第4章 程序设计和软件开发

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4.2.2 数据的处理----算法

算法是进行程序设计的另一不可缺少的要素。

算法是指为在有限步骤内解决一个具体问题 而规定的意义明确的解题步骤的有限集合。 一个正确的算法应能对苛刻且带有刁难性 的输入数据也能给出正确的结果，并且对不正 确的输入也能做出正确的反映。
图4-4图状结构示意图
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3、图状结构#
对于图状数据组织，可以通过线性复合的方式在计 算机中表达，先将所有点构成一个线性关系，然后再对 每个点，将与其相连的所有点构成一个线性关系。 数据结构的操作是和数据结构本身密不可分的，两 者作为一个整体可用抽象数据类型进行描述。抽象数据 类型是一个数学模型以及定义在该模型上的一组操作， 因此它和高级程序设计语言中的数据类型具有相同的含 义，而抽象数据类型的范畴更广，它不局限性于现有程 序设计语言中已经实现的数据类型，但抽象数据类型需 要借用固有数据表示并实现。 抽象数据类型的三大要素为：数据对象、数据关系 和基本操作。 同时数据抽象和数据封装是抽象数据类 型的两个重要特性。
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4.流程描述
程序本身就是规定操作的流程，文字性的流程描述比较抽象，难以理解。 在程序设计过程中流程通常采用流程图来表示。程序流程图是人们对解决问题 的方法、思路或算法的一种描述，图4-1是已知三角形三边求面积的流程图和 程序界面。
图4-1 流程图和程序示意图
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4.2.2 数据的处理----算法
算法具有：时间复杂度和空间复杂度



时间复杂度是比较不同算法效率的一种准则，算法时间 复杂度的估算基于算法中基本操作的重复执行次数，或 处于最深层循环内的语句的频度。 算法空间复杂度是算法所需存储量的一种量度，它主要 取决于算法的输入量和辅助变量所占空间。（若算法的 输入仅取决于问题本身而和算法无关，则算法空间复杂 度的估算只需考察算法中所用辅助变量所占空间，若算 法的空间复杂度为常量级，则称该算法为原地工作的算 法。） 算法的本质就是解决程序在分配时间和空间上的矛盾。
图4-2 链式存储结构
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1．线性数据#
线性数据组织方式主要是以线性表的形式出现在程序 中，其数据结构包括：顺序表、链表、栈、队列、串、数组 和矩阵等。 线性数据组织方式在计算机中的具体实现通常有两种方法： 连续方式和非连续方式． 连续方式是指将这批数据存放到计算机内部存储器中的 某个连续的区域，数据名表示这个连续区域，根据编号可以 计算出该编号对应的那个数据所存放的具体区域． 非连续方式指的是将这批数据分散存放到计算机内部存 储器中，每个数据存放一个位置，通常这些位置是不连续 的．但是为了保持数据在逻辑上的线性关系，必须为这些不 连续的位置建立联系。
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5．调试与运行Fra Baidu bibliotek
程序的动态调试就是上机运行调试，它贯穿在编 译、连接和运行的整个过程中。 根据程序编译、连接和运行时计算机给出的错误 信息进行程序调试，这是程序调试中最常用的方法， 也是最初步的动态调试。在此基础上，还可以对程序 运用“分段隔离”、“设置断点”、“跟踪打印”调 试手段。 编写程序使用程序设计语言，它是人与计算机交流 的一种媒介。 常用的程序设计方法有结构化程序设计和面向对象 程序设计。两者只不过是对概念和逻辑进行表达的方 式不同，实现目的是一致的。
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图4-3树型结构示意图
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3、图状结构#

图状结构是一种比树形结构 更复杂的非线性结构。在树状结 构中，结点间具有分支层次关系， 每一层上的结点只能和上一层中 的至多一个结点相关，但可能和 下一层的多个结点相关。而在图 状结构中，任意两个结点之间都 可能相关，即结点之间的邻接关 系可以是任意的。因此，图状结 构被用于描述各种复杂的数据对 象，在自然科学、社会科学和人 文科学等许多领域有着非常广泛 的应用。
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4.2

