計(jì)算機(jī)與程序設(shè)計(jì).ppt

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì),使用教材和參考書目,使用教材：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)實(shí)用教程， 清華大學(xué)出版社，張海藩，牟永敏，2007.7。 參考書目： 1、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)實(shí)用教程習(xí)題與上機(jī)指導(dǎo)，清華大學(xué)出版社，牟永敏，張海藩，2008.2。 2、C+程序設(shè)計(jì)教程，清華大學(xué)出版社，錢能，2005.9。 3、C+程序設(shè)計(jì)教程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，清華大學(xué)出版社，譚浩強(qiáng)等著，2007.8。 教學(xué)內(nèi)容說(shuō)明：按照教學(xué)大綱的教學(xué)內(nèi)容編排，增加了基礎(chǔ)知識(shí)、上機(jī)例題和實(shí)用編程技能的教學(xué)內(nèi)容，目標(biāo)是掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的基本算發(fā)與編程能力。（學(xué)習(xí)方法介紹）,第1章計(jì)算機(jī)與程序設(shè)計(jì),首先要理解的問(wèn)題：什么是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)？ 1、基于過(guò)程的程序設(shè)計(jì) 我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)，每一位同學(xué)都會(huì)編寫C語(yǔ)言程序了，我們知道C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)是一系列操作命令（操作過(guò)程、C語(yǔ)句）的有序集合，這種設(shè)計(jì)方法，叫做基于過(guò)程的程序設(shè)計(jì)。 主要特點(diǎn)是： (1) 按照?qǐng)?zhí)行操作的時(shí)間順序、按照操作過(guò)程編寫程序。 (2) 所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身不具有行為（函數(shù)）特性。 (3) 過(guò)程化程序設(shè)計(jì)方法主要采用：自頂向下，逐步求精的方法展開。 (4) 過(guò)程化程序設(shè)計(jì)方法主要體現(xiàn)在功能劃分與過(guò)程內(nèi)部的編寫規(guī)則，形成結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。,例1：基于過(guò)程的程序設(shè)計(jì)。,首先，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體struct Point。,再定義一個(gè)main函數(shù)，在其內(nèi)部定義一個(gè)該結(jié)構(gòu)體的變量叫pt，并對(duì)它進(jìn)行賦值，最后，將pt這個(gè)數(shù)據(jù)成員輸出。,#include struct Point int x; int y; ;,void main() Point pt; pt.x=8; pt.y=8; coutpt.xendlpt.yendl; ,把這段代碼編譯、運(yùn)行一下，可以看到輸出：x為8，y為8。 可見，C + +與C語(yǔ)言中使用的結(jié)構(gòu)體是完全一樣的。,2、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì) 隨著程序設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，把C語(yǔ)言中的結(jié)構(gòu)類型(struct)可以看成一種特殊的類型，即：對(duì)象類型。 如：點(diǎn)對(duì)象類型。 struct Point int x; int y; ; 又如：學(xué)生對(duì)象類型。 struct student char name20； /*姓名*/ char sex； /*性別*/ int age； /*年齡*/ float height； /*身高*/ float weight； /*體重*/ char addr50； /*住址*/ ； 這樣，經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員就可以對(duì)這個(gè)“對(duì)象”數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫、查找等操作了。,#include struct Point int x; int y; void output() coutxendlyendl; ;,在結(jié)構(gòu)體中增加一個(gè)函數(shù)，叫：output, 由它來(lái)代替輸出的功能。,void main() Point pt; pt.x=8; pt.y=8; /coutpt.xendlpt.yendl; pt.output(); ,主程序中就不需要cout函數(shù)輸出了，利用pt的內(nèi)部成員函數(shù)output進(jìn)行輸出。編譯、運(yùn)行，結(jié)果是一樣的。,例2：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。,我們知道：在C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體中是不允許有函數(shù)的。,然而，通過(guò)這個(gè)例子可以看出：在C+的結(jié)構(gòu)體中是可以包含函數(shù)的。,因此，利用 C+結(jié)構(gòu)體中的內(nèi)部函數(shù)就可以將一些操作封裝到結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，在使用時(shí)，只需去調(diào)用這個(gè)成員函數(shù)就可以了。,這是C+的封裝性。,#include /struct Point class Point public: int x; int y; void output() coutxendlyendl; ; void main() Point pt; pt.x=8; pt.y=8; pt.output(); ,我們把struct注釋起來(lái)，,然后，換成一個(gè)class，并加上一個(gè)public。