技術(shù)報(bào)告基于圖元裝接模式由程序流程圖自動(dòng)生成源代碼

1、計(jì)劃類(lèi)別 項(xiàng)目編號(hào) 項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告課題名稱 項(xiàng)目主持人 承擔(dān)單位 題目：基于圖元裝接模式由程序流程圖自動(dòng)生成源代碼針對(duì)程序流程圖到代碼自動(dòng)翻譯過(guò)程中，通常需要經(jīng)過(guò)代碼優(yōu)化及二次編程，翻譯效率不高，提出基于圖元裝接模式的流程圖到C語(yǔ)言源程序轉(zhuǎn)換的解決方案，實(shí)現(xiàn)流程圖到源程序的雙向轉(zhuǎn)換。由圖元同步產(chǎn)生代碼元，通過(guò)裝接自動(dòng)生成程序代碼。所生成的程序代碼無(wú)需修改，可直接編譯運(yùn)行。通過(guò)詞法分析，識(shí)別并產(chǎn)生代碼元和對(duì)應(yīng)圖元，可逆向生成流程圖。其有效性在原型系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：C語(yǔ)言；流程圖；程序代碼；自動(dòng)翻譯1 引言（Introduction）對(duì)于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言初學(xué)者來(lái)說(shuō)，通過(guò)畫(huà)流程圖來(lái)學(xué)習(xí)程序編碼，將

2、程序代碼與直觀的圖形相結(jié)合，可以起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。若用草圖來(lái)繪制程序流程圖，并且實(shí)現(xiàn)流程圖的自動(dòng)識(shí)別和代碼生成，不僅符合人的思維習(xí)慣，也將大大方便程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)，同時(shí)也可應(yīng)用于程序員的快速程序設(shè)計(jì)和編碼。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)手繪草圖識(shí)別的研究已有較大進(jìn)展，可較好地識(shí)別程序流程圖中的簡(jiǎn)單圖元符號(hào)。但是對(duì)程序流程圖控制結(jié)構(gòu)的判別，以及代碼的自動(dòng)翻譯的研究較少。程序流程圖到代碼自動(dòng)生成的流程，通常分為草圖識(shí)別和代碼優(yōu)化兩個(gè)階段，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)或技術(shù)難點(diǎn)是圖元的識(shí)別和翻譯，文獻(xiàn)1，2設(shè)計(jì)了圖元節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，在圖元識(shí)別的基礎(chǔ)上，提出基于上下文的程序流程草圖自動(dòng)翻譯算法，實(shí)現(xiàn)了在線手繪程序流程

3、草圖到C語(yǔ)言代碼的自動(dòng)翻譯。但該系統(tǒng)所能判別的基本圖元比較單一，而且在判斷程序流程圖控制結(jié)構(gòu)時(shí)，采用棧技術(shù)，若用戶采用非習(xí)慣性思維畫(huà)圖，可能會(huì)導(dǎo)致棧頂元素?zé)o法正確判別，在一定程度上影響識(shí)別結(jié)果。文獻(xiàn)3-5則是對(duì)程序流程圖到代碼的自動(dòng)生成技術(shù)的研究，然而所研究的程序流程圖到代碼的自動(dòng)生成工具對(duì)流程圖有諸多限制，并不是基于標(biāo)準(zhǔn)的程序流程圖。文獻(xiàn)6針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的程序流程圖，實(shí)現(xiàn)程序流程圖到代碼的自動(dòng)生成，并且對(duì)于含有continue/break/return語(yǔ)義的程序流程圖也能夠很好地識(shí)別并生成相應(yīng)的代碼。文獻(xiàn)7融合圖形化和文本語(yǔ)言兩種編程方式的優(yōu)點(diǎn)，提出流程圖與類(lèi)C語(yǔ)言雙向?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)換方法：一方面通過(guò)遍歷

4、模塊樹(shù)并參照功能模塊封裝的庫(kù)函數(shù)和語(yǔ)句完成流程圖到類(lèi)C語(yǔ)言的轉(zhuǎn)換；另一方面采用XML作為中間代碼完成類(lèi)C語(yǔ)言到流程圖的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)8實(shí)現(xiàn)了程序流程圖的自動(dòng)生成和實(shí)時(shí)修改，提高了程序流程圖的設(shè)計(jì)效率，但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)程序代碼的同步生成。本文結(jié)合上述文獻(xiàn)的研究成果，提出手工草圖機(jī)繪流程圖C語(yǔ)言源程序轉(zhuǎn)換的解決方案，目前已實(shí)現(xiàn)了機(jī)繪流程圖到源程序的雙向轉(zhuǎn)換，即按照“圖元+裝接”模式繪制流程圖，同步生成程序代碼；或通過(guò)本系統(tǒng)生成的源代碼，逆向生成流程圖。2 圖元與代碼元（The graphics primitive and the code primitive）2.1 圖元C語(yǔ)言流程圖有傳統(tǒng)流程圖（FC）、盒

