程序設(shè)計(jì)語言與編譯原理-控制結(jié)構(gòu)課件

第三章控制結(jié)構(gòu)主要討論語言中描述算法的機(jī)制，即控制結(jié)構(gòu)。主要討論各種語句級(jí)控制結(jié)構(gòu)和單元級(jí)控制結(jié)構(gòu)?？刂平Y(jié)構(gòu):程序員用來規(guī)定程序各個(gè)成分（語句和程序單元）的執(zhí)行流程的控制部分語句級(jí)控制結(jié)構(gòu)單元級(jí)控制結(jié)構(gòu)1

3.2語句級(jí)控制結(jié)構(gòu)順序（sequencing）選擇（selection）重復(fù)（repetition）語句級(jí)控制結(jié)構(gòu):語言用來構(gòu)造各種語句執(zhí)行順

序的機(jī)制語句級(jí)控制結(jié)構(gòu)分為三種：2語言可用的、最簡單的控制結(jié)構(gòu)。順序運(yùn)算符（語句結(jié)束標(biāo)記）

；一.順序3復(fù)合語句若干個(gè)語句可以通過順序運(yùn)算符組在一起作為一個(gè)單獨(dú)的語句.復(fù)合語句括號(hào)：

begin…end

或

{…}二.選擇選擇控制結(jié)構(gòu)允許程序員在某些可選擇的語句中選擇其中一條來執(zhí)行。

單選ifthen二選一ifthenelse多選一嵌套ifthenelse或case…1.單選ifthen

max:=a;

if

(a<b)

thenmax:=b;

可供選擇的語句max:=b要么執(zhí)行要么不執(zhí)行if

(a>b)then

max:=aelse

max:=b;可供選擇的語句max:=a和

max:=b只選擇其中一個(gè)執(zhí)行2.二選一

ifthenelse

選擇結(jié)構(gòu)引起二義性

ifx>0thenifx<10thenx:=0elsex:=1000怎樣解決if語句的二義性？ALGOL68中if語句的結(jié)束符號(hào)fi；Ada用endif；例如：ifx>0thenifx<10thenx:=0elsex:=1000fifiifx>0thenifx<10thenx:=0fielsex:=1000fiPL/1和PASCAL語言采用“最近匹配原則”，即else匹配最近的then：ifx>0thenifx<10thenx:=0elsex:=1000等價(jià)于ifx>0thenbeginifx<10thenx:=0elsex:=1000endALGOL60加入begin..end來消除二義性:ifx>0thenbeginifx<10thenx:=0elsex:=1000endifx>0thenbeginifx<10thenx:=0endelsex:=100083.多選一嵌套的ifthenelse

ifathenS1

elseifbthenS2

elseifcthenS3

elseS4fififi

①PL/1的select結(jié)構(gòu)

SELECT:

WHEN(A)S1;

WHEN(B)S2;

WHEN(C)S3;

OTHERWISES4;

END9多選一的簡潔表達(dá)

②多種語言的case語句：PASCALALGOL68Adavaroperator:char;operand1,operand2,result:boolean;……caseoperatorof

‘.’:result:=operand1andoperand2;

‘+’:result:=operand1oroperand2;

‘=’:result:=operand1=operand2;end10

不同語言case語句的差異：ALGOL68中，case語句基于整表達(dá)式的值，表達(dá)式的值為i，則選擇第i個(gè)分支執(zhí)行。PASCAL顯式列出可能的值，表達(dá)式的值與分支的值相同時(shí)，選擇該分支。每個(gè)分支在case中出現(xiàn)的次序是無關(guān)緊要的。表達(dá)式的值不在顯式列出的值中時(shí)的處理：out和otherwise；11Java中Switch語句的選擇結(jié)構(gòu)switch(表達(dá)式){case常量表達(dá)式1：語句1;case常量表達(dá)式2：語句2;

…….case常量表達(dá)式n:語句n;default:語句n+1;}switch語句判斷條件只能接受byte,char,int,short型一旦碰到第一次case匹配，就會(huì)開始順序執(zhí)行以后所有的程序代碼，而不管后面的case條件是否匹配，后面case條件下的語句都會(huì)被執(zhí)行，直到碰到break語句為止。12class

SampleSwitch

{

public

static

void

main(String

args[])

{

for(int

i=0;

i<6;

i++)

switch(i)

