第6章.大道于簡(jiǎn)-程序設(shè)計(jì)

第3章安全第一—信息安全第6章大道至簡(jiǎn)——程序設(shè)計(jì)CONTENTS目錄6.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)6.2程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與工具程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)6.1程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和工具程序設(shè)計(jì)方法和實(shí)踐程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言現(xiàn)狀程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與算法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)6.1.1程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言現(xiàn)狀語(yǔ)言人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)、生活中產(chǎn)生的語(yǔ)言，如漢語(yǔ)、英語(yǔ)、法語(yǔ)、德語(yǔ)、日語(yǔ)等。人們?yōu)橥瓿商囟ǖ墓ぷ骰蛉蝿?wù)而自行設(shè)計(jì)開發(fā)的語(yǔ)言，如C、C++、Java、Python等。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言現(xiàn)狀自然語(yǔ)言人工語(yǔ)言編譯型語(yǔ)言解釋型語(yǔ)言結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(SQL)C語(yǔ)言所有的程序編寫之后通過(guò)編譯才能運(yùn)行的稱為編譯型語(yǔ)言。可以編寫一條語(yǔ)句就執(zhí)行一條語(yǔ)句，邊編寫，邊執(zhí)行，而不需要等所有的程序編寫完之后才能執(zhí)行。根據(jù)執(zhí)行的方式不同分類根據(jù)執(zhí)行的方式不同分類開源C語(yǔ)言閉源Java計(jì)算機(jī)識(shí)別第一代的機(jī)器語(yǔ)言計(jì)算機(jī)通過(guò)穿孔紙帶輸入、輸出的，當(dāng)時(shí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)際上就是0和1組成的序列，只有少數(shù)專家才能編寫，調(diào)試也很困難。第二代的機(jī)器語(yǔ)言匯編語(yǔ)言執(zhí)行效率較高，但是與通常的自然語(yǔ)言差距較大，掌握起來(lái)較難。第三代的機(jī)器語(yǔ)言人們發(fā)明了類自然語(yǔ)言的第三代高級(jí)語(yǔ)言，如C、Java等。高級(jí)語(yǔ)言通過(guò)類似自然語(yǔ)言的方式進(jìn)行編寫，得到了廣泛應(yīng)用。程序開發(fā)過(guò)程設(shè)計(jì)算法01編譯和連接04編寫程序源代碼02調(diào)試程序05編輯源程序03運(yùn)行程序06編譯/匯編通過(guò)需求分析、設(shè)計(jì)、編碼、編輯、編譯、連接、運(yùn)行、調(diào)試，類自然語(yǔ)言形式的源程序可逐步轉(zhuǎn)化為匯編碼和機(jī)器碼，最終生成可執(zhí)行的文件，這個(gè)過(guò)程可被稱為編譯、匯編。C語(yǔ)言可執(zhí)行文件.exeJava語(yǔ)言可執(zhí)行文件.class編譯/匯編反之，通過(guò)可執(zhí)行文件，也可以逐步反編譯、反匯編而還原出類自然語(yǔ)言的源程序。6.1.2程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與算法程序開發(fā)過(guò)程數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)算法程序核心應(yīng)用非常廣泛，有固有歧義性，不同情況，不同人理解不同，在專業(yè)場(chǎng)合已不適用。自然語(yǔ)言常用工具，有其繪制規(guī)則與具體的圖標(biāo)，在算法分析方面應(yīng)用較多。流程圖對(duì)傳統(tǒng)流程圖改進(jìn)后提出，呈規(guī)整的盒狀，與傳統(tǒng)意義上的流程圖是等價(jià)的。NS流程圖介于流程圖與具體的程序之間，表述方法很多，可較為方便地轉(zhuǎn)化為具體的程序?qū)崿F(xiàn)。偽代碼終極表現(xiàn)形式，通過(guò)自然語(yǔ)言、流程圖/NS流程圖、偽代碼，算法最終轉(zhuǎn)化為具體的程序。證明正確性，仍然需要通過(guò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行才能得到進(jìn)一步驗(yàn)證。程序0103020504算法表