5、圖（N-S）、PAD等。其中傳統(tǒng)流程圖比較直觀、形式化，易于理解。但由于對(duì)流程連接線的使用沒(méi)有嚴(yán)格限制，使流程隨意轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)去，缺少規(guī)律。特別是傳統(tǒng)流程圖繪制后，修改流程圖需要大量移動(dòng)流程連接線，非常煩瑣。為此，我們根據(jù)C語(yǔ)言程序語(yǔ)句基本結(jié)構(gòu)，將基本圖形和連接線組合，定義了六種圖元（圖1）：if圖元、for圖元、while圖元、do-while圖元、switch圖元、基本語(yǔ)句圖元。圖元中菱形為決策圖標(biāo)，矩形為基本語(yǔ)句圖標(biāo)，實(shí)線為普通連接線，虛線為圖元裝接線。根據(jù)程序語(yǔ)句的基本功能，基本語(yǔ)句圖元又分為文件包含、常量定義、變量定義、鍵盤(pán)輸入、屏幕輸出、文件打開(kāi)、文件關(guān)閉、文件輸入、文件輸出、賦值語(yǔ)句，

6、以及其他基本語(yǔ)句（通用語(yǔ)句）等十類(lèi)。2.2 代碼元代碼元是與圖元相對(duì)應(yīng)的程序代碼，分別有if代碼元、for代碼元、while代碼元、do-while代碼元、switch代碼元、基本語(yǔ)句代碼元（表1）。表中的代碼元對(duì)應(yīng)的程序代碼只是其初始狀態(tài)，呈現(xiàn)為程序語(yǔ)句的骨架，只有通過(guò)進(jìn)一步處理之后，才能成為一條完整的程序語(yǔ)句。3 圖元處理與流程圖繪制（Primitive processing and flowchart drawing）3.1 圖元生成（1）定義圖元基類(lèi)圖元基類(lèi)包含圖元必備元素和基本操作。必備元素主要有圖元的坐標(biāo)位置、高度、寬度、圖元文本（含量代碼與注釋）、友元信息、圖元裝接信息、圖元編輯

7、信息等?；静僮饔形恢靡苿?dòng)、大小改變、選擇、取消選擇、插入圖元、刪除圖元、繪制圖元。public class FC_Control /圖元控件基類(lèi)private int x，y； /圖元坐標(biāo)private int width，height； /圖元寬度與高度private int wLeft，wRight；/圖元左寬與右寬private bool selected； /圖元選中標(biāo)識(shí)private int child_brother；/圖元裝接信息/1 為左孩子結(jié)點(diǎn)，2為右孩子結(jié)點(diǎn)，0為兄弟結(jié)點(diǎn)，-1為初始值（無(wú)效）private CODE_Control friendObj；/圖元友元信息pu

8、blic string txtCode=new string11；/圖元文本信息public string txtComment=new string11；/圖元文本信息virtual public void moveTo（int x，int y） /移動(dòng)到新坐標(biāo) X=x；Y=y；virtual public void reSize（） /大小改變操作virtual public FC_Control select（int x，int y） return null； /選擇操作（已知坐標(biāo)位置選擇對(duì)象）virtual public bool select（FC_Control obj） retu

9、rn false； /選擇操作（已知對(duì)象信息，選擇對(duì)象位置）virtual public void escape（） bSelected=false； /取消操作virtual public void draw（） /繪圖操作virtual public void delete（FC_Control obj） /刪除操作virtual public FC_Control insert（int x，int y，F(xiàn)C_Control obj） return null； /插入操作（已知坐標(biāo)位置，插入特定對(duì)象）virtual public void insert（FC_Control insertO

10、bj，F(xiàn)C_Control indexObj，int index） /插入操作（已知對(duì)象信息，插入特定對(duì)象）（2）定義圖元類(lèi)圖元類(lèi)是圖元基類(lèi)的子類(lèi)，它繼承了基類(lèi)的所有屬性和方法，同時(shí)還具有以下兩個(gè)屬性：圖元的孩子對(duì)象集和對(duì)象數(shù)。圖元的孩子對(duì)象包括判斷圖標(biāo)、判斷分支、圖元連接線和圖元裝接線。以while圖元為例，它由1個(gè)判斷圖標(biāo)、2個(gè)判斷分支（Y/N）、2條（5段）圖元連接線和1條圖元裝接線，共計(jì)9個(gè)對(duì)象。下面while圖元類(lèi)屬性定義及其構(gòu)造方法：public class FcWhile ： FC_Control /while圖元類(lèi)public int numOfObject=9； /組成圖元的

