### 3.5.2 結構化程序設計的基本內容
簡單問題的求解過程通常是直接了當的,可選擇的執行路徑不多;但對于復雜問題,一般能設計出多種求解過程。在各種求解過程中,有些過程會比其他過程“好”,當然這個“好” 的意義是依賴于具體問題的。打個比方,為了燒一壺開水,恐怕所有人都會按照“向壺中加 入冷水;壺放到爐子上;點火燒至沸騰”這樣的過程來解決。但如果是燒冬瓜排骨湯,則外 行會將冬瓜和排骨一起入鍋加水煮;有點經驗的人則知道先煮排骨,排骨快熟了才加冬瓜一 起煮;而老練的廚師則會先將排骨焯水,然后再加水煮,排骨熟了才加冬瓜。如果再考慮各 種佐料的使用,顯然冬瓜排骨湯的制作過程是多種多樣的。哪種制作過程好呢?美食家會告 訴我們廚師的做法是好的,因為按他們的做法能保證排骨熟透而冬瓜不爛,而且焯過水的排 骨更干凈并可減少油膩。
至此,一個問題擺在了我們面前:如何設計出能解決特定問題的“好”的程序?為了回 答這個問題,需要先定義什么是“好”程序。一般來說,好的程序不但要能正確地解決問題, 而且還應該是執行效率高、易理解、易維護、可擴展的。
程序設計過去曾被看作是個人技藝,程序的好壞完全依賴于程序員的個人才能。但后來 計算機科學家們認識到,程序設計是一門可以給予科學解釋的學問,可以建立良好的設計方 法來指導程序員進行程序設計。普通程序員只要遵循這些設計方法,都能編寫出良好的程序。
計算機科學家提出了許多程序設計方法,最早提出也是最基本的一種方法就是這里要介 紹的是結構化程序設計(structured programming,簡稱 SP)。SP 是以 Dijkstra 為代表的計算 機科學家于上世紀 60 年代后期建立起來的,是從程序文本結構的角度來闡述怎樣的程序是良 好的。SP 的基本思想是要確保程序具有良好的結構,使程序易理解、易驗證和易維護。當然, SP 并沒有一個嚴格的、公認的定義,其具體內容大致包括以下幾個原則。
只用三種基本控制結構 解決復雜問題時,程序可能需要建立復雜的控制流程,這是不是意味著編程語言應該提供更多的復雜控制結構呢?答案是否定的。計算機科學家證明了所謂“結構化定理”:任何程 序邏輯都可以只用順序、條件分支、循環這三種基本控制結構來實現。因此,我們在開發程 序時,應該只使用這些基本控制結構,并將它們串聯、嵌套在一起,從而搭建出整個程序。 本章前面介紹了條件分支和循環控制結構的多種常見使用模式,讀者應當熟練地掌握這些模 式。當遇到復雜問題時,可以利用流程圖工具,將復雜的控制流程轉化成這些基本控制結構 的串聯和嵌套。
goto 語句是有害的
較老的編程語言(如 BASIC、Pascal 和 C 等)中提供了 goto 語句,這條語句的作用是將 控制直接轉到程序中的指定位置。使用 goto 可能寫出這樣的代碼:
```
……
ENTRY: count := 0; while count < n do
begin
……
if sthWrong then goto EXIT else goto ENTRY;
end;
EXIT: writeln("End");
……
```
goto 語句看上去用起來很直接、很方便,很多人在設計程序流程遇到麻煩時第一感就會 想用 goto 語句。但是可以想象,如果程序中大量使用 goto 來控制程序的流程,這樣的程序 就像一團亂麻,程序的靜態結構與動態執行不一致,是非常難理解、難維護的。Dijkstra 首先 提出 goto 語句是有害的,并提出應當編寫結構清晰的程序,以使程序易寫、易讀、易驗證和 易維護。
事實上,goto 語句并非必須的語言構造。計算機科學家證明了,使用 goto 的程序一定可 以轉化為只包含順序、條件分支和循環結構的程序,也就是說編程語言中完全可以將 goto 語 句去除。
與 goto 類似的語句還有循環中使用的 break 和 continue 語句,它們都是以跳轉的方式將 控制轉移到程序其他位置,導致循環有多個出口。按照 SP 的思想,這些語句都應慎用。
單入口單出口的程序塊
編程語言的單條語句可以看成是只有一個入口和一個出口,因此前后相繼的語句序列構成了單入口單出口的順序控制結構。而條件控制結構(if 語句)和循環控制結構(for 和 while 語句)的內部雖然可以出現由多條語句構成的語句塊,但從外部看同樣是只有一個入口和一 個出口(參見圖 3.1、圖 3.4 等流程圖)。總之,基本控制結構(順序、條件、循環)都是單入口單出口的結構,這種結構具有“可組合”的特性。 如果將兩個基本控制結構串聯在一起,前一個結構的出口連接后一個結構的入口,那么
所得到的語句序列仍然只有一個入口和一個出口,在效果上完全可以視之為單條語句(見圖 3.11)。這就像電子電路中將兩個電阻串聯后可以視為一個更大的電阻一樣。不斷重復這個串 聯過程,將得到由多個控制結構串聯而成的結構,它仍然只有一個入口和一個出口,我們稱 之為程序塊。由于程序塊只有一個入口和一個出口,在不考慮其內部控制結構的情況下,完 全可以將整個程序塊視為單條語句,從而可以在不改變其內部控制流的情況下用于程序中任 何可以出現語句的地方。

圖 3.11 控制結構的串聯
除了串聯,嵌套也是一種將多個語句組合成一個更大的程序塊的形式。例如條件語句的
分支語句體和循環語句的循環體本身都是程序塊。 結構化程序設計的原則就是利用“單入口單出口”的程序塊進行串聯、嵌套,最終搭建出復雜程序,這使得程序的結構清晰、層次分明、易理解、易維護。
除了上述幾條設計原則,其他如模塊化設計、自頂向下逐步求精設計也都是結構化程序 設計的基本內容,下一章對此有詳細介紹。
- 前言
- 第 1 章 計算與計算思維
- 1.1 什么是計算?
