大學(xué)計算機基礎(chǔ)第五章計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)第五章計算機軟件技術(shù)基礎(chǔ)

計算機硬件(Hardware)是計算機系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但是沒有軟件(Software)的計算機是無法工作的。事實上，現(xiàn)在計算機能廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，完全是由于有了豐富的計算機軟件，人們?yōu)榱擞糜嬎銠C解決各類問題，針對性地開發(fā)了各種各樣的軟件。本章將討論關(guān)于計算機軟件的相關(guān)知識：如什么是軟件，程序設(shè)計語言的分類，什么是算法等。5.1計算機軟件系統(tǒng)5.1.1軟件的概念與特點

軟件是計算機系統(tǒng)中與硬件相互依存的另一部分，包括程序、數(shù)據(jù)及其相關(guān)文檔的完整集合。軟件通常是為某個特定目的而開發(fā)的產(chǎn)品。①程序：按照事先設(shè)計的功能和性能要求執(zhí)行的計算機指令序列。②數(shù)據(jù)：使程序能夠正常操縱信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。③文檔：與程序開發(fā)、維護和使用有關(guān)的資料。

軟件的特點:①抽象性②復(fù)雜性③維護長期性④高成本性5.1計算機軟件系統(tǒng)5.1.2軟件的分類(1)按軟件功能劃分①系統(tǒng)軟件：能與計算機硬件緊密配合在一起，使計算機系統(tǒng)的各個部件、相關(guān)的軟件和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)、高效地工作。②支撐軟件：協(xié)助用戶開發(fā)軟件的工具性軟件，其中包括幫助軟件人員開發(fā)軟件產(chǎn)品的工具，也包括幫助管理人員控制開發(fā)進程的工具。③應(yīng)用軟件：針對特定領(lǐng)域應(yīng)用開發(fā)，為特定目的服務(wù)的軟件。5.1計算機軟件系統(tǒng)(2)按軟件工作方式劃分①實時處理軟件：對實時過程進行監(jiān)控的軟件。②分時軟件：允許多個聯(lián)機用戶同時使用計算機。③交互式軟件：能實現(xiàn)人機通信的軟件。④批處理軟件：把一組輸入作業(yè)或大量數(shù)據(jù)以成批處理的方式一次運行，按順序逐個處理的軟件。(3)按軟件服務(wù)對象劃分①項目軟件：也稱定制軟件，是受某個特定客戶(或少數(shù)客戶)委托，由一個或多個軟件開發(fā)機構(gòu)在合同的約束下開發(fā)出來的軟件。②產(chǎn)品軟件：由軟件開發(fā)機構(gòu)開發(fā)出來投入市場或用戶群體龐大的軟件。5.1計算機軟件系統(tǒng)

計算機軟件系統(tǒng)包括各種各樣的軟件，這些軟件之間的關(guān)系不是并列的，而是有一定的層次關(guān)系。5.1.3計算機軟件的層次結(jié)構(gòu)5.2程序設(shè)計語言簡單來講，程序設(shè)計就是：用計算機語言編寫程序。程序=算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

編寫計算機程序時使用的語言稱為程序設(shè)計語言(ProgrammingLanguage)，使用它把人類解決問題的方法用計算機可以識別的形式表示出來。對數(shù)據(jù)操作的步驟如何表示、組織和存儲數(shù)據(jù)5.2程序設(shè)計語言5.2.1機器語言

機器語言是指由二進制代碼按照一定規(guī)則組成的命令集合，也稱為機器指令集合。機器指令的格式如下：操作碼操作數(shù)例如：計算256+16結(jié)果的機器代碼如下(以十六進制表示)：B80001；把256放入累加器AX051000；把16與AX中值相加，結(jié)果存入AX5.2程序設(shè)計語言5.2.2匯編語言

為了解決機器語言難記憶、可讀性差的缺點，人們把機器指令中的操作碼和操作數(shù)用英文助記符和符號地址來表示，這種助記符語言稱為匯編語言。MOVAX，256；把256放入累加器AXADDAX，16；把16與AX中值相加，結(jié)果存入AX匯編和連接過程：5.2程序設(shè)計語言5.2.3高級語言

高級語言是一類程序設(shè)計語言的統(tǒng)稱，它采用接近人類自然語言和數(shù)學(xué)表達式的表示方法，并遵循一定的語法規(guī)則來編寫程序。實現(xiàn)求整數(shù)的絕對值的程序段：intintVar,result;scanf(“%d”,&intVar);if(intVar>=0)result=intVar;elseresult=-1*intVar;printf(“%d的絕對值是：%d”,intVar,result);5.2程序設(shè)計語言高級語言程序的翻譯和執(zhí)行高級語言源程序翻譯成指令代碼的方法主要有兩種：解釋和編譯5.2程序設(shè)計語言5.2程序設(shè)計語言5.2.4主流高級語言

高級語言種類多，介紹幾種常用的高級語言：（1）BASIC語言（2）C語言（3）C++語言（4）JAVA語言（5）C#語言（6）腳本語言5.2程序設(shè)計語言5.2.5軟件開發(fā)工具和開發(fā)環(huán)境程序員使用的開發(fā)工具，主要有：編輯源程序的編輯軟件。把高級語言編譯成機器語言的編譯軟件。調(diào)試程序的調(diào)試軟件。（1）單獨工具（2）集成的開發(fā)環(huán)境5.2程序設(shè)計語言(不講)5.2.6程序設(shè)計語言的構(gòu)成(不講)

數(shù)據(jù)和操作是構(gòu)成程序的兩個基本要素，任何一種程序設(shè)計語言都必須提供表示數(shù)據(jù)和操作的語法、語義元素。

(1)數(shù)據(jù)類型程序設(shè)計語言中一般分為基本數(shù)據(jù)類型和構(gòu)造數(shù)據(jù)類型兩大類。

基本數(shù)據(jù)類型是由程序設(shè)計語言內(nèi)置的，其特點是不能再分解為其它的類型。在主流的程序設(shè)計語言中一般包括：整數(shù)類型、實數(shù)類型、字符類型、布爾類型等。

構(gòu)造數(shù)據(jù)類型是由基本數(shù)據(jù)類型按照某種方式組合構(gòu)成的。常見的構(gòu)造數(shù)據(jù)類型有：數(shù)組類型、記錄類型(結(jié)構(gòu)體)、枚舉類型、字符串類型、文件類型等。5.2程序設(shè)計語言(不講)(2)運算符和表達式

運算是程序?qū)?shù)據(jù)進行的最基本也是最重要的處理，程序設(shè)計中使用表達式完成各種各樣的運算。表達式通常包括：常量、變量、運算符和函數(shù)調(diào)用等構(gòu)成。例如：給定圓的半徑r，求其面積的Java語言表達式是：

s=3.14*r*r(3)語句

程序是對計算機要執(zhí)行的操作的描述。高級語言源程序的基本組成單位是語句。語句按功能可以分為兩類：

1.用于描述操作運算，如賦值語句，稱為操作運算語句；

2.用于控制操作運算的執(zhí)行順序，如分支控制語句，稱為流程控制語句。5.2程序設(shè)計語言(不講)(4)控制結(jié)構(gòu)①順序結(jié)構(gòu)，按照語句出現(xiàn)的先后順序依次執(zhí)行。②分支結(jié)構(gòu)，根據(jù)給定條件判斷，決定程序執(zhí)行的順序。③循環(huán)結(jié)構(gòu)，循環(huán)(重復(fù))是計算機解題的一個重要特征。(5)輸入/輸出

程序的輸入是指用戶將數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備(如鍵盤等)輸入到程序中。程序的輸出是指程序把運算結(jié)果以用戶可以理解的形式輸出到輸出設(shè)備(如顯示器、打印機等)。高級程序設(shè)計語言中通常以函數(shù)或語句的形式提供輸入輸出操作。現(xiàn)代高級程序設(shè)計語言通常都提供通過窗口、文本框、按鈕、組合框、圖表等圖形組件進行輸入輸出。5.2程序設(shè)計語言(不講)(6)子程序

子程序就是將需要重復(fù)使用的程序段或分解的子問題編寫為一個邏輯上獨立的子程序，當程序中需要使用子程序時，再對其進行調(diào)用。使用子程序的好處是降低了程序的復(fù)雜度，使程序的結(jié)構(gòu)清晰，提高了程序設(shè)計的效率。一般程序設(shè)計語言中有兩種子程序：函數(shù)(Function)和過程(Procedure)，它們的主要區(qū)別是函數(shù)有返回值，而過程不能有返回值。5.3問題求解過程

解決問題的思維過程借助計算機求解問題的過程5.4算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4.1什么是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡介

數(shù)據(jù)是對客觀事物的描述，對計算機來說，數(shù)據(jù)的含義非常廣泛，如數(shù)字、字符、圖形、色彩、聲音等都是數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)元素(DataElement)是組成數(shù)據(jù)的基本單位。一個數(shù)據(jù)元素可以由若干個數(shù)據(jù)項組成，數(shù)據(jù)項是數(shù)據(jù)不可分割的最小單位。例：公司員工數(shù)據(jù)的存儲姓名性別出生日期職位工資張軍男1975.5.6總經(jīng)理5080.00李芳女1980.12.12項目經(jīng)理4800.00王明男1979.4.19程序員4500.00劉杰男1974.6.23系統(tǒng)分析員4750.00趙麗女1977.11.9測試員3900.00

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)研究的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理這樣的最核心的問題。不是幾個孤立的數(shù)據(jù)，而是大量的相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)元素之間的相互關(guān)系稱為結(jié)構(gòu)。5.4.1什么是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡介5.4算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.4.2算法

算法(Algorithm)是指為解決給定問題而需實施的有窮操作步驟的描述。

算法的五個重要特性：1）有窮性2）確定性3）可行性4）輸入5）輸出評價一個算法優(yōu)劣的標準：1）正確性2）可讀性3）健壯性4）效率性5.4算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法的描述方法(1)用自然語言描述算法(2)用流程圖描述算法(3)使用偽代碼描述算法(4)用程序設(shè)計語言描述算法例1互換兩個數(shù)據(jù)單元內(nèi)容。（書上例5.4）例2求兩個正整數(shù)m和n的最大公約數(shù)的算法。用如上這四種方式描述出來。（書上例5.5）5.4算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)第五章計算思維案例

計算思維反映的是利用計算機技術(shù)解決實際問題的思維方法，如果對利用計算機技術(shù)如何解決實際問題的認知出現(xiàn)誤解，那是不可能達到目的的。很多初學(xué)者以為計算機神乎其神，似乎什么都能干。

和人腦相比，它只是會算，而且算的速度非常快，除此以外計算機幾乎沒有什么更多的優(yōu)越性了。如果你要完成的計算任務(wù)比較復(fù)雜，又不能(或者不會)分解成計算機能接受的基本操作，那就沒法利用計算機求解了。記住，計算機永遠都是在人腦的指揮下工作的！案例1合理分解和分配計算任務(wù)第五章計算思維案例

在計算機科學(xué)中，將大規(guī)模的復(fù)雜問題分解成若干個較小規(guī)模的、更簡單的問題加以解決，是一種常用的計算思維。運用問題分解這種思維方法進行問題求解，首先需對問題本身做出明確描述，并對問題解法做出全局性決策，把問題分解成相對獨立的子問題，再以同樣的方式對每個子問題進一步精確化，直到獲得對問題的明確的解答。在本章中，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計采取了計算思維中的典型方法——分解。按照“分而治之”的策略，將頂層問題的求解目標逐層分解成子目標，每個子目標用相應(yīng)的程序模塊進行實現(xiàn)，這樣構(gòu)成求解整個問題的程序。案例2大事化小、小事化了第五章計算思維案例

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法的一個重要原則就是“自頂向下、逐步求精”，它是指程序設(shè)計時，先描述頂層問題的求解目標，然后步步深入，設(shè)計一些比較粗略的子目標作為過渡，再逐層細分，直到整個問題可用程序設(shè)計語言明確地描述出來為止。程序的模塊化設(shè)計，則是針對任何一個大系統(tǒng)都可以按子結(jié)構(gòu)之間的疏密程度分解成較小的模塊，每個模塊完成一定問題的求解。整個程序是由層次的、逐級細化的諸模塊組成。一個復(fù)雜的問題可以看成由若干稍簡單的問題構(gòu)成。案例2大事化小、小事化了第五章計算思維案例

對于可以用計算機求解的問題，所需的計算時間都與其規(guī)模有關(guān)，問題規(guī)模越小，解題所需的計算時間也越少，也越容易求解。因此可以將一個難以直接解決的大問題，分割成一些規(guī)模較小的相同問題，以便各個擊破、分而治之。模塊化與自頂可下、逐步求精緊密聯(lián)系。日常工作中的層次化管理也是一種對分解方法的運用。以企業(yè)運行為例，一個大型企業(yè)也是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，采取“金字塔”型的管理層次是常用的策略，將企業(yè)逐層分解，越上層的機構(gòu)越少，越向下功能分解越細、機構(gòu)數(shù)目越多。各級機構(gòu)管理好自己的下屬機構(gòu)，完成上級機構(gòu)制定的目標，最終整個企業(yè)實現(xiàn)自己的整體目標。案例2大事化小、小事化了第五章計算思維案例

計算思維是利用海量數(shù)據(jù)來加快計算，在時間和空間之間、在處理能力和存儲容量之間進行折中的思維方法。計算機問題求解是以計算機為工具，利用計算思維解決問題的實踐活動。計算機解題的核心是算法設(shè)計，設(shè)計算法是計算機問題求解中非常重要的步驟。查找(Searching)也稱檢索，計算機最重要的功能之一就是在浩瀚的數(shù)據(jù)中找到用戶所要的信息。但是計算機的速度還并沒有快到能瞬間完成這一過程的程度，而且等待計算機查找的數(shù)據(jù)集往往是異常龐大的，因此我們需要更快捷更有效的搜索方式。案例3海量查找第五章計算思維案例

世界上最龐大的搜索問題是在網(wǎng)絡(luò)世界中搜索信息，網(wǎng)絡(luò)搜索引擎能實現(xiàn)同時為大量在線用戶在數(shù)以百萬計的網(wǎng)頁中進行高速查詢，這無疑是一個令人驚訝的事實，而它們能做到這點無非是因為使用了正確的算法。查找的結(jié)果有兩種：一種是查找到滿足條件的結(jié)點，稱為查找成功；否則稱為查找失敗。查找的方法很多，針對線性表的查找算法有順序查找和折半查找。案例3海量查找

查找(Searching)也稱檢索，設(shè)表F中有n個結(jié)點，Ki是記錄Ri的關(guān)鍵字，現(xiàn)給定關(guān)鍵字K，在F中尋找關(guān)鍵字與K相同的結(jié)點R的過程，叫做查找。(1)順序查找

順序查找是線性表的最簡單的查找算法。它是用給定的值與表中的每個結(jié)點的關(guān)鍵字逐個進行比較運算，若找到相等的關(guān)鍵字則查找成功，否則查找失敗。順序查找算法的優(yōu)點是適用范圍廣，對線性表中結(jié)點邏輯次序無關(guān)，即不要求按關(guān)鍵字排序。對線性表的物理存儲結(jié)構(gòu)也沒有要求，順序存儲與鏈式存儲均可。(2)折半查找

折半查找要求：線性表必須按關(guān)鍵字大小排好順序（可以假設(shè)從小到大排序），并且采用順序存儲方式。折半查找的基本思想是：先取表的中間位置的結(jié)點關(guān)鍵字與所給定的關(guān)鍵字進行比較，如果相等，則查找成功。如果給定值比該結(jié)點的關(guān)鍵字大，則所找結(jié)點在表的后半部分；否則所找結(jié)點在表的前半部分，然后再把選定的部分表的中間結(jié)點的關(guān)鍵字與給定關(guān)鍵字進行比較。如此反復(fù)進行，直到查找成功或者查找失敗為止。例:第五章計算思維案例

排序(Sort)是數(shù)據(jù)處理中的一種重要運算，它的功能是將一組數(shù)據(jù)元素(或記錄)從任意序列排列成一個按關(guān)鍵字排序的序列。這是一種常用的計算思維方法。幾乎所有計算機中的序列都是被排過序的，電子郵件列表按照日期排序，最新的郵件被放置在最頂端；播放器中的歌曲按照名字或歌手名排列在一起，以便你快速查找到最喜歡的那首歌，文件名則往往是按照字母順序排列的。那么計算機是如何進行排序的呢？計算機科學(xué)家設(shè)計了很多排序的算法，直接插入排序、冒泡排序等。案例4排序第五章計算思維案例

人們在日常生活中將物品有規(guī)律的擺放，如水果由小到大擺放，圖書按書名或?qū)W科順序排序等。將物品按照某種規(guī)律順