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第五章、詳細設(shè)計結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計詳細設(shè)計的工具
Jackson程序設(shè)計方法詳細設(shè)計階段:根本目標是確定應(yīng)該怎樣具體地實現(xiàn)所要求的系統(tǒng)。詳細設(shè)計的任務(wù)不是編寫程序,而是要設(shè)計出程序的“藍圖”,便于以后根據(jù)這個藍圖寫出實際的程序代碼。結(jié)構(gòu)程序設(shè)計結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計主要包括兩方面:(1)在設(shè)計程序時,強調(diào)使用幾種基本控制結(jié)構(gòu),通過組合嵌套,形成程序的控制結(jié)構(gòu)。盡可能避免使用GOTO語句。(2)在程序設(shè)計過程中,盡量采用自頂向下和逐步細化的原則,由粗到細,一步步展開。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的主要原則
使用語言中的順序、選擇、重復(fù)等有限的基本控制結(jié)構(gòu)表示程序邏輯。
選用的控制結(jié)構(gòu)只準許有一個入口和一個出口。
程序語句組成容易識別的塊,每塊只有一個入口和一個出口。
復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)該用基本控制結(jié)構(gòu)進行組合嵌套來實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的主要原則例打印A,B,C三數(shù)中最小者的程序程序1
if(A<
B)
gotob12;
if(
B<
C)gotob11;b10:printf(“%d”,C);
gotob14;b11:printf(“%d”,B);
gotob14;b12:if(A
<
C)gotob13;
gotob10;b13:printf(“%d”,A);b14:…
程序2
if(A
<B
and
A<C)
printf(“%d”,A);
else{ if(A
B
and
B
<C)
printf(“%d”,
B);
else
printf(“%d”,
C);}自頂向下,逐步求精
在詳細設(shè)計和編碼階段,應(yīng)當采取自頂向下,逐步求精的方法。
把一個模塊的功能逐步分解,細化為一系列具體的步驟,進而翻譯成一系列用某種程序設(shè)計語言寫成的程序。自頂向下,逐步求精例,用篩選法求100以內(nèi)的素數(shù)
篩選法就是從2到100中去掉2,3,…,9,10的倍數(shù),剩下的就是100以內(nèi)的素數(shù)。
為了解決這個問題,可先按程序功能寫出一個框架。main
(){//程序框架
建立2到100的數(shù)組A[],其中A[i]=i;
-----------------------------------1
建立2到10的素數(shù)表B[],其中存放2到10以內(nèi)的素數(shù);-----------2
若A[i]=i是B[]中任一數(shù)的倍數(shù),則剔除A[i];---------------------3
輸出A[]中所有沒有被剔除的數(shù);
-----------------------------------4}
main(){
/*建立2到100的數(shù)組A[],其中A[i]=i*/
for(i=2;i<=100;i++)A[i]=i;
/*建立2到10的素數(shù)表B[],其中存放2到10以內(nèi)的素數(shù)*/
B[1]=2;B[2]=3;B[3]=5;B[4]=7;
/*若A[i]=i是B[]中任一數(shù)的倍數(shù),則剔除A[i]*/
for(j=1;j<=4;j++)
檢查A[]所有的數(shù)能否被B[j]整除并將能被整除的數(shù)從A[]中剔除;-----3.1
/*輸出A[]中所有沒有被剔除的數(shù)*/
for(i=2;i<=100;i++)
若A[i]沒有被剔除,則輸出之
---4.1}對框架中的局部再做細化,得到整個程序。main(){
/*建立2到100的數(shù)組A[],其中A[i]=i*/
for(i=2;i<=100;i++)A[i]=i;
/*建立2到10的素數(shù)表B[],其中存放2到10以內(nèi)的素數(shù)*/
B[1]=2;B[2]=3;B[3]=5;B[4]=7;
/*若A[i]=i是B[]中任一數(shù)的倍數(shù),則剔除A[i]*/
for(j=1;j<=4;j++)
/*檢查A[]所有的數(shù)能否被B[j]整除并將能被整除的數(shù)從A[]中剔除*/for(i=2;i<=100;i++)
if(A[i]/B[j]*B[j]==A[i])
A[i]=0;
/*輸出A[]中所有沒有被剔除的數(shù)*/
for(i=2;i<=100;i++)
/*若A[i]沒有被剔除,則輸出之*/
if(A[i]!=0)
printf(
“A[%d]=%d\n”,i,A[i]);
}
符合人們解決復(fù)雜問題的普遍規(guī)律??商岣哕浖_發(fā)的成功率和生產(chǎn)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的過程開發(fā)出來的程序具有清晰的層次結(jié)構(gòu),程序容易閱讀和理解自頂向下,逐步求精方法的優(yōu)點:
程序自頂向下,逐步細化,分解成一個樹形結(jié)構(gòu)。在同一層的節(jié)點上的細化工作相互獨立。有利于編碼、測試和集成
程序清晰和模塊化,使得在修改和重新設(shè)計一個軟件時,可復(fù)用的代碼量最大
每一步工作僅在上層節(jié)點的基礎(chǔ)上做不多的設(shè)計擴展,便于檢查
有利于設(shè)計的分工和組織工作。自頂向下,逐步求精方法的優(yōu)點:
在詳細設(shè)計階段,要決定各個模塊的實現(xiàn)算法,并精確地表達這些算法。表達過程規(guī)格說明的工具叫做詳細設(shè)計工具,它可以分為以下三類:圖形工具表格工具語言工具詳細設(shè)計的工具
程序流程圖也稱為程序框圖,程序流程圖使用五種基本控制結(jié)構(gòu)是:程序流程圖示例程序流程圖的標準符號循環(huán)的標準符號注解的使用多出口判斷實例分析:在一個只能用2個字節(jié)表示整數(shù)的計算機上,求10000!是多少位數(shù)N-S圖:1973年,Nassi和Shneiderman發(fā)表了題為“結(jié)構(gòu)化程序的流程圖技術(shù)”的文章,提出用方框圖(blockdiagram)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的流程圖,引起了人們的重視,根據(jù)這兩位創(chuàng)始人的名字,許多人把它簡稱為N-S圖(N-Schart)。N-S的主要特色,就是只能描述結(jié)構(gòu)化程序所允許的標準結(jié)構(gòu),根本取消了表現(xiàn)諸如含有GOTO語句的非標準結(jié)構(gòu)的手段。N-S圖:優(yōu)點是:(1)所有的程序結(jié)構(gòu)均用方框來表示,無論并列或者嵌套,程序的結(jié)構(gòu)清晰可見。(2).不可能任意轉(zhuǎn)移控制。
(3).很容易確認局部和全局數(shù)據(jù)的作用域。
(4).很容易表示嵌套關(guān)系。
N-S圖也叫做盒圖。五種基本控制結(jié)構(gòu)由五種圖形構(gòu)件表示。N-S圖:示例N-S圖的嵌套定義形式實例分析:在一個只能用2個字節(jié)表示整數(shù)的計算機上,求10000!是多少位數(shù)問題分析圖(PAD)PAD圖是日本日立公司于1979年提出的一種算法描述工具,它是一種由左往右展開的二維樹型結(jié)構(gòu)。PAD圖的控制流程為自上而下,從左往右地執(zhí)行。優(yōu)點:(1)清晰地反映了程序的層次結(jié)構(gòu)。(2)支持逐步求精的設(shè)計方法,左邊層次中的內(nèi)容可以抽象,然后由左到右逐步細化。(3)易讀易寫,使用方便。(4)支持結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計原理。(5)可自動生成程序。問題分析圖(PAD)
PAD也設(shè)置了五種基本控制結(jié)構(gòu)的圖式,并允許遞歸使用。PAD描述的示例
對應(yīng)于增量型循環(huán)結(jié)構(gòu)
for
i:=n1
to
n2
step
n3
do
在PAD中有相應(yīng)的循環(huán)控制結(jié)構(gòu)PAD的擴充控制結(jié)構(gòu)
判定表用于表示程序的靜態(tài)邏輯