11、對(duì)象數(shù)public FC_Control N=new FC_Control9； /組成圖元的對(duì)象集public image；/畫(huà)布public FcWhile（int x，int y，F(xiàn)C_image ）X=x；Y=y；image=FC_image；bool arrow=true；int defaultWidth=50；int defaultHeight=50；N0=new FcJudge（X，Y，F(xiàn)C_image）；/判斷圖標(biāo)N1=new FcJudgeBranch（N0.X，N0.Y+N0.H，F(xiàn)C_image，true，LINEWAY.DOWN）；/判斷Y分支N2=new FcCodin

12、gLine（N1.X，N1.Y+N1.H，LINE_TYPE.CODINGLINE_IN_FUNCTION，F(xiàn)C_image）；/圖元裝接線N3=new FcLine（N2.X，N2.Y+N2.H，LINEWAY.LEFT，！arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；/（左下端）向左連接線N3.W=defaultWidth；N4=new FcLine（N3.X-N3.W，N3.Y，LINEWAY.UP，！arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；/（左邊）向上連接線N4.H=N1.H+N2.H+N0.H/2；N5=ne

13、w FcLine（N4.X，N4.Y-N4.H，LINEWAY.RIGHT，arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；/（左上端）向右?guī)Ъ^連接線N5.W=N3.W-N0.WL；N6=new FcJudgeBranch（N0.X+N0.WR，N0.Y+N0.H/2，F(xiàn)C_image，false，LINEWAY.RIGHT）；/判斷N分支N7=new FcLine（N6.X+N6.W，N6.Y，LINEWAY.DOWN，！arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；/（右邊）向下連接線N7.H=N4.H+defaultHe

14、ight；N8=new FcLine（N7.X，N7.Y+N7.H，LINEWAY.LEFT，arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；/（右下端）帶箭頭連接線N8.W=N6.W+N0.WR；WR=N8.W；WL=N3.W；W=WL+WR；/計(jì)算圖元寬度H=N0.H/2+N7.H；/計(jì)算圖元高度txtCode0=；txtComment0=； （3）生成圖元對(duì)象當(dāng)用戶通過(guò)菜單項(xiàng)或圖標(biāo)工具插入某個(gè)圖元時(shí)，生成該圖元對(duì)象。同樣以while圖元為例，在插入while圖元方法中生成圖元對(duì)象。public void insert_While（int x，int y）i

15、nt X，Y；X=x；Y=y；FcWhile w=new FcWhile（X，Y，F(xiàn)C_image）； /生成while圖元對(duì)象 3.2 圖元裝接圖元裝接是將圖元對(duì)象按指定的坐標(biāo)位置插入到圖元裝接線上。圖2是流程圖的初始畫(huà)面，從開(kāi)始到結(jié)束之間，是由兩條裝接線組成。上端黃色裝接線用于插入帶#的圖元對(duì)象，下端藍(lán)色裝接線用于插入其他圖元對(duì)象。圖元裝接根據(jù)裝接對(duì)象的位置關(guān)系分為順序裝接和嵌入裝接兩類(lèi)：對(duì)于某個(gè)已裝接的圖元對(duì)象A，當(dāng)待裝接的圖元對(duì)象B與圖元對(duì)象處于同一條裝接線，則為順序裝接如圖3（a）所示；當(dāng)圖元對(duì)象B處于圖元對(duì)象A內(nèi)部的裝接線時(shí)，則屬于嵌入裝接如圖3（b）所示。3.3 圖元文本編輯圖元

16、裝接只是決定了了流程圖的流程走向，程序功能則需要通過(guò)圖元文本編輯，確定每個(gè)圖元的具體功能?，F(xiàn)以while圖元為例，說(shuō)明圖元文本編輯的過(guò)程。while圖元的文本編輯，主要是while循環(huán)條件表達(dá)式的編輯。先選中while圖元，然后打開(kāi)該圖元的屬性頁(yè)進(jìn)行相關(guān)的文字編輯，如圖4所示。編輯后的while圖元在左上方添加了條件表達(dá)式，如圖5所示。3.4 示例任務(wù)：輸入兩個(gè)正整數(shù)a、b，求兩個(gè)數(shù)的最大公約數(shù)。算法：定義變量a、b、c為正整數(shù)鍵盤(pán)輸入a和bif （ab） if b0 goto ，否則goto ca除b的余數(shù)；abbcgoto 輸出公約數(shù)a結(jié)束本任務(wù)主要使用一個(gè)if圖元和while圖元和若干基

