計算機與程序設計

1、第1 章 計算機與程序設計本章介紹計算機和程序設計的基本知識，主要內(nèi)容包括計算機的基本結構、程序設計 語言和面向過程程序設計等。通過對這些內(nèi)容的學習，可使讀者對計算機和程序設計有一 個初步的了解，為后面各章的學習奠定必要的基礎。1.1 計算機的基本結構1.1.1 計算機硬件的基本組成計算機是程序式電子數(shù)字計算機的簡稱。 1946 年世界上第一臺計算機問世。最初，計算 機只被當作一種現(xiàn)代化的計算工具， 但隨著技術的進步， 現(xiàn)在，計算機已經(jīng)遠不只是一種計算 工具，它的應用已經(jīng)遍及國民經(jīng)濟和人類生活的各個領域，并帶動著各行各業(yè)向現(xiàn)代化邁進。計算機是作為一種計算工具出現(xiàn)的，它的工作過程和人使用算盤或計

2、算器等簡單計算 工具解題的過程很相似。為了了解計算機的組成和工作過程，下面先講述使用算盤解題的 步驟和所需要的設備。1用算盤解題的設備和步驟假設需要計算半徑為 15 的圓面積與邊長為 12 的正方形面積之差，即計算下式的值：3.1416 氷5 XI5-12 X12首先，需要有一個算盤作為計算工具，其次需要一張紙，以便記錄原始數(shù)據(jù)、運算的 中間結果和最后結果。把這些原始數(shù)據(jù)和運算結果記錄到紙上是由人用筆來完成的，整個 運算過程也是在人的控制下進行的。運算步驟概括如下：( 1 )人把要計算的表達式(其中包含了原始數(shù)據(jù))用筆記錄在紙上。(2) 人用算盤計算 3.1416 XI5X15,然后把中間結果

3、 706.86用筆記錄在紙上。(3) 人用算盤計算12X12得到中間結果144,把這個中間結果也用筆記錄在紙上。(4) 最后，人用算盤從第一個中間結果706.86 中減去第二個中間結果 144，得到最后 結果 562.86，再用筆把它記錄在紙上。2用計算機解題需要的設備 用計算機來完成上述解題過程，首先需要一個能夠代替算盤完成各種運算的部件，這 個部件稱為運算器。其次，需要一個能存放原始數(shù)據(jù)和運算結果的部件，這個部件稱為存 儲器，有內(nèi)存儲器與外存儲器之分。雖然計算機的工作過程和人用算盤解題的過程很相似，但是它們之間卻有一個本質(zhì)區(qū)別：計算機工作過程是脫離人的干預的，人只要事先把解題步驟按先后順序

4、排列起來，輸 入到計算機的內(nèi)存儲器中，然后啟動計算機運轉，計算機就會自動按預先安排好的解題步 驟完成計算。這種事先編寫好的解題步驟稱為程序。通常，把程序及其相關文檔資料稱為 軟件?？梢姡鎯ζ饕彩谴娣懦绦虻牟考?。用來把原始數(shù)據(jù)和程序輸入到計算機中的設備，稱為輸入設備。輸出計算結果所用的 設備稱為輸出設備。人在使用計算機時應完成的任務只是編寫程序和操作計算機，計算機解題的全過程是 在程序控制下依次發(fā)出各種控制命令，操縱計算過程一步一步地進行，完全取代了人在用 算盤計算過程中所起的控制作用。把能夠依次發(fā)出各種控制信息、代替人起控制作用的部 件稱為控制器。綜上所述，計算機主要由內(nèi)存儲器、運算器、控制

5、器、輸入設備和輸出設備等5個部件組成。此外，為了擴大存儲容量和長期保存數(shù)據(jù)，通常還設有外存儲器。各部件的關系 如圖1.1所示。3 計算機的內(nèi)部組成(1) 中央處理器(CPU)CPU即中央處理器，如圖 1.2所示。它是計算機的大腦，計算機的運算、控制都是由 它來處理的。它的發(fā)展非常迅速，就像不斷在加速的列車一樣。個人計算機從8088(XT)時代發(fā)展到現(xiàn)在的Pentium D時代，只經(jīng)過了不到 20年的時間。從生產(chǎn)技術來說，最初的750萬個晶體管。從而，CPU8088集成了 29 000個晶體管，而高能奔騰的集成度超過了 的運行速度也有了本質(zhì)上的提高。圖1.1計算機的基本結構圖1.2中央處理器(C