在判定表中的條件部分給出所有的兩分支判斷的列表,動作部分給出相應(yīng)的處理
要求將程序流程圖中的多分支判斷都改成兩分支判斷
能夠清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的動作之間的對應(yīng)關(guān)系
判定表無多分支判斷結(jié)構(gòu)
列出與一個具體過程(或模塊)有關(guān)的所有處理。
列出過程執(zhí)行期間的所有條件(或所有判斷)。
將特定條件取值組合與特定的處理相匹配,消去不可能發(fā)生的條件取值組合。
將右部每一縱列規(guī)定為一個處理規(guī)則,即對于某一條件取值組合將有什么動作。
建立判定表的步驟:判定樹
判定樹是判定表的變種,也能清晰地表示復(fù)雜的條件組合與應(yīng)做的動作之間的對應(yīng)關(guān)系。
優(yōu)點在于,它的形式簡單到不需要任何說明,一眼說可以看出其含義
易于掌握和理解
判定樹實例分析:假設(shè)某航空公司規(guī)定,乘客可以免費托運重量不超過30公斤的行李。當行李重量超過30公斤時,對頭等倉的國內(nèi)乘客超重部分每公斤收費4元,對其他倉的國內(nèi)乘客超重部分每公斤收費6元,國外乘客加收1倍,殘疾乘客減半行李費算法行李重量W>30行李重量W<=30免費國內(nèi)乘客國外乘客頭等艙其他艙頭等艙其他艙殘疾乘客正常乘客(w-30)*2(w-30)*4殘疾乘客正常乘客(w-30)*3(w-30)*6殘疾乘客正常乘客(w-30)*4(w-30)*8殘疾乘客正常乘客(w-30)*6(w-30)*12PDL(ProgramDesignLanguage)也稱程序描述語言(ProgramDescriptionLanguage,PDL),又稱為偽碼(pseudocode)。屬于文字形式的表達工具。它并非真正的代碼,也不能在計算機上執(zhí)行,但形式上與代碼相似。它是一種用于描述模塊算法設(shè)計和處理細節(jié)的語言。PDL具有嚴格的關(guān)鍵字外層語法,用于定義控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和模塊接口,而它表示實際操作和條件的內(nèi)層語法又是靈活自由的,使用自然語言的詞匯。
PDL是一種用于描述功能模塊的算法設(shè)計和加工細節(jié)的語言。稱為設(shè)計程序用語言。它是一種偽碼。
偽碼的語法規(guī)則分為“外語法”和“內(nèi)語法”。
PDL具有嚴格的關(guān)鍵字外語法,用于定義控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),同時它的表示實際操作和條件的內(nèi)語法又是靈活自由的,可使用自然語言的詞匯。
PDL(ProgramDesignLanguage)PROCEDURE
spellcheck
IS
BEGIN
splitdocumentintosinglewords
loodupwordsindictionary
displaywordswhicharenotindictionary
createanewdictionary
END
spellcheck
示例:拼詞檢查程序
提供全部結(jié)構(gòu)化控制結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)說明和模塊特征。能對PDL正文進行結(jié)構(gòu)分割,使之變得易于理解。
為了區(qū)別關(guān)鍵字,規(guī)定關(guān)鍵字一律大寫,其它單詞一律小寫?;蛘咭?guī)定關(guān)鍵字加下劃線,或者規(guī)定它們?yōu)楹隗w字。PDL的特點:
內(nèi)語法使用自然語言來描述處理特性。內(nèi)語法比較靈活,只要寫清楚就可以,不必考慮語法錯,以利于人們可把主要精力放在描述算法的邏輯上。
有數(shù)據(jù)說明機制,包括簡單的(如標量和數(shù)組)與復(fù)雜的(如鏈表和層次結(jié)構(gòu))的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
有子程序定義與調(diào)用機制,用以表達各種方式的接口說明。PDL的特點:PROCEDUREspellcheckBEGIN
--*splitdocumentintosinglewords
LOOP
getnextword
addwordtowordlistinsortorder
EXITWHEN
allwordsprocessed
