第10章 程序設計基礎

第10章程序設計基礎1本章教學目的: 了解程序設計的基本概念、思想和方法，為今后更好地學習程序設計語言打好基礎。2本章教學內(nèi)容：程序設計語言概述2.程序：程序的類型及程序的執(zhí)行方式。3.軟件工程：目前軟件開發(fā)和維護的方法。4.軟件生命周期：軟件開發(fā)的具體步驟。310.1程序設計語言概述軟件是程序、數(shù)據(jù)及相關文檔的集合，是用戶與硬件之間的接口。任何以計算機為處理工具的任務都是對處理對象和處理規(guī)則的完整描述，稱為程序。4機器語言是計算機硬件系統(tǒng)能唯一識別并執(zhí)行的語言，計算機指令。計算機指令是硬件唯一能識別的、實現(xiàn)計算機基本功能的二進制編碼，是指揮計算機工作的基本命令。計算機指令是計算機執(zhí)行命令的最小功能單位,是軟件與硬件的接口。

5一般來說，指令由操作碼和操作數(shù)兩部分組成：操作碼用于指明操作，不同指令具有不同的操作碼。操作數(shù)可以是要操作的數(shù)據(jù)（稱為立即數(shù)），也可以是存放操作數(shù)的內(nèi)存單元地址或寄存器地址等。操作碼操作數(shù)62.指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)：一臺計算機中全部指令的集合構成指令系統(tǒng)。一臺計算機的指令系統(tǒng)決定了它的基本性能，現(xiàn)代計算機一般都有幾十條到上百條指令。7早期計算機，從簡化計算機硬件結構和降低成本考慮，指令系統(tǒng)都比較簡單，指令條數(shù)少、功能弱。為增加計算機功能及縮小指令系統(tǒng)與高級程序設計語言之間的差異，人們研制了復雜指令系統(tǒng)計算機（CISC，ComplexInstructionSetComputer）。CISC計算機指令條數(shù)多達二三百條，能直接處理多種數(shù)據(jù)類型。8RISC，ReducedInstructionSetComputer，指令系統(tǒng)具有指令少、功能簡單、指令執(zhí)行時間短等特點，RISC成為計算機設計的主流。9101110000000100000000000

000001010000011100000000計算A=8+7機器語言為：匯編語言為：MOVAX，8ADDAX，7；將8存入累加器A中；7與累加器A中的內(nèi)容相加，；結果仍存放在A中10.1.2匯編語言10匯編語言：指令由英文單詞或縮寫構成，用符號和十進制數(shù)代替機器語言中的二進制編碼，便于人們記憶和書寫。11計算機程序設計語言總體上可以分為低級語言和高級語言兩大類，低級語言是指機器語言和匯編語言；低級語言的低級并不是說語言的功能性差，而是指與計算機硬件密切相關，編寫程序難度較大。機器語言和匯編語言都與計算機類型有關；匯編語言一般用于編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件1210.1.3結構化程序設計語言20世紀50年代后期，出現(xiàn)了許多脫離具體計算機硬件結構的程序設計語言，人們稱之為高級程序設計語言或結構化程序設計語言。例如Basic、FORTRAN,Pascal等。例如，計算A=8+7并輸出結果的BASIC語言程序段如下：

A=8+7 PrintA13結構化程序設計語言：脫離具體計算機硬件結構的程序設計語言。程序設計的核心是數(shù)據(jù)結構和算法；通過數(shù)據(jù)結構定義數(shù)據(jù)的存儲形式；通過算法研究如何用快捷、高效的方法來組織解決問題的具體過程。

14結構化程序設計語言將注意力從機器轉移到問題本身，它致力于用計算機能理解的邏輯來描述解決問題的具體方法和步驟。151.結構化程序設計語言的基本特征：程序內(nèi)部結構化：程序由順序、選擇（分支）和重復（循環(huán)）3種結構組成。程序模塊化：一個大程序由若干個功能獨立的、相互關聯(lián)的程序模塊（子程序、函數(shù)等）組成。程序模塊之間通過調(diào)用關系完成程序的整體功能?？梢浦残院茫杭礊橐活愑嬎銠C設計的程序，經(jīng)少量改動后可以在另一類計算機上運行。與低級語言相比，結構化程序具有較好的移植性。16具有代表性的結構化程序設計語言：FORTRAN語言：是FormulaTranslator的縮寫，在工程、數(shù)學和科學研究上是使用最廣泛的語言，尤其是在科學計算中發(fā)揮著極其重要的作用。Pascal語言：作為一門實用程序設計語言和教學工具，Pascal語言在高校計算機軟件教學中一直處于主導地位。