6、PU)(2) 主板主板是計算機中最重要的部件之一，是整個計算機工作的基礎，如圖1.3所示。計算機技術已非常成熟， 幾乎都是模塊化的設計。 對10種或20種主板進行研究發(fā)現(xiàn)， 它們差不多是相同的，它分為許多個功能塊，每個功能塊由一些芯片或元件組成。萬變不 離其宗，大致說來，主板由以下幾個部分組成：CPU插槽(插座)，內(nèi)存插槽，高速緩存，局域總線和擴展總線，硬盤、軟驅(qū)、串口、并口等外設接口，時鐘和CMOS芯片，BIOS控制芯片。(3) 內(nèi)存RAM )，如圖1.4所示。靜態(tài)內(nèi)內(nèi)存一般指的是隨機存取存儲器，簡稱隨機存儲器(存（SRAM ）指靜態(tài)隨機存儲器，用作系統(tǒng)的高速緩存，而平常所提到的計算機的內(nèi)存

7、指 的是動態(tài)內(nèi)存（DRAM ）指動態(tài)隨機存儲器。除此之外，還有各種用途的內(nèi)存，如顯示卡 使用的VRAM，存儲系統(tǒng)設置信息的 CMOS RAM等。圖1.3 主板圖1.4內(nèi)存每條內(nèi)存上有一排黑色的芯片，稱為內(nèi)存顆粒，每個內(nèi)存顆粒里，又有很多個內(nèi)存單 元，一個內(nèi)存單元由一個電容和一個晶體管組成，為了讓系統(tǒng)對內(nèi)存準確無誤，有秩序的 管理，所以給每個內(nèi)存單元分配了在它所在系統(tǒng)里的唯一的一個內(nèi)存地址，而內(nèi)存范圍就 是很多內(nèi)存地址中的一段，比如0x5b0000050x5c0000010。本書第4章將介紹指針的使用，指針就是地址?？梢詫⒅羔樌斫鉃樗赶蛄藘?nèi)存中的某個內(nèi)存單元（如地址為 0x5b000005的單

8、元），如果想獲取此指針的值，這個指針值便是這個地址（0x5b000005 ）。也可以這樣來理解，把對內(nèi)存單元的訪問管理和學生公寓的情況類比，如圖1.5所示。圖1.5存儲結構和學生公寓結構對比圖假設每個學生住一間房，一個學生就相當于一個變量的內(nèi)容，房間是內(nèi)存單元，房號 就是內(nèi)存地址。如果知道了學生姓名，可以通過這個名字來訪問該學生，這相當于使用普 通變量名訪問數(shù)據(jù)。如果知道了房號，同樣也可以訪問該學生，這相當于通過地址訪問數(shù) 據(jù)。比如，要從 303 （如同0x5b000005 樣）房間中取出某樣物品，有了地址以后，就可 以從地址所指定的房間取出所要的物品（即數(shù)據(jù)的調(diào)用）。（4）硬盤硬盤的結構和軟

9、盤差不多，是由磁道（tracks）、扇區(qū)（sectors）、柱面（cylinders）和磁頭（heads）組成的，如圖1.6所示。拿一個盤片來講，它和軟盤類似，上面被分成若干 個同心圓磁道，每個磁道被分成若干個扇區(qū)，每扇區(qū)通常是512B。硬盤的磁道數(shù)一般為3003000，每磁道的扇區(qū)數(shù)通常是63個，而早期的硬盤只有17個。圖1.6 硬盤和軟盤不同的是，硬盤由很多個盤片疊在一起，柱面指的就是多個磁片上具有相同編 號的磁道，它的數(shù)目和磁道數(shù)是相同的。硬盤的容量按下式計算：硬盤容量=柱面數(shù)X扇區(qū)數(shù)X每扇區(qū)字節(jié)數(shù)X磁頭數(shù)標準IDE接口最多支持1024個柱面、63個扇區(qū)、16個磁頭，其最大容量為1024

