第2章 程序設(shè)計基礎(chǔ)

1、任向民 王克朝 王喜德 馮阿芳 編著高級匯編語言程序設(shè)計高級匯編語言程序設(shè)計實用教程（第實用教程（第2 2版）版）清華大學(xué)出版社高等院校信息技術(shù)規(guī)劃教材 根據(jù)程序設(shè)計語言發(fā)展的歷程，可將其大致分為 1. 機(jī)器語言2. 匯編語言3. 高級語言4. 4GL語言2.1 程序語言設(shè)計程序語言設(shè)計2.1.1 機(jī)器語言機(jī)器語言 機(jī)器語言是用二進(jìn)制代碼表示的計算機(jī)能直接識別和執(zhí)行的機(jī)器指令的集合，即處理器的指令系統(tǒng)。不同類型處理器的計算機(jī)，其機(jī)器語言是不同的，按照一種計算機(jī)的機(jī)器指令編制的程序，不能在指令系統(tǒng)不同的計算機(jī)上執(zhí)行。機(jī)器語言的優(yōu)點是能夠被計算機(jī)直接識別、執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存空間少。其缺點是難記憶

2、、難書寫、難編程、易出錯、可讀性差、可移植性差。2.1.2 匯編語言匯編語言 為了克服機(jī)器語言的缺點，人們采用與代碼指令實際含義相近的英文縮寫詞、字母和數(shù)字等符號來取代指令代碼，產(chǎn)生了匯編語言（也稱為符號語言）。匯編語言是由一條條助記符所組成的指令系統(tǒng)。使用匯編語言編寫的程序（匯編語言源程序），計算機(jī)不能直接識別，需要由一種起翻譯作用的程序（匯編程序），將其翻譯成機(jī)器語言程序（目標(biāo)程序），計算機(jī)方可執(zhí)行，這一翻譯過程稱之為“匯編”。 計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使人們?nèi)で笠恍┡c人類自然語言相接近且能為計算機(jī)所接受的語意確定、規(guī)則明確、自然直觀和通用易學(xué)的計算機(jī)語言。這種與自然語言相近并為計算機(jī)所接受

3、和執(zhí)行的語言稱為高級語言。用高級語言編寫程序時，程序員可以不必了解計算機(jī)的內(nèi)部邏輯，而主要考慮問題的解決方法。高級語言的源程序需要翻譯成機(jī)器語言程序才能執(zhí)行，翻譯方式有兩種，編譯方式和解釋方式。編譯方式是由編譯程序把高級語言源程序“翻譯”成目標(biāo)程序；解釋方式是由解釋程序把高級語言的源程序逐條“翻譯”執(zhí)行，不生成目標(biāo)程序。2.1.3 高級程序設(shè)計語言高級程序設(shè)計語言1954年，約翰巴克斯發(fā)明了FORTRAN語言。FORTRAN是最早出現(xiàn)的高級程序設(shè)計語言，主要應(yīng)用在科學(xué)、工程計算領(lǐng)域。1958年，在FORTRAN基礎(chǔ)上改進(jìn)的ALGOL語言誕生了，與FORTRAN相比，ALGOL的優(yōu)點引入了局部變

4、量和遞歸過程概念，提供了較為豐富的控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)類型，對后來的高級語言產(chǎn)生了深刻的影響。1960年出現(xiàn)的COBOL是商用數(shù)據(jù)處理應(yīng)用中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)語言。COBOL通用性強(qiáng)，容易移植，并提供了與事務(wù)處理有關(guān)的大范圍的過程化技術(shù)。COBOL是世界上最早實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的語言，它的出現(xiàn)、應(yīng)用與發(fā)展，改變了人們“計算機(jī)只能用于數(shù)值計算”的觀點。1964年，湯姆庫斯和約翰凱孟尼創(chuàng)建了一種新的計算機(jī)高級語言，這種語言語句簡潔、語法簡單，風(fēng)格輕松活潑，又簡便易學(xué)，被稱為“初學(xué)者通用符號指令代碼”，這就是著名的Basic語言。該語言在微型計算機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。目前Basic語言有多種版本，如Borland公司的T

