БГУИР, 2007г. Е.М. Демидович ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ. – Мн.: Изд-во МИУ (в 2х частях), 2005г. Шилт Г., Самоучитель C++. – СПб.: BHV, 2009г.

Побегайло А.П. С.С++ для студента. СПб: БХВ-Петпрбург, 2006г. Побегайло А.П. С.С++ для студента. СПб: БХВ-Петпрбург, 2006г. Либерти Д. Джонс Б. Освой самостоятельно С++ за 21 день. – М.: Вильямс, 2006г. Пахомов Б. C/C++ и MS Visual 2008 С++ для начинающих. – СПб.: БХВ–Петербург, 2009г.

Тема 1. Введение в алгоритмизацию 1.1 Решение задач с использованием средств программирования. Алгоритм. Свойства алгоритмов. 1.1 Графическое описание алгоритма. Стандартизация графического представления алгоритмов.

Языки программирования можно разделить Машинно-ориентированные (Ассемблер) Процедурно-ориентированные (Pascal, Fortran, C) Объектно-ориентированные (C++, Java, С#) Языки логических программ (Prolog) Языки решения интеллектуальных задач (Lisp, СУБД+СППР, ЭС) Языки описания сценариев (Perl, Visual Basic, ASP)

1.1 Решение задач с использованием средств программирования. Алгоритм. Свойства алгоритмов Решение задачи c использованием средств программирования можно разбить на следующие этапы: математическая или информационная формулировка задачи; выбор метода (например, численного) решения поставленной задачи; построение алгоритма решения поставленной задачи; запись построенного алгоритма, т.е. написание текста программы; отладка программы – процесс обнаружения, локализации и устранения возможных ошибок; выполнение программы – получение требуемого результата.

Алгоритм и его свойства Под алгоритмизацией понимается сведение задачи к последовательности этапов, выполняемых друг за другом так, что результаты предыдущих этапов используются при выполнении следующих. Алгоритмом называется система правил, четко описывающая последовательность действий, которые необходимо выполнить для решения задачи.

Способы описания алгоритмов Запись на естественном языке(словесное описание) Изображение в виде схем(графическое описание) Запись на алгоритмическом языке(программа)

Словесное описание В программировании метаязыком называется язык, предназначенный для описания языка программирования. При использовании данного способа для описания алгоритмов используются следующие типовые этапы:

Этап обработки(вычисления) Этап обработки(вычисления) V=выражение Где V – переменная Проверка условия Если условие, то идти к N Переход к этапу с номером N Идти к N Конец вычислений Останов.

Пример Дать словесное описание алгоритма решения квадратного уравнения a*x2+b*x+c=0 D=b2-4*a*c Если D<0, идти к 4 x1=(-b+ √D)/(2*a) x2=(-b- √D)/(2*a) Останов. НЕДОСТАТОК – малая наглядность

Графическое описание алгоритма – это представление алгоритма в виде схемы, состоящей из последовательности блоков (геометрических фигур), каждый из которых отображает содержание очередного шага алгоритма.

виды схем, предназначенные для использования в программной документации Схема данных отображают путь данных при решении задач и определяют этапы обработки, а также различные применяемые носители Схема программ отображают последовательность операций в программе(аналогично схеме алгоритма) Схема работы системы отображают управление операциями и потоки данных в системе. В схеме работы системы каждая программа может отображаться более чем в одном потоке управления. Схема взаимодействия программ отображают путь активации программы и взаимодействия с соответствующими данными. Каждая программа в схеме взаимодействия программ показывается только один раз. Схема ресурсов системы отображает конфигурацию блоков данных и обрабатывающих блоков, которая требуется для решения задач.

Схема ресурсов системы

Схема работы системы

Схема программы

Схема взаимодействия программ

Схема данных

Схема состоит из символов четырех типов Символов данных (могут отображать тип носителя данных); Символы процессов ( выполняемых над данными); Символы линий, указывающих потоки данных между процессами и носителями данных; Специальные символы (для удобства чтения схемы). Каждая из трех первых групп в свою очередь подразделяется на две подгруппы: Основные символы Специфические символы

Символы данных К основным символам данных относятся символы, не конкретизирующие носитель данных. Данные, носитель которых не определен

Запоминаемые данные Символ отображает хранимые данные. Конкретный носитель данных не определяется. Данный символ используют в схемах программ, например, для изображения результирующей информации. которую нужно запомнить, причем тип приемника значения не имеет.