ENDLOOP
--*lookupwordsindictionary
LOOP
getwordfromwordlist
使用PDL語言,逐步求精:
IF
wordnotindictionary
THEN
--*displaywordsnotindictionary
displayword
promptonuserterminal
IF
userresponsesayswordOK
THEN
addwordtogoodwordlist
ELSE
addwordtobadwordlist
ENDIF
ENDIF
EXITWHEN
allwordsprocessed
ENDLOOP
使用PDL語言,逐步求精:--*createanewwordsdictionary
dictionary:=
mergedictionaryandgoodwordlistEND
spellcheck使用PDL語言,逐步求精:模塊開發(fā)文件夾是組織和保存在軟件開發(fā)過程中不斷產(chǎn)生出來的文檔資料的一種有效方法,用這種方法保存和管理文檔既方便又容易查閱。文件夾名(1)文件夾說明(工程項目名稱、模塊名稱、程序人員、完成日期、源程序、模塊的描述、設(shè)計、編碼、測試文檔名)(2).文檔:模塊詳細設(shè)計、程序清單、測試方案、測試分析報告
概要設(shè)計中面向數(shù)據(jù)流的設(shè)計方法與之對應(yīng)的詳細設(shè)計還可以采用面向數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法
Jackson方法的主要工具-Jackson圖
Jackson圖表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的三種邏輯關(guān)系(順序,選擇,循環(huán))。Jackson程序設(shè)計方法ABCDAB。.C。AB*順序,選擇,循環(huán)D。順序選擇循環(huán)改進的JACKSON順序,選擇,循環(huán)ABCDAB。.C。D。順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)S(i)AB。._。AB*循環(huán)I(i)
無論數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還是程序結(jié)構(gòu),都限于三種基本結(jié)構(gòu)及它們的組合,因此他給出了三種基本結(jié)構(gòu)的表示。這三種基本結(jié)構(gòu)不僅可以表示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),還可以表示程序結(jié)構(gòu)。
便于表示層次結(jié)構(gòu),而且是對結(jié)構(gòu)進行自頂向下分解的有力工具
形象直觀JACKSON的優(yōu)點:Jackson方法一般通過以下五個步驟來完成設(shè)計:
分析并確定輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu),并用Jackson結(jié)構(gòu)圖表示這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
找出輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中有對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)單元。“對應(yīng)關(guān)系”指這些數(shù)據(jù)單元在數(shù)據(jù)內(nèi)容上、數(shù)量上和順序上有直接的因果關(guān)系,對于重復(fù)的數(shù)據(jù)單元,重復(fù)的次序和次數(shù)都相同才有對應(yīng)關(guān)系。
按一定的規(guī)則由輸入、輸出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)導出程序結(jié)構(gòu)。
列出基本操作與條件,并把它們分配到程序結(jié)構(gòu)圖的適當位置。
