Алгоритм и его свойства
Решение задач на компьютере основано на понятии алгоритма. Алгоритм – это точное предписание, определяющее вычислительный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к исходному результату.
Алгоритм означает точное описание некоторого процесса, инструкцию по его выполнению. Разработка алгоритма является сложным и трудоемким процессом. Алгоритмизация – это техника разработки (составления) алгоритма для решения задач на ЭВМ.
Изобразительные средства для описания (представление) алгоритма
Для записи алгоритма решения задачи применяются следующие изобразительные способы их представления:
Словесно- формульное описание
Блок-схема (схема графических символов)
Алгоритмические языки
Операторные схемы
Псевдокод
Для записи алгоритма существует общая методика:
Каждый алгоритм должен иметь имя, которое раскрывает его смысл.
Необходимо обозначить начало и конец алгоритма.
Описать входные и выходные данные.
Указать команды, которые позволяют выполнять определенные действия над выделенными данными
Общий вид алгоритма
Алгоритм:
Название алгоритма
Описание данных
Начало
Команды
Конец
Формульно-словесный способ записи алгоритма характеризуется тем, что описание осуществляется с помощью слов и формул. Содержание последовательности этапов выполнения алгоритмов записывается на естественном профессиональном языке предметной области в произвольной форме.
Графический способ описания алгоритма (блок - схема) получил самое широкое распространение. Для графического описания алгоритмов используются схемы алгоритмов или блочные символы (блоки), которые соединяются между собой линиями связи.
Каждый этап вычислительного процесса представляется геометрическими фигурами (блоками). Они делятся на арифметические или вычислительные (прямоугольник), логические (ромб) и блоки ввода-вывода данных (параллелограмм).
Схемы алгоритмов:
Порядок выполнения этапов указывается стрелками, соединяющими блоки. Геометрические фигуры размещаются сверху вниз и слева на право. Нумерация блоков производится в порядке их размещения в схеме.
Алгоритмические языки - это специальное средство, предназначенное для записи алгоритмов в аналитическом виде. Алгоритмические языки близки к математическим выражениям и к естественным языкам. Каждый алгоритмический язык имеет свой словарь. Алгоритм, записанный на алгоритмическом языке, выполняется по строгим правилам этого конкретного языка.
Операторные схемы алгоритмов. Суть этого способа описания алгоритма заключается в том, что каждый оператор обозначается буквой (например, А – арифметический оператор, Р – логический оператор и т.д.).
Операторы записываются слева направо в последовательности их выполнения, причем, каждый оператор имеет индекс, указывающий порядковый номер оператора. Алгоритм записывается в одну строку в виде последовательности операторов.
Псевдокод – система команд абстрактной машины. Этот способ записи алгоритма с помощью операторов близких к алгоритмическим языкам.
Принципы разработки алгоритмов и программ
Типы алгоритмических процессов
По структуре выполнения алгоритмы и программы делятся на три вида:
Линейные
Ветвящиеся
Циклические
Линейный алгоритм (линейная структура) – это такой алгоритм, в котором все действия выполняются последовательно друг за другом и только один раз. Схема представляет собой последовательность блоков, которые располагаются сверху вниз в порядке их выполнения. Первичные и промежуточные данные не оказывают влияния на направление процесса вычисления.
Алгоритмы разветвляющейся структуры
На практике часто встречаются задачи, в которых в зависимости от первоначальных условий или промежуточных результатов необходимо выполнить вычисления по одним или другим формулам.
Такие задачи можно описать с помощью алгоритмов разветвляющейся структуры. В таких алгоритмах выбор направления продолжения вычисления осуществляется по итогам проверки заданного условия. Ветвящиеся процессы описываются оператором IF (условие).