- 1.1.1 計算機與計算
- 1.1.2 計算機語言
- 1.1.3 算法
- 1.1.4 實現
- 1.2 什么是計算思維?
- 1.2.1 計算思維的基本原則
- 1.2.2 計算思維的具體例子
- 1.2.3 日常生活中的計算思維
- 1.2.4 計算思維對其他學科的影響
- 1.3 初識 Python
- 1.3.1 Python 簡介
- 1.3.2 第一個程序
- 1.3.3 程序的執行方式
- 1.3.4 Python 語言的基本成分
- 1.4 程序排錯
- 1.5 練習
- 第 2 章 用數據表示現實世界
- 2.1 數據和數據類型
- 2.1.1 數據是對現實的抽象
- 2.1.1 常量與變量
- 2.1.2 數據類型
- 2.1.3 Python 的動態類型*
- 2.2 數值類型
- 2.2.1 整數類型 int
- 2.2.2 長整數類型 long
- 2.2.3 浮點數類型 float
- 2.2.4 數學庫模塊 math
- 2.2.5 復數類型 complex*
- 2.3 字符串類型 str
- 2.3.1 字符串類型的字面值形式
- 2.3.2 字符串類型的操作
- 2.3.3 字符的機內表示
- 2.3.4 字符串類型與其他類型的轉換
- 2.3.5 字符串庫 string
- 2.4 布爾類型 bool
- 2.4.1 關系運算
- 2.4.2 邏輯運算
- 2.4.3 布爾代數運算定律*
- 2.4.4 Python 中真假的表示與計算*
- 2.5 列表和元組類型
- 2.5.1 列表類型 list
- 2.5.2 元組類型 tuple
- 2.6 數據的輸入和輸出
- 2.6.1 數據的輸入
- 2.6.2 數據的輸出
- 2.6.3 格式化輸出
- 2.7 編程案例:查找問題
- 2.8 練習
- 第 3 章 數據處理的流程控制
- 3.1 順序控制結構
- 3.2 分支控制結構
- 3.2.1 單分支結構
- 3.2.2 兩路分支結構
- 3.2.3 多路分支結構
- 3.3 異常處理
- 3.3.1 傳統的錯誤檢測方法
- 3.3.2 傳統錯誤檢測方法的缺點
- 3.3.3 異常處理機制
- 3.4 循環控制結構
- 3.4.1 for 循環
- 3.4.2 while 循環
- 3.4.3 循環的非正常中斷
- 3.4.4 嵌套循環
- 3.5 結構化程序設計
- 3.5.1 程序開發過程
- 3.5.2 結構化程序設計的基本內容
- 3.6 編程案例:如何求 n 個數據的最大值?
