第5章 计算机程序设计
• 教学内容与目标：
    本章主要介绍程序设计基础知识、程序设计的一般过程和程序设计语言，重点介绍了面向过程程序设计、面向对象程序设计和可视化程序设计的特点，并结合C、C++、Java、VB等语言介绍这些程序设计方法的具体应用。学习本章内容，要求对已上所述程序设计的有关知识和方法有一个较全面的了解，为将来进行具体深入的学习做好准备。
• 教学重点、难点：
本章重点是面向过程程序设计、面向对象程序设计和可视化程序设计的特点，难点是面向对象的程序设计。
• 教学方法
本章教学采用教师讲授，多媒体辅助演示的方法，尽量在较短的时间内，全面展现计算机程序设计的过程和各种方法。
• 教学过程：
一、  概述
1．程序设计基础
    计算机之所以能自动连续地进行工作，最根本的原因在于“存储程序”和“程序控制”。
    “存储程序”——就是把计算机处理问题的步骤用计算机能够识别的指令编写出来，并送入计算机内部的存储器存储起来。
    “程序控制”——就是把事先存储好的程序从存储器取出来，送入CPU执行，计算机才能按照人的意图自动完成指定的工作。因此，程序就是为解决某一问题而编写的语句集合，是将一个实际问题的具体操作用某种程序设计语言描述出来的指令序列。编写程序的过程就是程序设计。程序设计语言就是计算机能够理解和执行的特殊语言。
2．程序设计的一般过程
    概括地说，程序设计就是分析问题、编写程序、调试程序的过程。用计算机解决实际问
题的基本过程如下图所示。
    程序设计步骤如下：
  （1）分析要解决的问题，明确任务
  （2）分析问题，建立数学模型，并选择合适的解决方案
  （3）确定数据结构和算法：数据结构 ＋ 算法 = 程序
  （4）编写程序
  （5）调试程序
  （6）整理资料，交付使用
3．程序设计语言
    程序设计语言是人们根据描述问题的需要而设计的，是计算机能够直接识别的语言，有一套固定的符号和语法规则，是人与计算机交流所使用的“语言”。
    程序设计语言可分成机器语言、汇编语言和高级语言。前两类依赖于计算机硬件，因机器而异，又称为低级语言，而高级语言与计算机硬件基本无关，是目前使用非常广泛的程序设计语言。
    机器语言
    机器语言是一种用二进制数“0”和“1”表示计算机各种操作的程
序设计语言。一条机器指令能够控制计算机执行一种操作。
    计算机能够直接理解和执行使用机器语言编写的程序，执行速
度快，占用内存少；但难于记忆，编程困难，可读性差，容易出错。机器语言是面向机器的语言，可移植性极差。
    汇编语言
汇编语言是一种用助记符来表示各个基本操作的程序设计语言。如用ADD表示加法操作，SUB表示减法操作等。
汇编语言的出现，大大减少了程序编写、阅读、修改、维护等方面的工作量，但汇编语言也是一种面向机器的语言，计算机不能直接执行，通用性和可移植性差，必须经过汇编程序翻译成机器语言程序后才能在计算机上执行，需要程序员对计算机内部结构非常了解。
    高级语言
  高级语言是一种用接近自然语言和数学语言的语法、符号描述基本操作的程序设计语言。
  高级语言编写的程序不依赖于具体的机器，程序员编程时无需关心计算机内部的细节，从而大大提高了编程效率。计算机不能直接执行使用高级语言编写的程序，需用专门的翻译程序将其转换成机器语言程序后才能执行。
  目前，使用较广泛的高级语言有C、C++、Visual Basic、Visual C++、Power Builder、Java、Delphi、ASP、JSP、PHP、Visual Foxpro等。
4．程序设计发展概况
20世纪60年代，由于程序好坏的评价标准是指令少，运行速度快，占用内存少。这使程序
员过分追求语言的表述能力和技巧，程序员往往将注意力集中在问题求解本身，而无暇顾及求解的过程，很少考虑程序结构的合理性和可扩展性。软件开发主要依赖程序员的个人经验，缺乏科学理论和方法作指导，开发出的软件或程序只能靠测试来检查错误，这些因素使得许多大型软件崩溃，软件开发周期长，生产效率低，可靠性及可维护性差，20世纪60年代末最终引发了“软件危机”。
    思考问题：程序调试能否保证程序正确？怎样保证程序正确？程序好坏的评价标准是什么？科学指导程序设计的原理和方法是什么？
    1968年，E.W.Dijkstra指出：Goto语句是有害的，它造成了程序结构的混乱，高级语言程序设计应取消Goto语句，并由此引发了关于程序设计首先是讲究好的结构，还是讲究效率的讨论。
4．程序设计发展概况
    Dijkstra还提出了结构化程序设计思想、概念和标准，希望通过程序静态结构的良好性来保证程序的正确性，并提出了“程序测试只能发现程序中的错误而不能保证程序无错误”的科
学论断。同时，Wirth也提出了自顶向下、逐步求精的程序设计方法，将一个复杂的问题分解成若干个相互独立的、简单的模块，再将模块分解成更简单的子模块，直到所有问题能用程序设计语言简单方便地解决。采用这种程序设计方法，能有效地控制程序设计的复杂性，有益于提高程序设计的效率。