5、urbo Basic、Microsoft公司的Visual Basic等。Microsoft Visual Basic是目前使用最廣泛的Basic語言開發(fā)工具，它提供了一個可視的開發(fā)環(huán)境，具有圖形設(shè)計工具、面向?qū)ο蟮慕Y(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動編程模式、開放的環(huán)境，使用戶可以既快又簡便的編制出Windows的各種應(yīng)用程序。傳統(tǒng)的高級程序設(shè)計語言傳統(tǒng)的高級程序設(shè)計語言結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言的特點是具有很強(qiáng)的過程功能和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)功能，并提供結(jié)構(gòu)化的邏輯構(gòu)造。這一類語言的代表有Pascal、C和Ada等，它們都是從ALGOL語言派生出來的。20世紀(jì)60年代末研制的Pascal語言體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的思想，以系統(tǒng)、精

6、確、合理的方式表達(dá)了程序設(shè)計的基本概念，特別適合用來進(jìn)行程序設(shè)計原理和高級語言的教學(xué)。Borland公司的Turbo Pascal是使用比較廣泛的版本。1972年，美國貝爾實驗室的Dennis Ritchie發(fā)明了C語言，它既有高級語言的特點，又可以實現(xiàn)匯編語言的許多功能，因此它適用于編寫系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。C語言主要特點是具有豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；基本程序結(jié)構(gòu)是函數(shù)調(diào)用，支持用戶自定義函數(shù)以擴(kuò)充語言的功能；與匯編語言接口好；具有豐富的函數(shù)庫；具有比較強(qiáng)的圖形處理能力。Borland公司的Turbo C是早期使用廣泛的C語言開發(fā)工具。Ada語言是由美國國防部出資開發(fā)的，作為一種用于嵌入式實時計算機(jī)設(shè)

7、計的標(biāo)準(zhǔn)語言。Ada語言在結(jié)構(gòu)和符號方面類似于Pascal語言。通用的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言通用的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計語言專用語言是為特殊的應(yīng)用而設(shè)計的語言。通常具有自己特殊的語法形式，面對特定的問題，輸入結(jié)構(gòu)及詞匯與該問題的相應(yīng)范圍密切相關(guān)。有代表性的專用語言有APL、Lisp、Prolog、Smalltalk、C+、Java等。APL是一種簡單的對數(shù)組和向量處理非常有效的語言。它幾乎不支持結(jié)構(gòu)化設(shè)計和數(shù)據(jù)類型劃分，但它擁有豐富的操作運算符。主要用來解決一些數(shù)學(xué)計算問題。Lisp是一種人工智能領(lǐng)域?qū)Ｓ玫恼Z言，它特別適用于組合問題中常見的符號運算和表處理。Prolog是另一種廣泛用于專家系統(tǒng)構(gòu)造的程序設(shè)

8、計語言。和Lisp一樣，Prolog提供了支持知識表示的特性。這種語言用一種稱為term的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來構(gòu)造所有的數(shù)據(jù)和程序。每一個程序都由一組代表事實、規(guī)劃和推理的子句組成。Lisp和Prolog都特別適合于處理對象及其相互關(guān)系的問題。Smalltalk是首先真正實現(xiàn)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言之一。它引入了與傳統(tǒng)程序設(shè)計語言根本不同的控制結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Smalltalk可以定義對象，對象由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和指向一組方法（服務(wù)操作）的指針組成。每個對象都是一個類的實例。Smalltalk提供的面向?qū)ο蟮姆椒梢灾С殖绦虿考摹翱蓮?fù)用性”，從而使大型軟件系統(tǒng)的開發(fā)時間和以源程序行數(shù)計算的程序量大大減少。

9、專用語言專用語言1980年，貝爾實驗室的Bjarne Stroustrup發(fā)明了的“帶類的C”，增加了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計所需要的抽象數(shù)據(jù)類型“類”，1983年帶類的C語言被命名為C+，成為面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言。C+有豐富的類庫、函數(shù)庫，可嵌入?yún)R編語言中，使程序優(yōu)化，但這種語言難于學(xué)習(xí)掌握，需要有C語言編程的基礎(chǔ)經(jīng)驗和較為廣泛的知識。Java是一種簡單的、面向?qū)ο蟮?、分布式的、?qiáng)大的、安全的、解釋的、高效的、結(jié)構(gòu)無關(guān)的、易移植的、多線程的、動態(tài)的語言。Java設(shè)計接近C+語言，但做了許多重大修改。它不再支持運算符重載、多繼承及許多自動強(qiáng)制等易混淆和較少使用的特性，增加了內(nèi)存空間自動垃圾收集的功能