Специфические символы данных конкретизируют носитель входных/выходных данных Оперативное запоминающее устройство Отображает данные, хранящиеся в оперативном запоминающем устройстве

Ручной ввод Символ отображает данные, вводимые вручную во время обработки с устройства любого типа

Запоминающее устройство с прямым доступом Символ отображает данные, хранящиеся в запоминающем устройстве с прямым доступом(например магнитный диск)

Запоминающее устройство с последовательным доступом Символ отображает данные, хранящиеся в запоминающем устройстве с последовательным доступом (магнитная лента, кассета с магнитной лентой, магнитофонная кассета).

Дисплей Символ отображает данные, представляемые в удобной для человека форме на отображающем устройстве(дисплей)

Символы процесса Процесс Вычислительные операции любого вида можно изображать только с помощью данного символа

Предопределенный процесс Символ, отображает процесс, состоящий из одной или нескольких операций или шагов программы, которые определены в другом месте

Подготовка Символ отображает модификацию команды или группы команд с целью воздействия на некоторую последующую функцию(установка переключателя, модификация индексного регистра или инициализация программы)

Решение Символ отображает функцию переключательного типа, имеющую один вход и ряд альтернативных выходов, один из которых активизируется после вычисления условий, записанных внутри этого символа. Соответствующие результаты вычисления записываются рядом с линиями, отображающими эти выходы

Граница цикла Символ состоит из двух частей, отображающих начало и конец цикла. Обе части символа должны иметь один и тот же идентификатор

Символы линий Линия – отображает поток данных или управления. При необходимости или для повышения удобочитаемости к линии могут быть добавлены стрелки

Пунктирная линия В схемах программ используется для обведения выделяемого участка, а также как часть символа комментария

Передача управления Символ отображает непосредственную передачу управления от одного процесса к другому, иногда с возможностью прямого возвращения к инициирующему процессу после того, как инициированный процесс завершит свои функции. Тип передачи управления должен быть назван внутри символа (например, запрос, вызов, событие).

Специальные символы Соединитель отображает выход в другую часть схемы и вход из другой части этой схемы и используется для обрыва линии и продолжения ее в другом месте. Для обозначения используются буквы или арабские цифры

Терминатор Терминатор отображает выход во внешнюю среду и вход из внешней среды( в схемах программы – это начало и конец программы)

Комментарий используют для добавления комментариев (пояснительных записей). Пунктирная линия связана с соответствующим символом и может обводить группу символов, если комментарии относятся ко всей группе. Комментарий используют для добавления комментариев (пояснительных записей). Пунктирная линия связана с соответствующим символом и может обводить группу символов, если комментарии относятся ко всей группе. Пропуск применяется в схемах для отображения пропуска символа или группы символов. Используется только в символах линии или между ними. . . . .

Специальные символы

ПРАВИЛА ПРИМЕНЕНИЯ СИМВОЛОВ И ВЫПОЛНЕНИЯ СХЕМ Символ предназначен для графической идентификации функции, которую он отображает, независимо от текста внутри этого символа. Символы в схеме должны быть расположены равномерно. Следует придерживаться разумной длины соединений и минимального числа длинных линий.

ПРАВИЛА ПРИМЕНЕНИЯ СИМВОЛОВ И ВЫПОЛНЕНИЯ СХЕМ Большинство символов задумано так, чтобы дать возможность включения текста внутри символа. Формы символов, установленные настоящим стандартом, должны служить руководством для фактически используемых символов. Не должны изменяться углы и другие параметры, влияющие на соответствующую форму символов. Символы должны быть, по возможности, одного размера. Символы могут быть вычерчены в любой ориентации, но, по возможности, предпочтительной является горизонтальная ориентация. Зеркальное изображение формы символа обозначает одну и ту же функцию, но не является предпочтительным.