20世纪80年代，Gries综合了各种程序设计理论和方法的成果，完成了“The Science of Programming”一书，首次把程序设计从经验、技巧上升为科学，使程序设计从此步入了科学的轨道。
二、面向过程程序设计
1．概述
    面向过程程序设计有三种基本结构：顺序结构、选择结构和循环结构，又称“结构化程序设计”。程序一般由一个主程序（或主函数）和若干个子程序（或函数）组成。程序设计的首要问题是“设计过程”。
    后来，人们将程序按功能划分成若干个基本模块，各模块在功能上相对独立，这就是“模
块化程序设计”。但它仍属于面向过程的程序设计。它把数据和过程分离成两个相互独立的实体，程序员必须时刻注意所处理的数据，对不同数据作相同处理或对相同数据作不同处理，都要重新编程，程序的可重用性不好。
  面向过程程序设计中过程的实现取决于数据结构。如果一个数据结构发生变化，将导致许多函数和过程重写。有时几个关键的数据结构发生变化，将导致整个软件系统的结构崩溃。
2．基于C语言的面向过程程序设计
    C语言是国际上广泛流行的程序设计语言，适合作为系统描述语言，既可用来写系统软件，也可用来写应用软件。特点如下：
  （1）是一种高级语言，但它又提供了低级语言的功能。
  （2）提供丰富的数据类型，可以实现各种数据结构。
  （3）提供了丰富的运算符，表达式类型多样化。
  （4）是结构化的程序设计语言。
  （5）生成的目标代码质量高，程序执行效率高。
  （6）可移植性好，可以用于各种类型的计算机和操作系统中。
  （7）设有预处理功能，提高了程序的可读性和可移植性。
  （8）语法限制不太严格，程序设计自由度大。
  综上所述，C语言是一种功能很强的语言，但对程序员要求较高。程序员使用C语言编写程序会感到限制少，灵活性大，可以编写任何类型的程序。
    【例5.1】
三、面向对象程序设计
1．概述
    传统程序设计方法的程序缺乏可交换性，程序效率低，可靠性，程序维护困难。面向对
象程序设计是一种通过模仿人类思维方式包括概括、分类、抽象、归纳等）来建立现实世界模型的方法，是崭新的程序设计思想体系。它通过数据抽象，将许多对象中共性的数据和操作这些数据所需要的算法抽取出来。它将数据及数据的操作封装在一起，作为一个相互依存、不可分割的整体来处理，并采用信息隐藏技术，将对象及对象的操作抽象成一种新的数据类型——“类”，并考虑不同对象之间的联系和类的重用性。
    在面向对象程序设计中，首要的任务就是确定所需要的类，每个类应设置足够的操作，并利用继承机制共享其相同的特性。
    面向对象程序设计的最大优点是允许“继承”，即在某个类的基础上可以派生出新类。 
2．基于C++的面向对象程序设计
    C++是在C语言继承了C语言的全部内容，并在C语言的基础上增加了面向对象程序设计的内容。C++既支持传统的面向过程程序设计，又支持新型的面向对象程序设计。因此，C++成为面向对象程序设计的主流语言。
  C++的特点
  （1）抽象：是对具有特定属性及行为特征的对象进行概括，从中提炼出这一类对象的共性，并从通用性的角度描述其共有的属性及行为特征。抽象又分为数据抽象和代码抽象，前者描述某类对象的公共属性，后者描述某类对象共有的行为特征。
  （2）封装和数据隐藏：在面向对象程序设计中，通过封装可以将一部分属性和数据的操作隐藏起来，另一部分作为类的外部接口，使用者可以访问。这样可以对属性和操作的访问权限进行合理控制，减少程序之间的相互影响，降低出错的可能性。 
（3）继承与重用：继承是指新建的类从现有的类那里得到一些已有的特征。现有的类称为“基类”或java程序设计基础视频“父类”，继承基类特征的新建类称为“派生类”或“子类”，由父类产生子类的过程称作“类的派生”。继承有效地增强了系统的可扩充性，C++通过继承来支持软件重用。
  （4）多态性：在C++的类中，相同的函数名可以有若干个不同的函数体，在调用同一函数时由于环境的不同，可能引起不同的行为，这就称为“多态性”。
  C++与C语言的关系
  C++保持了C语言的简洁、高效和接近汇编语言等优点，同时又对C语言的不足和问题作
了很多重要改进。
  ①增加了新的运算符，使C++应用起来更加方便；②改进了类型系统，增加了安全性；③使用“引用”作函数参数为用户编程带来了很大方便；④允许函数重载，允许设置缺省参数，提高了编程的灵活性，减少了冗余；⑤对变量说明更加灵活。
  【例5.2】 
3．基于Java的面向对象程序设计
    Java是一种广泛使用的网络编程语言，简单，面向对象，解释执行不依赖于机器的结构，具有可移植性、安全性，并且提供了并发机制，是多线程的。Java语言的特性使它可以最大限度地利用网络，Java的小应用程序（Applet）是动态、安全、跨平台的网络应用程序，可在网络上传输而不受CPU和环境的限制。JavaApplet嵌入HTML语言，通过主页发布到Internet。

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