### 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。