計算機與程序設(shè)計.ppt

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計,使用教材和參考書目,使用教材：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計實用教程， 清華大學(xué)出版社，張海藩，牟永敏，2007.7。 參考書目： 1、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計實用教程習(xí)題與上機指導(dǎo)，清華大學(xué)出版社，牟永敏，張海藩，2008.2。 2、C+程序設(shè)計教程，清華大學(xué)出版社，錢能，2005.9。 3、C+程序設(shè)計教程實驗指導(dǎo)，清華大學(xué)出版社，譚浩強等著，2007.8。 教學(xué)內(nèi)容說明：按照教學(xué)大綱的教學(xué)內(nèi)容編排，增加了基礎(chǔ)知識、上機例題和實用編程技能的教學(xué)內(nèi)容，目標(biāo)是掌握面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的基本算發(fā)與編程能力。（學(xué)習(xí)方法介紹）,第1章計算機與程序設(shè)計,首先要理解的問題：什么是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計？ 1、基于過程的程序設(shè)計 我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了C語言程序設(shè)計，每一位同學(xué)都會編寫C語言程序了，我們知道C語言程序設(shè)計是一系列操作命令（操作過程、C語句）的有序集合，這種設(shè)計方法，叫做基于過程的程序設(shè)計。 主要特點是： (1) 按照執(zhí)行操作的時間順序、按照操作過程編寫程序。 (2) 所定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)本身不具有行為（函數(shù)）特性。 (3) 過程化程序設(shè)計方法主要采用：自頂向下，逐步求精的方法展開。 (4) 過程化程序設(shè)計方法主要體現(xiàn)在功能劃分與過程內(nèi)部的編寫規(guī)則，形成結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法。,例1：基于過程的程序設(shè)計。,首先，定義一個結(jié)構(gòu)體struct Point。,再定義一個main函數(shù)，在其內(nèi)部定義一個該結(jié)構(gòu)體的變量叫pt，并對它進行賦值，最后，將pt這個數(shù)據(jù)成員輸出。,#include struct Point int x; int y; ;,void main() Point pt; pt.x=8; pt.y=8; coutpt.xendlpt.yendl; ,把這段代碼編譯、運行一下，可以看到輸出：x為8，y為8。 可見，C + +與C語言中使用的結(jié)構(gòu)體是完全一樣的。,2、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計 隨著程序設(shè)計方法的創(chuàng)新，把C語言中的結(jié)構(gòu)類型(struct)可以看成一種特殊的類型，即：對象類型。 如：點對象類型。 struct Point int x; int y; ; 又如：學(xué)生對象類型。 struct student char name20； /*姓名*/ char sex； /*性別*/ int age； /*年齡*/ float height； /*身高*/ float weight； /*體重*/ char addr50； /*住址*/ ； 這樣，經(jīng)驗豐富的程序員就可以對這個“對象”數(shù)據(jù)進行讀寫、查找等操作了。,#include struct Point int x; int y; void output() coutxendlyendl; ;,在結(jié)構(gòu)體中增加一個函數(shù)，叫：output, 由它來代替輸出的功能。,void main() Point pt; pt.x=8; pt.y=8; /coutpt.xendlpt.yendl; pt.output(); ,主程序中就不需要cout函數(shù)輸出了，利用pt的內(nèi)部成員函數(shù)output進行輸出。編譯、運行，結(jié)果是一樣的。,例2：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。,我們知道：在C語言的結(jié)構(gòu)體中是不允許有函數(shù)的。,然而，通過這個例子可以看出：在C+的結(jié)構(gòu)體中是可以包含函數(shù)的。,因此，利用 C+結(jié)構(gòu)體中的內(nèi)部函數(shù)就可以將一些操作封裝到結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，在使用時，只需去調(diào)用這個成員函數(shù)就可以了。,這是C+的封裝性。