ПРАВИЛА ПРИМЕНЕНИЯ СИМВОЛОВ И ВЫПОЛНЕНИЯ СХЕМ Минимальное количество текста, необходимого для понимания функции данного символа, следует помещать внутри данного символа. Текст для чтения должен записываться слева направо и сверху вниз независимо от направления потока. Если объем текста, помещаемого внутри символа, превышает его размеры, следует использовать символ комментария. Если использование символов комментария может запутать или разрушить ход схемы, текст следует помещать на отдельном листе и давать перекрестную ссылку на символ.

Символы процесса

Символы линий – отображают поток данных или управления Линии – горизонтальные или вертикальные только с прямым углом перегиба. Стрелки не ставятся, если управление идет сверху вниз или слева направо.

Линии в схемах должны подходить к символу либо слева, либо сверху, а исходить либо справа, либо снизу. Линии должны быть направлены к центру символа. Линии в схемах должны подходить к символу либо слева, либо сверху, а исходить либо справа, либо снизу. Линии должны быть направлены к центру символа. При необходимости линии в схемах следует разрывать для избежания излишних пересечений или слишком длинных линий, а также, если схема состоит из нескольких страниц. Соединитель в начале разрыва называется внешним соединителем, а соединитель в конце разрыва внутренним соединителем.

Повторяющееся представление Вместо одного символа с соответствующим текстом могут быть использованы несколько символов с перекрытием изображения, каждый из которых содержит описательный текст (использование или формирование нескольких носителей данных или файлов, производство множества копий печатных отчетов). Когда несколько символов представляют упорядоченное множество, это упорядочение должно располагаться от переднего (первого) к заднему (последнему).

Словесное описание алгоритма Рассмотрим пример: необходимо найти корни квадратного уравнения: a⋅x2+b⋅x+c=0 (a ≠ 0): 1) Начало 2)Ввод данных a, b, c 3)Вычислить D = b2 – 4⋅a⋅c 4) Если D < 0, то задача не имеет решения, перейти к 8 x1 = (−b + √D)/ (2⋅a) x2 = (−b - √D)/ (2⋅a) Вывод данных x1, x2 8) Конец

Представим графическое описание алгоритма решения ранее представленной задачи

Разновидности структур алгоритмов Линейные Разветвляющиеся Циклические

Линейный вычислительный процесс Линейный вычислительный процесс – это процесс, в котором направление вычислений является единственным.

Разветвляющийся вычислительный процесс Разветвляющийся вычислительный процесс – это процесс, в котором направление вычислений определяется некоторыми условиями

Циклический вычислительный процесс Циклический вычислительный процесс – это процесс, в котором отдельные участки вычислений выполняются многократно. Участок схемы, многократно повторяемый в ходе вычислений, называется циклом. При повторениях обычно используются новые значения исходных данных.

В соответствии с взаимным расположением циклов : Простые – циклы, не содержащие внутри себя другие циклы Сложные - циклы, содержащие внутри себя другие циклы Вложенные (внутренние) – циклы, входящие в состав других циклов (цикл в цикле) Внешние – циклы, не являющиеся составной частью других циклов, но содержащие в своем составе внутренние циклы.

В зависимости от месторасположения условия выполнения цикла Циклы с предусловием Циклы с постусловием

В соответствии с видом условия выполнения Циклы с параметром Итерационные циклы

Структурное программирование При создании средних по размеру приложений (несколько тысяч строк исходного кода) используется структурное программирование, идея которого заключается в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. С этой целью в программирование введено понятие подпрограммы – набора операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода. Программа разбивается на множество мелких подпрограмм, каждая из которых выполняет одно из действий, предусмотренных исходным заданием.

Идеи структурного программирования появились в начале 70-годов в компании IBM, в их разработке участвовали известные ученые:  Э. Дейкстра, Х. Милс, Э. Кнут, С. Хоор.

Заповеди структурного программирования 1.    нисходящее проектирование; 2.    пошаговое проектирование; 3.    структурное проектирование (программирование без goto); 4.    одновременное проектирование алгоритма и данных; 5.    модульное проектирование; 6.    модульное, нисходящее, пошаговое тестирование.

