Базовые алгоритмические структуры

Базовые алгоритмические структуры

Алгоритмы можно представлять как  некоторые структуры, состоящие  из отдельных базовых (т.е. основных) элементов. Естественно, что при таком подходе к алгоритмам изучение основных принципов их конструирования должно начинаться с изучения этих базовых элементов. Для их описания будем использовать язык схем алгоритмов и школьный алгоритмический язык.

Логическая структура любого алгоритма  может быть представлена комбинацией  трех базовых структур: следование,   ветвление,   цикл.

Характерной особенностью базовых  структур является наличие в них одного входа и одного выхода.

1. Базовая  структура  "следование". Образуется последовательностью действий, следующих одно за другим:

Школьный алгоритмический язык	Язык блок-схем
действие 1  действие 2  . . . . . . . . .  действие n

2. Базовая  структура  "ветвление". Обеспечивает в зависимости от результата проверки условия (да или нет) выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма. Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран. Структура ветвление существует в четырех основных вариантах:

• если—то;
• если—то—иначе;
• выбор;
• выбор—иначе.

Школьный алгоритмический язык	Язык блок-схем
1. если—то
если условие     то действия  все
2. если—то—иначе
если условие     то действия 1     иначе действия 2  все
3. выбор
выбор     при условие 1: действия 1     при условие 2: действия 2     . . . . . . . . . . . .     при условие N: действия N  все
4. выбор—иначе
выбор    при условие 1: действия 1    при условие 2: действия 2    . . . . . . . . . . . .    при условие N: действия N    иначе действия N+1  все

 

Примеры структуры ветвление

 

Школьный алгоритмический язык	Язык блок-схем
если x > 0    то y := sin(x)  все
если a > b    то a := 2*a; b := 1    иначе b := 2*b  все
выбор     при n = 1: y := sin(x)     при n = 2: y := cos(x)     при n = 3: y := 0  все
выбор     при a > 5: i := i+1     при a = 0: j := j+1     иначе i := 10; j:=0  все

 
  

3. Базовая  структура  "цикл". Обеспечивает многократное выполнение некоторой совокупности действий, которая называется телом цикла. Основные разновидности циклов представлены в таблице:

Школьный алгоритмический язык	Язык блок-схем
Цикл типа пока.   Предписывает выполнять тело цикла до тех пор,   пока выполняется условие, записанное после слова пока.
нц пока условие    тело цикла    (последовательность действий)  кц
Цикл типа для.   Предписывает выполнять тело цикла для всех значений         некоторой переменной (параметра цикла) в заданном диапазоне.
нц для i от i1 до i2    тело цикла    (последовательность действий)  кц

 

Примеры структуры цикл

 

Язык блок-схем

 

Чем отличается программный способ записи алгоритмов от других?

При записи алгоритма в словесной  форме, в виде блок-схемы допускается  определенный произвол при изображении  команд. Вместе с тем такая запись точна настолько, что позволяет человеку понять суть дела и исполнить алгоритм.

Однако на практике в качестве исполнителей алгоритмов используются специальные  автоматы — компьютеры. Поэтому  алгоритм, предназначенный для исполнения на компьютере, должен быть записан на понятном ему языке. И здесь на первый план выдвигается необходимость точной записи команд, не оставляющей места для произвольного толкования их исполнителем.

Следовательно, язык для записи алгоритмов должен быть формализован. Такой язык принято называть языком программирования, а запись алгоритма на этом языке — программой для компьютера.

В настоящее время в мире существует несколько сотен реально используемых языков программирования. Для каждого  есть своя область применения.

В зависимости от степени детализации предписаний обычно определяется уровень языка программирования — чем меньше детализация, тем выше уровень языка.

По этому критерию можно выделить следующие уровни языков программирования:

• машинные;
• машинно-оpиентиpованные (ассемблеpы);
• машинно-независимые (языки высокого уровня).

Машинные языки и  машинно-ориентированные языки  — это языки низкого уровня, требующие указания мелких деталей процесса обработки данных. Языки же высокого уровня имитируют естественные языки, используя некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические символы. Эти языки более удобны для человека.

Языки высокого уровня делятся на:

• процедурные (алгоритмические) (Basic, Pascal, C и др.), которые предназначены для однозначного описания алгоритмов; для решения задачи процедурные языки требуют в той или иной форме явно записать процедуру ее решения;
• логические (Prolog, Lisp и др.), которые ориентированы не на разработку алгоритма решения задачи, а на систематическое и формализованное описание задачи с тем, чтобы решение следовало из составленного описания;
• объектно-ориентированные (Object Pascal, C++, Java и др.), в основе которых лежит понятие объекта, сочетающего в себе данные и действия над нами.

Каждый компьютер имеет свой машинный язык, то есть свою совокупность машинных команд, которая отличается количеством адресов в команде, назначением информации, задаваемой в адресах, набором операций, которые может выполнить машина и др.

При программировании на машинном языке  программист может держать под своим контролем каждую команду и каждую ячейку памяти, использовать все возможности имеющихся машинных операций.

Но процесс написания программы  на машинном языке очень трудоемкий и утомительный. Программа получается громоздкой, труднообозримой, ее трудно отлаживать, изменять и развивать.

Поэтому в случае, когда нужно  иметь эффективную программу, в  максимальной степени учитывающую  специфику конкретного компьютера, вместо машинных языков используют близкие  к ним машинно-ориентированные  языки (ассемблеры).