Programming

AS Level 计算机科学 (9618) 复习笔记：程序设计 (第 11 及 12 章)

你好，未来的程序员！欢迎来到计算机科学的核心：程序设计 (Programming)。本章将带领大家从算法 (第 9 章) 和数据结构 (第 10 章) 的理论世界，迈向将这些构思转化为实际解决方案的实践技巧。
我们将学习编写代码的基本构件、如何有效地组织程序，以及规划、测试和维护稳健软件所需的关键步骤。
如果觉得写代码很困难，请不用担心，我们会将所有内容拆解，一步步教学。掌握这些技能对于 Paper 2 至关重要，届时你将需要运用伪代码 (Pseudocode) 来解决问题！

11. 程序设计

11.1 程序设计基础

本节涵盖了我们用来向计算机发送指令的核心规则与工具。

变量、常量与数据类型

把计算机内存想象成一个巨大的储物柜。

变量 (Variable)： 一个已命名的存储位置，其值在程序执行期间可以改变。
常量 (Constant)： 一个已命名的存储位置，其值是固定的，在执行期间不能更改。使用常量能让代码更清晰、更安全 (防止意外更改关键数值)。

声明变量或常量时，必须指定其数据类型 (Data Type)。这告诉计算机预期接收什么类型的信息，以及需要分配多少空间。

AS Level 常见的数据类型 (及其伪代码表示)：

INTEGER： 整数 (例如：5, -100)。常用于计数器或分数。
REAL： 包含小数部分的数值 (例如：3.14, 0.5)。
CHAR： 单一字母、数字或符号 (例如：'A', '7', '$')。
STRING： 字符序列 (例如："Hello World")。
BOOLEAN： 仅包含两个值：TRUE 或 FALSE。非常适合用于标志 (flags) 或条件判断。

声明与赋值 (Declaration and Assignment)：

我们在程序或模块的开头声明常量和变量。

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

常见误区： 切勿混淆赋值 (←) 与比较 (=)。在伪代码中，← 是将数值“放入”变量中。

输入、输出与表达式

程序必须与用户交互 (输入) 并显示结果 (输出)。

输入： INPUT Age (从键盘读取数据并存入变量 Age)。
输出： OUTPUT "Your age is ", Age (在控制台显示文本及 Age 的值)。

表达式 (Expression) 结合了数值、变量与运算符 (算术或逻辑) 来产生一个单一结果。

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

内置函数 (Built-in Functions)

使用内置函数与库例程 (Library Routines) 可为程序员节省时间，并确保代码的可靠性。

字符串函数：
LENGTH(String1) – 返回字符串中的字符数量。
SUBSTRING(String1, Start, Length) / MID(String1, Start, Length) – 截取子字符串。
LCASE(String1) 及 UCASE(String1) – 转换为小写或大写。
ASC(Char1) – 返回字符的 ASCII 数值。
CHR(Integer1) – 返回对应 ASCII 数值的字符。
日期函数： DATE, DAY, MONTH, YEAR – 截取日期组成部分或当前日历日期。

11.2 结构 (控制结构)

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

选择 (决策制定)

选择结构允许程序根据条件 (布尔表达式) 选择执行路径。

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。
伪代码范例：
IF Score > 75 THEN
OUTPUT "Distinction"
ELSE
OUTPUT "Pass"
ENDIF

2. CASE 结构

当根据单一变量的值有多个互斥的结果时使用。这比使用多层嵌套的 IF 语句更整洁。
伪代码范例：
CASE DayOfWeek OF
1: OUTPUT "Monday"
5: OUTPUT "Friday"
OTHERWISE OUTPUT "Weekend or other day"
ENDCASE

迭代 (循环/重复)

迭代允许代码块重复执行。选择正确的循环结构对于编写高效代码非常重要。

1. 计数控制循环 (FOR 循环)

当你知道循环需要执行的确切次数时使用。
伪代码范例：
FOR Counter ← 1 TO 10 STEP 1
OUTPUT Counter
NEXT Counter

2. 前置条件循环 (WHILE 循环)