述方法6.1.2結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)順序選擇循環(huán)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)如果一個(gè)程序的代碼塊僅僅通過(guò)順序、選擇和循環(huán)這3種基本控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，并且每個(gè)代碼塊只有一個(gè)入口和一個(gè)出口，則稱這個(gè)程序是結(jié)構(gòu)化的。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)本質(zhì)上并不是無(wú)GO-TO語(yǔ)句的編程方法，而是一種使程序代碼容易閱讀、容易理解的編程方法。使用前向GO-TO語(yǔ)句(或與之等效的專用語(yǔ)句)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)盡可能少用GO-TO語(yǔ)句的程序設(shè)計(jì)方法。最好僅在檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)才使用GO-TO語(yǔ)句，而且應(yīng)該總是使用前向GO-TO語(yǔ)句。DO-UNTILDO-CASE實(shí)質(zhì)是受限制的前向GO-TO語(yǔ)句，用于轉(zhuǎn)移到循環(huán)結(jié)構(gòu)后面的語(yǔ)句。LEAVE或BREAK結(jié)構(gòu)擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)除上述3種基本控制結(jié)構(gòu)外，還允許使用DO-CASE型多分支結(jié)構(gòu)和DO-UNTIL型循環(huán)結(jié)構(gòu)。修正的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)再允許使用LEAVE(或BREAK)結(jié)構(gòu)。經(jīng)典的結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)只允許使用順序、IF-THEN-ELSE型分支和DO-WHILE型循環(huán)這3種基本控制結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)原則結(jié)構(gòu)化編碼自頂向下逐步細(xì)化模塊化設(shè)計(jì)小結(jié)掌握程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言現(xiàn)狀、程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與算法、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。了解結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的定義與原則。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言與工具6.2C語(yǔ)言開發(fā)工具VCBCTCrextesterCodingGroundCodeChefC語(yǔ)言開發(fā)工具按照現(xiàn)在鍵盤的設(shè)計(jì)，鍵盤最多可以容納128個(gè)鍵。ASCII中字母和數(shù)字的編碼都是連續(xù)的，應(yīng)用較廣。其他的編碼格式還包括GBK、UTF-8、CJK、GB2312、Big-5等，不同的編碼格式區(qū)別較大，在使用時(shí)需要注意。順序

結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)是簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，是按照從上到下的順序依次執(zhí)行。順序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)6.2.1順序結(jié)構(gòu)示例示例對(duì)于三角形來(lái)說(shuō)，求解三角形的面積的公式有很多，由于一個(gè)三角形的面積是確定的，也就是說(shuō)，所有的三角形的面積公式都是等價(jià)的，可以相互轉(zhuǎn)換。對(duì)任何一個(gè)平面三角形ΔABC而言，其頂點(diǎn)A、B、C對(duì)的邊分別記為a、b、c，根據(jù)秦九韶-海倫公式，其面積S可以用如下公式得到：

