程序设计实践指导-朱明方.docx-道客多多

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1、程序设计实践指导朱明方赵莼善雷田玉编著清华大学出版社( 京 ) 新登字 158 号内容提要本书旨在帮助广大读者在程序设计的实践中掌握程序设计的基本知识 , 提高程序设计的能力。全书共分 7 章。第 1 至 4 章是程序设计的基础训练。第 1、 2 章归纳了程序设计的基本要求和基本方法 , 第 3章简要介绍了常用算法和数据结构 , 第 4 章总结了程序调试与

2、测试的主要方法。第 5 至 7 章以电路和力学中的一些内容为背景 , 给出应用问题程序设计的思路和关键步骤。第 5 章重点归纳了自动建立电路方程的常用方法 , 第 6 章简要介绍了非线性电阻电路的求解问题 , 第 7 章结合力学中的一些例子介绍了一般工程领域中的程序设计问题。全书各章内容相对独立 , 并给出相应的例题和练习题 , 读者可以根

4、302-02344-1 . 程 . 朱 . 程序设计 -方法 . T P311. 11中国版本图书馆 CIP 数据核字 ( 96) 第 19392 号出版者 : 清华大学出版社 ( 北京清华大学校内 , 邮编 100084)印刷者 : 北京市清华园胶印厂发行者 : 新华书店总店北京科技发行所开本 : 787 1092 1/ 16 印张 : 14. 75 字数 : 350 千字版次 : 1997 年 1 月第 1 版 1997 年 1 月第 1 次印刷书号 : ISBN

5、7-302-02344-1/ T P1165印数 : 00016000定价 : 15. 60 元前言实践是学习程序设计的重要环节 , 要掌握好程序设计的基本方法和技术 , 需要不断丰富理论知识 , 更需要不断积累实践经验。因此 , 在学习了程序设计的基本知识并进行了初步的上机练习之后 , 还需要进行大量的程序设计的训练。通过这些训练 , 可以深入理解和掌握程序设计的基本

6、知识、基本方法和技术 , 并把它们与应用问题结合起来 , 逐步积累经验 , 最终达到能够用计算机解决实际问题的目的。本书正是为这种训练的需要而编写的。本书是在教学中多年使用的程序设计训练习题与指导讲义的基础上修改、补充而成的 , 以具有程序设计初步知识的读者为对象 , 内容包括从程序设计基本要求到实际应用问题程序设计所涉

7、及的基本知识、方法和一些关键步骤 , 以及针对各章不同的训练要求所给出的典型示例。第 1 至 4 章是程序设计的基础训练。第 1, 2 章针对初步学过程序设计语言的读者 , 归纳了程序设计的基本要求和基本方法。第 3 章概要地介绍了常用算法和数据结构 , 这一部分的训练要求读者具有计算机算法和数据结构的基本知识。第 4 章总结程序调试

8、与测试的主要方法 , 这是程序设计的重要环节 , 就训练而言读者更多地要解决程序调试问题 , 因此读者更要注重程序调试能力的培养和训练。第 5 至 7 章是针对实际应用问题的程序设计训练。考虑到通用性 , 这部分以应用较广泛的电路、力学中的一些知识为背景。第 5 章围绕分析、求解线性电路的程序设计问题 , 在归纳总结有关电路与网络图

9、论的一些基本概念的基础上 , 着重讨论了求解电路的关键步骤自动建立电路方程的常用方法。对于方程组的求解问题 , 因为第 3 章中已有介绍 , 此章不作重点讨论。第 6 章简单介绍了非线性电阻电路的数值求解方法牛顿 -拉夫逊法 , 以及由此建立的友网络模型。第 7 章结合力学方面的一些应用例子 , 说明一般工程领域中计算与数据处理方面的

10、程序设计问题。全书各章都给出了进行训练所需要的练习题 , 练习中的有些问题可以用具体的数据进行验证 , 这些验证所需要的数据由教师指定 , 或由练习者自行选定。本书第 1 至 4 章由朱明方编写 , 第 5, 6 章由赵莼善编写 , 其中练习题部分由其所在的基本电工教研组电路教学组编写 , 第 7 章由雷田玉编写 , 全书由朱明方定稿。本书的编写与出