在执行循环主体之前先检查条件。循环可能会执行零次或多次。
当终止条件取决于外部因素 (如用户输入或文件状态) 时使用。
伪代码范例：
WHILE InputValue <> -1 DO
// 循环主体执行
ENDWHILE

3. 后置条件循环 (REPEAT UNTIL 循环)

在执行循环主体之后检查条件。该循环保证至少执行一次。
常考用于确保有效输入 (不断提示用户直至输入可接受的数据)。
伪代码范例：
REPEAT
INPUT Password
UNTIL Password = "secret"

如何合理选择循环：

如果问题需要重复特定次数 (例如输入 5 个分数)，使用 FOR 循环。如果必须确保至少执行一次 (例如输入验证)，使用 REPEAT UNTIL。如果循环可能一次都不需要执行 (例如处理空文件中的记录)，则使用 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分解为较小、独立的模块。这使得代码编写、调试及维护更容易。这些模块称为子程序 (Subroutines)：过程 (Procedures) 和函数 (Functions)。

过程 (做某事的子程序)

过程是一个已命名的代码块，用于执行特定任务，但不直接向表达式返回值。

适合用途： 涉及输入/输出或直接修改变量的任务 (例如将数据存储到文件，或打印菜单)。
语法： 使用 PROCEDURE 定义，并通过名称直接调用。

范例：输出欢迎消息的过程。

函数 (计算并返回值的子程序)

函数是一个已命名的代码块，用于计算数值并将该值返回给调用它的表达式。

适合用途： 数学计算、字符串处理或检查条件 (例如计算税款，或查找名称长度)。
语法： 使用 FUNCTION 定义，并在表达式中使用，返回值会取代函数调用的位置。

范例：Area ← CalculateArea(5, 10)

参数与实参

为了让过程和函数更灵活，我们通过参数 (Parameters) 传递数据。

参数 (Parameter)： 定义在过程/函数标头中，用于接收数据的标识符。
实参 (Argument)： 调用过程/函数时实际传递的数值或变量。

参数传递方式分为两种：

1. 按值传递 (Pass By Value)

传递的是实参的副本。
在子程序内部对参数所作的任何更改，都不会影响主程序中的原始变量 (实参)。
比喻： 给某人一份你的笔记复印件。他们可以在复印件上乱画，但你的原始笔记保持原样。

2. 按引用传递 (Pass By Reference)

传递的是实参的内存地址 (引用)。
在子程序内部对参数所作的任何更改，都会影响主程序中的原始变量 (实参)。
比喻： 给某人你储物柜的真实钥匙。他们可以永久更改里面的内容。

12. 软件开发

编写代码 (第 11 章) 只是工作的一部分。第 12 章探讨构建大型、可靠软件系统所需的结构与纪律。

12.1 程序开发生命周期 (PLC)

程序开发生命周期 (Program Development Life Cycle, PLC) 是一套结构化的框架，描述了开发、维护及最终弃用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)： 规划解决方案结构、算法及接口。(系统将如何实现？)
3. 编码／实现 (Coding / Implementation)： 编写程序代码。
4. 测试 (Testing)： 检查程序错误并确保其满足要求。
5. 维护 (Maintenance)： 在部署后修复程序错误并进行更新。

开发生命周期模型

不同类型的程序需要不同的处理方法。

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，严格向下流动。
优点： 简单、结构高度化，易于管理小型且目标明确的项目。
缺点： 非常缺乏弹性；如果后期需求变更，回溯成本极高且困难。

2. 迭代模型 (Iterative Model)

原则： 项目在小型、重复的循环 (迭代) 中开发。早期建立可运作的原型并随时间精炼。
优点： 允许早期用户反馈，并能轻松适应变更的需求。
缺点： 若管理不当，可能导致“范围蔓延”(项目无止境地扩大)。

3. 快速应用程序开发 (RAD)

原则： 通过持续的用户参与快速建立原型，减少规划时间。
优点： 对于用户界面至关重要且需求稍具弹性的项目，开发速度非常快。
缺点： 不适用于极其复杂、大型的系统，或需要严格保安／安全性的情况 (如航空控制软件)。