示例于是，可以用順序結(jié)構(gòu)得到三角形面積的計(jì)算方法，直接輸入三條邊的長(zhǎng)度，得到三角形的面積。圖6.9計(jì)算三角形面積代碼Pleaseinput3sidesoftriangle:3456.000000Pressanykeytocontinue圖6.10計(jì)算三角形面積結(jié)果如果輸入的三條邊長(zhǎng)度不能構(gòu)成三角形，6.2.1目中三角形面積計(jì)算方法失效。如何才能判斷輸入的三條邊是否可以構(gòu)成三角形呢？6.2.2選擇結(jié)構(gòu)示例雙分支三目條件運(yùn)算符多分支選擇結(jié)構(gòu)雙分支if語(yǔ)句；if-else語(yǔ)句；if-else-if語(yǔ)句。三目條件運(yùn)算符條件運(yùn)算符——?:exp1?exp2:exp3多分支switch語(yǔ)句；case；break；default。選擇結(jié)構(gòu)C語(yǔ)言中唯一的三目運(yùn)算符。以求最大值為例假設(shè)輸入4個(gè)數(shù)據(jù)，若要求出4個(gè)數(shù)據(jù)的最大值，需要比較4?1=3次。代碼如圖6.11所示，運(yùn)行結(jié)果如圖6.12所示：Pleaseinput4integernumber:201249549Pressanykeytocontinue圖6.12求最大值結(jié)果圖6.11求最大值代碼輸出4個(gè)整數(shù)的最小值如何實(shí)現(xiàn)？用其他選擇語(yǔ)句如何實(shí)現(xiàn)？6.2.3循環(huán)結(jié)構(gòu)示例循環(huán)結(jié)構(gòu)在選擇結(jié)構(gòu)中，對(duì)n個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，要求出最大值或者最小值，需要比較(n?1)次。比較一次，就需要執(zhí)行一次if語(yǔ)句，如果數(shù)據(jù)量非常大，比如，成千上萬(wàn)，甚至更多，難道需要書寫成千上萬(wàn)條if語(yǔ)句？while語(yǔ)句do-while語(yǔ)句for語(yǔ)句循環(huán)結(jié)構(gòu)while語(yǔ)句while(exp)循環(huán)體語(yǔ)句do-while語(yǔ)句do循環(huán)體語(yǔ)句while(exp)for語(yǔ)句for(exp1;exp2;exp3)循環(huán)體語(yǔ)句循環(huán)結(jié)構(gòu)while語(yǔ)句和for語(yǔ)句都可以歸為當(dāng)型循環(huán)類，而do-while語(yǔ)句則屬于直到型循環(huán)。while語(yǔ)句和for語(yǔ)句是等價(jià)的，二者可以相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)型循環(huán)和直到型循環(huán)的主要區(qū)別當(dāng)型循環(huán)先判斷循環(huán)條件是否成立，再?zèng)Q定是否執(zhí)行；直到型循環(huán)中的循環(huán)體語(yǔ)句至少執(zhí)行一次。當(dāng)型循環(huán)直到循環(huán)直到型循環(huán)先執(zhí)行一次，再判斷循環(huán)條件是否成立。當(dāng)型循環(huán)中的循環(huán)體語(yǔ)句可能一次也不執(zhí)行。以求前100個(gè)正整數(shù)的和為例如果需要求前100個(gè)正整數(shù)的和，完全可以用循環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。我們以while語(yǔ)句為例，代碼如圖6.13所示，運(yùn)行結(jié)果如圖6.14所示：5050Pressanykeytocontinue圖6.13求前100個(gè)正整數(shù)的和結(jié)果圖6.13求前100個(gè)正整數(shù)的和代碼用do-while語(yǔ)句和for語(yǔ)句如何實(shí)現(xiàn)？求前10個(gè)正整數(shù)的階乘如何實(shí)現(xiàn)？01順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)這3種方結(jié)構(gòu)一般不是獨(dú)立的，在具體的程序中，往往同時(shí)采用兩種，甚至3種結(jié)構(gòu)。02選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)可以相互嵌套，也可以自身嵌套。03對(duì)循環(huán)結(jié)構(gòu)的分析是計(jì)算復(fù)雜性分析的重要內(nèi)容。小結(jié)掌握順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)。了解選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法。程序設(shè)計(jì)方法和實(shí)踐6.36.3.1軟件工程軟件工程是指導(dǎo)計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)和維護(hù)的一門工程學(xué)科。