Циклические вычислительные процессы
Для решения многих задач характерно многократное повторение отдельных участков вычислений. Для решения таких задач применяются алгоритмы циклической структуры (циклические алгоритмы). Цикл – последовательность команд, которая повторяется до тех пор, пока не будет выполнено заданное условие. Циклическое описание многократно повторяемых процессов значительно снижает трудоемкость написания программ.
Существуют две схемы циклических вычислительных процессов.
Особенностью первой схемы является то, что проверка условия выхода из цикла проводится до выполнения тела цикла. В том случае, если условие выхода из цикла выполняется, то тело цикла не выполняется ни разу.
Особенностью второй схемы является то, что цикл выполняется хоты бы один раз, так как первая проверка условия выхода из цикла осуществляется после того, как тело цикла выполнено.
Существуют циклы с известным числом повторений и итерационные циклы. При итерационном цикле выход из тела цикла, как правило, происходит при достижении заданной точности вычисления.
Языки программирования
Языки программирования – это искусственные языки записи алгоритмов для исполнения их на ЭВМ. Программирование (кодирование) - составление программы по заданному алгоритму.
Классификация языков программирования. В общем, языки программирования делятся на две группы: операторные и функциональные. К функциональным относятся ЛИСП, ПРОЛОГ и т.д.
Операторные языки делятся на процедурные и непроцедурные (Smalltalk, QBE). Процедурные делятся на машино - ориентированные и машино – независимые.
К машино – ориентированным языкам относятся: машинные языки, автокоды, языки символического кодирования, ассемблеры.
К машино – независимым языкам относятся:
Процедурно – ориентированные (Паскаль, Фортран и др.)
Проблемно – ориентированные (ЛИСП и др.)
Объектно-ориентированные (Си++, Visual Basic, Java и др.)
Средства и правила построения блок-схем
Блок-схема является формой представления алгоритма с помощью графических символов. Графические символы, их размеры, а также правила построения блок-схем определены государственными стандартами. Рассмотрим часто употребляемые графические символы (полный список включает 42 символа).
Процесс. Выполнение операции или группы операций, в результате чего изменяется значение, форма представления или расположения данных.
Внутри символа или же в виде комментария на естественном языке или в виде формулы записываются действия, которые производятся при выполнении операции или группы операций.
Решение. Выбор направления выполнения алгоритма или программы в зависимости от некоторых переменных условий.
Символ используется для изображения унифицированных структур:
РАЗВИЛКА ПОЛНАЯ
РАЗВИЛКА НЕПОЛНАЯ
ВЫБОР
ЦИКЛ-ДО
ЦИКЛ-ПОКА
Модификация. Выполнение операций, меняющих команды или группу команд, изменяющих программу.
Символ используется для изображения унифицированной структуры ЦИКЛ С ПАРАМЕТРОМ. Внутри символа записывается параметр цикла с указанием начального и конечного значений, а также шаг изменения цикла, если он не равен единице.
Предопределенный процесс. Использование ранее созданных и отдельно описанных алгоритмов или программ (процедур, функций, программных модулей).Символ служит для указания обращения к процедурам, функциям, программным модулям.
Ручной ввод. Ввод данных оператором в процесс обработки при помощи устройства, непосредственно сопряженного с компьютером (например, клавиатура).
Дисплей. Ввод - вывод данных в случае, если непосредственно подключенное к процессору устройство воспроизводит данные и позволяет оператору вносить изменения в процессе их обработки.
Документ. Ввод - вывод данных, носителем которых служит бумага.
Линия потока. Указание последовательности связей между символами.
Перечислим некоторые правила изображения линий потока:
1) линии потока должны быть параллельны линиям внешней рамки блок-схемы (границам листа, на котором изображена блок-схема);
2) направление линии потока сверху вниз и слева направо принимается за основное и стрелками не обозначается, в остальных случаях направление линии потока обозначается стрелками;
3) изменение направления линии потока производится под углом 90 градусов.
