Материал: Программирование на языке высокого уровня Лекции 09.03.01

МИНОБРНАУКИ РОССИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

(ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

______________________________________________________________________________

Факультет информационных технологий и систем управления

Кафедра информационных технологий и вычислительных систем

Курс лекций по дисциплине «Программирование

на языке высокого уровня».

09.03.01 «Информатика и вычислительная техника»

Очная форма обучения

1 и 2 курсы, 1, 2 и 3 семестры

Разработчик: доцент кафедры ИТиВС Носовицкий В.Б.

Раздел 1. Алгоритмы и способы их записи. Лекции

1-3.

Темы 1-7. Алгоритмы и способы их записи.

Основными этапами решения задачи при помощи компьютера являются:

1.Постановка задачи. Основное требование к постановке задачи – достаточное количество информации для решения задачи. Очень часто постановка задачи выполняется не программистом, а некоторым Заказчиком. Программист является Исполнителем заказа. От него требуется добиться от Заказчика полной информации о решаемой задаче.

2.Моделирование и формализация задачи. Формализация предполагает замену словесной формулировки решаемой задачи краткими символьными обозначениями, близкими к обозначениям в языках программирования или к математическим. Моделирование задачи является важнейшим этапом, целью которого является поиск общей концепции решения. Обычно моделирование выполняется путем выдвижения гипотез решения задачи и их проверке любым рациональным способом (прикидочные расчеты, физическое моделирование и т.д.). Результатом каждой проверки является либо принятие гипотезы, либо отказ от нее и разработка новой. При моделировании важно иметь опыт программирования, знать возможности компьютера и языка программирования и выдвигать гипотезы с учетом этих возможностей. К разработке алгоритма

следует приступать только после принятия гипотезы решения задачи. Помимо идеи решения задачи, результатами этого этапа должны быть формализованная постановка задачи типа "дано-найти" и достаточное количество контрольных примеров для последующего тестирования программы. К категории "Дано:" обычно относятся данные, вводимые в начале работы программы и обеспечивающие массовость алгоритма. К категории "Найти:" относятся данные, получаемые в результате работы программы.

3.Разработка алгоритма. Этот этап представляет собой реализацию идеи решения задачи.

4.Тестирование алгоритма. Этап предполагает проверку алгоритма вручную с использованием подготовленных ранее контрольных примеров. Для сложных задач этот этап может оказаться весьма трудоемким, поэтому опытные программисты пропускают его и тестируют уже готовую программу.

5.Программирование алгоритма. Программирование является формальной записью алгоритма средствами языка программирования.

6.Тестирование программы. Тестирование выполняется путем вывода промежуточных результатов работы программы и сравнения их

сконтрольным примером. Для этого либо используют специальные средства отладки программ, имеющиеся в интегрированной среде языка программирования, либо временно добавляют в программу

команды вывода промежуточных значений. Уменьшить трудоемкость поиска ошибок в программе можно более тщательным проектированием алгоритма и планированием процесса тестирования на ранних стадиях разработки программы.

7. Эксплуатация программы и интерпретация результатов. В сложных программах может быть недостаточно тестирования для устранения всех ошибок. Очень часто они обнаруживаются на стадии эксплуатации Заказчиком.

Понятие алгоритма используется давно. Сам термин «алгоритм» произошел при переводе на европейские языки имени арабского математика IXв. Аль-Хорезми, которым были описаны правила (алгоритмы) выполнения основных арифметических действий в десятичной системе счисления.

В зависимости от характера занятий в своей повседневной жизни люди встречаются с различными практическими задачами: приготовление супа, проезд в общественном транспорте, решение квадратного уравнения, поиск слова в словаре и т.д. При решении любой подобной задачи человек обращается к продуманным заранее со всеми возможными вариантами предписаниям (инструкциям) о том, какие действия и в какой последовательности должны быть выполнены. В подавляющем большинстве случаев успех любой деятельности человека зависит от степени продуманности действий и их последовательности, возможных вариантов. Именно с целью успешного решения какого-либо определенного класса задач люди вырабатывают системы таких предписаний для использования разными людьми.

Алгоритмом называют систему точных и понятных предписаний (команд, директив) о содержании и последовательности выполнения конечного числа действий, необходимых для решения любой задачи данного типа.

Согласно этому определению рецепты изготовления какого-то определенного лекарства или печенья являются алгоритмами. И правило безопасного перехода пешеходом проезжей части улицы, содержащее указание человеку о его действиях, - тоже алгоритм.

