《計算機導(dǎo)論》第8章 計算機軟件

1、8.1計算機軟件的概念8.2算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)8.3程序設(shè)計第8章 計算機軟件8.1計算機軟件的概念任務(wù)1 初步認(rèn)識計算機軟件任務(wù)描述本任務(wù)學(xué)習(xí)軟件、程序、文檔資料等概念。相關(guān)知識與技能計算機系統(tǒng)主要由軟件和硬件兩大部分組成。硬件是計算機系統(tǒng)的機器部分，即中央處理機、存儲器及各種外圍設(shè)備的總稱。軟件則是為使計算機高效地工作所配置的各種程序及相關(guān)的文檔資料的總稱。程序是經(jīng)過組織的計算機指令序列，指令是組成計算機程序的基本單位。文檔資料包括：軟件開發(fā)過程中的需求分析、方案設(shè)計、編程方法等的文檔及使用說明書、用戶手冊、維護(hù)手冊等。 控制器 中央處理器CPU 運算器 主機 ROM（只讀存儲器） 內(nèi)存 RA

2、M（讀寫存儲器） 硬件系統(tǒng) Cache（高速緩沖存儲器） 計 輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等 算 外設(shè) 輸出設(shè)備顯示器、打印機、音響等 機 外存硬盤、軟盤、光盤、閃存等 系 操作系統(tǒng) 統(tǒng) 系統(tǒng)軟件 編譯程序和解釋程序 數(shù)據(jù)庫管理 軟件系統(tǒng) 應(yīng)用軟件 各種字處理系統(tǒng)、各種軟件包支撐軟件環(huán)境數(shù)據(jù)庫、各種接口軟件、工具組8.2算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)任務(wù)2 算法及其描述任務(wù)描述本任務(wù)通過案例學(xué)習(xí)算法的概念及算法的描述。案例8-1 求計算1+2+3+4+5的算法。相關(guān)知識與技能做任何事情都要有一個步驟，廣義地講，為解決一個問題而采取的方法和步驟，就稱為“算法”。算法有兩大類別： 數(shù)值計算：求方程的根、求函數(shù)的定積

3、分等。 非數(shù)值計算：查找、排序、圖書檢索、人事管理、文字處理等。算法的設(shè)計師在設(shè)計一個算法后，不能只是自己明白，應(yīng)該準(zhǔn)確清楚地將自己設(shè)計的解題步驟記錄下來，或提供交流，或編寫程序供計算機執(zhí)行。步驟1：先計算1+2，得到3步驟2：將步驟1得到的結(jié)果加上3，得到6步驟3：將步驟2得到的結(jié)果加上4，得到10步驟4：將步驟3得到的結(jié)果加上5，得到15，計算結(jié)果為15按照同樣的思路可寫出計算1+2+.100的步驟，可知是非常繁瑣的。方法與步驟知識拓展瑞士著名計算機科學(xué)家尼克萊沃思（Niklaus Wirth）早在1976年提出了這樣一個公式： 算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序1974年，圖靈獎的獲得者、著名計算機科學(xué)家

4、、算法大師克努特（Donald E。 Knuth）說：“計算機科學(xué)是算法的學(xué)習(xí)”。可見，算法是計算機科學(xué)中非常重要的概念，是計算機學(xué)科的核心內(nèi)容，在程序編制、軟件開發(fā)，乃至整個計算機科學(xué)中都占有重要地位。所謂算法（Algorithm），是對特定問題求解步驟的一種描述，是指令的有限序列。描述算法需要一種語言，可以是自然語言、數(shù)學(xué)語言或者是計算機語言。一個算法一般具有下列5個重要特性：輸入：一個算法應(yīng)該有一個或多個輸入。有窮性：一個算法必須在執(zhí)行有窮步驟之后正常結(jié)束，而不能形成無限循環(huán)。確定性：算法中的每一條指令都必須有確切的含義，不能有二義性?？尚行裕核惴ㄖ械拿恳粭l指令都必須是切實可行的，即原則

5、上可以通過已經(jīng)實現(xiàn)的基本運算執(zhí)行有限次來實現(xiàn)。輸出：一個算法應(yīng)該有0個或多個輸出，這些輸出是與輸入有某種特定關(guān)系的量。任務(wù)3 用程序設(shè)計語言描述算法任務(wù)描述本任務(wù)通過案例進(jìn)一步學(xué)習(xí)算法的概念，理解用程序設(shè)計語言（C語言）進(jìn)行算法描述的方法。案例8-2 用程序設(shè)計語言（C語言）描述計算1+2+100的算法。相關(guān)知識與技能求解1+2+100的過程如圖8-1所示，可得出以下規(guī)律：1+2=33+3=66+4=1010+5=15.4851+99=49504950+100=5050重復(fù)地進(jìn)行相加運算本次的和作為下一次相加運算的被加數(shù)加數(shù)有規(guī)律地變化著規(guī)律圖8-1 1+2+100 運算過程用C語言對算法描述

