Базовые конструкции структурного программирования

В теории программирования доказано, что программу для решения задачи любой сложности можно составить только из трех структур: линейной, разветвляющейся и циклической. Эти структуры называются базовыми конструкциями структурного программирования.

Линейной называется конструкция, представляющая собой последовательное соединение двух или более операторов.

Ветвление – задает выполнение одного из двух операторов, в зависимости от выполнения какого либо условия.

Цикл – задает многократное выполнение оператора.

Следование	Ветвление	Цикл

Рис. 3 Базовые конструкции структурного программироваия

Целью использования базовых конструкций является получение программы простой структуры. Такую программу легко читать, отлаживать и при необходимости вносить в нее изменения. Структурное программирование также называют программированием без goto, т. к. частое использование операторов перехода затрудняет понимание логики работы программы. Но иногда встречаются ситуации, в которых применение операторов перехода, наоборот, упрощает структуру программы.

Операторы управления работой программы называют управляющими конструкциями программы. К ним относят:

· составные операторы;

· операторы выбора;

· операторы циклов;

· операторы перехода.

Оператор «выражение»

Любое выражение, заканчивающееся точкой с запятой, рассматривается как оператор, выполнение которого заключается в вычислении этого выражения. Частным случаем выражения является пустой оператор ; (точка с запятой).

i++;

a+=2;

x=a+b;

Составные операторы

К составным операторам относят собственно составные операторы и блоки. В обоих случаях это последовательность операторов, заключенная в фигурные скобки. Блок отличается от составного оператора наличием определений в теле блока.

{

n++;                                //это составной оператор

summa+=n;

}

{

int n=0;

n++;                               //это блок

summa+=n;

}

Операторы выбора

Операторы выбора – это условный оператор и переключатель.

1. Условный оператор имеет полную и сокращенную форму.

if (выражение-условие) оператор; //сокращенная форма

В качестве выражения-условия могут использоваться арифметическое выражение, отношение и логическое выражение. Если значение выражения-условия отлично от нуля (т. е. истинно), то выполняется оператор.

if (x<y&&x<z)min=x;

if (выражение-условие) оператор1;       //полная форма

else оператор2;

Если значение выражения-условия отлично от нуля, то выполняется оператор1, при нулевом значении выражения-условия выполняется оператор2.

if (d>=0)

{

x1=(-b-sqrt(d))/(2*a);

x2=(-b+sqrt(d))/(2*a);

cout<< “\nx1=”<<x1<<“x2=”<<x2;

}

else cout<<“\nРешения нет”;

2. Переключатель определяет множественный выбор.

switch (выражение)

{

case константа1 : оператор1 ;

case константа2 : оператор2 ;

. . . . . . . . . . .

[default: операторы;]

}

При выполнении оператора switch, вычисляется выражение, записанное после switch, оно должно быть целочисленным. Полученное значение последовательно сравнивается с константами, которые записаны следом за case. При первом же совпадении выполняются операторы, помеченные данной меткой. Если выполненные операторы не содержат оператора перехода, то далее выполняются операторы всех следующих вариантов, пока не появится оператор перехода или не закончится переключатель. Если значение выражения, записанного после switch, не совпало ни с одной константой, то выполняются операторы, которые следуют за меткой default. Метка default может отсутствовать.

#include <iostream.h>

void main()

{

int i;

cout<<"\nEnter the number";

cin>>i;

switch(i)

{

case 1:cout<<"\nthe number is one";

case 2:cout<<"\n2*2="<<i*i;

case 3: cout<<"\n3*3="<<i*i;break;

case 4: cout<<"\n"<<i<<" is very beautiful!";

default:cout<<"\nThe end of work";

}

}

Результаты работы программы:

1. При вводе 1 будет выведено:

The number is one

2*2=1

3*3=1

2. При вводе 2 будет выведено:

2*2=4

3*3=4

3. При вводе 3 будет выведено:

3*3=9

4. При вводе 4 будет выведено:

4 is very beautiful!