,再編譯、運(yùn)行，結(jié)果是一樣的。,例3：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。,可見，結(jié)構(gòu)體（類型）轉(zhuǎn)變成了類（類型）。,也就是說(shuō)，我們的改動(dòng)并不大，我們僅僅是將struct換成了class，然后，增加了一個(gè)public標(biāo)識(shí)符，那么，所有的運(yùn)行結(jié)果和我們剛才用struct定義是一樣的。,換句話說(shuō)，在C+中，結(jié)構(gòu)體和類是可以通用的，結(jié)構(gòu)體也是一種特殊的類，他特殊，是因?yàn)椋怯胹truct定義的一種類。,綜上所述，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)：是把一些行為、方法、屬性都?xì)w結(jié)到一個(gè)“對(duì)象類型”身上，只有有了這個(gè)具體的對(duì)象后，才會(huì)有這個(gè)對(duì)象的方法（成員、成員函數(shù)）產(chǎn)生，那么，我們把這些方法，按照合理性，都?xì)w到不同的“對(duì)象類型”上面，這就是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。 實(shí)現(xiàn)方法：采用結(jié)構(gòu)類型(struct)的演化數(shù)據(jù)類型“對(duì)象類型(class)”來(lái)建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在這個(gè)“對(duì)象”數(shù)據(jù)類型中增加了“成員函數(shù)”，也就增加了“對(duì)象”的行為、方法、屬性。,3、結(jié)構(gòu)體與類的區(qū)別，類的訪問(wèn)權(quán)限,當(dāng)然，struct和class類還是有區(qū)別的，主要區(qū)別在訪問(wèn)控制方面，如果我們把class 的public注釋起來(lái)，再編譯一下，就可以看到出現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤：不能訪問(wèn)私有成員。在類中所聲明的成員變量和函數(shù)，默認(rèn)是私有成員private。只有加上public，變成公有變量，才與結(jié)構(gòu)體的結(jié)果一樣。,可見，在結(jié)構(gòu)體中，所有的成員，缺省情況下都是public的，都可以在外部被訪問(wèn)。而對(duì)于一個(gè)類來(lái)說(shuō)，缺省情況下，他的數(shù)據(jù)成員和函數(shù)都是私有的private，不能夠被外部進(jìn)行訪問(wèn)的。 這是結(jié)構(gòu)體和類的一個(gè)區(qū)別。除此之外，在C+中，結(jié)構(gòu)體和類是可以通用的。,4、什么是類？什么是對(duì)象？,抽象性是將有關(guān)事物的共性歸納、集中在一起，表示了同一類事物的本質(zhì)。 C+中的數(shù)據(jù)類型就是對(duì)一批具體的數(shù)的抽象。 例如：“整數(shù)類型”是對(duì)所有整數(shù)的抽象，具體的整數(shù)就是屬于同一“類”的“對(duì)象”。 類是對(duì)象的抽象， 對(duì)象是類的特例。,上面的例子中引入了類point，我們就要從面向?qū)ο蟮乃枷肴タ紤]問(wèn)題了。point中定義的pt，就不叫變量了，叫做用point這個(gè)類聲明的一個(gè)對(duì)象，或者叫做實(shí)例化了一個(gè)對(duì)象，那么，什么是類？什么是對(duì)象？ 類是抽象出一些事物的共有的屬性。 對(duì)象是具有類的共有屬性的具體屬性值的一個(gè)事物。 有了類和對(duì)象的概念，我們就可以從面向過(guò)程的語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言。,舉例：設(shè)計(jì)一個(gè)“開車啟動(dòng)”的方法，可以把“開車啟動(dòng)”作為一種參數(shù)傳進(jìn)來(lái)，開這個(gè)車，這是面向過(guò)程的方法。 用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)這個(gè)函數(shù)：把“開車啟動(dòng)”設(shè)置成汽車（類）本身的一個(gè)方法，而我們?nèi)フ{(diào)用汽車的“開”的方法就可以了。 這樣，我們就把面向過(guò)程的方法變成了面向?qū)ο蟮姆椒ā?這就是面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路。,5、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思路,把一些行為都?xì)w結(jié)到一個(gè)對(duì)象身上，只有有了這個(gè)具體的對(duì)象后，才會(huì)有這個(gè)對(duì)象的方法產(chǎn)生，那么，我們把這些方法，按照合理性，都?xì)w到不同的事物上面，這就是一個(gè)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。,1.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主要是由存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五個(gè)部件組成。 存儲(chǔ)器：是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，大致分為內(nèi)部存儲(chǔ)器（內(nèi)存）和外部存儲(chǔ)器（硬盤、軟盤等）； 運(yùn)算器：是用來(lái)完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算； 控制器：用來(lái)控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作； 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備：是用來(lái)為數(shù)據(jù)的輸入和輸出服務(wù)的。,1.1.1 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成,圖1.1 計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),第一步：用輸入設(shè)備把事先編制好的解題步驟（即程序）和原始數(shù)據(jù)輸入到存儲(chǔ)器指定編號(hào)的 地方（內(nèi)存單元）存放起來(lái)。 