Соединитель. Указание связи между прерванными линиями потока, связывающими символы. Если блок-схема состоит из нескольких частей, расположенных на одной странице, то линия потока одной части заканчивается символом СОЕДИНИТЕЛЬ, а линия потока на продолжении блок-схемы начинается с этого же символа. Внутри символов СОЕДИНИТЕЛЬ ставятся одинаковые порядковые номера, соответствующие разорванной линии потока.
Межстраничный соединитель. Указание связи между разъединенными частями схем алгоритмов и программ, расположенных на разных листах.
Данный символ служит для тех же целей, что и соединитель, но при расположении частей блок-схемы на разных страницах.
Пуск - останов. Начало, конец, прерывание процесса обработки данных или выполнения программы.
Комментарий. Связь между элементами схемы и пояснениями.
Позволяет включать в блок-схему пояснения, формулы и другую информацию.
Размеры символов должны удовлетворять соотношению b = 1.5a (a и b указаны на рис. 1). На этом же рисунке показан пример использования символа КОММЕНТАРИЙ.
Рис. 1. Фрагмент блок-схемы
Каждому символу на блок-схеме присваивается порядковый номер. Для примера на рис. 1 символу ПРОЦЕСС присвоен порядковый номер 4.
Блок-схемы - это та часть документации к программе, которая почти всегда имеется в избытке. Между тем многие программы вообще не нуждаются в блок-схемах и лишь очень немногие из них требуют больше одного листа таковых.
Блок-схемы показывают структуру ветвления программы только в одном ее аспекте. Но даже эта структура видна достаточно четко, только если вся блок-схема помещается на одной странице, и о ней очень трудно получить хорошее представление, если блок-схема располагается на нескольких листах, связанных вместе нумерованными стрелками.
Блок-схема, помещающаяся на одной странице, для большой программы по существу превращается в общий план программы, перечень ее основных этапов или блоков, и, как таковая, она очень удобна. На рис. 15.1 показан такой граф подчиненности подпрограмм.
Конечно, такой граф и не следует стандартам блок-схем, и не нуждается в них. Все эти правила относительно вида элементов, стрелок, порядка нумерации и т. д. нужны только для того, чтобы можно было понять подробные блок-схемы.
Рис.15.1. Пример структуры программы
Подробные блок-схемы, однако, устарели; они только мешают, и в лучшем случае пригодны для обучения новичков, еще не умеющих алгоритмически мыслить. В свое время предложенные Голдстайном и Нейманом маленькие квадратики на блок-схемах вместе со своим содержанием выступали в качестве языков высокого уровня, объединяя абсолютно непонятные операторы машинного языка в группы, имеющие определенный смысл. Как давно уже указал Айверсон2, в систематическом языке высокого уровня такая группировка уже осуществлена, так что каждый квадратик просто соответствует оператору (рис. 15.2). Тогда сами квадратики превращаются в случайное и ненужное упражнение по рисованию, и от них можно отказаться. Но теперь не остается ничего, кроме стрелок. Стрелки, соединяющие оператор со следующим за ним, не нужны, сотрем их. Остаются только операторы перехода. Но если следовать хорошей практике, а использовать блочные структуры для минимизации числа операторов перехода, то останется совсем/немного стрелок, вот они-то очень сильно облегчают понимание. Эти стрелки можно перенести прямо ни распечатку программы и совсем избавиться от блок-схемы.
В действительности блок-схемы гораздо больше превозносятся, чем используются на практике. Я никогда не видел, чтобы опытный программист чертил блок-схемы, прежде чем написать программу. Когда стандарты организации требуют блок-схем, то почти неизменно они рисуются после. Многие программистские организации с гордостью пользуются специальными программами для построения "этого незаменимого инструмента программиста" по готовой машинной программе. Я не считаю этот универсальный опыт прискорбным проявлением дурного топа, признание в котором сопровождается нервным смехом. Напротив, это свидетельство здравого смысла, урок, проливающий свет на истинную пользу блок-схем.