11、版得到了清华大学电子工程系教务科的鼓励和支持 , 得到了清华大学出版社的大力帮助 , 在此表示衷心的感谢。由于编写者的水平所限 , 书中难免存在一些问题和错误 , 恳请读者批评指正。作者1996 年 4 月目录第 1 章程序设计的基本要求 11.1 程序设计的基本概念和一般步骤 11.1.1 什么是程序设计 11.1.2 程序设计的一般步骤 21.2 程序的质量 6

12、1. 2. 1 程序的正确性与可靠性 71. 2. 2 程序的简明性 71. 2. 3 程序的有效性 91. 2. 4 程序的可维护性 101. 2. 5 程序的适应性 111.3 实践学习程序设计的重要环节 13练习题 15第 2 章程序设计的基本方法 172.1 结构化程序设计方法 172. 1. 1 结构化程序设计方法的提出 172. 1. 2 结构化程序的基本结构 192. 1. 3 自顶向下和逐步细化的设

13、计方法 312.2 模块化程序设计方法 332. 2. 1 模块的划分 342. 2. 2 模块之间的结构 362.3 程序设计的风格 372. 3. 1 什么是程序的风格 372. 3. 2 设计的风格 382. 3. 3 语言运用的风格 392. 3. 4 程序正文表示的风格 422. 3. 5 输入输出的方式与格式 462.4 程序设计举例 47练习题 60第 3 章常用算法与数据结构 623.1 常用算法概要 623. 1.

14、 1 计算机算法及其描述 62 3. 1. 2 数值计算中的常用算法 673.2 基本数据结构 763. 2. 1 线性表及其顺序存储结构 763. 2. 2 线性表的链式存储结构链表 783. 2. 3 栈和队列 803. 2. 4 数组与矩阵的压缩存储 833. 2. 5 二叉树的基本概念 873.3 常用的查找与排序方法 933. 3. 1 基本查找方法 933. 3. 2 常用排序方法 973.4 程序例 105练习题

15、 127第 4 章程序的调试与测试 1304.1 程序的调试 1304. 1. 1 程序调试的一般步骤 1304. 1. 2 程序调试的实验方法 1364. 1. 3 程序调试的推理技术 1394.2 程序的测试 1414. 2. 1 程序测试的基本概念 1414. 2. 2 程序测试的常用方法 1454. 2. 3 程序测试的层次 149练习题 156第 5 章线性电路求解及计算机辅助分析简介 1595.1 基础部分 1595.

16、 1. 1 基本定律 1595. 1. 2 线性电路的基本分析方法 1615. 1. 3 例题分析 1625.2 网络图论和网络方程 1665. 2. 1 网络图论的一些基本概念 1665. 2. 2 支路约束及基尔霍夫定律的矩阵形式 1685. 2. 3 节点法 1705. 2. 4 改进节点法 1715. 2. 5 例题分析 1715.3 建立节点电压方程的关联矩阵法 1775.4 建立节点电压方程的直接法 180练习题 1

17、84 一般科学计算问题的程序设计 1977. 1. 1 实例之一 : 公式计算 1977. 1. 2 实例之二 : 求解方程的根 2007. 1. 3 实例之三 : 求解代数方程组 2057. 1. 4 实例之四 : 求解微分方程 209数据处理方面的程序设计 2127. 2. 1 数据的输入 2127. 2. 2 均值和方差 2137. 2. 3 频数分布与累计频数分布 2147. 2. 4 工程上的曲线拟合问题 2157. 2. 5

18、数据库与数据管理 217第 6 章非线性电阻电路的数值求解方法 1896.1 非线性电阻元件及电路方程的列写 1896. 1. 1 非线性电阻元件 1896. 1. 2 非线性电阻电路的方程 1896.2 非线性方程和非线性方程组的求解 1916. 2. 1 非线性方程的求解牛顿迭代法 1916. 2. 2 非线性方程组的求解牛顿 -拉夫逊法 1936.3 用友网络模型法求解非线性电阻电

19、路 194练习题 195第 7 章一般工程领域应用问题的程序设计 1977.1 7.2 7.3 应用问题计算程序的一般结构 2197. 3. 1 子程序 2197. 3. 2 主程序 2197.4 原始数据的处理 221练习题 224主要参考文献 229 第 1 章程序设计的基本要求1.1 程序设计的基本概念和一般步骤1.1.1 什么是程序设计说起程序设计 , 初学者住往想到就是用计算机语言写出一些语

20、句。然而 , 对程序设计的这种理解却是非常片面、很不完整的。实际上 , 写出程序的语句 , 只是程序设计的一部分工作 , 而且就工作量而言是很小的一部分工作。在程序设计过程中 , 写出程序之前及其以后都有许多重要的工作必须做。那么 , 究竟什么是程序设计呢 ? 对于这个问题可以从不同的角度予以回答。简单地说 , 程序设计是将事先确

21、定的解题步骤 , 用计算机指令或计算机所能理解的语言描述出来的过程。这里 , 我们应理解为确定解题步骤及用计算机语言描述这两个方面。为了用计算机语言把求解问题的过程描述出来 , 在确定解题步骤时 , 一方面要反映问题本身的计算要求 , 同时又要考虑方便计算机语言的描述。而计算要求又必须建立在正确的计算模型上 , 因此 , 程序

22、设计工作事实上从拿到问题的时候就开始了。它包括分析问题、建立数学模型、确定算法与数据结构、程序编写、程序测试等一系列的工作 , 直至交出一个可用的程序。正因为如此 , 我们说程序设计是一项涉及到多方面内容的工作 , 是把复杂问题的求解转换为计算机能执行的简单操作的过程。为了完成这个过程 , 除了对实际问题进行抽象以

23、外 , 还要设计适合于计算机求解的算法 , 有了正确的算法才能编写出解决问题的程序。另一方面 , 程序的处理对象是数据 , 每个数据都有一定的特性 , 而且数据之间还会有一定的联系 , 因而当处理的数据对象比较复杂时 , 我们必须仔细地分析数据以及它们之间的联系 , 把它们合理地组织起来 , 即要选择合适的数据结构。确定的数据结构不同 ,

24、程序中采用的处理方法也不一样。这也就是说 , 算法与数据结构是人们用计算机求解问题时所要作的两种抽象。算法是从计算机的操作出发对解题过程的抽象 , 数据结构是从对被处理数据对象的组织出发对问题的抽象。这两种抽象互相依赖 , 互相补充 , 从而有效地降低问题的复杂性 , 达到解决问题的目的。这就是程序设计的实质性工作和真

25、正的涵义。著名计算机科学家沃思 ( W ir th) 曾对程序作过精辟的描述 :“程序就是在数据的某些特定的表示方式和结构的基础上 , 对抽象算法的具体描述。 ”他对程序的这个定义亦即指出了程序设计的实质。在程序设计中 , 除了算法和数据结构以外 , 程序设计方法也是关系程序设计成败和影响程序设计质量的重要因素。好的程序设计方法可以

26、使设计者思路清楚 , 程序结构清晰 , 可以用较短的时间设计出正确的程序 , 并且所设计的程序容易验证其正确性 , 容易扩充 , 便于维护。显然 , 易验证、易扩充性等都是程序设计的目标。为了提高程序设计的效率和质量 , 设计出满意的程序 , 选择使用各种优质的软件工具、改善程序设计的工作环境是非常重要的。这些工具包括算法描述的工具

27、、计算机语言、1程序输入、调试、测试等工具软件。正如用先进的仪器设备可以生产出先进的产品 , 可以完成高、精、尖的科学实验一样 , 有了良好的环境和工具 , 就为设计高质量的程序提供了方便条件。综上所述 , 程序设计不仅要设计算法 , 确定数据结构 , 还涉及到程序设计方法和设计工具的选择。因此 , 有人用以下的公式来描述程序设计

28、 :程序设计 = 算法 + 数据结构 + 方法 + 工具这是对程序设计涵义的深刻揭示。1.1.2 程序设计的一般步骤如前所述 , 程序设计涉及到多方面的内容 , 它包括从拿到问题直至得到正确结果这样一个过程。这个过程可以分成若干步骤或者叫若干阶段 , 在程序设计中 , 设计者应该有计划、有条理地逐步进行。但是 , 有的初学者往往不重视一些必要的步

29、骤 , 一拿到问题就想直接写出解题的程序。这是一种很不好的习惯和作风 , 这样是很难写出高质量的程序来的。就好像一个人写文章 , 在正式开始下笔之前未推敲提纲 , 没有对文章的详、略、开头、结尾等进行认真的思考和合理的安排 , 很难写出好文章一样。对于设计程序 , 这种 “拿来就写 ”的做法 , 说明程序员没有掌握程序设计的一般步骤

30、。正如写作文有分析题意 , 选材 , 构思 , 列出粗提纲 , 列出细提纲 , 开始写作文这样一些规律性的步骤一样 , 设计程序也有一个常规的、通用的步骤。学习程序设计必须首先了解这些步骤 , 并且在不断的练习和实践中逐渐掌握它们。为了使初学者了解和掌握程序设计的基本规律和步骤 , 并具有良好的程序设计的作风 , 为设计大型的、高质量的

