Алгоритмизация и программирование. Учебное пособие для студентов направления подготовки 09.03.02 Информационные системы и технологии

хожих задач, различающихся исходными данными.

Заметим, что правило, сформулированное для единичного случая, не является алгоритмом.

Пример. Таблица производных не является алгоритмом, а правило нахождения производной произведения функций – это алгоритм!

5. Эффективность – качество алгоритма, которое позволяет решить задачу за минимальное число шагов и с минимальными затратами других ресурсов (время, объём памяти компьютера).

К основным структурам алгоритма относят:

Рис. 1 Линейный алгоритм

Разветвляющиеся (альтернативные) – описывают вычислительный процесс, реализация которого происходит по одному из нескольких возможных направлений (ветвей) решения задачи в зависимости от выполнения логических условий (например, рис. 2).

11

Рис. 6 Циклический алгоритм

§ 3. Этапы решения задачи.

Решение любой задачи и построение алгоритма её решения предусматривает выполнения нескольких этапов:

1)постановка задачи;

2)построение модели;

3)разработка алгоритма, проверка его корректности;

4)реализация алгоритма;

5)анализ алгоритма и его сложности;

6)отладка программы, устранение возможных ошибок;

7)получение результата.

Этапы постановки задачи и построения модели существенно влияют на остальной процесс решения. Сложные вопросы требуют творческого подхода в построении математической модели. При работе с типовыми задачами используют уже известные модели и ранее полученный опыт при решении подобных примеров.

Для проверки правильности алгоритма его прогоняют на ранних тестах. Однако, этого недостаточно для полного доказательства правильности. Необходимо убедиться в конечности алгоритма, при этом проверить все подходящие входные данные и получить все подходящие выходные.

Отметим, что правильность алгоритма ещё не гарантирует его эффективность!

13

Глава 2. ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ЯЗЫКА

§ 1. Алгоритм, язык программирования, программа.

Как мы выяснили ранее, процесс программирования начинается с составления алгоритма решения поставленной задачи. При этом ключевым в алгоритмизации является разбиение задачи на мелкие подзадачи. Для решения каждой подзадачи в алгоритме указывается последовательность элементарных шагов, выполнение которых приведет к заданной цели.

Существует несколько методов разработки алгоритмов:

разбиение данных – разделение структуры данных на части;

разложение задачи в последовательность подзадач;

рекурсия – сведение задачи к самой себе;

метод последовательных приближений – определенная последовательность приближений, которая приводит к решению;

решение обратной задачи;

метод полного перебора – проверка некоторого подмножества исходных данных на выполнение поставленного условия;

эвристические методы – правдоподобные правила и критерии, правильность которых строго не доказывается, но имеет положительные результаты при использовании;

динамическое программирование – процесс пошагового решения задачи, когда на каждом шаге выбирается одно значение из множества допустимых, оптими-

зирующее заданную цель.

Когда алгоритм составлен и пройдена проверка его корректности, переходим к следующему важному этапу решения задачи. Необходимо записать на одном из языков программирования текст программы, которая полностью и детально описывает алгоритм.

Напомним, что программа – это последовательность команд, которые помещаются в памяти вычислительной машины и выполняются процессором в определенном порядке.

Далее текст программы переводится в машинный код при помощи специального технического средства, которое называют транслятором. Чтобы проверить, правильно ли работает алгоритм и программа, проводится тестирование при определенных наборах исходных данных. Если после тестирования в программе выявлены ошибки, происходит процесс их устранения, называемый отладкой.

Для записи текста программы используют язык программирования – определенный

15

грамму (на объектном языке программирования), в частном случае – машинный код. К трансляторам относятся системные программы-компиляторы и программы-интерпретаторы.

Компилятор переводит текст программы с одного языка на другой – с исходного на машинный. При компиляции происходит синтаксический контроль и выдается сообщение об ошибках.