{

case

0:

System.out.println("i

is

zero.");

break;

case

1:

System.out.println("i

is

one.");

break;

case

2:

System.out.println("i

is

two.");

break;

case

3:

System.out.println("i

is

three.");

break;

default:

System.out.println("i

is

greater

than

3.");

}

}

}

133.Dijkstra選擇結(jié)構(gòu)ifB1→S1B2→S2B3→S3…...BN→SNfi其中，Bi是布爾表達(dá)式，稱為衛(wèi)哨。若有多個(gè)衛(wèi)哨為真時(shí)執(zhí)行任一Si。特性：非確定性例如計(jì)算A和B的最大值，可寫成ifABMAX:=BABMAX:=Afi14三.重復(fù)當(dāng)預(yù)先知道重復(fù)次數(shù)時(shí),在循環(huán)計(jì)數(shù)器值的有限集合上重復(fù)。①FORTRAN的DO循環(huán)中,用標(biāo)號(hào)控制循環(huán)體

DO7I=1，10A（I）=0B（I）=0

7CONTINUE

1.計(jì)數(shù)器制導(dǎo)15

②Pascal的for語句計(jì)數(shù)重復(fù)的值可在任何有序集上for...tofor...downto16

for語句for(表達(dá)式一；表達(dá)式二；表達(dá)式三){

執(zhí)行語句;}表達(dá)式一：初始化表達(dá)式；表達(dá)式二：循環(huán)條件表達(dá)式；表達(dá)式三：循環(huán)后的操作表達(dá)式。表達(dá)式一表達(dá)式三執(zhí)行語句表達(dá)式二結(jié)束falsetrue17for(inti=0;i<10;i++){System.out.println(i);}inti=0;for(;i<10;i++){System.out.println(i);}inti=0;for(;i<10;){System.out.println(i);i++;}inti=0;for(;;){if(i>=10)break;System.out.println(i);i++;}等效

18①while循環(huán)：描述0或任意多次的重復(fù)②repeatuntil循環(huán)：至少一次以上的重復(fù)

2.條件制導(dǎo)

19while語句while(條件表達(dá)式語句){

執(zhí)行語句

}intx=1;While(x<3){System.out.println(“x=”,x);x++;}注：while表達(dá)式的括號(hào)后面一定不能加;

20

Dijkstra的衛(wèi)哨命令表示法doB1→S1B2→S2......BN→SNod重復(fù)執(zhí)行直到?jīng)]有Bi為真。若有多個(gè)Bi為真，任選一個(gè)Si執(zhí)行。21

順序、選擇和重復(fù)可以幫助程序員組織語句的控制流程，是基本控制工具。順序、選擇、重復(fù)是一定意義的抽象；

四、語句級(jí)控制結(jié)構(gòu)分析22抽象控制結(jié)構(gòu)順序是按程序計(jì)數(shù)器提供的順序獲得指令的一種抽象。選擇和重復(fù)是對(duì)顯式修改程序計(jì)數(shù)器的值的抽象---無條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移控制既簡單又有效。抽象控制結(jié)構(gòu)比顯式控制結(jié)構(gòu)：修改指令計(jì)數(shù)器的低級(jí)控制機(jī)制更好。

面向問題：程序員通過使用順序、選擇和重復(fù)的一般模式就能較好地表達(dá)控制語句執(zhí)行的意圖。高級(jí)語言控制結(jié)構(gòu)最終要由條件轉(zhuǎn)移和無條件轉(zhuǎn)移的低級(jí)代碼實(shí)現(xiàn)。與程序員無關(guān)，將由編譯器生成有效的機(jī)器代碼，因而采用高度抽象概念有利于程序設(shè)計(jì)。ifBthenSifBgotoB.true

gotoS.nextB.true:…S的代碼S.next:BSYNifBthenS1elseS2ifBgotoB.true

gotoB.falseB.true:…S1的代碼

gotoS.nextB.false:…S2的代碼S.next:BS1S2YNfor（i=1；iN；i++）Si:=1；again:ifiNgotoB.truegotoS.next

B.true:…

S的代碼i:=i+1；

goto

againS.next:

計(jì)算機(jī)科學(xué)先驅(qū)EdsgerWybeDijkstra1930年出生在荷蘭鹿特丹市。Dijkstra曾是開發(fā)Algol的委員會(huì)成員。編寫了第一個(gè)Algol60編譯器。他發(fā)明或幫助定義的概念包括結(jié)構(gòu)化編程、堆棧、向量、信號(hào)量和同步過程。29

1968年，提出并寫下了一篇著名的論文：《GoTo語句是有害的》。1972年，Dijkstra榮獲美國計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì)的圖靈獎(jiǎng)。2002年8月6日，去世，享年72歲。Dijkstra精彩言論編程的藝術(shù)就是處理復(fù)雜性的藝術(shù)。優(yōu)秀的程序員很清楚自己的能力是有限的，所以他對(duì)待編程任務(wù)的態(tài)度是完全謙卑的，特別是，他們會(huì)象逃避瘟疫那樣逃避“聰明的技巧”——1972年圖靈獎(jiǎng)演講計(jì)算機(jī)科學(xué)是應(yīng)用數(shù)學(xué)最難的一個(gè)分支，所以如果你是一個(gè)蹩腳的數(shù)學(xué)家，最好留在原地，繼續(xù)當(dāng)你的數(shù)學(xué)家。實(shí)際上如果一個(gè)程序員先學(xué)了BASIC，那就很難教會(huì)他好的編程技術(shù)了：作為一個(gè)可能的程序員，他們的神經(jīng)已經(jīng)錯(cuò)亂了，而且無法康復(fù)。就語言的使用問題：根本不可能用一把鈍斧子削好鉛筆，而換成十把鈍斧子會(huì)使事情變成大災(zāi)難。簡單是可靠的先決條件。30大多數(shù)程序設(shè)計(jì)語言提供goto語句，這是隨意修改程序計(jì)數(shù)器值的抽象。

Dijkstra于1968年發(fā)表了著名論文，論述了goto語句對(duì)程序設(shè)計(jì)的影響。結(jié)論：包含許多goto語句的程序隱含許多出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。關(guān)于goto語句大多數(shù)語言提供了豐富的控制結(jié)構(gòu)，通常也提供了goto語句。語言提供怎樣的控制結(jié)構(gòu)?

對(duì)這個(gè)問題仍然有爭議。

一些語言（

如Java）吸取了Diikstra的建議，廢棄goto語句，使程序邏輯更加清晰。但為了實(shí)現(xiàn)控制轉(zhuǎn)移，特別設(shè)計(jì)了break

語句和continue

語句，從而實(shí)現(xiàn)“有節(jié)制”地使用goto語句?；仡機(jī)語言的處理方法。控制結(jié)構(gòu)的選擇至今仍不清楚究竟應(yīng)該提供哪些專門的控制結(jié)構(gòu)，才能更好地滿足程序設(shè)計(jì)的所有需要。雖然各種語言建立了多種多樣的控制結(jié)構(gòu)，但至今沒有一種語言的控制結(jié)構(gòu)是令人滿意的。Bohm和Jacopini于1966

年在理論上證明，使用順序、選擇和重復(fù)就可對(duì)計(jì)算機(jī)所有可能的算法進(jìn)行編碼。因此，這3種結(jié)構(gòu)組成了控制結(jié)構(gòu)的有效集合。然而，僅僅使用這3種控制結(jié)構(gòu)寫出的程序不太直觀。實(shí)際上，增加一些控制結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式（如：增加多重選擇case，do-while,repeat-until等）,雖然在理論上是多余的，但這樣的確能提高程序的可寫性和可讀性。3.3單元級(jí)控制結(jié)構(gòu)單元級(jí)控制結(jié)構(gòu)：規(guī)定程序單元之間控制流程的機(jī)制38在程序順序執(zhí)行的過程中，遇到一個(gè)分程序，就建立一個(gè)新的引用環(huán)境，并執(zhí)行這個(gè)分程序。更強(qiáng)的機(jī)制允許程序員通過顯式調(diào)用單元（例如函數(shù)和過程），把控制從一個(gè)單元轉(zhuǎn)移到另一個(gè)單元。四種單元級(jí)控制結(jié)構(gòu)

顯式調(diào)用從屬單元異常處理協(xié)同程序并發(fā)單元這種類型的調(diào)用覆蓋所有的子程序：

FORTRAN

語言的子程序和函數(shù)

PASCAL

語言的函數(shù)和過程

C語言的函數(shù)