用偽代碼寫出程序。改進的JACKSON順序,選擇,循環(huán)及偽碼ABCD順序結(jié)構(gòu)AseqBCDAendKeywordsAB。.C。D。選擇結(jié)構(gòu)Aselectcond1BAorcond2CAorcond3DAendSelectorandend為keywords,cond1、cond2、cond3為條件AB*循環(huán)I(i)Aiteruntil(或while)condBAendIteruntilwhileend是關(guān)鍵詞Cond為條件實例分析一個正文文件有若干記錄組成。每個記錄是一個字符串。要求統(tǒng)計每個記錄中的空格個數(shù),以及文件中空格字符的總數(shù)。要求的輸入數(shù)據(jù)的格式是:每復(fù)制一行字符串之后,另起一行打印出這個串中的空格數(shù),最后打印出字符的總數(shù)。正文文件字符串*字符*空格。非空格。輸出表格表格體空格總數(shù)串信息*字符串空格數(shù)IISI輸入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輸出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)步驟1+2統(tǒng)計空格程序體印總數(shù)處理字符串*印字符串分析字符串印空格數(shù)分析字符*處理空格*處理非空格*IIS步驟3步驟4(1).停止(2).打開文件(3).關(guān)閉文件(4)印字符串(5).印出空格數(shù)目(6)印空格總數(shù)(7).Sum:=Sum+1(8).Totalsum:=Totalsum+Sum(9)讀入字符串(10).Sum:=0(11).Totalsum:=0(12).Pointer:=1(13).Pointer:=Pointer+1I(1)文件結(jié)束I(2)字符串結(jié)束S(3)字符是空格程序復(fù)雜性度量程序復(fù)雜性主要指模塊內(nèi)程序的復(fù)雜性。它直接關(guān)聯(lián)到軟件開發(fā)費用的多少,開發(fā)周期的長短和軟件內(nèi)部潛伏錯誤的多少。減少程序復(fù)雜性,可提高軟件的簡單性和可理解性,并使軟件開發(fā)費用減少,開發(fā)周期縮短,軟件內(nèi)部潛藏錯誤減少。復(fù)雜性度量需要滿足的假設(shè)為了度量程序復(fù)雜性,要求:它可以用來計算任何一個程序的復(fù)雜性;對于不合理的程序,例如對于長度動態(tài)增長的程序,或者對于原則上無法排錯的程序,不應(yīng)當使用它進行復(fù)雜性計算;如果程序中指令條數(shù)、附加存儲量、計算時間增多,不會減少程序的復(fù)雜性。
三種程序復(fù)雜度度量方法代碼行度量法McCabe度量法Halstead的軟件科學代碼行度量法源代碼行數(shù)度量法基于兩個前提:
程序復(fù)雜性隨著程序規(guī)模的增加不均衡地增長;控制程序規(guī)模的方法最好是采用分而治之的辦法。將一個大程序分解成若干個簡單的可理解的程序段。方法的基本考慮是統(tǒng)計一個程序模塊的源代碼行數(shù)目,并以源代碼行數(shù)做為程序復(fù)雜性的度量。設(shè)每行代碼的出錯率為每100行源程序中可能有的錯誤數(shù)目。Thayer曾指出,程序出錯率的估算范圍是從0.04%~7%之間,即每100行源程序中可能存在0.04~7個錯誤。他還指出,每行代碼的出錯率與源程序行數(shù)之間不存在簡單的線性關(guān)系。
Lipow指出,對于小程序,每行代碼出錯率為1.3%~1.8%;對于大程序,每行代碼的出錯率增加到2.7%~3.2%之間,這只是考慮了程序的可執(zhí)行部分,沒有包括程序中的說明部分。Lipow及其他研究者得出一個結(jié)論:對于少于100個語句的小程序,源代碼行數(shù)與出錯率是線性相關(guān)的。隨著程序的增大,出錯率以非線性方式增長。
McCabe度量法McCabe度量法,又稱環(huán)路復(fù)雜性度量,是一種基于程序控制流的復(fù)雜性度量方法。它基于一個程序模塊的程序圖中環(huán)路的個數(shù),因此計算它先要畫出程序圖。程序圖是退化的程序流程圖。流程圖中每個處理都退化成一個結(jié)點,流線變成連接不同結(jié)點的有向弧。程序圖僅描述程序內(nèi)部的控制流程,完全不表現(xiàn)對數(shù)據(jù)的具體操作,以及分支和循環(huán)的具體條件。計算環(huán)路復(fù)雜性的方法:根據(jù)圖論,在一個強連通的有向圖G中,環(huán)的個數(shù)由以下公式給出:
V(G)=m-n+p