5. При вводе всех остальных чисел будет выведено:

The end of work

Операторы циклов

· Цикл с предусловием:

while (выражение-условие)

оператор;

В качестве <выражения-условия> чаще всего используется отношение или логическое выражение. Если оно истинно, т. е. не равно 0, то тело цикла выполняется до тех пор, пока выражение-условие не станет ложным.

while (a!=0)

{

cin>>a;

s+=a;

}

· Цикл с постусловием:

do

оператор

while (выражение-условие);

Тело цикла выполняется до тех пор, пока выражение-условие истинно.

do

{

cin>>a;

s+=a;

}

while(a!=0);

· Цикл с параметром:

for (выражение_1;выражение-условие;выражение_3)

оператор;

выражение_1 и выражение_3 могут состоять из нескольких выражений, разделенных запятыми. Выражение_1 – задает начальные условия для цикла (инициализация). Выражение-условие определяет условие выполнения цикла, если оно не равно 0, цикл выполняется, а затем вычисляется значение выражения_3. Выражение_3 – задает изменение параметра цикла или других переменных (коррекция). Цикл продолжается до тех пор, пока выражение-условие не станет равно 0. Любое выражение может отсутствовать, но разделяющие их « ; » должны быть обязательно.

1.

for ( n=10; n>0; n--)// Уменьшение параметра

{

оператор;

}

2.

for ( n=2; n>60; n+=13)// Изменение шага корректировки

{

оператор;

}

3.

for ( num=1;num*num*num<216; num++)//проверка условия отличного от
//того, которое налагается на число итераций

{

оператор;

}

4.

for ( d=100.0; d<150.0;d*=1.1)//коррекция с помощью
//умножения

{

оператор;

 }

5.

for (x=1;y<=75;y=5*(x++)+10)//коррекция с помощью
//арифметического выражения

{

оператор;

}

6.

for (x=1, y=0; x<10;x++;y+=x);//использование нескольких корректирующих выражений, тело цикла отсутствует

Операторы перехода

Операторы перехода выполняют безусловную передачу управления.

· break – оператор прерывания цикла.

{

оператор;

if (<выражение_условие>) break;

оператор;

}

Т. е. оператор break целесообразно использовать, когда условие продолжения итераций надо проверять в середине цикла.

// Найти сумму чисел, числа вводятся с клавиатуры до тех пор, пока не будет //введено 100 чисел или 0.

for(s=0, i=1; i<100;i++)

{

cin>>x;

if( x==0) break; // если ввели 0, то суммирование заканчивается

s+=x;

}

· continue – переход к следующей итерации цикла. Он используется, когда тело цикла содержит ветвления.

//Найти количество и сумму положительных чисел

for( k=0,s=0,x=1;x!=0;)

{

cin>>x;

if (x<=0) continue;

k++; s+=x;

}

· goto <метка> – передает управление оператору, который содержит метку.

В теле той же функции должна присутствовать конструкция:
<метка>:оператор;

Метка – это обычный идентификатор, областью видимости которого является функция. Оператор goto передает управления оператору, стоящему после метки. Использование оператора goto оправдано, если необходимо выполнить переход из нескольких вложенных циклов или переключателей вниз по тексту программы или перейти в одно место функции после выполнения различных действий.

Применение goto нарушает принципы структурного и модульного программирования, по которым все блоки, из которых состоит программа, должны иметь только один вход и только один выход.

Нельзя передавать управление внутрь операторов if, switch и циклов. Нельзя переходить внутрь блоков, содержащих инициализацию, на операторы, которые стоят после инициализации.

int k;

goto m;

. . .

{

int a=3,b=4;

k=a+b;

m: int c=k+1;

. . .

}

В этом примере при переходе на метку m не будет выполняться инициализация переменных a , b и k.

· return – оператор возврата из функции. Он всегда завершает выполнение функции и передает управление в точку ее вызова. Вид оператора:

return [выражение];

11. Примеры решения задач с использованием основных операторов С++

Решение задач по программированию предполагает выполнение ряда этапов:

1. Разработка математической модели. На этом этапе определяются исходные данные и результаты решения задачи, а также математические формулы, с помощью которых можно перейти от исходных данных к конечному результату.

2. Разработка алгоритма. Определяются действия, выполняя которые можно будет от исходных данных придти к требуемому результату.

3. Запись программы на некотором языке программирования. На этом этапе каждому шагу алгоритма ставится в соответствие конструкция выбранного алгоритмического языка.