…都屬于顯式調(diào)用。一.顯式調(diào)用從屬單元每個(gè)子程序（函數(shù)、過程）都有一個(gè)名字，通過名字進(jìn)行程序單元的調(diào)用。執(zhí)行調(diào)用語句時(shí)將控制轉(zhuǎn)向被調(diào)用單元，被調(diào)用單元執(zhí)行完后，又將控制返回主調(diào)用單元，并繼續(xù)執(zhí)行緊跟在調(diào)用語句后面的語句（返回地址）。子程序B子程序Areturn…callBendA返回地址當(dāng)控制從調(diào)用單元轉(zhuǎn)向被調(diào)用單元時(shí)，還可進(jìn)行參數(shù)傳遞。參數(shù)傳遞可實(shí)現(xiàn)單元之間的通信。單元之間的通信也可以通過全局變量或非局部變量來進(jìn)行（副作用）參數(shù)傳遞每次調(diào)用允許傳遞不同的數(shù)據(jù)(實(shí)際參數(shù))，為單元間的通信提供了靈活性。也提高了程序的可讀性和可修改性。參數(shù)的兩種綁定方式在大多數(shù)程序的子程序調(diào)用中，使用

位置對(duì)應(yīng)方法實(shí)現(xiàn)實(shí)參與形參的綁定。subprogramS(Fl，F(xiàn)2

，…

，F(xiàn)N)；

……子程序調(diào)用方式callS(Al，A2

，…

，AN)；位置方法表示實(shí)參Ai綁定形參Fi位置參數(shù)綁定方式很方便。在參數(shù)比較多，又允許多個(gè)參數(shù)省略的情況下，很容易出錯(cuò)。設(shè)N=10，且第2,4,5,6,7,9個(gè)形參對(duì)應(yīng)的實(shí)參都省略，那么callS(Al,,A3,,,,,A8,,A10)

很可能把逗號(hào)的位置弄錯(cuò)。多一個(gè)逗號(hào)或少一個(gè)逗號(hào)都會(huì)造成形參與實(shí)參的綁定錯(cuò)誤，同時(shí)也降低了程序的可讀性。為了克服上述缺點(diǎn)，有些語言顯式列出相應(yīng)實(shí)參與形參的綁定關(guān)系。callS(A1=>F1,A3=>F3,A8=>F8,A10=>F10)在參數(shù)可省略(缺省參數(shù))的情況下，一般都要在過程（或函數(shù)）首部做出專門的規(guī)定:指出以什么樣的特定值（缺省值）來替代省略的實(shí)參。C++的缺省參數(shù)intSHOW(char*s,intx=0,inty=0){…}在子程序調(diào)用中，

副作用和別名也會(huì)影響程序的可讀性，容易導(dǎo)致程序出錯(cuò)。對(duì)非局部環(huán)境的修改①副作用降低了程序的可讀性②副作用限制了數(shù)學(xué)運(yùn)算律的使用如:w:=x+f(x,y)+z③副作用影響目標(biāo)代碼的優(yōu)化如:u:=x+z+f(x,y)+f(x,y)+x+zx、y為變參z為全局變量3.副作用

534.別名在單元激活期間,兩個(gè)變量表示(共享)同一數(shù)據(jù)對(duì)象對(duì)非局部環(huán)境的修改。①FORTRAN的EQUIVALENCE語句，EQUIVALENCE(A,B)②Pascal的變參使得形參和實(shí)參共享同一數(shù)據(jù)對(duì)象③C++的引用參數(shù)

54procedureswap(varx,y:integer);beginx:=x+y;y:=x-y;x:=x-y;end;

調(diào)用swap(a,a);swap(b[i],b[j]);若i=jswap(p,q);若p、q指向同一數(shù)據(jù)對(duì)象55voidswap(int&x,int&y){x:=x+y;y:=x-y;x:=x-y;}procedureswap(varx:integer);/*a是全局變量*/beginx:=x+a;a:=x-a;x:=x-a;end;調(diào)用swap(a);將產(chǎn)生不正確的結(jié)果③變參和全局變量表示同一數(shù)據(jù)對(duì)象時(shí)，也會(huì)引起別名

56④別名也影響編譯器生成優(yōu)化的代碼

a:=(x-y*z)+w/*若a與x、y或z中任

b:=(x-y*z)+u

一個(gè)是別名*/

⑤別名的消除

.廢除可能引起別名的結(jié)構(gòu)