10、X53X 16 X512B= 528 482 304B，即 528MB。增強型IDE (Integrated Drive Electronics )接口最多可支持 256個邏輯磁頭，容量最大 可達到8.4GB。這里需要提到有關簇的概念，簇是文件存儲的最小單位。軟盤的簇只有一 個扇區(qū)。在硬盤上，簇的大小和分區(qū)大小有關。比如，當分區(qū)容量介于64MB和128MB之間時，每簇有 4個扇區(qū)；介于128MB和256MB之間時，每簇有8個扇區(qū)；而當分區(qū)容 量大于1024MB時，每簇的扇區(qū)數(shù)目將超過64個，容量達到 32KB以上。在此時，一個1B的文件在硬盤上也會占用32KB的空間。因此，要根據(jù)具體情況來進行

11、合理分區(qū)，以免浪費很多的硬盤空間。如果用戶使用的Windows 95 OSR2或者 Windows 98的話，可以利用它們提供的FAT32分區(qū)，使硬盤的每一個簇小到4KB。如果使用的是 Windows 2000或Windows XP，使用NTFS分區(qū)，每個簇的大小不要超過4KB。(5 )其他部件一般來說，一臺完整的功能強大的計算機還配備有軟驅(qū)(floppy drive )、光驅(qū)(CD/DVD-ROM )、刻錄機(CD/DVD-RW )、顯示卡(video card )、聲卡(audio card )、網(wǎng) 卡(network card ) 及顯示器 (display)、音箱 (sound box

12、)、鍵盤 (keyboard)、鼠標 (mouse)、 掃描儀(scanner)、打印機(printer)等，本書不做詳細介紹，請有興趣的同學自行查找相 關資料。1.1.2計算機的工作過程如圖1.1所示，在計算機中有兩類信息在流動。一類信息是數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)、中 間結果、最后結果和程序指令等，數(shù)據(jù)流在圖中用粗線表示，箭頭表明流動方向。另一類 信息是控制命令，在圖中用細線表示，箭頭同樣表明流動方向。不論是數(shù)據(jù)還是控制命令，在計算機中都是僅用“ o”和“ 1”表示的二進制信息。通過輸入設備把程序和原始數(shù)據(jù)按指定地址輸入存儲器保存，圖1.7是存儲器存儲程序和數(shù)據(jù)的示意圖。然后啟動計算機，則計算機按

13、照存入的順序依次取出存儲器中的指令送入控制器分析，控制器根據(jù)分析結果發(fā)出相應的控 制命令，從而按照人的意圖自動完成全部運算，最后 再通過輸出設備輸出計算結果。在運算過程中，數(shù)據(jù) 從存儲器取出并輸入運算器進行運算，運算的中間結 果和最后結果可存入存儲器保存，也可由運算器經(jīng)過 輸出設備輸出。必要時，可將內(nèi)存儲器的成批數(shù)據(jù)送 入外存儲器保存，或?qū)⑼獯鎯ζ髦械某膳鷶?shù)據(jù)調(diào)入內(nèi) 存儲器參加運算。前面概括地說明了計算機工作的大致過程，下面,仍以前面所舉的計算3.1416 朽 X15-12 X12為例，具體說明計算機的工作過程。第一步，用輸入設備把事先編寫好的解題步驟(即程序)和原始數(shù)據(jù)(3.1416, 15