- 3.6.1 幾種解題策略
- 3.6.2 經驗總結
- 3.7 Python 布爾表達式用作控制結構*
- 3.8 練習
- 第 4 章 模塊化編程
- 4.1 模塊化編程基本概念
- 4.1.1 模塊化設計概述
- 4.1.2 模塊化編程
- 4.1.3 編程語言對模塊化編程的支持
- 4.2 Python 語言中的函數
- 4.2.1 用函數減少重復代碼 首先看一個簡單的用字符畫一棵樹的程序:
- 4.2.2 用函數改善程序結構
- 4.2.3 用函數增強程序的通用性
- 4.2.4 小結:函數的定義與調用
- 4.2.5 變量的作用域
- 4.2.6 函數的返回值
- 4.3 自頂向下設計
- 4.3.1 頂層設計
- 4.3.2 第二層設計
- 4.3.3 第三層設計
- 4.3.4 第四層設計
- 4.3.5 自底向上實現與單元測試
- 4.3.6 開發過程小結
- 4.4 Python 模塊*
- 4.4.1 模塊的創建和使用
- 4.4.2 Python 程序架構
- 4.4.3 標準庫模塊
- 4.4.4 模塊的有條件執行
- 4.5 練習
- 第 5 章 圖形編程
- 5.1 概述
- 5.1.1 計算可視化
- 5.1.2 圖形是復雜數據
- 5.1.3 用對象表示復雜數據
- 5.2 Tkinter 圖形編程
- 5.2.1 導入模塊及創建根窗口
- 5.2.2 創建畫布
- 5.2.3 在畫布上繪圖
- 5.2.4 圖形的事件處理
- 5.3 編程案例
- 5.3.1 統計圖表
- 5.3.2 計算機動畫
- 5.4 軟件的層次化設計:一個案例
- 5.4.1 層次化體系結構
- 5.4.2 案例:圖形庫 graphics
- 5.4.3 graphics 與面向對象
- 5.5 練習
- 第 6 章 大量數據的表示和處理
- 6.1 概述
- 6.2 有序的數據集合體
- 6.2.1 字符串
- 6.2.2 列表
- 6.2.3 元組
- 6.3 無序的數據集合體
- 6.3.1 集合
- 6.3.2 字典
- 6.4 文件
- 6.4.1 文件的基本概念
- 6.4.2 文件操作
- 6.4.3 編程案例:文本文件分析
- 6.4.4 緩沖
- 6.4.5 二進制文件與隨機存取*
- 6.5 幾種高級數據結構*
- 6.5.1 鏈表
- 6.5.2 堆棧
- 6.5.3 隊列
- 6.6 練習
- 第 7 章 面向對象思想與編程
- 7.1 數據與操作:兩種觀點
- 7.1.1 面向過程觀點
- 7.1.2 面向對象觀點
- 7.1.3 類是類型概念的發展
- 7.2 面向對象編程
- 7.2.1 類的定義
- 7.2.2 對象的創建
- 7.2.3 對象方法的調用
- 7.2.4 編程實例:模擬炮彈飛行
- 7.2.5 類與模塊化
- 7.2.6 對象的集合體
- 7.3 超類與子類*
- 7.3.1 繼承
- 7.3.2 覆寫
- 7.3.3 多態性
- 7.4 面向對象設計*
- 7.5 練習
- 第 8 章 圖形用戶界面
- 8.1 圖形用戶界面概述
- 8.1.1 程序的用戶界面
- 8.1.2 圖形界面的組成
- 8.1.3 事件驅動
- 8.2 GUI 編程
- 8.2.1 UI 編程概述
- 8.2.2 初識 Tkinter
- 8.2.3 常見 GUI 構件的用法
- 8.2.4 布局
- 8.2.5 對話框*
- 8.3 Tkinter 事件驅動編程
- 8.3.1 事件和事件對象
- 8.3.2 事件處理
- 8.4 模型-視圖設計方法
- 8.4.1 將 GUI 應用程序封裝成對象
- 8.4.2 模型與視圖
- 8.4.3 編程案例:匯率換算器
- 8.5 練習
- 第 9 章 模擬與并發
- 9.1 模擬
- 9.1.1 計算機建模
- 9.1.2 隨機問題的建模與模擬
- 9.1.3 編程案例:乒乓球比賽模擬
- 9.2 原型法
- 9.3 并行計算*
- 9.3.1 串行、并發與并行
- 9.3.2 進程與線程
- 9.3.3 多線程編程的應用
- 9.3.4 Python 多線程編程
- 9.3.5 小結
- 9.4 練習
- 第 10 章 算法設計和分析
- 10.1 枚舉法
- 10.2 遞歸
- 10.3 分治法
- 10.4 貪心法
- 10.5 算法分析
- 10.5.1 算法復雜度
- 10.5.2 算法分析實例
- 10.6 不可計算的問題
- 10.7 練習
- 第 11 章 計算+X
- 11.1 計算數學
- 11.2 生物信息學
- 11.3 計算物理學
- 11.4 計算化學
- 11.5 計算經濟學
- 11.6 練習
- 附錄
- 1 Python 異常處理參考
- 2 Tkinter 畫布方法
- 3 Tkinter 編程參考
- 3.1 構件屬性值的設置
- 3.2 構件的標準屬性
- 3.3 各種構件的屬性
- 3.4 對話框
- 3.5 事件
- 參考文獻