.限制使用指針、變參、全局變量、數(shù)組等

57二.隱式調(diào)用單元異常處理

隱式地將控制從一個(gè)單元轉(zhuǎn)向到另一個(gè)單元，通常有于異常處理異常是指導(dǎo)致程序正常執(zhí)行中止的事件，要靠發(fā)信號(hào)來引發(fā)，用異常條件來表示，并發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)，引發(fā)相應(yīng)的程序。58早期語言中除PL/1外，通常沒有專門的異常條件及異常處理程序。后期開發(fā)的語言提供了異常處理機(jī)制，使涉及異常事件的處理獨(dú)立出來.

不包括在程序的主流程中，以保證程序的邏輯按基本算法進(jìn)行。（1）異常如何說明，它的作用域是什么？（2）異常如何發(fā)生（或如何發(fā)信號(hào)）？（3）發(fā)出異常信號(hào)時(shí)，如何規(guī)定要執(zhí)行的單元（異常處理程序）？（4）發(fā)出異常時(shí)，如何綁定相應(yīng)的異常處理程序？（5）處理異常之后，控制流程轉(zhuǎn)向何處？異常處理要考慮的問題

60在這些問題中，問題（5）的解決對(duì)語言處理異常機(jī)制的能力和可使用性有很大的影響。方法1語言設(shè)計(jì)中可能的基本選擇是，相應(yīng)的異常處理程序執(zhí)行完之后，允許控制返回發(fā)生異常事件的執(zhí)行點(diǎn)。在這種情況下，異常處理程序可對(duì)執(zhí)行的程序進(jìn)行“修補(bǔ)”，終止相應(yīng)的異常事件，以便程序繼續(xù)正常地執(zhí)行。解決了程序繼續(xù)執(zhí)行的問題，但并未真正消除發(fā)生異常的因素。方法2相應(yīng)的異常處理程序執(zhí)行完之后，終止引起異常的程序單元的執(zhí)行，由異常處理程序進(jìn)行控制的轉(zhuǎn)移。從概念上說，這意味著引起異常的單元不能恢復(fù)執(zhí)行；從實(shí)現(xiàn)的觀點(diǎn)來看，這意味著刪除異常單元的活動(dòng)記錄。1.PL/1異常處理2.CLU的異常處理3.Ada的異常處理自學(xué)，了解。4.C語言的出錯(cuò)處理實(shí)現(xiàn)出錯(cuò)處理的方法是將用戶函數(shù)與出錯(cuò)處理程序緊密地結(jié)合起來，但將造成出錯(cuò)處理使用的不方便和難以接受。用C標(biāo)準(zhǔn)庫的assert宏進(jìn)行出錯(cuò)處理使用allege函數(shù)在運(yùn)行時(shí)檢查錯(cuò)誤。allege函數(shù)對(duì)一些小型程序很方便，對(duì)于復(fù)雜的大型程序，所編寫的出錯(cuò)處理程序也將更加復(fù)雜。5．C++語言的異常處理異常處理是C++的一個(gè)主要特征，它提出了出錯(cuò)處理更加完美的方法。設(shè)置陷阱

拋出異常捕獲異常

trythrowcatchC++的異常處理語句的格式如下：try{…}catch(異常類型1){異常1處理程序}catch(異常類型2){異常2處理程序}……catch(異常類型n){異常n處理程序}Try{

//可能發(fā)現(xiàn)異常的語句塊}catch(異常類型,e){

//發(fā)生異常時(shí)候的執(zhí)行語句塊}

finnally{

//不管是否發(fā)生異常都執(zhí)行的語句塊}java異常處理

70三.

SIMULA67語言協(xié)同程序

定義：兩個(gè)或兩個(gè)以上程序單元之間交錯(cuò)地執(zhí)行,這樣的程序稱為協(xié)同程序。例如：設(shè)有程序單元C1和C2，由C1開始執(zhí)行，當(dāng)執(zhí)行到C1的“resumeC2”命令時(shí)，顯示激活C2，并將C1的當(dāng)前執(zhí)行點(diǎn)的現(xiàn)場保存起來，將控制C2的執(zhí)行點(diǎn)；若C2執(zhí)行到某個(gè)“resumeC1”語句，將C2的當(dāng)前執(zhí)