C語言：適合于系統(tǒng)描述，可以用于編寫系統(tǒng)和應用軟件。1710.1.4面向對象的程序設計語言ObjectOrientedProgramming，OOP早在20世紀60年代在實驗室中就提出了面向對象方法，最早的面向對象軟件是1966年開發(fā)的SimulaⅠ它首次提出模擬人類思維方式，將數(shù)據(jù)和相關操作集成在一起。使得數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的方法融為一體，更方便處理現(xiàn)實世界中復雜的事物。18面向對象的程序設計語言：對象：是程序中最基本的運行實體，一個程序由若干個對象組成，各個對象既相互獨立，又通過消息相互聯(lián)系。類：是具有相同特征對象的抽象，是創(chuàng)建對象的模板

192.可視化程序設計在可視化程序設計中，

屬性、事件和方法是用于控制和管理對象的3個要素。屬性：用于描述對象的特征。事件：是對象響應某種操作時的一種反映機制，是響應某種操作的程序代碼入口。方法：一種子程序，調(diào)用時依附于對象，運行時執(zhí)行相關的操作，也稱之為對象函數(shù)。20具有代表性的面向對象程序設計語言：

C++語言：在C語言基礎上增加了面向對象的支持，基本兼容C語言程序。其特點是既支持結構化程序設計方法，又支持面向對象程序設計方法，因此，也稱之為混合型語言。

Delphi語言：是在Pascal基礎上開發(fā)出來的可視化程序設計語言，是真正的面向對象編程語言，執(zhí)行效率高，具有強大的數(shù)據(jù)庫管理功能，是開發(fā)中小型數(shù)據(jù)庫軟件的理想編程工具。

Java語言：Java也是一種跨平臺的程序設計語言，適合開發(fā)基于網(wǎng)絡、多媒體、與平臺無關的應用程序，應用程序可以在網(wǎng)絡上傳輸，并可以運行在任何計算機上。21網(wǎng)頁設計語言：通過網(wǎng)絡瀏覽器瀏覽的網(wǎng)頁可分為動態(tài)網(wǎng)頁、靜態(tài)網(wǎng)頁兩種。標記語言主要用于設計靜態(tài)網(wǎng)頁，利用標記標注信息的類型和位置。HTML腳本語言是介于HTML和編程語言之間的一種語言，主要用于設計動態(tài)網(wǎng)頁。VBScriptJava22在計算機中，通常將結構化程序設計語言和面向對象程序設計語言統(tǒng)稱為高級程序設計語言，簡稱高級語言。2310.2程序任何以計算機為處理工具的任務都是對處理對象和規(guī)則的完整描述，這種描述稱為程序。程序是用計算機語言設計的，為完成某一任務、按一定順序編排的指令序列。

要使程序起作用，必須將其裝入到內(nèi)存中執(zhí)行，程序的實際工作過程稱為執(zhí)行或運行。24

在屏幕上顯示字符串“HelloWorld”DSEG SEGMENTSTRING DB‘HelloWorld’,0DH,OAH,’$’;定義緩沖區(qū)

DSEG ENDSCSEG SEGMENT ASSUMECS:CSEG,DS:DSEGSTART: MOVAX,DSEG MOVDS,AX LEADX,STRING MOVAH,09H INT21H MOVAH,4CH INT21HCSEG ENDS ENDSTART25【例8．1】計算階乘的C語言程序JSJC.C。Longfun(Intx) /*函數(shù)fun,用來計算x的階乘*/{LongResult=1； /*result是變量，用來保存計算結果*/

IntI； /*i為循環(huán)控制變量*/

For(i=2；i<=x；i++) /*循環(huán)控制語句，用于實現(xiàn)語句的多次執(zhí)行*/Result=Result*i； /*循環(huán)體，實現(xiàn)計算*/Returnresult； /*返回語句，將計算結果提交給調(diào)用者*/}Main() /*C語言主程序*/{

