Алгоритмизация и программирование

Алгоритм –

одно из фундаментальных понятий
в математике и программировании. Само слово
«алгоритм» (Algorithmi) происходит от имени
арабского математика, астронома и географа,
автора персидского учебника по математике
Абу Абд Аллах Мухаммед ибн Мусса аль- Хорезми (уроженца Хорезма) (750-850 гг.), впервые описавшего правила выполнения четырёх арифметических действий.

7.2. Понятие алгоритма

последовательности действий над заданным объектом, приводящее к достижению указанной цели

за конечное число шагов. Исполнителем может быть человек или устройство (в частности, процессор компьютера)

выстроены в четком, раз и навсегда определенном порядке через отдельные

шаги.
Понятность алгоритма - каждый шаг алгоритма обязательно представляет собой какое-либо допустимое действие исполнителя (т.е. алгоритм состоит только из предписаний, входящих в систему команд исполнителя).
Детерминированность (определенность) - каждое правило должно быть однозначным, т.е. на каждом шаге однозначно определен способ действий.

Свойства алгоритмов

завершения дает однозначно определенный результат.
Массовость - алгоритм должен быть как

можно более универсальным, подходящим для решения разных типов задач.
Эффективность - алгоритм должен быть выполнен не просто за конечное число операций, а за разумное конечное время.

поэтому язык для записи алгоритмов должен быть понятен компьютеру и

значит формализован (более строго описан). Такой язык принято называть языком программирования, а запись алгоритма на этом языке - программой для компьютера.

«сверху-вниз») и синтеза («снизу-вверх»). Первое предполагает первоначальную разработку алгоритма в

виде укрупненных блоков (разбиение задачи на подзадачи со связями между собой) и их постепенную детализацию (пошаговое разбиение алгоритма на все более мелкие части до уровня элементарных конструкций). Затем (после декомпозиции) проводится сборка блоков в единую программу (т.е. синтез).
принцип «от главного к второстепенному», предполагающий составление алгоритма, начиная с главной конструкции.
3) и принцип структурирования, т.е. использования только типовых алгоритмических структур.

с помощью словесного описания;
формульно-словесного;
на алгоритмическом языке;
с помощью графики и др.
Графическое

описание называется блок-схемой.

где каждому типу действий (вводу исходных данных, вычислению значений выражений,

проверке условий, управлению повторением действий, окончанию обработки и т.д.), соответствует геометрическая фигура, представленная в виде блока (последние соединяются линиями переходов, определяющими очередность выполнения
действий).

является самостоятельной, независимой от каких-либо условий (независимо от значений первичных

и промежуточных данных). Отображение алгоритма блок-схемой представляет линейную последовательность блоков, которые располагаются сверху вниз в порядке их выполнения.

(переход и ветвление)
Если – то - иначе
Если – то (обход)

(в зависимости от этого в каждом конкретном случае вычислительный процесс

реализуется только по одной ветви, выполнение остальных условий исключается).
Ветвящиеся процессы описываются оператором IF. Его структуру полной формы можно показать так:
IF <условие> THEN <оператор1>
ELSE <оператор2> - условный оператор;
IF <условие> THEN <оператор1> - условный оператор обхода

STEP h

NEXT x

Операторы цикла организуют повторное выполнение одних и тех же операторов несколько раз (при этом повторение происходит не в буквальном смысле, а каждый раз выполнение повторяемого участка программы происходит с использованием новых значений переменных).

Задаются первоначальное значение параметра цикла (например i = 1), конечное

значение (например i =< 100), и увеличение параметра на каждом шаге повторения (например, i = i + 1).

Существует две разновидности операторов цикла: оператор цикла с фиксированным числом повторений (детерминированный цикл) и операторы цикла с переменным числом повторений, зависящим от условий (итерационный цикл).

конечное значения параметров цикла; закономерность изменения параметра цикла на каждом

шаге его повторения; необходимое число повторений цикла. При выполнении вторых (когда количество повторений цикла предварительно неизвестно) выход из цикла происходит при достижении заданной точности вычислений (заданной величины) или числа, равного предварительно заданному (этот метод называется методом последовательных приближений). По структуре циклы делятся на простые и сложные. Простые циклы не содержат внутри себя других циклов. Сложные циклы при этом имеют один или несколько внутренних циклов и называются внешними. Циклы, которые включены (входят) во внешние циклы, называются внутренними.