10、。Java是面向?qū)ο笳Z言，基本功能類似于C+，但增加了Objective C的擴(kuò)充，可提供更多的動態(tài)解決方法。Java中提供了附加的例程庫，通過它們的支持，Java應(yīng)用程序能夠自由地打開和訪問網(wǎng)絡(luò)上的對象，就像在本地文件系統(tǒng)中一樣。Java有建立在公共密鑰技術(shù)上的確認(rèn)技術(shù)，指示器語義的改變將使應(yīng)用程序不能再去訪問以前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或私有數(shù)據(jù)，這樣大多數(shù)病毒也就無法破壞數(shù)據(jù)。因而，使用Java可以構(gòu)造出無病毒、安全的系統(tǒng)。專用語言專用語言2.1.4 4GL語言語言 4GL語言的出現(xiàn)，將語言的抽象層次又提高到一個新的高度。同其他人工語言一樣，也采用不同的文法表示程序結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但它是在更高一級抽象

11、的層次上表示這些結(jié)構(gòu)，它不再需要規(guī)定算法的細(xì)節(jié)。關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)語言SQL即屬于該類語言。 4GL語言兼有過程性和非過程性的兩重特性。程序員規(guī)定條件和相應(yīng)的動作，這是過程性的部分，并且指出想要的結(jié)果，這是非過程部分。然后由4GL語言系統(tǒng)運用它的專門領(lǐng)域的知識來填充過程細(xì)節(jié)。2.1.5 程序設(shè)計語言的比較程序設(shè)計語言的比較應(yīng)用領(lǐng)域。算法和計算復(fù)雜性。軟件運行環(huán)境。用戶需求中關(guān)于性能方面的需要。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。軟件開發(fā)人員的知識水平和心理因素等。匯編語言匯編語言程序執(zhí)行占用較短的時間，或者占用較小存儲容量的場合。程序與計算機(jī)硬件密切相關(guān)，程序直接控制硬件的場合。需提高大型軟件性能的場合。沒有合適

12、的高級語言的場合。2.2 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 由于軟件危機(jī)的出現(xiàn)，人們開始研究程序設(shè)計方法，其中最受關(guān)注的是結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。20世紀(jì)70年代提出了“結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計（Structured Programming）”的思想和方法，該方法引入了工程思想和結(jié)構(gòu)化思想，使大型軟件的開發(fā)和編程都得到了極大的改善。2.2.1 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計思想 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法是程序設(shè)計的先進(jìn)方法和工具。采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法編寫程序，可使程序結(jié)構(gòu)清晰、易讀、易理解、易維護(hù)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計具有三種基本結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)。1966年，Boehm和Jacopini證明了任何單入

13、口單出口沒有“死循環(huán)”的程序都能由順序、選擇和循環(huán)三種最基本的控制結(jié)構(gòu)構(gòu)造出來。 順序結(jié)構(gòu)是最基本、最常用的結(jié)構(gòu)，如圖2-1所示。順序結(jié)構(gòu)就是按照程序語句行的自然順序依次執(zhí)行程序。圖2-1 順序結(jié)構(gòu) 順序結(jié)構(gòu) 選擇結(jié)構(gòu)又稱為分支結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以根據(jù)設(shè)定的條件，判斷應(yīng)該選擇哪一條分支來執(zhí)行相應(yīng)的語句序列。如圖2-2所示。 圖2-2 選擇結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu) 循環(huán)結(jié)構(gòu)是根據(jù)給定的條件，判斷是否需要重復(fù)執(zhí)行某一程序段。在程序設(shè)計語言中，循環(huán)結(jié)構(gòu)對應(yīng)兩類循環(huán)語句，對先判斷后執(zhí)行循環(huán)體的稱為當(dāng)型循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2-3所示；對先執(zhí)行循環(huán)體后判斷的稱為直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2-4所示。圖2-3 當(dāng)型循環(huán)結(jié)構(gòu) 圖2-4