31、程序打下基础 , 下面就一般规模的程序设计步骤作一些介绍。程序设计的基本步骤如图 1.1 所示。1. 明确所要解决的问题图 1.1 程序设计基本步骤这是拿到问题以后首先要做的工作 , 其目的是确切地搞清楚问题的性质、任务和要求 , 分析任务的规模及效益。这一步要确定解决问题的方针 , 决定解决问题的出发点和目的地。通过对问题的分析 , 明

32、确所要达到的目的 , 在分析已知条件 ( 包括问题中所给的条件和现有的计算机系统条件 ) 的基础上 , 根据问题的性质确定解决问题的方针和对策。比如 , 根据条件决定要不要把问题分解 ; 分析有哪些因素会影响处理的结果 ; 在时间、空间和精度等因素发生矛盾的时候要决定如何取舍 , 等等。对任务、要求分析得越充分、越透彻 , 以后各步的

33、工作就会越顺利。22. 分析问题 , 建立计算模型对问题进行具体分析 , 找出内在的联系与规律 , 再经过一定的简化和抽象 , 用数学语言进行描述 , 建立起正确的计算模型。这是程序设计中十分重要的一步 , 通过这一步要把实际的物理问题转化为数学问题 , 要从实际问题中抽象出数据之间的关系。对于数值计算问题要建立起数学模型 , 对于非数值

34、处理问题则借助于 “数据结构 ”建立起数据模型。从本质上说 , 数据模型是某种数据关系的模式 , 因此 , 建立数据模型也就是建立数学模型。这里所说的计算模型是一个比数学模型更广泛的概念 , 在软件工程中还要用到其他的模型 , 但就初学者来说 , 主要是建立数学模型的问题。解决科学计算方面的问题 , 一般不需要程序员自己去建立数学模

35、型 , 而是用已有的基本模型去完成本问题的映射。设计者的主要任务是把实际问题归结到某种基本模型上 , 还要善于在不同的情况下利用不同的基本模型。已有的各种公式、定律、定理等都是基本的数学模型。例如 , 一个电路网络的求解 , 经过分析 , 可以抽象为解联立方程组 , 这就是电路网络问题的数学模型。当然这个数学模型的建立是比较

36、容易的 , 这是因为在电路原理中已经给我们总结了可循的规律。如果不是纯计算问题 , 尤其在非数值领域 , 程序员有时要自己去建立数学模型或数据模型 , 这就需要设计者付出更多的努力来解决计算模型的问题。为说明这一点 , 我们举一个实例。猎人带着狗、兔和白菜要乘小船渡河 , 但因船太小 , 一次只能带一样。因为狗能吃兔 , 兔要吃菜 ,

37、所以狗和兔 , 兔和菜都不能在无人监视的情况下留在一起。现要找出既能安全渡河 , 又使往返监送次数最少的方案。这个问题要设计程序来解决 , 关键是要找到将其转换为数学问题的思路 , 即建立起计算模型。用人工解决这个问题的时候 , 可以凭着狗、兔、白菜这些概念以及它们之间不相容的情况 , 找出求解该问题的方案。比如 , 可以通过

38、图 1.2 所示的 7 步来完成从本岸图 1.2 猎人渡河过程3到对岸的运送。图中 ,“本岸 ”表示开始渡河以前 , 猎人、狗、兔和白菜所在的一岸 ;“对岸 ”表示猎人带着狗、兔和白菜最终要到达的河岸 , 即 “目的 ”河岸。要设计程序 ( 系统不支持汉字的情况下 ) 来解决上述问题 , 则要以不同的 “标志 ”分别代表狗、兔、白菜 , 为方便起见 , 可以取 1、 2、 3 分别

39、代表狗、兔、白菜。这样取数的目的 , 是要把狗、兔、菜两两在一起时 , 相容与不相容的情况区分开。可以看出 , 当两数之差为 1 时为不相容情况 , 两数之差为 2 时则是表示相容的情况。显然在程序中是容易判别它们的。这就是实际问题向数学问题的转化 , 也是建立该问题的计算模型的过程。具体实现时 , 程序中可以用两个数组分别代表本