обеспечения
Ввод программы в ЭВМ
Отладка программы
Разработка алгоритма
Запись алгоритма на языке

программирования

Если есть ошибки

Редактирование программы

Запуск и выполнение программы

Анализ полученных результатов

Конец

Начало

Да

Нет

алгоритма?

:= X + Y
вывод Y
переменная Y приняла значение 18. Укажите

число, которое являлось значением переменной X до начала работы алгоритма

созданные для общения человека с компьютером. Каждый язык программирования, равно

как и «естественный» язык (русский, английский и т.д.), имеет алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику.
Алфавит – фиксированный для данного языка набор основных символов, допускаемых для составления текста программы на этом языке.
Синтаксис – система правил, определяющих допустимые конструкции языка программирования из букв алфавита.
Семантика – система правил однозначного толкования отдельных языковых конструкций, позволяющих воспроизвести процесс обработки данных.

половине XX столетия. Также как и первые ЭВМ они были

довольно примитивны и ориентированы на численные расчеты.
Программы, написанные на ранних языках программирования, представляли собой линейные последовательности элементарных операций с регистрами, в которых хранились данные.

соответствовали современным машинным кодам или языкам ассемблера.
Такие языки принято называть

языками низкого уровня (низкоуровневыми языками)

языки программирования «высокого уровня» (высокоуровневые языки).
Они позволяли повысить эффективность труда

программистов за счет абстрагирования от конкретных деталей аппаратного обеспечения. Один оператор языка высокого уровня соответствовал последовательности из нескольких низкоуровневых команд. Программа – это набор директив, обращенных к компьютеру, такой подход к программированию получил название императивного.
Еще одной особенностью языков высокого уровня была возможность повторного использования ранее написанных программных блоков, выполняющих те или иные действия, посредством их идентификации и последующего обращения к ним, например по имени. Такие блоки получили название функций или процедур.

существенно уменьшилась. Платой за это стало появление специализированных программ, преобразующих

команды языков программирования в коды той или иной машины, или трансляторов, а также некоторая потеря в скорости вычислений, которая, компенсировалась существенным выигрышем в скорости разработки приложений и унификацией программного кода.

обработку и выполнение исходного кода программы),
компиляторы (преобразует всю программу

в модуль на машинном языке, после чего программа записывается в память компьютера и лишь потом исполняется).

реализующий вычислительные алгоритмы. Другой пример – язык APL, трансформировавшийся в

BPL и затем в C.
Примеры других языков программирования:
ALGOL, COBOL,
Pascal, Basic.

программированию, который до сих пор успешно конкурирует с императивным, а

именно, декларативный подход.
Суть подхода состоит в том, что программа представляет собой не набор команд, а описание действий, которые необходимо осуществить.
Этот подход существенно проще и прозрачнее формализуется математическими средствами, поэтому программы проще проверять на наличие ошибок (тестировать), а также на соответствие заданным требованиям (верифицировать).
Высокая степень абстракции также является преимуществом данного подхода. Фактически, программист оперирует не набором инструкций, а абстрактными понятиями, которые могут быть достаточно обобщенными.

с императивными в силу объективных трудностей эффективной реализации трансляторов. Программы

работали медленнее, однако они могли решать более абстрактные задачи с меньшими трудозатратами.
Примеры декларативных языков программирования: SML, Haskell, Prolog, LISP.

особенностью данного подхода является то, что любая программа, написанная на

таком языке, может интерпретироваться как функция с одним или несколькими аргументами. Такой подход дает возможность прозрачного моделирования текста программ математическими средствами.

F(x)

вход

выход

При этом текст программы представляет собой функцию, некоторые аргументы которой

можно также рассматривать как функции.
Типы отдельных функций, используемых в функциональных языках, также могут быть переменными. Таким образом обеспечивается возможность обработки разнородных данных (например, упорядочение элементов списка по возрастанию для целых чисел, отдельных символов и строк) или полиморфизм.

распределение памяти компьютера для хранения данных. При этом программист избавляется

от обязанности контролировать данные, а при необходимости может запустить функцию "сборки мусора" – очистки памяти от тех данных, которые больше не потребуются программе (обычно этот процесс периодически инициируется компьютером).

разработан и реализован в 1959 г. группой авторов под руководством

пионера в области искусственного интеллекта (ИИ) Джона Маккарти для исследования проблем ИИ.