6、如下：main() int x, y; x = 1; y=2; while(y=100) x = x + y; y=y+1; printf(“%d”, x);方法與步驟任務(wù)4 用偽代碼描述算法任務(wù)描述本任務(wù)通過案例進(jìn)一步學(xué)習(xí)算法的概念，理解用偽代碼進(jìn)行算法描述的方法。案例8-3 用偽代碼語言描述求1+2+100的算法。相關(guān)知識與技能 偽代碼是用文字（數(shù)字、字母）和符號來描述算法的，用偽代碼描述的算法結(jié)構(gòu)清晰，格式緊湊，簡單易懂。它為程序員提供了以特定編程語言編寫指令的模板。偽代碼表明了程序細(xì)節(jié)，在偽代碼階段檢測并修復(fù)錯誤是簡單。在校驗并接受偽代碼之后，就可以把偽代碼表示的指令轉(zhuǎn)換成高級編程語言

7、。方法與步驟用偽代碼對算法描述如下：beginy 2x 1while(y=100) x x+y y y+1print xend任務(wù)5 用流程圖描述算法任務(wù)描述本任務(wù)通過案例進(jìn)一步學(xué)習(xí)算法的概念，理解用流程圖進(jìn)行算法描述的方法。案例8-4 用流程圖描述求1+2+100的算法。相關(guān)知識與技能用流程圖表示算法ANSI規(guī)定的一些常用的流程圖符號起/止點輸入/輸出處理準(zhǔn)備預(yù)定義處理判斷控制流外接內(nèi)接流程圖的基本符號1+2=33+3=66+4=1010+5=15.4851+99=49504950+100=50500+1=1令s表示被加數(shù)（初始值為0），令I(lǐng)表示加數(shù)（初始值為1）進(jìn)行100次加法后結(jié)束，或者

8、當(dāng)加數(shù)大于100時結(jié)束S中存放計算結(jié)果重復(fù)地進(jìn)行相加運算本次的和作為下一次相加運算的被加數(shù)加數(shù)有規(guī)律地變化著計算1+2+.+100下面的算法中S表示被加數(shù)，也表示累加和，I表示加數(shù)步驟1：S 0; I 1步驟2：若I小于等于100，則轉(zhuǎn)向步驟3；否則，轉(zhuǎn)向步驟6；步驟3： S S + I; 步驟4： I I + 1;步驟5：轉(zhuǎn)向步驟2；步驟6：S的值就是計算結(jié)果，算法結(jié)束。推廣該算法，即修改算法中步驟2的100為n，可得到計算1+2+.+n的算法。計算1+2+.+100的算法方法與步驟用流程圖對算法描述如圖8-2所示。圖8-2 求1+2+100算法的流程圖算法思想：例如，計算1+2+.+100

9、時先計算1100, 2+99, ., 49+52, 50+51, 然后用10150即可得到運算結(jié)果。類推，要計算1+2+.+n，只要知道有多少個n+1，就可以得到計算結(jié)果。步驟1：S n+1步驟2：若n是偶數(shù)，則 S (S n) 2; 否則， S S ( n-1) 2 + (n + 1) 2 步驟3：S的值就是計算結(jié)果，算法結(jié)束。同一個問題可用不同的方法解決，即用不同算法解決同一個問題。因此，就存在一個算法的比較(分析)和選擇問題，比較的依據(jù)是算法的效率。計算1+2+.+n的另一種算法任務(wù)6 初步認(rèn)識數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)任務(wù)描述 本任務(wù)了解數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念和常用的幾種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如線性表、數(shù)組、樹和二叉樹

10、以及圖等。相關(guān)知識與技能數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Data Structure）是計算機專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究三部分內(nèi)容：數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)以及對各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行的運算。 1. 順序存儲結(jié)構(gòu)在程序設(shè)計中，由若干個數(shù)據(jù)元素組成的線性結(jié)構(gòu)稱為線性表。線性表是最簡單和最常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。例如，考慮一副撲克牌中相同花色的13張紅桃，為了要在程序中引用每一張紅桃，可以建立13個變量Card1,Card2,Card13。每一張牌有確定的值，如“紅桃2”、“紅桃9”等。 圖 8-3 線性結(jié)構(gòu)：一維數(shù)組2. 鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)每個結(jié)點除包含一個數(shù)據(jù)域外，還包含一個指針域，用以存放下一個結(jié)點的指針，這樣的鏈表稱為單