14、, 12)輸入到存儲器 指定編號的地方存儲起來。第二步，命令計算機從第一條指令開始執(zhí)行程序，則計算機在程序控制下自動完成解 題的全過程。具體說來，解題過程包括下列操作：(1) 把第一個數(shù)據(jù)3.1416從存儲器中取到運算器內(nèi)。(2) 把第二個數(shù)據(jù)15從存儲器中取到運算器內(nèi)，進行乘法運算 3.1416 >15，得到中間 結果 47.124。(3) 用第二個數(shù)據(jù)15再次乘中間結果47.124,得到新的中間結果706.86。(4) 把運算器中的中間結果706.86送到存儲器中暫時保存。(5) 把第三個數(shù)據(jù)12從存儲器中取到運算器內(nèi)。(6) 進行乘法運算12X12,得到中間結果144。(7) 把運

15、算器中的中間結果144送到存儲器中暫時存放。(8) 把暫存的中間結果706.86取到運算器內(nèi)。(9) 把暫存的中間結果144取到運算器內(nèi)，進行減法運算706.86-44，得到最后結果562.86。(10) 把最后結果 562.86通過輸出設備輸出給用戶(例如，用打印機打印在紙上或顯示在顯示器的熒光屏上)(11) 停機。1.2 程序設計語言計算機本身并不知道如何解決一個問題，必須由人事先把解題步驟設計好，編寫成程 序輸入到計算機中，計算機才能在程序控制下按照人的意圖解決這個問題。因此，人們必 須用計算機能夠接受的語言和它通信，告訴它對什么數(shù)據(jù)進行什么運算，以及運算的次序。程序設計語言就是為了表達

16、程序而由人設計出來的計算機能夠接受的人工語言，它是用來 表達用戶意圖指揮計算機工作的通信工具。目前，程序設計語言的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了4代，第五代程序設計語言尚處于萌芽狀態(tài)。下面簡單介紹一下各代程序設計語言的基本特點。1第一代程序設計語言第一代程序設計語言是機器語言，它是計算機所特有的，也就是說，不同計算機有不 同的機器語言。機器語言的基本組成成分是若干條機器指令，每條指令指明作什么運算及 對哪個單元中的數(shù)據(jù)進行運算。這些指令是計算機硬件可以直接識別和執(zhí)行的。計算機只能存儲和識別二進制的數(shù)據(jù)和指令，因此，機器語言也稱為二進制語言。用機器語言編寫程序時，數(shù)據(jù)和指令必須分別存儲在不同的單元中。例如，計算

17、半徑為15的圓面積：A=3.1416 >15 XI5用某種型號計算機計算時，內(nèi)存中存儲的數(shù)據(jù)及用機器語言編寫的程序如表1.1和表1.2所示。表1.1數(shù)據(jù)地址數(shù)值地址數(shù)值地址數(shù)值00103.14160011150012A表1.2 程序地址指令注釋操作碼地址碼01000210010取 3.141601010120011X1501020120011X1501030220012存A01040350012打印A01050070000停機計算機可以直接識別和執(zhí)行用機器語言編寫的程序，因此效率較高。但是，人工編寫 機器語言程序很繁瑣，容易出錯，而且不同計算機有不同的機器語言，通用性很差。2.第二代程序

18、設計語言為了克服機器語言的缺點，人們設計出第二代程序設計語言 匯編語言，也稱為符 號語言。相對于第一代程序設計語言，第二代程序設計語言的主要進步是，用含義較鮮明 的符號代替機器語言中的二進制編碼，因此看起來較直觀，不易出錯。例如，上面的計算圓面積的例子，如果用匯編語言編程序，則源程序如下：LOAD 3.1416MUL 15MUL 15SAVE APRINT ASTOP計算機硬件并不能直接識別和執(zhí)行匯編語言源程序，因此，必須用一個編譯程序（一 種系統(tǒng)軟件）把匯編語言源程序轉換（即翻譯）成機器語言程序（稱為目標程序）之后， 才能執(zhí)行。匯編語言仍然是依賴于計算機的，不同計算機有不同的匯編語言，彼此不