,#include /struct Point class Point public: int x; int y; void output() coutxendlyendl; ; void main() Point pt; pt.x=8; pt.y=8; pt.output(); ,我們把struct注釋起來，,然后，換成一個class，并加上一個public。,再編譯、運行，結(jié)果是一樣的。,例3：面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。,可見，結(jié)構(gòu)體（類型）轉(zhuǎn)變成了類（類型）。,也就是說，我們的改動并不大，我們僅僅是將struct換成了class，然后，增加了一個public標(biāo)識符，那么，所有的運行結(jié)果和我們剛才用struct定義是一樣的。,換句話說，在C+中，結(jié)構(gòu)體和類是可以通用的，結(jié)構(gòu)體也是一種特殊的類，他特殊，是因為，他是用struct定義的一種類。,綜上所述，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計：是把一些行為、方法、屬性都歸結(jié)到一個“對象類型”身上，只有有了這個具體的對象后，才會有這個對象的方法（成員、成員函數(shù)）產(chǎn)生，那么，我們把這些方法，按照合理性，都歸到不同的“對象類型”上面，這就是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。 實現(xiàn)方法：采用結(jié)構(gòu)類型(struct)的演化數(shù)據(jù)類型“對象類型(class)”來建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在這個“對象”數(shù)據(jù)類型中增加了“成員函數(shù)”，也就增加了“對象”的行為、方法、屬性。,3、結(jié)構(gòu)體與類的區(qū)別，類的訪問權(quán)限,當(dāng)然，struct和class類還是有區(qū)別的，主要區(qū)別在訪問控制方面，如果我們把class 的public注釋起來，再編譯一下，就可以看到出現(xiàn)一個錯誤：不能訪問私有成員。在類中所聲明的成員變量和函數(shù)，默認是私有成員private。只有加上public，變成公有變量，才與結(jié)構(gòu)體的結(jié)果一樣。,可見，在結(jié)構(gòu)體中，所有的成員，缺省情況下都是public的，都可以在外部被訪問。而對于一個類來說，缺省情況下，他的數(shù)據(jù)成員和函數(shù)都是私有的private，不能夠被外部進行訪問的。 這是結(jié)構(gòu)體和類的一個區(qū)別。除此之外，在C+中，結(jié)構(gòu)體和類是可以通用的。,4、什么是類？什么是對象？,抽象性是將有關(guān)事物的共性歸納、集中在一起，表示了同一類事物的本質(zhì)。 C+中的數(shù)據(jù)類型就是對一批具體的數(shù)的抽象。 例如：“整數(shù)類型”是對所有整數(shù)的抽象，具體的整數(shù)就是屬于同一“類”的“對象”。 類是對象的抽象， 對象是類的特例。,上面的例子中引入了類point，我們就要從面向?qū)ο蟮乃枷肴タ紤]問題了。point中定義的pt，就不叫變量了，叫做用point這個類聲明的一個對象，或者叫做實例化了一個對象，那么，什么是類？什么是對象？ 類是抽象出一些事物的共有的屬性。 對象是具有類的共有屬性的具體屬性值的一個事物。 有了類和對象的概念，我們就可以從面向過程的語言轉(zhuǎn)化為面向?qū)ο蟮恼Z言。,舉例：設(shè)計一個“開車啟動”的方法，可以把“開車啟動”作為一種參數(shù)傳進來，開這個車，這是面向過程的方法。 用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計這個函數(shù)：把“開車啟動”設(shè)置成汽車（類）本身的一個方法，而我們?nèi)フ{(diào)用汽車的“開”的方法就可以了。 這樣，我們就把面向過程的方法變成了面向?qū)ο蟮姆椒ā?這就是面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思路。,5、面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思路,把一些行為都歸結(jié)到一個對象身上，只有有了這個具體的對象后，才會有這個對象的方法產(chǎn)生，那么，我們把這些方法，按照合理性，都歸到不同的事物上面，這就是一個面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計。,1.1 計算機的基本結(jié)構(gòu),計算機的基本結(jié)構(gòu)主要是由存儲器、運算器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五個部件組成。 存儲器：是用來存儲數(shù)據(jù)，大致分為內(nèi)部存儲器（內(nèi)存）和外部存儲器（硬盤、軟盤等）； 運算器：是用來完成各種算術(shù)運算和邏輯運算； 控制器：用來控制計算機的各個部件協(xié)調(diào)工作； 輸入設(shè)備和輸出設(shè)備：是用來為數(shù)據(jù)的輸入和輸出服務(wù)的。