17、本語(yǔ)句圖元。通過(guò)圖元裝接和圖元編輯后，所繪制的流程圖，如圖6所示。4 代碼程序自動(dòng)生成（The program code beingautomatically generated）與圖元處理相同，代碼元處理同樣有生成、裝接和編輯等操作。由于代碼元與圖元一一對(duì)應(yīng)，圖元處理和代碼元處理同步完成。當(dāng)流程圖繪制完畢時(shí)，對(duì)應(yīng)的源程序也生成完畢，處理過(guò)程如圖7所示。為了確保圖元對(duì)象與代碼元對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，在圖元基類(lèi)和代碼元基類(lèi)中均設(shè)置了一個(gè)友元屬性變量friendObj，分別存儲(chǔ)對(duì)方信息。在圖元基類(lèi)和代碼元基類(lèi)定義的相關(guān)代碼為：public class FC_Control /圖元控件基類(lèi) private

18、CODE_Control friendObj；/圖元友元信息 public class CODE_Control /圖元控件基類(lèi) private FC_Control friendObj；/代碼元友元信息 在圖元和代碼元生成時(shí)，相互記錄對(duì)方的信息，仍以圖元while為例：FcWhile w1=new FcWhile（X，Y，F(xiàn)C_image）；CodeWhile w2=new CodeWhile（0，0，CODE_image）；w1.friend=w2； /friend 是設(shè)置或獲取屬性/變量friendObj值的方法w2.friend=w1；當(dāng)在流程圖中插入圖元對(duì)象w1時(shí)，也在程序代碼中插入

19、代碼元對(duì)象w2，同步完成裝接。由流程圖（圖6）同步生成的程序代碼如圖8所示。5 代碼元識(shí)別與流程圖逆生成（The identification of code primitive and the flowchart being produced reverse from the source program）對(duì)于生成的C語(yǔ)言源程序文件，通過(guò)詞法分析器對(duì)關(guān)鍵詞的識(shí)別，生成相應(yīng)的代碼元對(duì)象，并同步生成圖元對(duì)象。再經(jīng)過(guò)圖元裝接，逆向生成流程圖。由于流程圖文件是圖片格式，一旦形成圖片文件，再轉(zhuǎn)換成圖元對(duì)象，比文本識(shí)別要困難得多。通過(guò)程序代碼文本文件閱讀和識(shí)別，生成代碼元對(duì)象，再通過(guò)代碼元生成圖元對(duì)象，

20、然后接裝為流程圖，方便流程圖的保存和修改。流程圖逆向生過(guò)程如圖9所示。代碼元識(shí)別算法如下：void codeRead（string s）if （s=“if”）FcIf o1=new FcIf（X，Y，F(xiàn)C_image）；CodeIf o2=new CodeIf（0，0，CODE_image）；o1.friend=o2；o2.friend=o1；FC_p.insert（o1）；CODE_p.insert（o2）；elseif（s=“for”） FcFor o1=new FcFor（X，Y，F(xiàn)C_image）；CodeFor o2=new CodeFor（0，0，CODE_image）；o1.fr

21、iend=o2；o2.friend=o1；FC_p.insert（o1）；CODE_p.insert（o2）；elseif（s=“while”）FcWhile o1=new FcWhile （X，Y，F(xiàn)C_image）；CodeWhile o2=new CodeWhile（0，0，CODE_image）；o1.friend=o2；o2.friend=o1；FC_p.insert（o1）；CODE_p.insert（o2）；elseif（s=“do”）FcDowhile o1=new Dowhile （X，Y，F(xiàn)C_image）；CodeDowhile o2=new Dowhile（0，0，CO

22、DE_image）；o1.friend=o2；o2.friend=o1；FC_p.insert（o1）；CODE_p.insert（o2）；elseif（s=“switch”）FcSwitch o1=new FcSwitch （X，Y，F(xiàn)C_image）；CodeSwitch o2=new CodeSwitch（0，0，CODE_image）；o1.friend=o2；o2.friend=o1；FC_p.insert（o1）；CODE_p.insert（o2）；else5 結(jié)論（Conclusion）本文提出了一個(gè)基于圖元裝接的流程圖繪制原型系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖元控件，在繪圖區(qū)域繪制C程序傳統(tǒng)流程圖，并同步生成C語(yǔ)言源程序。所繪制的流程圖以JPG文件格式、源程序以文本格式分別保存到磁盤(pán)。同時(shí)還具有源程序到流程圖逆生成功能，通過(guò)源代碼可以進(jìn)行流程圖二次編輯和修改。今后，我們將完成流程圖手繪草圖的識(shí)別和轉(zhuǎn)換研究，將手工流程圖的圖元，轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)的圖元，裝接后生成機(jī)繪流程圖，再同步生成源程序，提高流程圖的識(shí)別效率。參考文獻(xiàn)（References）1 何驊，諸彬，徐從富.程序流程草圖的存儲(chǔ)表示