第0章程序设计语言和编码

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1、第10章 程序设计语言和编码n编码阶段的任务是根据详细设计说明书编写 程序n程序设计语言的特性和程序设计风格会深刻 地影响软件的质量和可维护性n为了保证程序编码的质量，程序员必须深刻 理解、熟练掌握并正确地运用程序设计语言 的特性n此外，还要求源程序具有良好的结构性和良 好的程序设计风格n程序设计语言n程序设计风格程序设计语言n基本概念n程序设计语言是指用于书写计算机程序 的语言，它是一种实现性的软件语言n语法（syntax）用来表示构成语言的各 个记号之间的组合规则，它是构成语言 结构正确成分所需遵循的规则集合n如C语言中for语句的构成规则是： for（表达式1；表达式2；表达式3）语句

2、语法中不涉及到这些记号的含义，也不涉及使用者n语义（semantic）用来表示按照各种表示方式 所表示的各个记号的特定含义，但它不涉及到 使用者。如上述for语句中：表达式1表示循环初值； 表达式2表示循环条件；表达式3表示循环的增 量；语句为循环体。整个语句的语义是： （1）计算表达式1 （2）计算表达式2，若计算结果为0，则终止循 环；否则转（3） （3）执行循环体 （4）计算表达式3 （5）转向（2）程序设计语言的基本成分n程序设计语言基本成份可归纳为四种：数据成 分、运算成分、控制成分、传输成分 n数据成分：它指明该语言能接受的数据，用 来描述程序中的数据。如各种类型的变量、 数组、指

3、针、记录等。作为程序操作的对象 ，具有名称、类型和作用域等特征。使用前 要对数据的这些特征加以说明。数据名称由 用户通过标识符命名，类型说明数据需占用 存储单元的多少和存放形式，作用域说明数 据可以使用的范围。 n以 C语言为例，其数据构造方式可分为基本 类型和派生类型n名字说明:预先说明程序中使用的对象的名字, 使编译程序能检查程序中出现的名字的合法性 ,从而能帮助程序员发现和改正程序中的错误. 某些语言(FORTRAN和BASIC)并不要求用户显式 的说明程序中所有对象的名字,第一次使用一 个名字被看作是对这个名字的说明.然而在输 入源程序时如评拚错了名字,特别是如果错输 入的字符和预定要

4、使用的字符非常相像(如,字 母O和数字0,小写字母l和数字1),那么因此而 造成的错误是较难诊断的.n类型说明:类型说明和名字说明是紧密相连的, 通过类型说明用户定义了对象的类型,从而确 定了该对象的使用方式.编译程序能够发现程 序中对某个特定类型的对象使用不当的错误, 因此有助于减少程序的错误.规定必须预先说 明对象的类型还有助于减少阅读程序时的歧义 性.某些语言规定,如果不加说明的引入一个名 字,那么该名字的第一个字母将决定它的类型. 然而,如果说明了某个名字的类型,而且说明的 类型和由名字第一个字母决定的缺省类型不一 致,则会造成阅读程序时的歧义性.n类型检查的概念最早是在ALGOL60

5、中引入的,以 后又显著的精华了这个概念.像Pascal这样的 程序设计语言,还允许用户定义与他们的特定 应用有关的自己的类型,并且可以在用自己定 义的类型说明其他程序对象.用户几可以定义 纯量,子界一类的简单类型,也可以定义记录, 链表和二叉树等复杂的结构类型.程序设计语 言中的类型说明不仅仅是一种安全措施,她还 是一种重要的抽象机制,对类型名字的定义使 得我们可以引用某些复杂的实体,而不必考虑 这些实体的表示方法.n初始化:程序设计中最常见的错误之一是在使 用变量之前没对变量初始化.为减少发生错误 的可能性,应该强迫程序员对程序中说明的所 有变量初始化.另一个办法是在说明变量时由 系统给变量

6、赋一个特殊的表明它尚未初始化的 值,以后如果没给这个变量赋值就企图使用它 的值,系统就会发出出错信号.n运算成分：它指明该语言允许执行的运 算，用来描述程序中所需进行的运算。 如 + 、- 、* 、/ 等。n控制成分：它指明该语言允许的控制结 构，人们可利用这些控制成分来构造程 序中的控制逻辑。基本的控制成分包括 ：顺序结构、条件选择结构和重复结构 。如下页图基本程序控制结构n循环控制结构:最常见的循环控制结构有for语 句,while_do语句和repeat_until语句.但是实 际上许多场合需要在循环体内任意一点测试循 环结束条件,如果使用if_then_else语句和附 加的布尔变量实

7、现这个要求,则将增加程序长 度并降低程序的可读性.很多程序设计语言考 虑到了上面的要求,并适当的解决了这个问题.n分支控制结构:一臂和两臂的if型分支语句,通 常并不存在什么实际问题,但是多分支的case 型语句却有可能存在两个问题:如果case表达 式取的值不在预先制定的范围内,则不能决定 应该做的动作;在某些程序设计语言中,由case 表达式选定执行的语句,取决于所有可能执行 的语句的排列次序,如果语句次序排错了,编译 和运行时系统并不能发现这类错误n传输成分：它指明该语言允许的数据传 输方式，在程序中可用它进行数据传输 。例如：Turbo C语言标准库提供了两个控 制台格式化输入、输出函

8、数printf ( ) 和scanf ( )，这两个函数可以在标准输 入输出设备上以各种不同的格式读写数 据。 Printf ( )函数用来向标准输出设 备(屏幕)写数据 ，scanf ( ) 函数用来 从标准输入设备(键盘)上读数据n程序对象的局部性:程序设计的一般原理是,程 序对象的名字应该在靠近使用他们的地方引入 ,并且应该只有程序中真正需要他们的哪些部 分才能访问他们.这些也就是信息隐蔽原则.如 果名字的特性在靠近使用这些名字的地方说明 ,程序的读者就很容易获得有关这些名字的信 息,因此有助于提高程序的可读性.n程序员尽量使用局部的对象,这不仅有助于提 高可读性,而且有助于减少差错和提

9、高程序的 可修改性.但是,在块结构语言中如果内层模块 说明的名字和外层模块中说明的名字相同,则 在内层模块中这些外层模块的对象变成不可访 问的.当模块多层嵌套时,可能会由于疏忽在内 层模块中说明了和外层模块中相同的名字,从 而引起差错.特别在维护阶段,维护人员往往不 是原来写程序的人,更容易出现这种错误.n子程序:可以独立编译的程序单元,包含自己的 数据结构和控制结构.在不同的语言中,子程序 可能分别称作子例程,过程或函数.子程序一般 具备如下三种机制:子程序说明,它给出子程序 与其他程序单元的接口;子程序体,它实现子程 序的数据和控制结构;调用方式.n独立编译:独立编译意味着能分别编译各个程

10、 序单元,然后再把他们集成为一个完成的程序. 典型的,一个大程序由许多不同的程序单元组 成.如果修改了其中任何一个程序单元都需要 重新编译整个程序,将大大增加程序开发,调试 和维护的成本;反之,如果可以独立编译,则只 需要重新编译修改了的程序单元,然后重新连 接整个程序即可.由此可见,一个程序设计院如 果没有独立编译的机制,就不是适合软件工程 需要的好语言.独立编译的机制对于开发大型 系统是极端重要的,这可能就是在软件工程项 目中广泛使用FORTRAN语言的一个主要原因 .FORTRAN语言虽然有不少缺点,但是它的子程 序很容易独立编译.n异常处理:程序运行过程中发生的错误或意外 事件称为异常

11、.有的程序设计语言在检测和处 理异常方面几乎没给程序员提供任何帮助,程 序员只能使用语言提供的一把控制结构检测异 常,并在异常时把控制转移到处理异常的程序 段.但是,当程序中包含一系列子程序的嵌套调 用时,并没有方便而又可靠的方法把出现异常 的信息从一个子程序传送到另外的子程序.使 用一般控制结构加布尔变量的方法,需要明显 增加程序长度并且使程序的逻辑变得繁琐复杂 .有的程序设计语言提供专门的异常处理机制, 在程序运行过程中发生异常时,可将异常捕获 并转到专门负责处理例外的子程序进行处理.程序设计语言的特性n心理特性n从设计到编码的转换基本上是人的活动，因 此，语言的性能对程序员的心理影响将对