40、岸和对岸 , 用一个变量代表小船 , 1、 2、 3 分别代表狗、兔、和白菜。本岸数组中的数 1、 2、 3 通过小船变量传送给对岸数组 , 对岸数组中的数也会送回给本岸数组 ( 当到达对岸的两者不相容时 , 要将其中之一送回本岸 ) 。在每次从数组中取出或向数组存入的时候 , 要检查数组中的数是否相容 , 若不相容则试取另一个数 , 或交换一个数 , 使留

41、在本岸或对岸数组中的数总是相容或者只有一个。这个例子中 , 对问题的抽象和向数学问题的转化都是比较简单的 , 但通过它可以说明非数值计算问题如何通过设计程序来解决。3. 确定数据结构 , 选择或设计算法这一步要确定计算机解决所给问题的方法与步骤。对于数值计算问题 , 因为通常情况下数据量不是特别大 , 所以 , 主要是解决采用何

42、种计算方法及在计算机上实现的算法的问题。对于非数值处理问题 , 往往数据量比较大 , 数据的组织合理与否 , 对计算机处理的效率影响很大 , 因此 , 必须很好地考虑和安排数据的组织形式 , 即确定数据结构。同时 , 针对所采用的数据结构采取相应的计算机算法。前已述及 , 程序设计的根本问题是解决算法与数据结构的问题 , 可见这一步的

43、重要性。计算机算法是一个专门的研究课题 , 人们已总结出许多经验和规律 , 有许多问题 , 特别是数值计算问题已有一些现成的算法可以选用。但也有一些问题其算法没有 “现成的模式 ”可以照搬 , 而需要自己去设计 , 设计算法有时并非易事。在计算机算法课程中讨论了一些常用的算法和一些基本的规律 , 但要真正掌握它 , 还要经过大量的实

44、践。数据结构要研究和讨论的问题也很多 , 对基本数据结构的掌握和应用也要以大量的实践为基础。第 3 章中的练习正是为了加强以上两方面的训练。4. 根据算法画出流程图这一步是对算法进行具体描述 ; 并用选定的程序设计语言 , 根据流程图编写程序。画出流程图的过程是把算法具体化的过程 , 也是使算法向程序靠近的过程。根据逐步细化的

45、方法 , 画流程图是从粗到细分为不同层次的 , 当流程图细到能与程序语句对应时 , 就可以进行程序编写了。当然 , 对每一步画出的流程图都必须进行正确性检查 , 避免程序中的逻辑错误。这里需要说明一点 : 为了方便结构化程序设计 ( 关于结构化程序设计方法 , 将在第 2 章中专门练习 ) , 程序流程图要画成结构化流程图。在开始学习程序设计

46、时就学习画结构化流程图 , 对学会结构化程序设计是非常重要的。4在画出流程图以后 , 根据程序流程图编写程序 , 这个过程称为编码或代码设计。这一过程是将流程图中的各基本结构转换为程序语言的语句描述。在编写程序时 , 设计者应该正确、合理地使用语言的语句和语法规则 , 这就要求设计者要熟练掌握所用的语言。为了提高程序设计

47、的质量 , 增强程序的易读性 , 还应该使程序设计风格化。关于程序的风格将在第 2 章中讨论和练习。5. 程序的调试与测试一个程序编写完以后 , 往往不能保证完全正确 , 而需要经过反复的检查和修改 , 这一步骤叫做程序的调试。程序的调试是程序设计的一个重要环节 , 程序调试的工作量和所花费的时间 , 往往要比编写程序大得多 , 而且它具有

48、很强的技术性和经验性。因此它也是学习程序设计时需要予以足够重视的基本技能。每个程序的功能和复杂程度不同 , 其调试的难易也不一样 , 但就一般情况而言 , 程序调试总需要一些基本的步骤。人们已总结出一些常用的程序调试方法。为了验证程序的正确性还要对程序的结构和功能进行测试。程序的测试与程序调试有密切的联系 , 但又有

49、区别 , 它也有常用的方法。对于初学者来说 , 因为程序的规模小 , 也比较简单 , 程序的调试与测试是不易区分的 , 但从学习程序设计的要求出发 , 还是应该了解并掌握程序测试的基本方法。关于程序调试和测试的问题将在第 4 章中专门讨论。6. 正式运行程序在程序调试和测试完成以后 , 就可以正式运行程序了。对于小程序来说 , 这一步只要送入正式数据 , 得到必要的运算结果就达到目的了。但对比较大的程序而言 , 程序在正式运行后还有维护的问题。在一个大型程序交付运行之后 , 有可

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