采用工程的概念、原理、技術(shù)和方法來(lái)開發(fā)與維護(hù)軟件，把經(jīng)過(guò)時(shí)間考驗(yàn)而證明正確的管理技術(shù)和當(dāng)前能夠得到的較好的技術(shù)、方法結(jié)合起來(lái)，以經(jīng)濟(jì)地開發(fā)出高質(zhì)量的軟件并有效地維護(hù)它。這就是軟件工程。雖然軟件工程的不同定義使用了不同詞句，強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)也有差異，但是，人們普遍認(rèn)為軟件工程具有下述的本質(zhì)特性：軟件工程關(guān)注于大型程序的構(gòu)造；軟件工程的中心課題是控制復(fù)雜性；軟件經(jīng)常變化；開發(fā)軟件的效率非常重要；和諧地合作是開發(fā)軟件的關(guān)鍵；軟件必須有效地支持它的用戶；在軟件工程領(lǐng)域中通常由具有一種文化背景的人替具有另一種文化背景的人創(chuàng)造產(chǎn)品。自從1968年正式提出并使用了“軟件工程”這個(gè)術(shù)語(yǔ)以來(lái)，研究軟件工程的專家學(xué)者們陸續(xù)提出了100多條關(guān)于軟件工程的準(zhǔn)則或“信條”。巴利·玻姆（B.W.Boehm）在1983年的一篇論文中提出了軟件工程的7條基本原理。他認(rèn)為這7條原理是確保軟件產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)效率的原理的最小集合。這7條原理是互相獨(dú)立的，其中任意6條原理的組合都不能代替另一條原理，因此，它們是缺一不可的最小集合。這7條基本原理是：用分階段的生命周期計(jì)劃嚴(yán)格管理、堅(jiān)持進(jìn)行階段評(píng)審、實(shí)行嚴(yán)格的產(chǎn)品控制、采用現(xiàn)代程序設(shè)計(jì)技術(shù)、結(jié)果應(yīng)能清楚地審查、開發(fā)小組的人員應(yīng)該少而精、承認(rèn)不斷改進(jìn)軟件工程實(shí)踐的必要性。軟件工程6.3.2面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化技術(shù)（結(jié)構(gòu)化分析、結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)化實(shí)現(xiàn)）來(lái)完成軟件開發(fā)的各項(xiàng)任務(wù)，并使用適當(dāng)?shù)能浖ぞ呋蜍浖こ汰h(huán)境來(lái)支持結(jié)構(gòu)化技術(shù)的運(yùn)用。這種方法學(xué)把軟件生命周期的全過(guò)程依次劃分為若干個(gè)階段，然后按順序完成每個(gè)階段的任務(wù)。這種程序設(shè)計(jì)方法從對(duì)問(wèn)題的抽象邏輯分析開始，按順序?qū)γ總€(gè)階段進(jìn)行開發(fā)。前一個(gè)階段任務(wù)的完成是開始進(jìn)行后一個(gè)階段工作的前提和基礎(chǔ)，而后一階段任務(wù)的完成通常使前一階段提出的解法更進(jìn)一步具體化，加了更多的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。每一個(gè)階段的開始和結(jié)束都有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)任何兩個(gè)相鄰的階段而言，前一階段的結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)就是后一階段的開始標(biāo)準(zhǔn)。在每一個(gè)階段結(jié)束之前都必須進(jìn)行正式、嚴(yán)格的技術(shù)審查和管理復(fù)審，從技術(shù)和管理兩個(gè)方面對(duì)這個(gè)階段的開發(fā)成果進(jìn)行檢查，通過(guò)之后這個(gè)階段才算結(jié)束；如果沒(méi)通過(guò)檢查，則必須進(jìn)行必要的返工，而且返工后還要再經(jīng)過(guò)審查。審查的一條主要標(biāo)準(zhǔn)就是每個(gè)階段都應(yīng)該交出“最新式的”（即和所開發(fā)的軟件完全一致的）高質(zhì)量的文檔資料，從而保證在軟件開發(fā)工程結(jié)束時(shí)有一個(gè)完整、準(zhǔn)確的軟件配置交付使用。面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)6.3.3面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)（1）把對(duì)象作為融合了數(shù)據(jù)及在數(shù)據(jù)上的操作行為的統(tǒng)一的軟件構(gòu)件。（2）把所有對(duì)象都劃分成類。