успешно преодолен современными реализациями, в частности, рядом последних трансляторов языка

SML, включая и компилятор для среды Microsoft.NET.

логических высказываний. Языки логического программирования применимы:
в системах логического вывода, в

частности, для так называемых экспертных систем;
для описания правил принятия решений, например, в системах, ориентированных на поддержку бизнеса.

В 70-х годах возникла еще одна ветвь языков декларативного программирования, связанная с проектами в области искусственного интеллекта, а именно языки логического программирования.

предыдущей подцели при отрицательном результате анализа одного из вариантов в

процессе поиска решения (скажем, очередного хода при игре в шахматы), что избавляет от необходимости поиска решения путем полного перебора вариантов и увеличивает эффективность реализации.
Недостатки:
специфичность класса решаемых задач.
сложность эффективной реализации для принятия решений в реальном времени, скажем, для систем жизнеобеспечения.
В качестве примеров языков логического программирования можно привести Prolog (название возникло от слов PROgramming in LOGic) и Mercury.

появление объектно-ориентированного подхода к программированию (ООП) и соответствующего класса языков.
В

рамках данного подхода программа представляет собой описание объектов, их свойств (или атрибутов), совокупностей (или классов), отношений между ними, способов их взаимодействия и операций над объектами (или методов).

ориентированности, была Симула. В момент своего появления (в 1967 г.),

этот язык программирования предложил поистине революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др.
Большинство концепций ООП были развиты Аланом Кэйем и Дэном Ингаппсом в языке Smalltalk. Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования.

структуре, называемой объектом, данных и программ, которые обрабатывают эти данные.

Понятие объекта включает в себя параметры объекта (свойства) и программные средства для работы с ним (методы). По существу каждый объект представляет собой программный комплекс.
Однотипные объекты объединяются в классы

состояние и поведение. Объекты взаимодействуют посредством сообщений. Естественным образом выстраивается

иерархия объектов: программа в целом — это объект, для выполнения своих функций она обращается к входящим в неё объектам, которые, в свою очередь, выполняют запрошенное путём обращения к другим объектам программы.
Устойчивость и управляемость системы обеспечивается за счёт чёткого разделения ответственности объектов (за каждое действие отвечает определённый объект), однозначного определения интерфейсов межобъектного взаимодействия и полной изолированности внутренней структуры объекта от внешней среды (инкапсуляции).

исключая из рассмотрения незначимые.

работающие с ними, в классе и скрыть детали реализации от

пользователя.
При инкапсуляции объект заключается в непроницаемую оболочку, после чего его внутреннее устройство и механизмы работы становятся недоступными для вызывающей программы.
Объект отвечает за корректность реализации своих функциональных возможностей, а вызывающая объект программа – за корректность использования объекта.

основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью.
С

помощью механизма наследования одни классы объектов могут происходить от других.
Класс, от которого производится наследование, называется базовым или родительским. Новый класс – потомком, наследником или дочерним классом.
Дочерний класс способен унаследовать от своего родительского класса все его методы и свойства.
Потомок может унаследовать способности от нескольких родителей.

объектов, с выполнением этой процедуры способом, соответствующим каждому объекту в

иерархии.

форма записи.
Обращение к свойству объекта:
ОБЪЕКТ. СВОЙСТВО
Объекты характеризуются его

свойствами. Изменять свойства объектов можно с помощью оператора присвоения.
Обращение к методу объекта:
ОБЪЕКТ. МЕТОД
Метод служит для выполнения заданных действий над объектом.

На самом верхнем уровне иерархии находится приложение (Application).
Общие методы

для всех приложений: Add – добавить, Protect - защита, Close - закрыть, Open - открыть, Save – сохранить.
Объектная модель Excel представляет собой иерархию объектов, подчиненных одному объекту Application, который соответствует приложению Excel.

рабочая книга состоит из листов (WorkSheets). Они также являются самостоятельными

объектами, их можно создавать (Add), удалять (Delete) и выделять (Select). Add, Delete и Select – методы объекта WorkSheets.
Для обращения к данным, хранящимся на листах рабочих книг, используются объекты Range (диапазон ячеек) и Cells (ячейка).