Интерпретатор выполняет команды языка, указанные в тексте программы. В течение всего времени своей работы интерпретатор находится в оперативной памяти компьютера вместе с исходным текстом программы. Интерпретатор считывает первый оператор в тексте программы, транслирует его в машинный код, после чего команда выполняется. При отсутствии ошибок интерпретатор переходит к следующему оператору. Таким образом, набор символов в тексте интерпретатор превращает в работающую программу, выступая в роли вычислительной машины.

Отличие этих трансляторов в том, что в компиляторе трансляция отделена от выполнения программ, а в интерпретаторе – нет разделения этих двух процессов, они происходят одновременно, параллельно.

В результате обработки исходного кода компилятором получают объектный модуль, имеющий расширение *.obj. Даже при устранении всех ошибок откомпилированный текст – это ещё не окончательный вариант программы, он не готов к выполнению. Необходимо установить внутренние связи в программе, присоединить другие независимо транслируемые модули (например, модули стандартных библиотек).

Компоновщик (или редактор связей) создает исполняемый (загрузочный) модуль программы с расширением *.exe, редактируя связи нескольких объектных модулей. Этот программный модуль уже пригоден для выполнения.

При решении типовых задач используют библиотеку стандартных программ, которая включает в себя часто используемые подпрограммы, оформленные по единым правилам.

Автоматизацией и проверкой правильности программного кода занимается специальная программа – отладчик. Он облегчает процесс поиска ошибок, контролирует ход выполнения программы, организует пошаговый режим, позволяя прерывать работу в конкретных точках после выполнения каждой команды.

Реализация практически любого современного языка программирования представляет собой среду разработки, включающую:

1)компилятор (или интерпретатор);

2)отладчик;

3)встроенный текстовый редактор;

4)специальные средства для просмотра структуры программы;

17

тера и учитывает его особенности. Операторы такого языка близки к машинному коду. Языки низкого уровня называют машинно-ориентированными.

Первым этапом развития языков программирования является появление языка Assembler. Он кодирует каждую машинную команду символьным условным обозначением, называемым мнемоникой. Одна команда ассемблера может представлять собой не одну машинную команду, а целую последовательность. Каждой конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассемблера. Такой язык применяют для написания небольших системных приложений и драйверов устройств.

Языки программирования высокого уровня больше понятны человеку, чем компьютеру. В таких языках особенности конкретных компьютерных архитектур не учитываются. Языки высокого уровня называют проблемно-ориентированными.

В1954 г. группой разработчиков был создан первый язык программирования высокого уровня – Fortran (от сокращения словосочетания Formula Translator). Он был задуман как язык для программирования математических и инженерно-технических расчетов.

Преимущества языков программирования высокого уровня были настолько очевидны, что разработчики создали и другие языки, более совершенные.

В1960 г. был создан язык программирования Cobol (от сокращения Common Business-Oriented Language). Он задумывался как язык для создания коммерческих предложений, эффективно работающий с большими массивами данных.

В1963 г. появился язык программирования Basic (аббревиатура выражения Beginners' All-Purpose Symbolic Instruction Code). Он являлся средством первоначального обучения программированию для многих поколений. Современный аналог данного языка – Microsoft-

Visual Basic.

В1960 г. был создан язык программирования Algol (сокращение от Algorithmic Language), который дал начало целому семейству языков.

Одним из ярких представителей алголоподобных языков является Pascal, созданный в 1970 г. и названный в честь Блеза Паскаля. Его главная особенность – это первый широко распространенный язык для структурного программирования.

В1972 г. возник язык программирования C. Назван он так, потому что стал третьей и удачной версией, а первые две назывались соответственно – A и B. Язык C создавался как язык для разработки операционной системы Unix. В 1986 г. появилась первая версия языка C++, которая была добавлением в язык C объектно-ориентированных черт. Язык C++ стал основой для разработки современных больших и сложных проектов.

В1995 г. был создан язык Java, названный по марке кофе, унаследовавший синтаксис языков C и C++.

19