Inti=1； /*i為循環(huán)控制變量*/Longs； /*s是變量，保存計算結果*/

While(i!=0) /*循環(huán)語句，用于實現(xiàn)多次計算*/{

Printf("PleaseInputI(I=0Over)：")；/*輸入數(shù)據(jù)提示*/

Scanf(“%d”，&i)； /*輸入數(shù)據(jù)語句，輸入數(shù)據(jù)保存在變量i中*/

If(i==0) /*分支語句，用于輸入數(shù)據(jù)判斷*/Exit(0)； /*輸入i值為0，調(diào)用函數(shù)exit結束程序*/Else /*分支否定條件，當輸入i值不為零時*/If(i<0||i>10) /*判斷輸入數(shù)據(jù)范圍*/{Printf(“Datamustbewteen1and10.\n”)； /*數(shù)據(jù)超界，提示合理范圍*/Continue； /*回到循環(huán)開始位置，繼續(xù)判斷循環(huán)條件*/}s=fun(i)； /*調(diào)用函數(shù)fun計算i階乘，結果存于變量s中*/

Printf("%d!=%ld\n"，I，s)； /*在屏幕上輸出計算結果*

}}26DimaAsIntegerDimbAsIntegerPrivateSubCommand1_Click()k=InStr(a,Text2,Text1)Ifk>0ThenCommand1.Caption="查找下一個"a=k+Len(Text1)Text2.SetFocusText2.SelStart=k-1Text2.SelLength=Len(Text1)b=b+1Else

MsgBox"查找完畢！共找到"&b&"個"&Text1Command1.Caption="查找“

a=1EndIf'PrintkEndSub27根據(jù)程序所處的開發(fā)階段或運行方式的不同，程序主要有源程序、可執(zhí)行程序和動態(tài)鏈接庫3種類型。人們將利用程序設計語言設計的內(nèi)容稱為源程序。將保存這些內(nèi)容的文件稱為源程序文件。28可執(zhí)行程序是由源程序翻譯（編譯）生成的、真實的機器語言程序。在Windows中，最常用的可執(zhí)行程序文件擴展名為EXE和COM。29動態(tài)鏈接庫是由源程序生成的機器語言程序的另一種形式，主要作為可執(zhí)行程序的輔助文件，不能獨立運行。主要作用：（1）提供應用程序接口（API），User32.dll（2）程序動態(tài)加載305.源程序的翻譯方式：編譯方式：通過程序設計語言提供的編譯器或生成工具，系統(tǒng)自動對整個源程序逐句進行詞法分析、語法分析并翻譯成機器語言指令。解釋方式：在程序設計語言環(huán)境中直接運行源程序，在執(zhí)行每條語句前，系統(tǒng)先分析語句的詞法和語法，若語句正確，則生成并執(zhí)行機器語言指令，直到程序運行結束。3110.3軟件工程基礎軟件工程是將系統(tǒng)的、規(guī)范的、可度量的方法應用于軟件開發(fā)和維護整體過程的一門科學，用數(shù)學、計算機科學和管理科學的原理，借助傳統(tǒng)工程科學的原則和方法創(chuàng)建與維護軟件，從而達到提高軟件質(zhì)量、降低軟件成本的目的。軟件工程學出現(xiàn)的目的是為緩解軟件危機。32軟件工程的誕生背景程序設計時代：用機器語言和匯編語言進行程序設計的時代。軟件開發(fā)主要是個體手工勞動,完全依賴程序設計者的個人技能，不重視程序設計方法。

程序系統(tǒng)時代：高級程序設計語言出現(xiàn)后，提出了結構化程序設計的方法，并成為軟件開發(fā)的主要工具，稱此階段為程序系統(tǒng)時代。

33供需矛盾；開發(fā)成本和時間失控；質(zhì)量難以保障；維護困難。主要表現(xiàn)

:軟件危機是泛指在計算機軟件的開發(fā)和維護過程中所遇到的一系列嚴重問題。

軟件發(fā)展速度落后于硬件發(fā)展水平，人們對軟件的需求得不到滿足。管理人員缺少開發(fā)軟件的經(jīng)驗，需求描述不準確，而開發(fā)人員又缺少管理經(jīng)驗，二者之間缺乏交流工具，過分依賴開發(fā)人員在軟件開發(fā)過程中的技巧和創(chuàng)造力，因此，很難開發(fā)出高質(zhì)量的實用軟件。由于缺乏軟件開發(fā)規(guī)范和技術文檔，人們很難閱讀和修改其他人開發(fā)的軟件，使軟件維護、移植和升級困難，導致軟件重復開發(fā)問題嚴重，軟件復用性降低。

34軟件工程主要包括軟件開發(fā)技術和軟件工程管理。

軟件工程是一門交叉科學，包含方法、工具和過程3個要素。35軟件工程包括三個要素：方法、工具和過程。

1.方法：完成軟件工程項目的技術手段，如支持項目計劃和估算、系統(tǒng)和軟件需求分析、軟件設計、編碼、測試和維護。

2.工具：支持軟件的開發(fā)和管理，支持各種軟件文檔的生成。人們將用于軟件開發(fā)的軟、硬件工具和軟件工程數(shù)據(jù)庫集成在一起，建立了集成軟件工程環(huán)境；

3.過程：支持軟件開發(fā)各個環(huán)節(jié)的控制、管理。36軟件工程的基本目標是付出較低的開發(fā)成本，達到要求的軟件功能；按時完成開發(fā)任務，及時交付使用；開發(fā)出來的軟件具有良好的穩(wěn)定性、可靠性、適應性和可操作性，易于移植和維護。

37在軟件開發(fā)過程中，必須遵循抽象性、信息隱藏性、模塊化、局部化、一致性、完整性和可驗證性等原則。抽取事物最基本的特性和行為，忽略某些無關緊要的細節(jié)。

模塊化是程序中邏輯上相對獨立的成分，是功能相對獨立的程序單位(VB語言中的子程序、窗體等)，具有良好的接口定義(如子程序的形式參數(shù)、對象的事件等)。隱藏信息模塊的實現(xiàn)細節(jié)（如子程序實現(xiàn)代碼、對象的構造代碼等），通過模塊接口實現(xiàn)操作，將注意力集中在更高層次的對象上。一個模塊的功能盡量獨立和完整，不受其他模塊運行的干擾，其他模塊只能通過接口與之建立聯(lián)系。在一個軟件系統(tǒng)的各個模塊中，使用規(guī)范、統(tǒng)一的符號和術語；模塊內(nèi)外接口一致；系統(tǒng)規(guī)格說明書與軟件系統(tǒng)的行為一致等。

軟件系統(tǒng)不丟失任何重要成分，完全實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的功能。

開發(fā)大型軟件系統(tǒng)需要逐步分解，系統(tǒng)分解應遵循系統(tǒng)容易檢查、測試和評審的原則，以保證系統(tǒng)的可驗證性。

3810.4軟件生命周期軟件產(chǎn)品從形成概念開始，經(jīng)過開發(fā)、使用和維護，直到最后退役的全過程稱為軟件的生命周期。39在“計算機軟件開發(fā)規(guī)范”的國家標準中，將軟件生存周期劃分為可行性研究、需求分析、概要設計、詳細設計、代碼實現(xiàn)、軟件測試、使用與維護7個階段，在每個階段中都明確規(guī)定了任務、實施方法、步驟和完成標志等，并要求產(chǎn)生相關的文檔。40軟件定義階段:1.可行性研究：也稱軟件計劃或策劃階段

。此階段主要對待開發(fā)系統(tǒng)涉及到的經(jīng)費、軟/硬件技術、效益和法律等方面的問題進行可行性論證，制定系統(tǒng)開發(fā)任務的實施計劃。

2.需求分析：需求是用戶對目標軟件系統(tǒng)在功能、行為、性能和約束等方面的要求或期望。需求分析是對應用問題及其環(huán)境的理解與分析，為應用問題涉及的事物、功能及系統(tǒng)行為建立模型，將需求精確化和完整化，最終形成需求規(guī)格說明書。

41需求分析的主要工作：獲取資料系統(tǒng)分析員與用戶進行業(yè)務交流和探討，理解需求，澄清模糊的概念，對有爭議的業(yè)務環(huán)節(jié)達成共識等。資料分析

系統(tǒng)分析員對收集的資料進行綜合分析和總結，確認業(yè)務范圍和處理細節(jié)，規(guī)劃業(yè)務流程，排除不合理的需求，確定應用問題的解決方案、目標系統(tǒng)的功能模塊以及數(shù)據(jù)模型（如E–R圖形），建立各功能模塊之間的關聯(lián)等。42形成需求規(guī)格說明書

需求分析的成果是需求規(guī)格說明書，通常包括數(shù)據(jù)描述、功能描述和性能描述等信息。它是待開發(fā)軟件系統(tǒng)的預期目標，同時作為系統(tǒng)功能測試、評估和驗收的依據(jù)。需求評審對需求規(guī)格說明書進行審核，驗證文檔的一致性、完整性、正確性、可行性和有效性。43軟件開發(fā)階段:3.概要設計：也稱結構設計或總體設計，根據(jù)需求確定軟件和數(shù)據(jù)的總體框架。數(shù)據(jù)結構設計：也稱數(shù)據(jù)對象設計，主要任務是依據(jù)需求分析的數(shù)據(jù)模型，結合程序中涉及的算法，設計數(shù)據(jù)文件的邏輯結構。軟件結構設計：按自頂向下、逐步求精和模塊化的設計原則，將一個軟件分解和規(guī)劃成若干個模塊，確定各模塊之間的關聯(lián)信息。

概要文檔：概要設計說明書、數(shù)據(jù)結構或數(shù)據(jù)庫設計說明書和軟件集成調(diào)試計劃等。

44軟件開發(fā)階段3.概要設計：也稱結構設計或總體設計，根據(jù)需求確定軟件和數(shù)據(jù)的總體框架。數(shù)據(jù)結構設計：也稱數(shù)據(jù)對象設計，主要任務是依據(jù)需求分析的數(shù)據(jù)模型，結合程序中涉及的算法，設計數(shù)據(jù)文件的邏輯結構。軟件結構設計：按自頂向下、逐步求精和模塊化的設計原則，將一個軟件分解和規(guī)劃成若干個模塊，確定各模塊之間的關聯(lián)信息。

概要文檔：概要設計說明書、數(shù)據(jù)結構或數(shù)據(jù)庫設計說明書和軟件集成調(diào)試計劃等。

45軟件開發(fā)階段4.詳細設計：主要任務是設計軟件功能結構圖中每個最低層模塊的局部算法（如數(shù)據(jù)排序、查找、統(tǒng)計等算法）和數(shù)據(jù)結構（如需要的變量、數(shù)組等），確定每個模塊調(diào)用和數(shù)據(jù)傳輸接口（如參數(shù)、函數(shù)返回值、存儲數(shù)據(jù)的文件或表名等）。描述算法的常用工具有偽代碼（ProcedureDesignLanguage，PDL）、程序流程圖和N–S圖等，設計成果是詳細設計說明書。46軟件開發(fā)階段5.編碼實現(xiàn)：需要選擇一種程序設計語言，進入程序設計階段。通常利用菜單或窗口結合工具欄設計軟件功能結構圖的總體框架，依據(jù)詳細設計中的算法和數(shù)據(jù)結構設計每個功能模塊的程序代碼，設計成果是源程序。47軟件開發(fā)階段6.軟件測試：是對需求規(guī)格說明書、概要設計說明書及程序代碼等內(nèi)容的最后復審。軟件質(zhì)量保證貫穿于軟件開發(fā)的整個過程，其中關鍵步驟是軟件測試；軟件測試目的是在軟件產(chǎn)品交付使用之前盡可能發(fā)現(xiàn)潛在的錯誤；軟件測試主要檢測和更正語義和功能錯誤

。48軟件開發(fā)階段軟件測試的方法：靜態(tài)測試：不需要運行軟件，由人工直接進行閱讀和檢查源程序，包括代碼檢查、靜態(tài)結構分析和代碼質(zhì)量度量等。動態(tài)測試：是基于計算機的測試，通過運行軟件發(fā)現(xiàn)錯誤。這種方法需要測試人員根據(jù)軟件開發(fā)規(guī)格說明和程序內(nèi)部結構精心地設計測試用例，通過輸入數(shù)據(jù)和預期的輸出結果發(fā)現(xiàn)軟件中的錯誤