Базовый набор структур и построение алгоритмов на их основе

Теория структурного программирования доказывает, что алгоритм любой степени сложности можно построить с помощью основного базового набора структур:

1) последовательная (линейная) структура;

2) ветвящаяся структура;

3) циклическая структура.

Наиболее простыми для понимания и использования являются линейные структуры. Линейным называется алгоритм (фрагмент алгоритма), в котором отдельные предписания выполняются в естественном порядке (в порядке записи) независимо от значений исходных данных и промежуточных результатов.

Алгоритм может быть реализован в ЭВМ, если он содержит только элементарные предписания. Такими элементарными, т.е. не требующими детализации, можно считать следующие предписания или операции:

1) начало, конец;

2) список данных;

3) ввод, вывод;

4) вычислительные операции, реализуемые оператором присваивания.

Не всякий алгоритм можно описать только линейными структурами. Часто для дальнейшей детализации используются ветвящиеся структуры, т.е. такие, в которых в зависимости от исходных данных или промежуточных результатов алгоритм реализуется по одному из нескольких, заранее предусмотренных направлений. Такие направления часто называются ветвями.

Каждая ветвь может быть любой степени сложности, а может вообще не содержать предписаний, т.е. быть вырожденной. Выбор той или иной ветви осуществляется в зависимости от результата проверки условия с конкретными данными. В каждом случае алгоритм реализуется только по одной ветви, а выполнение других исключается.

Реализация на ЭВМ линейных и разветвляющихся программ не дает большого выигрыша во времени по сравнению, например, с использованием простого калькулятора. Настоящее преимущество вычислительной машины становится очевидным лишь при решении тех задач, где возникает необходимость многократного повторения одних и тех же фрагментов алгоритмов.

В циклических алгоритмах выполнение некоторых операторов (групп операторов) осуществляется многократно с одними и теми же или модифицированными данными.

Циклические алгоритмы часто называют циклами. В зависимости от способа организации числа повторений различают три типа циклов:

1) цикл с заданным условием продолжения работы (цикл-пока);

2) цикл с заданным условием окончания работы (цикл-до);

3) цикл с заданным условием повторений работы (цикл с параметром).

Тело цикла с заданным условием продолжения работы может включать в себя группу операторов любой степени сложности. При выполнении условия продолжения работы выполняется тело цикла, если же условие не выполняется, то работа циклической структуры заканчивается и начинается выполнение следующей структуры.

Структура цикл-пока предусматривает вариант, когда тело цикла не выполняется ни разу. Такое возможно, если условие, стоящее в начале цикла, сразу же не выполняется. Когда на практике возникает необходимость использовать структуру, у которой тело цикла выполняется хотя бы один раз, то в этом случае применяется структура цикла-до.

С помощью такой структуры обычно составляют алгоритмы итерационных вычислительных процессов, т.е. таких, в которых для определения последующего значения переменной используется ее предыдущее значение. Выход из конструкции цикл-до осуществляется по достижении параметром требуемого значения.

Рассмотренные типы циклических структур имеют один недостаток: при ошибочном задании исходных данных может произойти зацикливание, т.е. возникает ситуация, когда происходит бесконечное повторение тела цикла.

В практических инженерных задачах обычно известны начальные значения изменяемых величин, закон изменения и конечное число повторений. Переменная, изменение которой организуется в ходе реализации цикла, называется параметром цикла или управляющей переменной. Алгоритм работы цикла с заданным числом повторений представляет собой соединение линейной структуры (начало цикла), структуры цикл-пока (условие в нем заменено на противоположное) и снова линейной (последовательной) структуры в теле цикла.

Таким образом, с помощью базового набора структур можно построить алгоритм любой степени сложности. Освоив принципы и средства структурной алгоритмизации, обучаемые должны уметь реализовать их на конкретном языке программирования. Следовательно, основной концепцией в изучении ими любого языка программирования будет являться методика перевода основных базовых структур в конструкции данного языка.