назначения. Механизм наследования атрибутов и методов позволяет строить производные понятия

на основе базовых и таким образом создавать модель сколь угодно сложной предметной области с заданными свойствами.
Поддержка механизма обработки событий, которые изменяют атрибуты объектов и моделируют их взаимодействие в предметной области.
Перемещаясь по иерархии классов от более общих понятий предметной области к более конкретным (или от более сложных – к более простым) и наоборот, программист получает возможность изменять степень абстрактности или конкретности взгляда на моделируемый им реальный мир.
Использование ранее разработанных (возможно, другими коллективами программистов) библиотек объектов и методов позволяет значительно сэкономить трудозатраты при производстве программного обеспечения, в особенности типичного.
Объекты, классы и методы могут быть полиморфными, что делает реализованное программное обеспечение более гибким и универсальным.

трудности тестирования и верификации созданного программного обеспечения.

Наиболее известным примером объектно-ориентированного

языка программирования является язык C++, развившийся из императивного языка С. Его прямым потомком и логическим продолжением является язык С#. Другие примеры объектно-ориентированных языков программирования: Visual Basic, Eiffel, Oberon.

появление в 90-х годах целого класса языков программирования, которые получили

название языков сценариев или скриптов.
В рамках данного подхода программа представляет собой совокупность возможных сценариев обработки данных, выбор которых инициируется наступлением того или иного события (щелчок по кнопке мыши, попадание курсора в определенную позицию, изменение атрибутов того или иного объекта, переполнение буфера памяти и т.д.). События могут инициироваться как операционной системой (в частности, Microsoft Windows), так и пользователем.
Основные достоинства языков данного класса унаследованы от объектно-ориентированных языков программирования. Это интуитивная ясность описаний, близость к предметной области, высокая степень абстракции, хорошая переносимость.

сценарными языками от объектно-ориентированных предков.
Существенным преимуществом языков сценариев является их

совместимость с передовыми инструментальными средствами автоматизированного проектирования (CASE-средствами) и быстрой реализации программного обеспечения RAD-средствами.
Одним из наиболее передовых инструментальных комплексов, предназначенных для быстрой разработки приложений, является
Microsoft Visual Studio.NET.

сценариев унаследовали и ряд недостатков. Это сложность тестирования и верификации

программ.

Характерные примеры сценарных языков программирования: VBScript, PowerScript, LotusScript, JavaScript.

языки поддержки параллельных вычислений.
Программы, написанные на этих языках, представляют собой

совокупность описаний процессов, которые могут выполняться как в действительности одновременно, так и в псевдопараллельном режиме. В последнем случае устройство, обрабатывающее процессы, функционирует в режиме разделения времени, выделяя время на обработку данных, поступающих от процессов, по мере необходимости (а также с учетом последовательности или приоритетности выполнения операций).

при обработке больших массивов информации, поступающих от одновременно работающих пользователей,

либо имеющих высокую интенсивность (как, например, видеоинформация или звуковые данные высокого качества).
Другой весьма значимой областью применения языков параллельных вычислений являются системы реального времени, в которых пользователю необходимо получить ответ от системы непосредственно после запроса. Такого рода системы отвечают за жизнеобеспечение и принятие ответственных решений.

относительно небольших программ широкого (например, бытового) применения зачастую нерентабельно.
Примерами языков

программирования с поддержкой параллельных вычислений могут служить Ada, Modula-2 и Oz.

языки первого поколения: машинно–ориентированные с ручным управлением памятью компьютеров первого

поколения.
– языки второго поколения: с мнемоническим (символьным) представлением команд, так называемые автокоды.
– языки третьего поколения: общего назначения, используемые для создания прикладных программ любого типа. Например, Бейсик, Кобол, Си и Паскаль.
– языки четвертого поколения: усовершенствованные, разработанные для создания специальных прикладных программ, для управления базами данных.
– языки программирования пятого поколения: языки декларативные, объектно–ориентированные и визуальные. Например, Пролог, ЛИСП (используется для построения программ с использованием методов искусственного интеллекта), Си++, Visual Basic, Delphi.

непроцедурные.
В процедурных языках программа явно описывает действия, которые необходимо выполнить,

а результат задается только способом получения его при помощи некоторой процедуры, которая представляет собой определенную последовательность действий.
Среди процедурных языков выделяют в свою очередь структурные и операционные языки.
В структурных языках одним оператором записываются целые алгоритмические структуры: ветвления, циклы и т.д.
В операционных языках для этого используются несколько операций. Широко распространены следующие структурные языки: Паскаль, Си, Ада, ПЛ/1. Среди операционных известны Фортран, Бейсик.
Непроцедурное (декларативное) программирование включает функциональные и логические языки.