12、转 换产生重大影响n在维持现有机器的效率、容量和其它硬件限 制条件的前提下，程序员总希望选择简单易 学、使用方便的语言，以减少程序出错率， 提高软件可靠性，从而提高用户对软件质量 的可信度影响程序员心理的语言特性有：一致性：指语言采用的标记法（使用的符号）协调 一致的程度。如，一符多用的标记法容易导致错误 。紧致性（compactness）：指程序员必须记忆的与 编码有关的信息总量。刻画紧致性的指标有：对结 构化部件的支持程度，可用关键字和缩写的种类， 算术及逻辑操作符的数目，预定义函数的个数等。人们要掌握一种语言,就要记住语句的种类,各种数 据类型,各种运算符,各种内部函数和内部过程,这 些

13、成分数量越多,简洁性越差,人们越难以掌握.但 特别简洁也不好,有的语言为了简洁,提供功能强但 形势简明的运算符,允许用最少的代码去实现很多 的算术和逻辑运算.可是这样使程序难以理解,一致 性差.所以既要简洁又要易读易理解.二义性：对语句不同理解所产生的二义性将导致程 序员对程序理解的混乱。如，if then if then elsex := a * b * cn程序设计语言通常是无二义性的.编译程序总是根据语 法,按一种固定方法来解释语句的,但有些语法规则容 易使人用不同的方式来解释语言,这就产生了心理上的 二义性.如:x=x1/x2*x3,编译系统只有一种解释,但人 们却有不同的理解,有人理

14、解为x=(x1/x2)*x3,而另一 个人可理解为x=x1/(x2*x3),n又如:FORTRAN语言中变量的类型有显式定义和隐式定 义两种,用REAL K显式说明K是实型变量,但按隐含类型 定义,K是整形变量.在程序较长时,不可能每次都查类 型定义,容易产生错误.若程序语言具有这些使人心理 上容易产生歧义性的特征,易使编程出错,而且可读性 也差.局部性：程序由模块组成，应采用高内聚低耦合、 模块独立、局部化等原则。线性：人们习惯于按逻辑上线性的次序理解程序， 程序中大量的分支和循环、随意的GOTO语句会破坏 程序的线性，提倡结构化程序设计。n人的记忆性有两方面:联想方式和顺序方式.人的联想

15、力使人整体的记住和辨别某件事情,如一下子就能识别 一个人的面孔,而不是一部分一部分的看过之后才认得 出;人的顺序记忆提供了回忆序列中下一个元素的手段 ,如唱歌,依次一句一句的唱出而不必思索.人的记忆特 性对使用语言的方式有很大的影响.局部性指语言的联 想性,在编码过程中,由语句组合成模块,由模块组装成 系统结构,并在组装过程中实现模块的高内聚,低耦合, 使局部性得到加强,提供异常处理的语言特性,则削弱 了局部性.若在程序中多采用顺序序列,则使人易理解, 如果存在大量分支或循环,则不利于人们的理解.传统性：传统性容易影响人们学习新语种的 积极性n人们习惯于已掌握的语种,而传统性容易影响 人们学习

16、新语种的积极性,若新语种的结构,形 式与原来的类似,还容易接受,若风格根本不同 ,则难以接受.如习惯用Pascal或C的编程人员, 用Lisp和Prolog编程,就要用更多的时间来学 习.n工程特性n程序设计语言的特性影响人们思考程序 的方式，从而也限制了人们与计算机进 行通信的方式。为满足软件工程的需要 ，程序设计语言还应该考虑：将设计翻 译成代码的便利程度、编译器的效率、 源代码的可移植性、配套的开发工具、 软件的可复用性和可维护性。将设计翻译成代码的便利程度：语言若直接 支持结构化部件、复杂的数据结构、特殊 I/O处理、按位操作和OO方法，则便于将设 计转换成代码。编译器的效率：编译器应生成效率高的代码源代码的可移植性：语言的标准化有助于提高程序 代码的可移植性，源程序中应尽量不用标准文本以 外的语句。n它指程序从一个计算机环境移植到另一个计算机环境 的容易程度.计算机环境是指不同机型,不同的操作系 统版本,不同的应用软件包.要增加可移植性,应考虑以 下几点:在设计时模块与操作系统特性不应有高度联系 ;要使用标准的语言,要使用便准