Презентация "Основы алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня" скачать бесплатно


Презентация "Основы алгоритмизации и программирования на языках высокого уровня"


Подписи к слайдам:
Слайд 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.

  • Свойства алгоритмов
  • Дискретность – значения новых величин (выходных данных) вычисляются по определенным правилам из других величин с уже известными значениями (входные данные).
  • Определенность (детерминированность) – каждое правило из системы однозначно, а данные однозначно связаны между собой, т.е. последовательность действий алгоритма строго и точно определена.
  • Результативность (конечность) – алгоритм решает поставленную задачу за конечное число шагов.
  • Массовость – алгоритм разрабатывается так, чтобы его можно было применить для целого класса подобных задач.

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.

  • 1.2 Графическое описание алгоритма.
  • Стандартизация графического представления алгоритмов

  • Внутри фигур кратко записывают выполняемое действие. Такую схему называют схемой программы.
  • Схема программы – отображает последовательность операций в программе.
  • ГОСТ 19.701-90,
  • ISO – International Standards Organization – Международная организация по стандартизации 5807-85 "Схемы алгоритмов, данных, программ и систем "

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.