12.2 程序设计

设计阶段 (PLC 第 2 阶段) 使用工具在编写任何一行代码前规划程序结构。

结构图 (Structure Charts)

结构图是一种层次化图表，用于自顶向下设计 (top-down design)，将问题分解为更小、易于管理的子任务 (模块、过程或函数)。

目的： 显示程序的整体结构以及各模块间的关系。
关键特征： 明确显示模块间传递的参数／数据 (数据箭头用圆形表示，控制标志／状态则用菱形表示)。

优点： 促进模块化并有助于确保模块彼此独立，使测试变得更容易。

状态转移图 (State-Transition Diagrams)

状态转移图记录了在不同状态 (条件) 下运行的算法。

目的： 用于建模当前动作取决于过去输入历史的系统 (例如交通灯、自动售货机、简单登录系统)。
结构： 圆形表示状态 (States) (条件)，箭头表示转移 (Transitions) (引起状态改变的动作或输入)。

范例：咖啡机的状态机可能包括“等待硬币”、“已投入硬币”、“正在制作咖啡”等状态。

12.3 程序测试与维护

无法正确运作的程序是毫无用处的。本节探讨如何发现、预防及修复错误。

错误类型

错误 (或故障／程序缺陷) 主要分为三类：

1. 语法错误 (Syntax Error)： 违反编程语言的语法规则。翻译器 (编译器／解释器) 会捕捉到这些错误。范例：将 WHILE 误拼为 WHIL。
2. 逻辑错误 (Logic Error)： 程序成功执行，但产生错误的输出，因为算法逻辑不正确。翻译器无法捕捉这些错误。范例：应使用乘法的地方却误用了加法。
3. 运行时错误 (Run-time Error)： 在程序执行时发生，导致程序崩溃或异常停止。范例：除以零，或尝试访问不存在的数组索引。

测试策略与数据

测试策略 (Test Strategy) 定义了整体的测试方针，而测试计划 (Test Plan) 则是一份具体文件，详细说明将测试什么内容、如何测试以及使用什么数据。

你必须选择合适的测试数据 (Test Data)：

正常数据 (Normal Data)： 预期输入的数据 (处于可接受范围之内)。例如：若范围是 1 到 100，使用 50。
极端／边界数据 (Extreme/Boundary Data)： 处于可接受范围临界点的数据。这是最容易隐藏错误的地方！例如：若范围是 1 到 100，使用 1 和 100。
异常数据 (Abnormal Data)： 意图让程序崩溃的无效数据 (例如格式错误、超出范围)。例如：若预期输入 1 到 100 的数字，却输入 "Apple" 或 101。

测试方法

这些方法有助于发现代码中的缺陷：

预演 (Dry Run)： 使用追踪表手动逐行执行代码 (通常由程序员在纸上完成)。
走查 (Walkthrough)： 由作者带领开发团队，手动逐行检查代码。
白盒测试 (White-Box Testing)： 基于了解程序内部结构与代码路径进行测试。确保每一行代码至少执行一次 (通常由开发者进行)。
黑盒测试 (Black-Box Testing)： 仅基于规格说明与预期输出进行测试，不考虑内部代码结构 (通常由独立测试团队进行)。
集成测试 (Integration Testing)： 测试各个别模块共同运作时，相互通信是否正确。
Alpha 测试： 发布前由内部测试人员进行测试。
Beta 测试： 发布前由真实用户在现实环境中进行测试。
验收测试 (Acceptance Testing)： 客户或终端用户确认系统满足所有合同需求的正式测试。
存根 (Stub)： 测试期间使用的临时占位模块，用以模拟尚未编写的模块功能。

程序维护

软件在部署后必须持续进行维护。

纠正性维护 (Corrective Maintenance)： 修复系统投入使用后发现的缺陷与错误。
适应性维护 (Adaptive Maintenance)： 修改系统以适应环境变化 (例如新的操作系统、新税法)。
完善性维护 (Perfective Maintenance)： 提升软件的性能、效率或可维护性 (例如优化慢速代码、改善用户界面)。