第二步：命令計(jì)算機(jī)從第一條指令開始執(zhí)行程序，則計(jì)算機(jī)在程序控制下自動(dòng)完成解題的全過(guò)程。,1.1.2 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程（以匯編為例）,60年代，馮諾依曼提出了程序存儲(chǔ)原理，計(jì)算機(jī)走向了現(xiàn)代化。 目前，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了四代，第五代語(yǔ)言尚處于萌芽狀態(tài)。,1.2 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言,第一代語(yǔ)言 第一代程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是機(jī)器語(yǔ)言,它是計(jì)算機(jī)所特有的,不同計(jì)算機(jī)有不同的機(jī)器語(yǔ)言。 第二代語(yǔ)言 匯編語(yǔ)言,也稱為符號(hào)語(yǔ)言。用含義較鮮明的符號(hào),代替機(jī)器語(yǔ)言中的二進(jìn)制編碼,因此看起來(lái)較直觀,不易出錯(cuò)。,第三代語(yǔ)言 稱為算法語(yǔ)言，算法語(yǔ)言的基本組成成分是各語(yǔ)句（如結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)），比用機(jī)器語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言編寫程序更加方便、簡(jiǎn)單和直觀。 第四代語(yǔ)言 實(shí)質(zhì)上是可以快速開發(fā)應(yīng)用軟件的各種高生產(chǎn)率的軟件工具的統(tǒng)稱。如VC+、Delphi等。 第五代語(yǔ)言 多數(shù)人認(rèn)為，第五代語(yǔ)言將是智能化的語(yǔ)言。 PROLOG語(yǔ)言可能是第五代語(yǔ)言最著名的雛形。,使用過(guò)程性語(yǔ)言編寫的程序，其功能是隱含在程序代碼中的。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能比較復(fù)雜時(shí)，程序元素的相互關(guān)系就十分復(fù)雜。這樣的應(yīng)用系統(tǒng)不易開發(fā)，而且很難維護(hù)。 為此，人們?cè)陂_發(fā)軟件的長(zhǎng)期實(shí)踐過(guò)程中，總結(jié)出一些設(shè)計(jì)原理并研究出一些系統(tǒng)化的技術(shù)方法，用于面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)，能夠提高開發(fā)效率，增加系統(tǒng)的可理解性和可維護(hù)性。,1.3 面向過(guò)程程序設(shè)計(jì),模塊是： 數(shù)據(jù)說(shuō)明、可執(zhí)行的語(yǔ)句等程序元素的集合,它是單獨(dú)命名的而且可以通過(guò)名字來(lái)訪問(wèn),所謂模塊化,是把一個(gè)程序劃分成若干個(gè)模塊,每個(gè)模塊完成一個(gè)子功能,把這些模塊組裝成一個(gè)整體,可以完成指定的功能 ，如：函數(shù)。 請(qǐng)注意：在把程序劃分成模塊的時(shí)候，模塊規(guī)模應(yīng)該適當(dāng)。,1.3.1 模塊化,人們?cè)趯?shí)踐中認(rèn)識(shí)到，在現(xiàn)實(shí)世界中一定事物、狀態(tài)或過(guò)程之間總存在著某些相似的方面（共性）。把這些相似的方面集中和概括起來(lái)，暫時(shí)忽略它們之間的差異，這就是抽象。 如：各式各樣的人抽象為人類。抽象是對(duì)事物共性的高度概括。當(dāng)我們考慮對(duì)任何問(wèn)題的模塊化解法時(shí)，可以提出許多抽象的層次。,1.3.2 抽象,信息隱藏原理指出，在設(shè)計(jì)和確定模塊時(shí)，應(yīng)該使得一個(gè)模塊內(nèi)包含的信息（數(shù)據(jù)和過(guò)程）對(duì)于不需要這些信息的模塊來(lái)說(shuō)，是不可訪問(wèn)的（又稱不可見的）。 局部化，是指：把一些關(guān)系密切的程序元素物理地放得彼此靠近，處于同一局部區(qū)城內(nèi)。,1.3.3 信息隱藏和局部化,模塊獨(dú)立是指在設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量使得每個(gè)模塊完成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的特定子功能，并且和其他模塊之間的關(guān)系盡可能簡(jiǎn)單。 耦合是用于衡量不同模塊彼此間互相依賴（連接）的緊密程度。 內(nèi)聚是用于衡量一個(gè)模塊內(nèi)部各個(gè)元素彼此結(jié)合的緊密程度。 高內(nèi)聚和低耦合是進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐表明內(nèi)聚更重要。,1.3.4 模塊獨(dú)立,結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)程序的技術(shù), 適應(yīng)于面向過(guò)程和面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ菍?shí)現(xiàn)模塊的具體技術(shù)。 采用自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。,1.3.5 結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)技術(shù),三種基本的控制結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)使用結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)程序的主要好處： 自頂向下逐步求精的方法符合人類解決復(fù)雜問(wèn)題的普遍規(guī)律，因此可以顯著提高開發(fā)效率； 用先全局后局部、先整體后細(xì)節(jié)、先抽象后具體的逐步求精過(guò)程開發(fā)出的程序有清晰的層次結(jié)構(gòu)，因此容易閱讀和理解； 僅使用單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)，使得程序的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和它的動(dòng)態(tài)執(zhí)行情況比較一致； 控制結(jié)構(gòu)有確定的邏輯