14、 直到型循環(huán)結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu) 一是使用三種基本結(jié)構(gòu)；二是采用自頂向下、逐步求精和模塊化方法。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計強(qiáng)調(diào)程序設(shè)計風(fēng)格和程序結(jié)構(gòu)的規(guī)范化，其程序結(jié)構(gòu)是按功能劃分為若干個基本模塊，這些模塊形成一個樹狀結(jié)構(gòu)，各模塊之間的關(guān)系盡可能簡單，且功能相對獨立，每個模塊內(nèi)部均是由順序、選擇、循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)組成，其模塊化實現(xiàn)的具體方法是使用子程序（函數(shù)或過程）。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計由于采用了模塊化與功能分解、自頂向下、分而治之的方法，因而可將一個較為復(fù)雜的問題分解為若干個子問題，各個子問題分別由不同的人員解決，從而提高了程序開發(fā)速度，并且便于程序的調(diào)試，有利于軟件的開發(fā)和維護(hù)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的基本思想2.2.2

15、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法的基本原則可以概括為自頂向下、逐步求精、模塊化、限制使用goto語句。p自頂向下程序設(shè)計時，應(yīng)先考慮總體，后考慮細(xì)節(jié)；先考慮全局目標(biāo)，后考慮局部目標(biāo)。開始時不過多追求眾多的細(xì)節(jié)，先從最上層總體目標(biāo)開始設(shè)計，逐步使問題具體化，層次分明，結(jié)構(gòu)清晰。p逐步求精對復(fù)雜問題，應(yīng)設(shè)計一些子目標(biāo)作過渡，逐步細(xì)化。針對某個功能的宏觀描述，進(jìn)行不斷分解，逐步確立過程細(xì)節(jié)，直到該功能用程序語言的算法實現(xiàn)為止。p模塊化將一個復(fù)雜問題，分解為若干個簡單的問題。每個模塊只有一個入口和一個出口，使程序有良好的結(jié)構(gòu)特征，能降低程序的復(fù)雜度，增強(qiáng)程序的可讀性、可維護(hù)性。

16、p限制使用goto語句因為使用goto語句會破壞程序的結(jié)構(gòu)化，降低了程序的可讀性，因而不提倡使用goto語句。2.2.3 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計簡介面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計簡介 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計，是當(dāng)前程序設(shè)計的主流方向，是程序設(shè)計方式在思維上和方法上的一次飛躍。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方式是一種模仿人們建立現(xiàn)實世界模型的程序設(shè)計方式，是對程序設(shè)計的一種全新的認(rèn)識。 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本思想，一是從現(xiàn)實世界中客觀存在的事物（即對象）出發(fā)，盡可能運用人類的自然思維方式去構(gòu)造軟件系統(tǒng)，也就是直接以客觀世界的事務(wù)為中心來思考問題、認(rèn)識問題、分析問題和解決問題。二是將事物的本質(zhì)特征經(jīng)抽象后表示為軟件系統(tǒng)的對象，以此作為系

17、統(tǒng)構(gòu)造的基本單位。三是使軟件系統(tǒng)能直接映射問題，并保持問題中事物及其相互關(guān)系的本來面貌。因此，面向?qū)ο蠓椒◤?qiáng)調(diào)按照人類思維方法中的抽象、分類、繼承、組合、封裝等原則去解決問題。這樣，軟件開發(fā)人員便能更有效地思考問題，更容易與客戶溝通。 面向?qū)ο蟮姆椒ǎ瑢嵸|(zhì)上是面向功能的方法在新形勢下（由功能重用發(fā)展到代碼重用）的回歸與再現(xiàn)，是在一種高層次上（代碼級重用）新的面向功能的方法論，它設(shè)計的“基本功能對象（類或構(gòu)件）”，不僅包括屬性（數(shù)據(jù)），而且包括與屬性有關(guān)的功能（或方法，如增加、修改、移動、放大、縮小、刪除、選擇、計算、查找、排序、打開、關(guān)閉、存盤、顯示和打印等）。它不但將屬性與功能融為一個整體，

