Основы программирования. Борисенко

УДК 004.4(075.8)

ББК 32.973.26-018я73

Б-82

МБорисенко В.В.

Основы программирования : [учеб. пособие] / В. В. Борисенко; Интернет ун - т информ. технологий. - М. : Интернет - ун-т информ. технологий, 2005. - 328 с. - (Основы информатики и математики). - ISBN 5-9556-0039-6.

Книга предназначена для обучения основам программирования. Рассматривают­ ся основные понятия программирования - алгоритма, исполнителя, алгоритмиче­ ского языка, переменной, основные типы данных, управляющие конструкции ал­ горитмического языка и т.п. Излагаются общие приемы программирования, осно¬ ванные на применении математики, такие, как вычисление функций на последо¬ вательностях с помощью применения теории индуктивных функций и схема по­ строения цикла с помощью инварианта.

Рассматриваются общие принципы устройства и работы компьютера, типичные команды и регистры процессора, методы адресации, способы вызова функций и передачи параметров и т.п. Приводятся примеры записи программ как на вирту­ альном Ассемблере RTL, так и на Ассемблере процессора Intel 80386. Кратко рас­ смотрены аппаратные средства поддержки многозадачности.

Значительная часть книги посвящена основам языка Си. Помимо основ языка, в ней приведено много примеров реализации алгоритмов на Си, таких как вычисле­ ние корня функции, приведение матрицы к ступенчатому виду методом Гаусса, ра¬ бота с файлами и текстами и т.п.

Заключительная глава посвящена структурам данных и их реализациям. Рассмат­ риваются структуры последовательного и прямого доступа, такие как стек, оче­ редь, список, дерево, множество и нагруженное множество, а также их непрерыв­ ные и ссылочные реализации. Значительное место уделено реализациям множеста с помощью бинарного поиска, на базе сбалансированнных деревьев и с помо­ щью хеш-функции.

Книга полезна студентам и преподавателям ВУЗов.

ISBN 5-9556-0039-6

©Текст В.В. Борисенко, 2005

©Оформление Интернет-университет информационных технологий, 2005

ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ И МАТЕМАТИКИ

Серия издается совместно

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫМ УНИВЕРСИТЕТОМ имени М.В.Ломоносова

и

И н т е р н е т - У н и в е р с и т е т о м И н ф о р м а ц и о н н ы х Т е х н о л о г и й

при поддержке корпорации Microsoft

Главный редактор серии: A. В. Михалев

Редакционная коллегия: В.В. Борисенко

B.С. Л ю ц а р е в

И.В. Машечкин A. А . Михалев Е.В. Панкратьев

А. М . Ч е п о в с к и й B. Г. Ч и р с к и й А . В . Ш к р е д

Информация о серии

Серия учебных пособий по информатике и ее математическим осно­ вам открыта в 2005 г. с целью современного изложения широкого спектра направлений информатики на базе соответствующих разделов математи­ ческих курсов, а также примыкающих вопросов, связанных с информаци­ онными технологиями.

Особое внимание предполагается уделять возможности использовать материалы публикуемых пособий в преподавании информатики и ее мате¬ матических основ для непрофильных специальностей. Редакционная кол­ легия также надеется представить вниманию читателей широкую гамму практикумов по информатике и ее математическим основам, реализую¬ щих основные алгоритмы и идеи теоретической информатики.

Выпуск серии начат при поддержке корпорации Microsoft в рамках междисциплинарного научного проекта МГУ имени М.В. Ломоносова.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основой книги является курс программирования, который на протя­ жении многих лет читается на механико-математическом факультете МГУ. Главные идеи курса принадлежат А. Г. Кушниренко и Г. В. Лебедеву, они со­ держатся в книге [3]. Особенность курса заключается в том, что не прида­ ется большого значения изучению конкретных языков программирования

— скорее, он посвящен общим принципам программирования, следовать которым можно, работая в любой языковой среде. Основным понятием курса является понятие исполнителя, которое соответствует понятию клас­ са в объектно-ориентированных языках. Большое внимание уделяется ме­ тодам разработки объемных проектов, в частности, реализации исполните­ ля на основе нижестоящих «базовых» исполнителей и технологии «сверху вниз». Поскольку курс предназначен студентам-математикам, в нем после­ довательно применяется математический подход к программированию. Например, рассматривается схема вычисления функций на последователь­ ностях (таких как вычисление суммы или максимума последовательности, вычисление значения многочлена в заданной точке по последовательности его коэффициентов и т.п.), основанная на применении теории индуктив­ ных функций и индуктивных расширений. Излагаются простейшие спосо¬ бы доказательства правильности программ по их тексту. Наиболее важны¬ ми из них является явная формулировка утверждений в различных точках программы и схема построения цикла «пока» с помощью инварианта. Зна­ чительная часть курса посвящена структурам данных и их реализациям. Те­ оретический материал курса иллюстрируется практическими проектами небольшого объема (не более тысячи строк), такими как стековый кальку­ лятор, текстовый редактор, простейший компилятор и др.