19、能通用。此 外，匯編語言指令與機器語言指令是一一對應的，一個復雜的程序需要包含大量匯編語言 指令， 編寫起來仍然很繁瑣。 為了克服匯編語言的缺點， 人們開發(fā)出第三代程序設計語言。3第三代程序設計語言前面曾經(jīng)講過， 為了利用計算機解決一個特定問題， 必須首先設計出解題步驟。 通常， 把為了在計算機上解決一個問題而采用的方法和步驟稱為算法。更確切地說，算法是在有 限步驟內(nèi)解決某一問題所使用的有精確定義的一系列操作規(guī)則。第三代程序設計語言特別適合用來表達算法，因此也稱為算法語言。算法語言的基本組成成分是各種語句。通常一個語句的功能相當于多條機器指令的功 能，因此，用算法語言編寫程序遠比用機器語言或匯

20、編語言編寫程序更加方便、簡單和直 觀，而且更不容易出錯。此外，算法語言不依賴于機器，同一個算法語言程序可以在眾多 不同類型的計算機上運行，通用性很強。因此，第三代程序設計語言也稱為高級語言。常用的高級語言有 BASIC 、 FORTRAN 、ALGOL 、 COBOL 、C、Pascal、PL/1 等。 例如，計算前述圓面積的 BASIC 源程序如下（每行前數(shù)字為行號） ：10 A=3.1416*15 *1520 PRINT A30 END顯然，計算機硬件并不能直接識別和執(zhí)行高級語言源程序，因此，必須首先使用編譯 程序（一種系統(tǒng)軟件） 把高級語言源程序編譯 （即翻譯） 成機器語言程序 （稱為目

21、標程序） 然后才能執(zhí)行。4第四代程序設計語言雖然比起機器語言和匯編語言來，第三代程序設計語言有了很大進步，但是，為了能 熟練地使用這種語言解決實際問題，仍然需要經(jīng)過長期的專業(yè)訓練。為了提高軟件開發(fā)效 率，增強軟件的可維護性，人們研究出第四代程序設計語言。所謂第四代程序設計語言，實質(zhì)上是可以快速開發(fā)應用軟件的各種高生產(chǎn)率的軟件工 具的統(tǒng)稱。5第五代程序設計語言多數(shù)人認為，第五代程序設計語言將是智能化的語言。到目前為止，還沒有公認的第 五代程序設計語言出現(xiàn)。 PROLOG 語言可能是第五代程序設計語言最著名的雛形。1.3 面向過程程序設計如前所述，使用傳統(tǒng)程序設計語言進行程序設計時，不論所使用的語

22、言是第一代程序 設計語言或第二代程序設計語言，還是第三代程序設計語言，都必須詳細準確地描述解題 過程。也就是說，當人們用這類語言表達自己意圖指揮計算機工作時，必須向計算機詳細 說明怎樣完成預定的功能：第一步做什么、第二步做什么、第三步做什么哪些操作按 程序編寫順序只做一遍，哪些操作重復做多遍，哪些操作在某個條件成立時做，等等。因 為程序設計工作主要圍繞設計解題過程來進行，這種傳統(tǒng)的程序設計方法稱為面向過程程 序設計，傳統(tǒng)的程序設計語言稱為過程性語言。使用過程性語言編寫的程序， 其功能是隱含在程序代碼中的。 為了搞清楚程序的功能， 必須反復閱讀程序，仔細分析程序的每個語句，根據(jù)該程序設計語言的語

23、法確定語句的執(zhí) 行順序，并要綜合每個語句的語義及執(zhí)行順序才能推斷出程序的功能。因此，理解面向過 程的程序相當困難。顯然，當應用系統(tǒng)的功能比較復雜時，應用程序的規(guī)模必然十分龐大，包含的語句很 多，程序元素(數(shù)據(jù)、語句)相互之間的關系十分復雜。因此，用面向過程程序設計方法 開發(fā)應用系統(tǒng)時，需要耗費大量人力物力，只有經(jīng)過嚴格訓練的有經(jīng)驗的程序員才能勝任 編程工作。這樣的應用系統(tǒng)不僅不易開發(fā)，維護起來也十分困難。所謂維護，就是在軟件 交付給用戶使用期間，出于種種原因，而對軟件進行修改。人們在開發(fā)軟件的長期實踐過程中，總結出一些設計原理并研究出一些系統(tǒng)化的技術 方法，把它們用于面向過程程序設計，能夠提高