11、鏈表。圖8-4是一個具有附加頭結(jié)點的單鏈表，指針變量h中存放的是附加頭結(jié)點的指針，附加頭結(jié)點只用來存放第一個具有數(shù)據(jù)的結(jié)點的指針，而第一個結(jié)點的指針域存放第二個結(jié)點的指針，如此下去，最后一個結(jié)點的指針域要置空（NULL），以表示它位于鏈表的尾部。圖 8-4 單鏈表的結(jié)構(gòu)圖 8-6 單鏈表的刪除操作圖 8-5 單鏈表的插入操作3. 棧與隊列 對于一般的線性表，可以在任何位置上插入元素，也可以刪除任何位置上的元素。如果限定插入和刪除都只能在線性表的一端進(jìn)行，這樣的線性表稱為棧；如果限定插入在線性表的一端，刪除在另一端，這樣的線性表稱為隊列。棧是一個按“后進(jìn)先出”（last in first out

12、）方式工作的數(shù)據(jù)列表。表中允許進(jìn)行插入、刪除操作的一端稱作棧頂；另一端稱作棧底。棧頂?shù)奈恢檬莿討B(tài)的，對棧頂當(dāng)前位置的標(biāo)記稱為棧頂指針。當(dāng)棧中沒有數(shù)據(jù)元素時，稱為空棧。棧的插入操作通常稱為進(jìn)?；蛉霔?；棧的刪除操作則稱為退?；虺鰲！D8-7是一個棧的動態(tài)示意圖，圖中箭頭代表當(dāng)前棧頂?shù)闹羔樜恢茫胻op表示。 圖8-7 棧的動態(tài)示意圖隊列與棧非常相似，隊列按“先進(jìn)先出”（first in first out）方式工作。插入元素的那一端稱為隊尾，刪除操作的那一端稱為隊頭。隊列的插入操作通常稱為進(jìn)隊列或入隊列；隊列的刪除操作稱為退隊列或出隊列。圖8-8 隊列的動態(tài)示意圖4. 樹和二叉樹樹（tree）是數(shù)

13、據(jù)結(jié)構(gòu)中的一種非線性結(jié)構(gòu)。樹在我們周圍隨處可見。這里討論的樹結(jié)構(gòu)形同大自然中的樹，也有樹根、樹葉和樹枝。不同之處是：前者樹根在上，后者樹根在下。圖8-9 樹結(jié)構(gòu)示意圖如果樹結(jié)構(gòu)每個結(jié)點的孩子結(jié)點個數(shù)最多為2個，這種樹就是二叉樹，如圖8-10所示。 圖8-10 二叉樹圖8-11 圖8-9樹對應(yīng)的二叉樹8.3 程序設(shè)計任務(wù)7 初步認(rèn)識程序設(shè)計任務(wù)描述本任務(wù)學(xué)習(xí)程序及計算機程序的基本概念。相關(guān)知識與技能本書中所說的程序指的是計算機程序，它實際上表示的是一種處理事務(wù)的時間順序和處理步驟。由于組成計算機程序的基本單位是指令，因此，計算機程序就是按照工作步驟事先編排好的、具有特殊功能的指令序列。 一個程序

14、具有一個單一的、不可分的結(jié)構(gòu)，它規(guī)定了某個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的一個算法。于是有以下公式：算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序任務(wù)8 常見程序設(shè)計語言任務(wù)描述本任務(wù)了解一些常見的程序設(shè)計語言的特點。相關(guān)知識與技能1. 面向機器語言機器語言：機器語言是計算機的第一代語言。 例如，用機器語言寫的某一段程序為：0000 0110 0000 00110011 1110 0000 01000000其中，每一條機器指令都是用二進(jìn)制代碼表示的。以上由“0”、“1”組成的三條指令對Z80機器而言就是完成3加4的運算。匯編語言匯編語言是計算機的第二代語言。 例如，把上述用機器語言書寫的三條指令用匯編語言來表示，即成為：LD B, 03L