程序构造的基本方法

数据元素有两类：一类是不可分割的“原子”型数据元素，如：整数5， 字符N 等；另一类是由多个款项构成的数据元素，其中每个款项被称 为一个“数据项”。 例如描述一个学生信息的数据元素可由下列6个数据项组成。其中的出 身日期又可以由三个数据项：“年”、“月”和“日”组成，则称 “出身日期”为“组合项”，而其它不可分割的数据项为“原子项”。
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5．调试与运行
对于一个复杂的程序错误是难免的，所有成熟使用 的程序都必须经过反复的调试、修改和试用。因此， 程序调试是程序设计过程中的重要环节。 调试程序的目的是验证程序的正确性。 程序调试主要有两种方法：静态调试和动态调试。 程序的静态调试是在程序编写完以后，由人工“模 拟”计算机，对程序进行仔细检查，主要检查程序中 的语法规则和逻辑结构的正确性。实践表明，有很大 一部分错误可以通过静态检查来发现。通过静态调试， 可以大大缩短上机调试的时间，提高上机的效率。
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4.2
程序构造的基本方法
程序构造的基本方法是：数据组织+数据处理。 数据组织是为程序提供素材，在计算机中这些素材是通 过数据结构来描述的；数据处理是如何把这些素材进行加 工处理，得出计算结果，数据处理是通过算法来描述的。 在介绍数据结构和算法之前，首先介绍数据的概念： 数据：是所有能被输入到计算机中，且能被计算机处 理的符号（数字、字符等）的集合。 数据是计算机操作对象的总称，是计算机处理信息的各 种特定的符号集合，集合中的个体称为数据元素。 数据元素：是数据(集合)中的一个“个体”，在计算机 中通常作为一个整体进行考虑和处理，是数据结构中讨论 的“基本单位”。
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4.1程序和程序设计
1．问题分析 问题分析是进行程序设计的基础。根据所要解决问题的性质和类 型，最基本的分析内容主要有以下几个方面。 （1）. 问题的性质 人们所要解决的问题是各种各样的，而对于不同性质的问题，所 用的方法、工具以及输入输出的形式一般也是不同的。 （2）. 数据的输入/输出： 数据处理是计算机应用最广泛的领域。在用计算机解决问题时， 一般总要有一些输入数据，计算的结果也要以某种方式进行输出。 因此，在进行程序设计的过程中，需要考虑对输入/输出数据的处理。 （3）. 数学模型或常用的方法 对于数值型问题，一般要考虑数学模型的设计，或者要对常用的 一些方法进行分析和比较，从而根据问题的性质选择一种合理的方 案。对于非数值型的问题，通常也需要从众多的方案中选择一种合 适的方法。
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第4章 程序设计和软件开发
4.1 程序和程序设计 4.2 程序构造的基本方法 4.3 程序设计的基本结构 4.4 软件和软件工程 4.5 软件开发两大体系结构
“十一五”国家级规划教材
第4章 程序设计和软件开发
4.1程序和程序设计
程序是人与计算机交流信息的基本方式，人们 通过程序指挥计算机的活动。那么描述（编制）计 算机程序的工作就称为程序设计或编程。 由于计算机的本质特征，从它诞生之初就有了 程序设计工作。 对于初学计算机的人来说，往往把程序设计理 解为简单地编制一个程序。实际上，程序设计包括 多方面的内容，而编制程序只是其中的一个方面。
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数据结构的形式定义：
Data_Structure = {D, R} 其中，D为数据元素的有限集，R是所有数据元素之间的关系 的有限集合。 数据结构在计算机中的表示称为物理结构或者称为存储结构。 数据的存储结构是数据逻辑结构在计算机中的映像，（由关系的 两种映像方法可得到）两类主要的存储结构： 一类是顺序存储结构，它以数据元素相对的存储位置表示关 系，则存储结构中只包含数据元素本身的信息； 另一类是链式存储结构，它以附加的指针信息（后继元素的 存储地址）表示关系。另外，索引存储结构和散列存储结构也常 用于计算机中。
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4.1程序和程序设计
我们可以将程序设计用如下公式来进行描述： 程序设计＝算法＋数据结构＋方法+工具 在整个程序设计的过程中，要涉及到算法的设计、 数据结构的设计、方法的设计和设计工具的选择等等。 从这个公式出发，程序设计的过程可以分为以下五个 基本步骤： 1．问题分析 2．结构特性设计 3．算法设计 4. 流程描述 5．调试与运行。
姓名 学号 性别 班号 出生日期
入学成绩
年月日
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4.2.1 数据的组织——数据结构
数据结构是研究数据元素之间抽象化的相互 关系和这种关系在计算机中的存贮表示，并对每 种结构定义各自的运算，设计出相应的算法，而 且经过运算后所得的新结构一般仍然是原来的结 构类型。 数据结构包括逻辑结构、存储结构（物理结 构）和数据的运算。 数据的逻辑结构是对数据之间关系的描述， 有时就把逻辑结构简称为数据结构。(go20)
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数据结构由若干特性相同的数据元素构成，数据元素之 间存在一种或多种关系。 由关系不同可将数据结构分为四类：集合结构、线性结 构、树形结构、图状结构（或网状结构），如表4-1。 其中树形结构和图状结构称之为非线性结构。 集合结构中的数据元素除了同属于一种类型外，别无其 它关系。 线性结构中元素之间存在一对一关系，树形结构中元素 之间存在一对多关系，图形结构中元素之间存在多对多关 系。在图形结构中每个结点的前驱结点数和后续结点数可 以任意多个。
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2、树型结构#
树型结构又称为层次数据组织 形式，它通常用来处理具有严格的 上下级关系的数据，如一个单位的 行政机构、家谱图等。对这样的数 据，线性根本无法表示，只能借助 于树型结构。树型结构的数据组织 方式有明显的递归性质，因此以树 型结构方式组织的数据，基本使用 递归方法处理。图4-3是树型结构 示意图。对于树型结构数据，可以 通过线性复合的方式在计算机中表 达。从树根开始到每个叶子节点的 一条路径上的所有点构成一个线性 关系，整个树型结构是多个线性关 系的叠加。
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4.2.2 数据的处理----算法