24、開發(fā)效率，增加系統(tǒng)的可理解性、可閱讀 性和可維護性。這些原理和技術方法，在進行面向?qū)ο蟪绦蛟O計時也有借鑒意義。下面簡 要介紹主要設計原理和技術方法。1.3.1 模塊化模塊是數(shù)據(jù)說明、可執(zhí)行的語句等程序元素的集合，它是單獨命名的而且可以通過名 字來訪問，也就是說，可以用名字代表該模塊。所謂模塊化，就是把一個程序劃分成若干 個模塊，每個模塊完成一個子功能，把這些模塊組裝成一個整體，可以完成指定的功能。模塊化是為了使一個復雜的大型程序能被人的智力所管理、程序應該具備的基本屬 性。如果一個大型程序僅由一個模塊組成，例如，程序由幾十萬個語句一個語句接著一個 語句堆積而成，那么它將很難被人所理解。下面根據(jù)

25、人類解決問題的一般規(guī)律，論證上面 的結論。設函數(shù)C (x)定義問題X的復雜程度，函數(shù)E (x)確定解決問題X需要的工作量(時間)。 對于兩個問題P1和P2，如果C (P1) > C (P2)顯然E (P1) > E (P2)根據(jù)人們解決一般問題的經(jīng)驗，另一個有趣的規(guī)律為：C (P1 + P2)> C (P1) + C (P2)也就是說，如果一個問題由 Pl和P2兩個問題組合而成，那么它的復雜程度大于分別 考慮每個問題時的復雜程度之和。綜上所述，得到下面的不等式：E (P1 + P2) > E (P1) + E (P2)這個不等式導致 “各個擊破” 的結論把復雜的問題分解

26、成許多容易解決的小問題， 原來的問題也就容易解決了。這就是模塊化的根據(jù)。從上面的不等式并不能得出“如果無限地分割程序，最后為了開發(fā)程序而需要的工作 量也就小得可以忽略了”的結論。事實上，還有另一個因素在起作用，從而使得上述結論 不能成立。當模塊數(shù)目增加時每個模塊的規(guī)模將減小， 開發(fā)單個模塊的工作量確實減少了； 但是， 隨著模塊數(shù)目增加，設計和實現(xiàn)模塊接口所需要的工作量也將增加。綜合這兩個因素，每 個程序都有一個最適合的模塊數(shù)目，使得開發(fā)該程序的總成本(開發(fā)模塊的成本加上開發(fā) 模塊間接口的成本)最小。換句話說，在把程序劃分成模塊的時候，模塊規(guī)模應該適當。模塊太大則模塊化帶來的好處不明顯，模塊太小

27、，則模塊間接口的成本過大。采用模塊化原理可以使程序結構清晰，不僅容易設計也容易閱讀和理解。因為程序錯 誤通常局限在有關的模塊及它們之間的接口中，所以模塊化使軟件容易測試和調(diào)試，因而 有助于提高軟件的穩(wěn)定性。因為變動往往只涉及少數(shù)幾個模塊，所以模塊化能夠提高軟件 的可修改性。模塊化也有助于軟件開發(fā)工程的組織管理，一個復雜的大型程序可以由許多 程序員分工編寫不同的模塊，并且可以進一步分配技術熟練的程序員編寫困難的模塊。1.3.2 抽象人類在認識復雜現(xiàn)象的過程中使用的最強有力的思維工具是抽象。人們在實踐中認識到， 在現(xiàn)實世界中一定事物、 狀態(tài)或過程之間總存在著某些相似的方面 (共性)。把這些相 似的