15、D A, 04ADD A, B從英文字母的含義可知，第一條指令是把3送到寄存器B中（LD是load的縮寫）。同理，第二條是把4送到寄存器A中，第三條則是把B中的數(shù)加到A中去。2. 面向過程語言FORTRAN語言（公式翻譯語言）ALGOL 60（算法語言）COBOL（用于事務(wù)處理的通用語言）BASIC（初學(xué)者通用符號指令碼）PL/1（程序設(shè)計語言1）Ada語言 PASCAL語言C語言3. 面向?qū)ο笳Z言C+程序設(shè)計語言Visual Basic程序設(shè)計語言4. 網(wǎng)絡(luò)編程語言網(wǎng)絡(luò)編程語言是計算機的第五代語言。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，尤其進(jìn)到21世紀(jì)后，Internet得到了更為廣

16、泛的應(yīng)用。Java語言（Java language）是一種簡捷的、面向?qū)ο蟮?、用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的程序設(shè)計語言，由SUN公司（漢語簡稱“太陽公司”）于1995年5月正式對外發(fā)布。 任務(wù)9 面向過程程序設(shè)計任務(wù)描述本任務(wù)通過案例學(xué)習(xí)簡單的面向過程程序設(shè)計。案例8-5 用C語言編寫程序：輸入一個年份，判斷該年份是否是潤年。相關(guān)知識與技能單分支選擇語句格式：If(條件表達(dá)式) 語句塊語句功能：當(dāng)條件為True（真）時，執(zhí)行后面的語句塊。方法與步驟兩分支選擇結(jié)構(gòu)語句格式：If(條件表達(dá)式)語句塊1else語句塊2本案例可采用選擇結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。單分支選擇結(jié)構(gòu)有兩種語句格式：C語言的歷史背景C語言是AT&T貝爾實

17、驗室的Dennis Ritchie和Ken Thompson 在B語言的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的(1972 or 1973)UNIX操作系統(tǒng)是用C語言編寫的1982年ANSI工作小組開始建立C語言的標(biāo)準(zhǔn)美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ANSI:American National Standards Institute1990年ANSI C被接受為國際標(biāo)準(zhǔn)ANSI C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了用C編寫的程序的格式，并確定了如何解釋這些程序ANSI C的目的是促進(jìn)C程序在各種機器上的可移植性、可靠性、可維護(hù)性和有效執(zhí)行目前所有主要的C編譯器都遵循ANSI C標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)10 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計任務(wù)描述本任務(wù)通過案例學(xué)習(xí)簡單的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計。

18、案例8-6 用VB6.0編寫程序，該應(yīng)用程序由一個圖像框控件、一個定時器控件和兩個命令按鈕組成，運行程序時，若單擊start按鈕，則地球滾動；基單擊end按鈕，則結(jié)束運行。相關(guān)知識與技能面向?qū)ο?，是基于對象概念，以對象為中心，以類和繼承為構(gòu)造機制，來認(rèn)識、理解、刻畫客觀世界和設(shè)計、構(gòu)建相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。對象是由屬性（即數(shù)據(jù))和事件（即程序）組成的封裝體，與客觀實體有直接的對應(yīng)關(guān)系。一個對象類定義了具有相似性質(zhì)（屬性）的一組對象。而繼承性是對具有層次關(guān)系的類的屬性和操作進(jìn)行共享的一種方式。方法與步驟知識拓展VB 應(yīng)用程序的基礎(chǔ)構(gòu)件是對象（如窗體和控件）。通過把類實例化，就可以得到對象。對象的屬性、

19、方法和事件對象的三要素。對象的屬性：用來描述和反映對象特征的參數(shù)在設(shè)計階段，通過屬性窗口進(jìn)行設(shè)置；也可通過程序代碼，在程序運行時設(shè)置。語句格式：對象名. 屬性=屬性值對象的方法：指對象的行為和動作。方法實質(zhì)是一些封裝起來的過程和函數(shù)，使用方法即調(diào)用過程或函數(shù)。調(diào)用方法的語句格式： 對象名. 方法參數(shù)表對象的事件：即發(fā)生在對象上的事情。事件過程：對象的事件被激發(fā)后，應(yīng)用程序處理事件的步驟事件過程的格式： SUB 對象名_事件名( 參數(shù)表 ) 。 END SUB8.4 軟件的開發(fā)任務(wù)11 軟件的開發(fā)過程任務(wù)描述 本任務(wù)學(xué)習(xí)軟件開發(fā)的基本過程。相關(guān)知識與技能軟件開發(fā)的過程基本包括需求分析、設(shè)計、編程、測試等。其中：需求分析：不僅僅是用戶需求，應(yīng)該是開發(fā)中遇到的所有的需求。例如，首先要知道項目所要解決的問題；測試案例中應(yīng)該輸入的數(shù)據(jù)，等等。為了清楚地知道這些需求，經(jīng)常要和