其中,V(G)是有向圖G中環(huán)路個數(shù),m是圖G中弧數(shù),n是圖G中結(jié)點數(shù),p是圖G中的強連通分量個數(shù)。為使圖成為強連通圖,從圖的入口點到出口點加一條用虛線表示的有向邊,使圖成為強連通圖。這樣就可以使用上式計算環(huán)路復(fù)雜性。在例示中,結(jié)點數(shù)n=11,弧數(shù)m=13,p=1,則有
V(G)=m-n+p=13-11+1=3.等于程序圖中弧所封閉的區(qū)域數(shù)。
幾點說明環(huán)路復(fù)雜度取決于程序控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。當程序的分支數(shù)目或循環(huán)數(shù)目增加時其復(fù)雜度也增加。環(huán)路復(fù)雜度與程序中覆蓋的路徑條數(shù)有關(guān)。環(huán)路復(fù)雜度是可加的。例如,模塊A的復(fù)雜度為3,模塊B的復(fù)雜度為4,則模塊A與模塊B的復(fù)雜度是7。
McCabe建議,對于復(fù)雜度超過10的程序,應(yīng)分成幾個小程序,以減少程序中的錯誤。Walsh用實例證實了這個建議的正確性。在McCabe復(fù)雜度為10的附近,存在出錯率的間斷躍變。McCabe環(huán)路復(fù)雜度隱含的前提是:錯誤與程序的判定加上例行子程序的調(diào)用數(shù)目成正比。加工復(fù)雜性、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、錄入與打亂輸入卡片的錯誤可以忽略不計。這種度量的缺點是:對于不同種類的控制流的復(fù)雜性不能區(qū)分
簡單IF語句與循環(huán)語句的復(fù)雜性同等看待
嵌套IF語句與簡單CASE語句的復(fù)雜性是一樣的
模塊間接口當成一個簡單分支一樣處理一個具有1000行的順序程序與一行語句的復(fù)雜性相同
Halstead的軟件科學Halstead軟件科學研究確定計算機軟件開發(fā)中的一些定量規(guī)律,它采用以下一組基本的度量值。這些度量值通常在程序產(chǎn)生之后得出,或者在設(shè)計完成之后估算出。程序長度(預(yù)測的Halstead長度)
令n1表示程序中不同運算符(包括保留字)的個數(shù),令n2表示程序中不同運算對象的個數(shù),令H表示“程序長度”,則有
H=n1
log2n1+n2
log2n2這里,H是程序長度的預(yù)測值,它不等于程序中語句個數(shù)。
在定義中,運算符包括:算術(shù)運算符賦值符(=或:=)邏輯運算符分界符(,或;或:)關(guān)系運算符括號運算符子程序調(diào)用符數(shù)組操作符循環(huán)操作符等。特別地,成對的運算符,例如
“BEGIN…END”、“FOR…TO”、“REPEAT…UNTIL”、“WHILE…DO”、“IF…THEN…ELSE”、“(…)”等都當做單一運算符。
運算對象包括變量名和常數(shù)。實際的Halstead長度
設(shè)N1為程序中實際出現(xiàn)的運算符總個數(shù),N2為程序中實際出現(xiàn)的運算對象總個數(shù),N為實際的Halstead長度,則有
N=
N1+
N2
程序的詞匯表
Halstead定義程序的詞匯表為不同的運算符種類數(shù)n1和不同的運算對象種類數(shù)n2的總和。若令n為程序的詞匯表,則有
n=
n1+n2
例如,用FORTRAN語言寫出的交換排序的例子
SUBROUTINESORT(X,N)
DIMENSIONX(N)
IF(N.LT.2)RETURN
DO20I=2,N
DO10J=1,I
IF(X(I).GE.X(J))GOTO10
SAVE=X(I)
X(I)=X(J)
X(J)=SAVE
10CONTINE
20CONTINE
RETURN
END
程序量程序量
V可用下式得到
V
=
N
log2n
它表明了程序在詞匯上的復(fù)雜性。其最小值為
V*=(2+n2*)
log2(2+n2*)V
這里,2表明程序中至少有兩個運算符:賦值符=和函數(shù)調(diào)用符
f(),n2*表示輸入/輸出變量個數(shù)。
對于上面的例子,利用n1,N1,n2,N2,可以計算得
H=10
log210+7
log27=52.87N=28+22=50
V=(28+22)
log2(10+7)=204等效的匯編語言程序的V=328。這說明匯編語言比FO
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