Вместе с тем данная книга не предназначена исключительно студен¬ там-математикам, поэтому ее материал несколько упрощен по сравнению с курсом программирования мехмата и более направлен в сторону практи­ ческого программирования. Больше внимания уделено понятию алгорит­ ма и алгоритмического языка, представлению копьютерных целых чисел как элементов кольца вычетов, логическим выражениям, что частично дуб¬ лирует начальные математические курсы.

Значительная часть книги посвящена изложению основ языка Си. Традиционно на механико-мататематическом факультете изучению кон¬ кретных языков уделяется мало внимания, считается, что большинство студентов способно самостоятельно прочитать учебник по языку Си и

C++. Тем не менее практика показывает, что даже у сильных студентов ос¬ таются пробелы в знании языка и умении применять его в конкретных за­ дачах. Проблемой является и содержание многих учебников по Си: зачас­ тую они предлагают не самые правильные решения (такие как реализация матрицы с помощью массива указателей), и даже содержат примеры, напи¬ санные, с точки зрения автора этой книги, в дурном стиле (например, за­ головок функции main не содержит типа возвращаемого значения, что на самом деле неявно подразумевает тип i n t , а тело функции main не возвра­ щает никакого значения). Для изучения Си и C++ можно порекомендо­ вать лишь книги [6] и [8]. Но даже великолепная книга [6] написана уже очень давно, и многолетняя практика использования Си требует некото­ рых «стилевых» коррекций. Все это явилось причиной включения в дан­ ную книгу главы, посвященной основам Си, в которой автор попытался передать свой опыт программирования на языках Си и C++.

Заключительная глава книги посвящена структурам данных - тради­ ционной для учебников по программированию теме. Рассматриваются структуры данных последовательного и прямого доступа — стек, очередь, список, дерево, множество и нагруженное множество. Подчеркивается разница между абстрактным описанием структуры данных и ее реализаци¬ ями. (Так, для очереди возможны как непрерывная реализация на базе «ци­ клического» массива, так и ссылочная реализация.) Приводятся основные способы непрерывных и ссылочных реализаций структур данных. Значи¬ тельное внимание уделяется различным реализациям множества: с помо¬ щью бинарного поиска, на базе сбалансированных деревьев (рассматрива¬ ются A V L и красно-черные деревья) и с помощью хеш-функции.

Автор надеется, что книга принесет пользу как студентам-математи¬ кам, так и студентам непрофильных специальностей.

ОБ АВТОРЕ

Владимир Витальевич Борисенко,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ла¬ боратории вычислительных методов при кафедре вычислительной мате¬ матики механико-математического факультета МГУ, автор и соавтор бо¬ лее 20 работ по алгебре, компьютерной алгебре и информатике, включая одну монографию по алгебре и школьные учебники информатики. На протяжении многих лет читал лекции по программированию на механи¬ ко-математическом факультете МГУ. Имеет большой опыт системного и прикладного программирования, включая иммитационное моделирова­ ние, разработку сетевых драйверов, разработку компиляторов, компью¬ терную графику и компьютерную томографию.

Оглавление

1.5.1.Вычисление функций на последовательностях . 34

2.3.1.Команды вызова подпрограммы call и возврата

2.3.2.Аппаратный стек и локальные переменные

2.4.1.Примеры программ на R T L и Ассемблере Intel

2.4.2.Задачи по теме «Программирование на

3.4.4.Операции «увеличить на», «домножить на» и

3.5.4.Пример: решение квадратного уравнения . . . . 141

3.5.6.Пример: вычисление квадратного корня

3.5.7.Выход из цикла break, переход на конец цикла

3.6.2.Пример: вычисление наибольшего общего

3.6.4.Пример: расширенный алгоритм Евклида . . . . 163

3.7.4.Пример: печать n первых простых чисел . . . . 172

3.8.3.Структуры и оператор определения типа typedef 183

3.9.1.Представление матриц и многомерных массивов 185

3.9.2.Пример: приведение матрицы к ступенчатому

3.9.6.Задачи по теме «Технология программирования

x

4.6.1.Реализации множества: последовательный и

4.6.3.Реализации множества на базе деревьев . . . . 297