一个完整的算法应该具有以下5个要素： 可行性、确定性、有穷性、有输入和有输出。 （１）可行性 算法的可行性包括两个方面；一是算法中的每一 个步骤必须是能实现的。例如，在算法中，不允许出 现分母为零的情况，在实数范围内不能求一个负数的 平方根等；二是算法执行的结果要能达到预期的目的。 （2）确定性 算法的确定性是指算法中的每一个步骤都必须有 明确的定义，不允许有模棱两可的解释，也不允许有 多义性。

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4.1程序和程序设计

3．算法设计 算法是指为在有限步骤内解决一个具体问题 而规定的意义明确的解题步骤的有限集合。 概括地说，算法是指解题方案的准确而完整 的描述。 从程序来说，也可以说算法是一个有限条指 令的集合，这些指令确定了解决某一特定类型 问题的运算序列。

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4.1程序和程序设计
2．结构特性设计 结构特性设计的好坏，将直接影响整个程序的设计效率 和执行效率。结构特性的设计主要包括控制结构和数据结 构的设计。 （1）. 控制结构 一个程序的功能不仅取决于所选用的操作，而且还取 决于操作之间的执行顺序，即程序的控制结构，如循环、 分支转移结构。程序的控制结构实际给出了程序的框架， 决定了程序中各操作的执行顺序。 （2）. 数据结构 数据结构是指互相有关联的数据元素的集合。数据结构 又分为数据的逻辑结构和数据的存储结构。数据的逻辑结 构是指数据元素之间抽象化的相互关系，即数据的逻辑关 系，有队列、堆栈、树和图等等；数据的存储结构是数据 的逻辑结构在计算机中的存储方式，应用于数据库中。