По разновидности алгоритмы можно разделить на три крупных вида:

вычислительные;

информационные;

управляющие.

Первые, как правило, работают с простыми видами данных

(числа, векторы, матрицы), но зато процесс вычисления может быть длинным и сложным. Информационные алгоритмы, напротив, реализуют сравнительно небольшие процедуры обработки (например, поиск элементов, удовлетворяющих определенному признаку), но для больших объемов информации. Наконец, управляющие алгоритмы непрерывно анализируют информацию, поступающую от тех или иных источников, и выдают результирующие сигналы, управляющие работой тех или иных устройств. Для этого вида алгоритмов существенную роль играет их быстродействие, т.к. управляющие сигналы всегда должны появляться в нужный момент времени.

Таким образом, каждый алгоритм – это правила, описывающие процесс преобразования исходных данных в необходимый результат. Для того, чтобы произвольное описание последовательности действий было алгоритмом, оно должно обладать следующими свойствами:

1. Дискретность. Процесс решения задачи должен быть разбит на последовательности отдельных шагов, каждый из которых называется командой. Примером команд могут служить пункты инструкции, нажатие на одну из кнопок пульта управления, рисование графического примитива (линии, дуги и т.п.), оператор языка программирования. Наиболее существенным здесь является тот факт, что алгоритм есть последовательность четко выделенных пунктов – такие «прерывные» объекты в науке принято называть дискретными.

2. Понятность. Каждая команда алгоритма должна быть понятна тому, кто исполняет алгоритм; в противном случае эта команда и, следовательно, весь алгоритм в целом не могут быть выполнены. Данное требование можно сформулировать более просто и конкретно. Составим полный список команд, который умеет делать исполнитель алгоритма, и назовем его системой команд исполнителя (СКИ). Тогда понятными будут являться только те команды, которые попадают в этот список.

3. Определенность (или детерминированность). Команды, образующие алгоритм (или, можно сказать, входящие в СКИ), должны быть предельно четкими и однозначными. Их результат не может зависеть от какой-либо дополнительной информации извне алгоритма. Сколько бы раз вы не запускали программу, для одних и тех же исходных данных всегда будет получаться один и тот же результат. При наличии ошибок в алгоритме последнее сформулированное свойство может иногда нарушаться. Например, если не было предусмотрено присвоение переменной начального значения, то результат в некоторых случаях может зависеть от случайного состояния той или иной ячейки памяти компьютера. Но это, скорее, не опровергает, а подтверждает правило: алгоритм должен быть определенным, в противном случае это не алгоритм.

4. Результативность. Результат выполнения алгоритма должен быть обязательно получен, т.е. правильный алгоритм не может обрываться безрезультатно из-за какого-либо непреодолимого препятствия в ходе выполнения. Кроме того, любой алгоритм должен завершиться за конечное число шагов. Большинство алгоритмов данным требованиям удовлетворяют, но при наличии ошибок возможны нарушения результативности.

5. Корректность. Любой алгоритм создан для решения той или иной задачи, поэтому нам необходима уверенность, что это решение будет правильным для любых допустимых исходных данных. Указанное свойство алгоритма принято называть его корректностью. В связи с обсуждаемым свойством большое значение имеет тщательное тестирование алгоритма перед его использованием. При этом важно не столько количество проверенных сочетаний входных данных, сколько количество их типов. Например, можно сделать сколько

угодно проверок для положительных значений аргумента алгоритма, но это никак не будет гарантировать корректную его работу в случае отрицательной величины аргумента.

6. Массовость. Алгоритм имеет смысл разрабатывать только в том случае, когда он будет применяться многократно для различных наборов исходных данных. Но массовость алгоритма в отдельных случаях может нарушаться: к числу подобных исключений можно отнести алгоритмы пользования некоторыми простыми автоматами (для них входными данными служит единственный тип монет).

На практике наиболее распространены следующие формы представления алгоритмов:

словесная (запись на естественном языке);

графическая (изображения из графических символов);

псевдокоды (полуформализованные описания алгоритмов на условном алгоритмическом языке, включающие в себя как элементы языка программирования, так и фразы естественного языка, общепринятые математические обозначения и др.);

программная (тексты на языках программирования).

Словесный способ записи алгоритмов представляет собой описание последовательных этапов обработки данных. Алгоритм задается в произвольном изложении на естественном языке. Для более сжатого и наглядного описания алгоритма используется графическое описание. Графическое описание алгоритма в форме геометрических фигур с направленными связями, показывающими переходы от одной фигуры, где каждая фигура это определенного предписание (команда) называется блок-схемой.