4. Выполнение программы (исходный модуль ->компилятор ->объектный модуль -> компоновщик -> исполняемый модуль)

5. Тестирование и отладка программы. При выполнении программы могут возникнуть ошибки 3 типов:

· синтаксические – исправляются на этапе компиляции;

· ошибки исполнения программы (деление на 0, логарифм от отрицательного числа и т. п.) – исправляются при выполнении программы;

· семантические (логические) ошибки – появляются из-за неправильно понятой задачи, неправильно составленного алгоритма.

Чтобы устранить эти ошибки программа должна быть выполнена на некотором наборе тестов. Цель процесса тестирования – определение наличия ошибки, нахождение места ошибки, ее причины и соответствующие изменения программы – исправление. Тест – это набор исходных данных, для которых заранее известен результат. Тест выявивший ошибку считается успешным. Отладка программы заканчивается, когда достаточное количество тестов выполнилось неуспешно, т. е. программа на них выдала правильные результаты.

Для определения достаточного количества тестов существует два подхода. При первом подходе программа рассматривается как «черный ящик», в который передают исходные данные и получают результаты. Устройство самого ящика неизвестно. При этом подходе, чтобы осуществить полное тестирование, надо проверить программу на всех входных данных, что практически невозможно. Поэтому вводят специальные критерии, которые должны показать, какое конечное множество тестов является достаточным для программы. При первом подходе чаще всего используются следующие критерии:

1) тестирование классов входных данных, т. е. набор тестов должен содержать по одному представителю каждого класса данных:

2) тестирование классов выходных данных, набор тестов должен содержать данные достаточные для получения по одному представителю из каждого класса выходных данных.

При втором подходе программа рассматривается как «белый ящик», для которого полностью известно устройство. Полное тестирование при этом подходе заканчивается после проверки всех путей, ведущих от начала программы к ее концу. Однако и при таком подходе полное тестирование программы невозможно, т. к. путей в программе с циклами бесконечное множество. При таком подходе используются следующие критерии:

1) Тестирование команд. Набор тестов должен обеспечивать прохождение каждой команды не менее одного раза.

2) Тестирование ветвей. Набор тестов в совокупности должен обеспечивать прохождение каждой ветви не менее одного раза. Это самый распространенный критерий в практике программирования.

Программирование ветвлений

Задача №1. Определить, попадет ли точка с координатами (х, у ) в заштрихованную область.

Исходные данные: х,у

Результат: да или нет

Математическая модель:

Ok=I || II || III || VI, где I, II, III, IV – условия попадания точки в заштрихованную область для каждого квадранта.

Квадрант I: Область формируется прямыми 0Х и 0У, прямой, проходящей через точки (0,1)и(1,0) и прямой, проходящей через точки (0,3) и (2,0). 

Необходимо определить уравнения прямых у=ax+b. Решаем две системы уравнений:

1) 1=a*0+b; 0=a*1+b;

2) 2=a*0+b; 0=a*3+b;

Из этих систем получаем следующие уравнения прямых:

y=-1x+1;

y=-2/3x+1;

Тогда условие попадания точки в I квадрант будет выглядеть следующим образом:

y>=-x+1&&y<=-2/3x+2&&y>=0&&x>=0.

Квадранты II и III: Область формируется прямыми 0Х и 0У и двумя окружностями, описываемыми формулами x²+y²=1, x²+y²=9.

Тогда условие попадания точки во II и III квадранты будет выглядеть следующим образом:

x²+y²>=1&& x²+y²<=9&&&&x<=0.

Квадрант IV:

Область формируется двумя прямоугольниками. Точка может попадать либо в первый прямоугольник, либо во второй.

Условие попадания точки в IV квадрант будет выглядеть следующим образом:

(x>=0&&x<=1&&y<=-1&&y>=-3)|| (x>=1&&x<=3&&y<=0&&y>=-3) .

Программа:

#include <iostream.h>

#include <math.h>

void main()

{

float x,y;

cout<<"\nEnter x,y";

cin>>x>>y;

bool Ok=(y>=-x+1&&y<=2/3*x+2&&x>=0&&y>=0)||

(pow(x,2)+pow(y,2)>=1&&pow(x,2)+pow(y,2)<=9&&x<=0)||

(x>=0&&x<=1&&y<=-1&&y>=-3)||(x>=1&&x<=2&&y<=0&&y>=-3);

cout<<"\n"<<Ok;

}

Тесты: