Programming

AS Level 计算机科学 (9618) 学习笔记：程序设计（第 11 章与第 12 章）

未来的程序员你好！欢迎来到计算机科学的核心：**程序设计**。本章将带领你从算法（第 9 章）和数据结构（第 10 章）的理论世界，迈向将这些想法转化为实际工作方案的实践技能。
我们将学习编写代码的基本构件、如何高效组织程序，以及规划、测试和维护稳健软件的关键步骤。
别担心，如果你觉得写代码听起来很可怕——我们会将一切拆解，一步步讲解。掌握这些技能对于 Paper 2 至关重要，在考试中你将使用伪代码来解决各种实际问题！

11. 程序设计

11.1 程序设计基础

本节涵盖了我们向计算机传达指令所需遵循的核心规则和工具。

变量、常量和数据类型

把计算机内存想象成一个巨大的储物柜。

• 变量 (Variable)： 一个命名的存储位置，其值在程序执行期间可以改变。
• 常量 (Constant)： 一个命名的存储位置，其值是固定不变的。使用常量能让代码更清晰、更安全（防止意外修改关键值）。

在声明变量或常量时，必须指定其数据类型。这告诉计算机需要处理什么类型的信息以及分配多少存储空间。

AS Level 常见数据类型（及其伪代码表示）：

• INTEGER： 整数（例如：5, -100）。适用于计数器或分数。
• REAL： 带有小数部分的数字（例如：3.14, 0.5）。
• CHAR： 单个字符、数字或符号（例如：'A', '7', '$'）。
• STRING： 字符序列（例如："Hello World"）。
• BOOLEAN： 仅有两个值：TRUE 或 FALSE。非常适合用作标志位或条件判断。

声明与赋值：

我们在程序或模块的开头声明常量和变量。

• 变量声明： DECLARE StudentName : STRING
• 常量声明： CONSTANT PI = 3.14
• 赋值（赋予数值）： StudentName ← "Alex"

易错点警示： 切勿混淆赋值（←）与比较（=）。在伪代码中，← 表示将值*存入*变量中。

输入、输出与表达式

程序必须能与用户交互（输入）并显示结果（输出）。

• 输入： INPUT Age （从键盘读取数据并将其存储在变量 Age 中）。
• 输出： OUTPUT "Your age is ", Age （在控制台上显示文本和 Age 的值）。

表达式 将数值、变量和运算符（算术或逻辑）组合在一起，以产生一个最终结果。

• 算术运算符： +, -, *, /, DIV（整除）, MOD（取余）。
• 逻辑运算符： AND, OR, NOT。

你知道吗？ 使用内置函数（如计算平方根 SQRT(X)）和库例程（预先编写好的代码片段）可以节省大量时间，并使代码更可靠，因为这些函数已经过测试且被证明是正确的。

11.2 程序结构（控制结构）

任何算法的三个基本构件是顺序、选择和迭代。我们使用控制结构来实现选择和迭代。

选择（决策）

选择允许程序根据条件（布尔表达式）来决定执行路径。

1. IF...THEN...ELSE（及嵌套 IF）

• 用于在两个或多个结果之间进行简单选择时。
• 伪代码示例：
  IF Score > 75 THEN
OUTPUT "Distinction"
ELSE
OUTPUT "Pass"
ENDIF

2. CASE 结构

• 当根据单个变量的值有许多互斥的结果时使用。这比使用多层嵌套 IF 语句更简洁。
• 伪代码示例：
  CASE DayOfWeek OF
1: OUTPUT "Monday"
5: OUTPUT "Friday"
OTHERWISE OUTPUT "Weekend or other day"
ENDCASE

迭代（循环/重复）

迭代允许一段代码被重复执行。选择正确的循环结构对于高效编码至关重要。

1. 计数控制循环（FOR 循环）

• 用于明确知道循环需要运行多少次的情况。
• 伪代码示例：FOR Counter ← 1 TO 10

2. 前置条件循环（WHILE 循环）

• 在执行循环体之前检查条件。循环可能执行零次或多次。
• 用于终止条件取决于外部因素（如用户输入或文件状态）的情况。
• 伪代码示例：
  WHILE InputValue <> -1 DO
// 执行循环体
ENDWHILE

3. 后置条件循环（REPEAT UNTIL 循环）

• 在执行循环体之后检查条件。该循环保证至少执行一次。
• 常用于确保输入有效（反复提示用户直到输入合法数据）。
• 伪代码示例：
  REPEAT
INPUT Password
UNTIL Password = "secret"

如何选择循环结构：

如果问题需要明确的重复次数（如输入 5 个分数），请使用 FOR 循环。如果必须保证至少运行一次（如输入校验），请使用 REPEAT UNTIL。如果循环可能根本不需要运行（如处理一个空文件中的记录），请使用 WHILE。

11.3 结构化程序设计（过程与函数）

结构化程序设计 涉及将大型程序拆解为更小的、独立的模块。这使得代码更易于编写、调试和维护。这些模块被称为子程序：过程（Procedure）和函数（Function）。

过程（执行特定任务的子程序）

过程是一个已命名的代码块，它执行特定任务，但不一定向主程序返回数值。

• 适用场景： 涉及输入/输出的任务，或直接修改变量（如将数据保存到文件、打印菜单）。
• 语法： 使用 PROCEDURE 定义，并直接通过其名称调用。

函数（计算并返回结果的子程序）

函数是一个已命名的代码块，它执行计算并将结果返回到调用它的表达式中。

• 适用场景： 数学运算、字符串处理或条件判断（如计算税额、获取名字长度）。
• 语法： 使用 FUNCTION 定义，并用于表达式中，返回的值会替换掉调用处。

参数与实参

为了使过程和函数更加灵活，我们通过参数 (Parameters) 传递数据。

• 参数 (Parameter)： 定义在过程/函数标题中，用于接收数据的标识符。
• 实参 (Argument)： 调用过程/函数时传递的实际数值或变量。

参数有两种传递方式：

1. 按值传递 (Pass By Value)

• 传递的是实参的一个拷贝。
• 子程序内部对参数的任何修改都不会影响主程序中的原始变量。
• 类比： 给某人一份笔记的复印件。他们在复印件上乱涂乱画，你的原始笔记依然完好无损。

2. 按引用传递 (Pass By Reference)

• 传递的是实参的内存地址（引用）。
• 子程序内部对参数的任何修改都会影响主程序中的原始变量。
• 类比： 把储物柜的钥匙交给别人。他们可以永久改变里面的内容。

12. 软件开发

编写代码（第 11 章）只是工作的一部分。第 12 章着眼于构建大型、可靠的软件系统所需的结构和纪律。

12.1 程序开发生命周期 (PLC)

程序开发生命周期 (PLC) 是一套结构化的框架，描述了开发、维护并最终淘汰软件系统所需的步骤。其目的是确保质量、管理复杂性并满足用户需求。

PLC 阶段

1. 分析 (Analysis)： 定义问题并识别用户需求。（系统需要做什么？）
2. 设计 (Design)： 规划解决方案的结构、算法和界面。（系统将如何做？）
3. 编码/实现 (Coding)： 编写程序代码。
4. 测试 (Testing)： 检查程序错误并确保其满足需求。
5. 维护 (Maintenance)： 在部署后修复 Bug 并进行更新。

开发生命周期模型

不同类型的程序需要不同的方法。

1. 瀑布模型 (Waterfall Model)

• 原则： 每个阶段必须在下一个阶段开始前完成，严格地向下流动。
• 优点： 简单、高度结构化，易于管理小型、需求明确的项目。
• 缺点： 非常不灵活；如果后期需求变更，回溯的成本很高且难度大。

2. 迭代模型 (Iterative Model)

• 原则： 项目在小的、重复的周期（迭代）中开发。及早创建工作原型并随时间优化。
• 优点： 允许及早获得用户反馈，易于适应变化的需求。
• 缺点： 如果管理不当，可能导致“范围蔓延”（项目无限扩大）。

3. 快速应用开发 (RAD)

• 原则： 通过持续的用户参与快速创建原型，减少规划时间。
• 优点： 对于用户界面至关重要且需求相对灵活的项目，开发速度非常快。
• 缺点： 不适合极度复杂、大规模的系统，或对安全性要求极高的系统（如飞机控制软件）。

12.2 程序设计

设计阶段（PLC 的第 2 阶段）使用工具在编写任何代码之前规划程序结构。

结构图 (Structure Charts)

结构图 是一种层级图，用于自顶向下设计 (Top-down design)，将问题分解为更小的、可管理的子任务（模块、过程或函数）。

• 目的： 展示程序的整体结构以及模块之间的关系。
• 核心特征： 明确显示模块之间传递的参数/数据（圆圈代表数据，菱形箭头代表控制标志）。

优点： 鼓励模块化，有助于确保模块独立性，从而使测试更容易。

状态转换图 (State-Transition Diagrams)

状态转换图 用于记录在不同状态下运行的算法。

• 目的： 用于建模当前动作依赖于之前输入历史的系统（如交通灯、自动售货机、简单的登录系统）。
• 结构： 圆圈代表状态，箭头代表转换（导致从一种状态变为另一种状态的动作或输入）。

12.3 程序测试与维护

如果程序无法正常工作，它就是无用的。本节讨论如何查找、预防和修复错误。

错误类型

错误（或缺陷/Bug）分为三大类：

1. 语法错误 (Syntax Error)： 违反了编程语言的语法或规则。翻译器（编译器/解释器）会捕捉到这些错误。例子：将 WHILE 拼写为 WHIL。
2. 逻辑错误 (Logic Error)： 程序运行成功，但输出结果错误，因为算法本身不正确。翻译器无法捕捉这些错误。例子：本该相乘却写成了加法。
3. 运行错误 (Run-time Error)： 程序在执行过程中发生，导致程序崩溃或意外停止。例子：除以零，或尝试访问数组中不存在的索引。

测试策略与数据

测试策略 定义了测试的总体方法，而测试计划是一个详细说明测试内容、方式和所用数据的具体文档。

必须选择合适的测试数据：

• 正常数据 (Normal Data)： 预期输入的合理数据。例如：如果范围是 1 到 100，使用 50。
• 极端/边界数据 (Extreme/Boundary Data)： 处于可接受范围边界的数据。这是最容易隐藏错误的地方！例如：如果范围是 1 到 100，使用 1 和 100。
• 异常数据 (Abnormal Data)： 旨在破坏程序的无效数据。例如：输入“Apple”或 101。

测试方法

• 预演 (Dry Run)： 程序员使用追踪表手动逐步执行代码。
• 走查 (Walkthrough)： 开发团队手动一行一行地检查代码。
• 白盒测试 (White-Box Testing)： 基于对程序内部结构和代码路径的了解进行测试，确保每一行代码都至少被执行一次。
• 黑盒测试 (Black-Box Testing)： 仅基于规范和预期输出进行测试，无需了解内部代码结构。
• 集成测试 (Integration Testing)： 将各个模块组合在一起测试，确保交互正确。
• 存根 (Stub)： 测试中使用的临时占位模块，用于模拟尚未编写的模块功能。

程序维护

• 纠正性维护 (Corrective)： 修复系统运行中发现的 Bug。
• 适应性维护 (Adaptive)： 修改系统以适应环境变化（如新的操作系统）。
• 完善性维护 (Perfective)： 提升软件性能、效率或可维护性。