Структурное программирование основано на модульной структуре программного продукта и типовых управляющих структурах алгоритмов обработки данных различных программных модулей.

Типы управляющих структур: – последовательность; – альтернатива (условие выбора); – цикл.

две методики (стратегии) разработки программ, относящиеся к структурному программированию: – программирование «сверху вниз»; – программирование «снизу вверх».

Программирование «сверху вниз», или нисходящее программирование – это методика разработки программ, при которой разработка начинается с определения целей решения проблемы, после чего идет последовательная детализация, заканчивающаяся детальной программой.

Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (например, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной. Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (например, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной. В данном случае программа конструируется иерархически - сверху вниз: от главной программы к подпрограммам самого нижнего уровня, причем на каждом уровне используются только простые последовательности инструкций, циклы и условные разветвления.

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предметном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а временно откладывать, пока не будут закончены другие части. Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реализации этой функции.

Программирование «снизу вверх», или восходящее программирование  – это методика разработки программ, начинающаяся с разработки подпрограмм (процедур, функций), в то время когда проработка общей схемы не закончилась. Такая методика является менее предпочтительной по сравнению с нисходящим программированием так как часто приводит к нежелательным результатам, переделкам и увеличению времени разработки.

Очень важная характеристика подпрограмм – это возможность их повторного использования. Очень важная характеристика подпрограмм – это возможность их повторного использования. С интегрированными системами программирования поставляются большие библиотеки стандартных подпрограмм, которые позволяют значительно повысить производительность труда за счет использования чужой работы по созданию часто применяемых подпрограмм.

Подпрограммы бывают двух видов – процедуры и функции. Подпрограммы бывают двух видов – процедуры и функции. Отличаются они тем, что процедура просто выполняет группу операторов, а функция вдобавок вычисляет некоторое значение и передает его обратно в главную программу (возвращает значение). Это значение имеет определенный тип.

Подпрограммы активизируются только в момент их вызова. Операторы, которые находятся внутри подпрограммы, выполняются, только если эта подпрограмма явно вызвана. Подпрограммы активизируются только в момент их вызова. Операторы, которые находятся внутри подпрограммы, выполняются, только если эта подпрограмма явно вызвана. Чтобы работа подпрограммы имела смысл, ей надо получить данные из внешней программы, которая эту подпрограмму вызывает. Данные передаются подпрограмме в виде параметров или аргументов, которые обычно описываются в ее заголовке так же, как переменные. Подпрограммы вызываются, как правило, путем простой записи их названия с нужными параметрами.

Подпрограммы могут быть вложенными – допускается вызов подпрограммы не только из главной программ, но и из любых других программ. Подпрограммы могут быть вложенными – допускается вызов подпрограммы не только из главной программ, но и из любых других программ. В некоторых языках программирования допускается вызов подпрограммы из себя самой. Такой прием называется рекурсией и опасен тем, что может привести к зацикливанию –бесконечному самовызову.  

Достоинства структурного программирования: – повышается надежность программ (благодаря хорошему структурированию при проектировании, программа легко поддается тестированию и не создает проблем при отладке); – повышается эффективность программ (структурирование программы позволяет легко находить и корректировать ошибки, а отдельные подпрограммы можно переделывать (модифицировать) независимо от других); – уменьшается время и стоимость программной разработки; – улучшается читабельность программ.

Т. о., технология структурного программирования при разработке серьезных программных комплексов, основана на следующих принципах: – программирование должно осуществляться сверху вниз; – весь проект должен быть разбит на модули (подпрограммы) с одним входом и одним выходом; – подпрограмма должна допускать только три основные структуры – последовательное выполнение, ветвление (if, case) и повторение (for, while, repeat).

Т. о., технология структурного программирования при разработке серьезных программных комплексов, основана на следующих принципах: – недопустим оператор передачи управления в любую точку программы (goto); – документация должна создаваться одновременно с программированием в виде комментариев к программе. Структурное программирование эффективно используется для решения различных математических задач, имеющих алгоритмический характер.