28、方面集中和概括起來，暫時忽略它們之間的差異，這就是抽象。在求解問題的過程中 使用抽象原理，就是忽略該問題與當前目的無關的那些方面，以便集中精力考慮與當前目 的有關的那些方面。由于人類思維能力的限制，如果每次面臨的因素太多，是不可能做出精確的思維的。 處理復雜系統(tǒng)的唯一有效的方法是用層次的方式構造和分析它。一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)首先 可以用一些高級的抽象概念構造和理解，這些高級概念又可以用一些較低級的概念構造和 理解，如此進行下去，直至最低層次的具體元素。這種層次的思維和解題方式必須反映在定義動態(tài)系統(tǒng)的程序結構之中，每層的一個概 念將以某種方式對應于程序的一組成分?？紤]問題的模塊化解法時，可以提出許

29、多抽象的層次。在抽象的最高層次使用描述問 題環(huán)境的語言，以概括的方式敘述問題的解法；在較低抽象層次采用更過程化的方法，把 面向問題的術語和面向?qū)崿F(xiàn)的術語結合起來敘述問題的解法；最后，在最低的抽象層次用 可以直接實現(xiàn)的方式敘述問題的解法。逐步求精和模塊化的概念，與抽象是密切相關的。隨著程序開發(fā)工作的進展，在程序結構每一層次中的模塊，表示了對程序抽象層次的一次精化。事實上處于程序結構頂層的模塊，控制了程序的全部功能并且影響全局；在程序結構底層的模塊，完成對數(shù)據(jù)的一個 具體處理。用自頂向下由抽象到具體的方式分配控制，簡化了程序的設計和實現(xiàn)，提高了 程序的可理解性、可修改性和可測試性，使程序更容易維護

30、。1.3.3 信息隱藏和局部化信息隱藏原理指出，在設計和確定模塊時，應該使得一個模塊內(nèi)包含的信息（數(shù)據(jù)和 操作）對于不需要這些信息的其他模塊來說，是不能訪問的。局部化的概念和信息隱藏概念是密切相關的。所謂局部化，是指把一些關系密切的程 序元素物理地放得彼此靠近，處于同一局部區(qū)城內(nèi)。在模塊中使用局部數(shù)據(jù)元素是局部化 的一個例子。顯然，局部化有助于實現(xiàn)信息隱藏。“隱藏”意味著有效的模塊化可以通過定義一組獨立的模塊來實現(xiàn)，這些獨立的模塊 彼此間僅僅交換那些為了完成系統(tǒng)功能而必須交換的信息。如果在測試期間和以后的維護期間需要修改程序，那么用信息隱藏原理指導模塊化系 統(tǒng)設計就會帶來極大好處。因為絕大多數(shù)

31、數(shù)據(jù)和處理過程對于程序的其他部分而言是隱藏 的（也就是 “看不見” 的），在修改期間由于疏忽而引入的錯誤傳播到程序的其他部分的可 能性就很小。1.3.4 模塊獨立模塊獨立原理是模塊化、抽象、信息隱藏和局部化原理的直接結果和進一步發(fā)展。開發(fā)具有獨立、完整功能而且和其他模塊之間沒有過多相互作用的模塊，就可以做到 模塊獨立。換句話說，應該這樣設計程序結構，使得每個模塊完成一個相對獨立的特定子 功能，并且和其他模塊之間的關系盡可能簡單。為什么模塊的獨立性很重要呢？主要有兩條理由：第一，有效的模塊化（即具有獨立 的模塊）的軟件比較容易開發(fā)出來。這是由于能夠分割功能而且接口可以簡化，當許多人 分工合作開發(fā)

32、同一個軟件時，這一優(yōu)點尤其重要。第二，獨立的模塊軟件比較容易測試和 維護。這是因為相對說來，修改設計和程序需要的工作量比較小，錯誤傳播范圍小，需要 擴充功能時能夠“插入”模塊。總之，模塊獨立是好設計的關鍵，而設計又是決定軟件質(zhì) 量的關鍵環(huán)節(jié)。模塊的獨立程度可以由兩個定性標準量度，這兩個標準分別稱為耦合度和內(nèi)聚度。耦 合度衡量不同模塊彼此間互相依賴（連接）的緊密程度；內(nèi)聚度衡量一個模塊內(nèi)部各個元 素彼此結合的緊密程度。在程序設計時應該追求盡可能松散耦合的系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中可以研究、測試或維 護任何一個模塊，而不需要對系統(tǒng)的其他模塊有很多了解。此外，由于模塊間聯(lián)系簡單， 發(fā)生在一處的錯誤傳播到整