18、而且對象之間可以繼承、派生以及通信。因此，面向?qū)ο笤O(shè)計是一種新的、復(fù)雜的、動態(tài)的、高層次的面向功能設(shè)計。它的基本單元是對象，對象封裝了與其有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)層的處理方法，從而實現(xiàn)了由問題空間到解析空間的映射。2.2.3 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計簡介面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計簡介2.3 程序設(shè)計風(fēng)格程序設(shè)計風(fēng)格 程序設(shè)計是一門技術(shù)，需要相應(yīng)的理論、技術(shù)、方法和工具來支持。程序設(shè)計方法和技術(shù)的發(fā)展，主要經(jīng)過了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計階段。除了好的程序設(shè)計方法和技術(shù)之外，程序設(shè)計風(fēng)格也是很重要的。良好的程序設(shè)計風(fēng)格可以使程序結(jié)構(gòu)清晰合理，使程序代碼便于測試和維護(hù)。程序設(shè)計風(fēng)格是指編寫程序時所表現(xiàn)出的特點、

19、習(xí)慣和邏輯思路，為了測試和維護(hù)程序，往往還要閱讀和跟蹤程序，因此程序設(shè)計的風(fēng)格總體而言應(yīng)該強(qiáng)調(diào)簡單和清晰，著名的“清晰第一，效率第二”的論點已成為當(dāng)今主導(dǎo)的程序設(shè)計風(fēng)格。2.3.2 良好的程序設(shè)計風(fēng)格良好的程序設(shè)計風(fēng)格源程序文檔化 源程序文檔化主要包括選擇標(biāo)識符的名字、安排注釋和程序的視覺組織。 符號名的命名。符號名的命名應(yīng)具有一定的實際含義，以便于對程序功能的理解。 程序注釋。正確的注釋能夠幫助讀者理解程序。注釋分為序言性注釋和功能性注釋。序言性注釋通常位于每個程序的開頭部分，它給出程序的整體說明，主要描述內(nèi)容可以包括：程序標(biāo)題、程序功能說明、主要算法、接口說明、開發(fā)簡歷等。功能性注釋嵌在源

20、程序體之中，主要描述其后的語句或程序做什么。 視覺組織。為了使程序的結(jié)構(gòu)一目了然，在程序中利用空格、空行、縮進(jìn)等技巧可使程序的邏輯結(jié)構(gòu)清晰層次分明。數(shù)據(jù)說明在編寫程序時，需要注意數(shù)據(jù)說明的風(fēng)格，以便使程序中的數(shù)據(jù)說明更易于理解和維護(hù)。應(yīng)注意如下幾點：數(shù)據(jù)說明的次序規(guī)范化。鑒于理解、閱讀和維護(hù)的需要，數(shù)據(jù)說明先后次序固定，可以使數(shù)據(jù)的屬性容易查找，也有利于程序的測試、排錯和維護(hù)。說明語句中變量安排有序化。當(dāng)一個說明語句說明多個變量時，變量按照字母順序排列為好。使用注釋，說明復(fù)雜數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。2.3.2 良好的程序設(shè)計風(fēng)格良好的程序設(shè)計風(fēng)格語句的結(jié)構(gòu) 語句構(gòu)造力求簡單直接，不應(yīng)該為提高效率而使語句復(fù)雜化。一般應(yīng)注意：在一行內(nèi)只寫一條語句，并采用適當(dāng)?shù)目s進(jìn)格式，使程序的邏輯和功能變得明確。程序編寫應(yīng)優(yōu)先考慮清晰性。除非對效率有特殊要求，否則程序編寫要做到清晰第一，效率第二。首先要保證程序正確，然后才要求提高速度。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要有利于程序的簡化。 盡可能使用庫函數(shù)。避免使用臨時變量而使程序的可讀性下降。避免使用無條件轉(zhuǎn)移語句。避免采用復(fù)雜的條件語句。避免過多的循環(huán)嵌套和條件嵌套。要模塊化，使模塊功能盡量單一。利用信息隱蔽，確保每一個模塊的獨立性。2.3.2 良好的程序設(shè)計風(fēng)格良好的程序設(shè)計風(fēng)格輸入和輸出 輸