,1.1.1 計算機硬件的基本組成,圖1.1 計算機的基本結(jié)構(gòu),第一步：用輸入設(shè)備把事先編制好的解題步驟（即程序）和原始數(shù)據(jù)輸入到存儲器指定編號的 地方（內(nèi)存單元）存放起來。 第二步：命令計算機從第一條指令開始執(zhí)行程序，則計算機在程序控制下自動完成解題的全過程。,1.1.2 計算機的工作過程（以匯編為例）,60年代，馮諾依曼提出了程序存儲原理，計算機走向了現(xiàn)代化。 目前，程序設(shè)計語言的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了四代，第五代語言尚處于萌芽狀態(tài)。,1.2 程序設(shè)計語言,第一代語言 第一代程序設(shè)計語言是機器語言,它是計算機所特有的,不同計算機有不同的機器語言。 第二代語言 匯編語言,也稱為符號語言。用含義較鮮明的符號,代替機器語言中的二進制編碼,因此看起來較直觀,不易出錯。,第三代語言 稱為算法語言，算法語言的基本組成成分是各語句（如結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計），比用機器語言或匯編語言編寫程序更加方便、簡單和直觀。 第四代語言 實質(zhì)上是可以快速開發(fā)應(yīng)用軟件的各種高生產(chǎn)率的軟件工具的統(tǒng)稱。如VC+、Delphi等。 第五代語言 多數(shù)人認為，第五代語言將是智能化的語言。 PROLOG語言可能是第五代語言最著名的雛形。,使用過程性語言編寫的程序，其功能是隱含在程序代碼中的。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)的功能比較復(fù)雜時，程序元素的相互關(guān)系就十分復(fù)雜。這樣的應(yīng)用系統(tǒng)不易開發(fā)，而且很難維護。 為此，人們在開發(fā)軟件的長期實踐過程中，總結(jié)出一些設(shè)計原理并研究出一些系統(tǒng)化的技術(shù)方法，用于面向過程程序設(shè)計，能夠提高開發(fā)效率，增加系統(tǒng)的可理解性和可維護性。,1.3 面向過程程序設(shè)計,模塊是： 數(shù)據(jù)說明、可執(zhí)行的語句等程序元素的集合,它是單獨命名的而且可以通過名字來訪問,所謂模塊化,是把一個程序劃分成若干個模塊,每個模塊完成一個子功能,把這些模塊組裝成一個整體,可以完成指定的功能 ，如：函數(shù)。 請注意：在把程序劃分成模塊的時候，模塊規(guī)模應(yīng)該適當(dāng)。,1.3.1 模塊化,人們在實踐中認識到，在現(xiàn)實世界中一定事物、狀態(tài)或過程之間總存在著某些相似的方面（共性）。把這些相似的方面集中和概括起來，暫時忽略它們之間的差異，這就是抽象。 如：各式各樣的人抽象為人類。抽象是對事物共性的高度概括。當(dāng)我們考慮對任何問題的模塊化解法時，可以提出許多抽象的層次。,1.3.2 抽象,信息隱藏原理指出，在設(shè)計和確定模塊時，應(yīng)該使得一個模塊內(nèi)包含的信息（數(shù)據(jù)和過程）對于不需要這些信息的模塊來說，是不可訪問的（又稱不可見的）。 局部化，是指：把一些關(guān)系密切的程序元素物理地放得彼此靠近，處于同一局部區(qū)城內(nèi)。,1.3.3 信息隱藏和局部化,模塊獨立是指在設(shè)計程序結(jié)構(gòu)時，應(yīng)盡量使得每個模塊完成一個相對獨立的特定子功能，并且和其他模塊之間的關(guān)系盡可能簡單。 耦合是用于衡量不同模塊彼此間互相依賴（連接）的緊密程度。 內(nèi)聚是用于衡量一個模塊內(nèi)部各個元素彼此結(jié)合的緊密程度。 高內(nèi)聚和低耦合是進行模塊化設(shè)計的重要標(biāo)準(zhǔn)，實踐表明內(nèi)聚更重要。,1.3.4 模塊獨立,結(jié)構(gòu)程序設(shè)計是一種設(shè)計程序的技術(shù), 適應(yīng)于面向過程和面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ菍崿F(xiàn)模塊的具體技術(shù)。 采用自頂向下逐步求精的設(shè)計方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。,1.3.5 結(jié)構(gòu)程序設(shè)計技術(shù),三種基本的控制結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)使用結(jié)構(gòu)程序設(shè)計技術(shù)設(shè)計程序的主要好處： 自頂向下逐步求精的方法符合人類解決復(fù)雜問題的普遍規(guī)律，因此可以顯著提高開發(fā)效率； 用先全局后局部、先整體后細節(jié)、先抽象后具體的逐步求精過程開發(fā)出的程序有清晰的層次結(jié)構(gòu)，因此容易閱讀和理解； 僅使用單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)，使得程序的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和它的動態(tài)執(zhí)行情況比較一致； 控制結(jié)構(gòu)有確定的邏輯