33、個系統(tǒng)的可能性就很小。因此，模塊間的耦合程度強烈影響系 統(tǒng)的可理解性、可測試性、穩(wěn)定性和可維護性。一般說來，如果兩個模塊彼此間通過參數(shù)交換信息，而且交換的信息基本上是數(shù)據(jù)， 則這樣的耦合是松耦合。內(nèi)聚表示一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結合的緊密程度，它是信息隱藏和局部化概念的 自然擴展。簡單地說，理想內(nèi)聚的模塊只做一件事情。設計時應該力求做到高內(nèi)聚，通常中等程度的內(nèi)聚也是可以采用的，而且效果和高內(nèi) 聚相差不多。但是，低內(nèi)聚效果很差，不要使用。如果模塊內(nèi)所有元素屬于一個整體，完成一個單一的功能，則稱為功能內(nèi)聚。這種內(nèi) 聚是最高程度的內(nèi)聚。內(nèi)聚和耦合是密切相關的，模塊內(nèi)的高內(nèi)聚往往意味著模塊間的松耦合。

34、高內(nèi)聚和松 耦合都是進行模塊化設計的重要標準，但是實踐表明內(nèi)聚更重要，應該把更多注意力集中 到提高模塊的內(nèi)聚程度上。1.3.5結構程序設計技術在把一個程序劃分成若干個模塊，并且確定了模塊之間的關系之后，進一步的工作就 是設計完成每個模塊功能的處理過程。為了能開發(fā)出高質(zhì)量的程序，必須充分注意下述事 實：在軟件的生存周期中，設計測試方案，診斷程序錯誤，修改和改進程序等都必須首先 讀懂程序。實際上對于長期使用的軟件系統(tǒng)而言，讀程序的時間可能比寫程序的時間還要 長得多。因此，衡量程序的質(zhì)量不僅要看它的邏輯是否正確，性能是否滿足要求，更主要 的是看它是否容易閱讀和理解。怎樣才能設計出容易閱讀、容易理解的

35、程序呢？結構程序設計技術是實現(xiàn)這一目標的 關鍵技術。結構程序設計的概念最早由 E.W.Dijkstra提出。1965年他在一次會議上指出：“可以從 高級語言中取消goto語句”，“程序的質(zhì)量與程序中所包含的 goto語句的數(shù)量成反比”。所 謂goto語句就是轉移語句。1966年C.Bohm和G.Jacopini證明，只用3種基本的控制結構就能實現(xiàn)任何單入口單 出口的程序。這3種基本的控制結構是“順序”、“選擇”和“循環(huán)”，它們的流程圖分別如 圖1.8（a）、圖1.8（ b）和圖1.8（c）所示。流程圖是描繪處理過程的一種常用圖形，矩形 框表示操作，菱形框表示條件，箭頭線表明執(zhí)行次序。（a）順序

36、結構，先執(zhí)行A再執(zhí)行B（b） if-then-else型選擇（分支）結構（c）do-while型循環(huán)結構圖1.8 3種基本的控制結構雖然從理論上說只用上述3種基本控制結構就可以實現(xiàn)任何單入口單出口的程序，但是為了實際使用方便起見，常常還使用do-until和do-case兩種控制結構，它們的流程圖分別如圖1.9（a）和圖1.9（ b）所示。do case I（b）多分支結構圖1.9其他常用的控制結構如圖1.8和圖1.9所示可以看出，這幾種控制結構有一個共同的特點，那就是每種結 構都只有一個入口和一個出口，因此統(tǒng)稱為單入口單出口的控制結構。那么，什么是結構程序設計呢？目前還沒有一個被所有人普遍接受的定義，一個比較 流行的定義為：結構程