ЛЕКЦИЯ 11. ЭВМ как исполнитель алгоритмов

В настоящей лекции рассмотрены этапы решения задач на ЭВМ, раскрыты основные методы технологии программирования, а также правила конструирования алгоритмов из базовых структур.

Ключевые слова: этапы решения задач на ЭВМ, технологии проектирования алгоритмов, модуль, головная программа, класс, объект, инкапсуляция, полиморфизм, наследование, базовые алгоритмические структуры (следование, альтернатива, цикл), массив, линейный поиск, поиск делением пополам, сортировка элементов массива, функция, вызов функции, пользовательские и встроенные функции, формальные и фактические параметры, рекурсия.

Решение задач на ЭВМ является одним из основных источников для создания алгоритмов и программ. Технические задачи и проблемы обработки данных - один из важнейших классов прикладных задач, решаемых на ЭВМ.

Применение компьютеров для решения технических задач существенно упрощает работу по подготовке и обработке данных. Одной из причин использования ЭВМ для решения такого рода задач - снижение трудоемкости и уменьшение числа ошибок при обработке данных.

Для решения многих технических задач на ЭВМ используются электронные таблицы и специальные пакеты программ, например MathCad, MathLab и др. Однако решение любых новых прикладных задач на ЭВМ предполагает необходимость создания новых алгоритмов и программ на основе определенных математических методов решения и обработки данных.

Особое значение для технических задач имеет правильность алгоритмов, поскольку ошибки в их решении могут дорого стоить. Неправильные технические расчеты могут нанести серьезный материальный ущерб предприятию. Для предотвращения ошибок можно использовать систематические методы конструирования алгоритмов и программ с одновременным анализом их правильности. Последовательное применение этих методов обеспечивает составление прикладных алгоритмов и программ с гарантиями их правильности.

Этапы решения задачи на ЭВМ

На рис. 11.1 показана принципиальная схема решения технической задачи с использованием ЭВМ. Из нее видно, что прежде всего необходимо собрать и проанализировать имеющуюся (исходную) информацию. Если объем подлежащей обработке информации невелик, а процедуры ее обработки относительно просты, то использование ЭВМ может оказаться вообще нецелесообразным.

Если решающий задачу специалист считает, что использовать ЭВМ необходимо, он переходит к следующему этапу решения - постановке задачи на содержательном уровне. Здесь от него требуется умение описать на своем профессиональном языке исходную ситуацию, требуемую цель, совокупность знаний, которые могут потребоваться при решении задачи. Также на этапе постановки задачи определяются форма представления входных и выходных данных решения задачи. Специалист выступает в данном случае в роли пользователя ЭВМ - лица, применяющего компьютер для решения своих (прикладных) задач. Пользователя, не обладающего знаниями в области информатики, часто называют конечным пользователем (или непрограммирующим пользователем).

Рис. 11.1. Этапы решения задачи на ЭВМ

Конечному пользователю трудно представить себе эффективные пути решения интересующей его задачи на ЭВМ, выбрать способы организации входных данных. Здесь ему помогает специалист в области информатики, которого называют системным аналитиком. Результатом совместной работы конечного пользователя и системного аналитика является формальное описание условий задачи, в котором ясно выделены и строго описаны (например, в виде математических формул, уравнений) фигурирующие в условии задачи объекты, их отношения и связи.

После формализации условий задачи пользователь и системный аналитик приступают к планированию решения - поиску путей достижения поставленной цели. Способ решения (алгоритм), как и условие задачи, должен быть описан формально, например, с помощью схем алгоритма, псевдокода и т.д. В тех случаях, когда решаемая задача относится к числу хорошо известных, удается воспользоваться готовыми методами решения (готовыми алгоритмами). При этом можно выбрать из числа известных такой метод (алгоритм), который наиболее эффективен применительно к конкретной решаемой задаче. Если же способ решения задачи не известен, то метод (алгоритм) приходится разрабатывать заново. Обычно при решении реальных задач удается выделять подзадачи, способы решения которых известны, и разрабатывать лишь отдельные фрагменты алгоритма.

Разработанный алгоритм нужно записать на языке, «понятном» используемой при решении задачи ЭВМ, т.е. в виде программы. В выполнении этого этапа решения задачи конечному пользователю помогает специалист, которого называют прикладным программистом. Как и на предыдущем этапе, здесь возможны и использование готовых прикладных программ, и разработка новых.

Как правило, первоначальный вариант текста программы либо оказывается неполным, либо содержит ошибки. Поэтому необходимым этапом решения задачи на ЭВМ является этап отладки (выявления и устранения ошибок) и тестирования программы (выполнения ее со специально подобранными входными данными, для которых известны результаты работы данной программы).

Хотя отладка и тестирование не могут гарантировать правильность программы при работе ее с любыми исходными данными, они существенно повышают степень доверия к программе. После завершения отладки и тестирования программа применяется для решения основной задачи с реальными входными данными. Этот этап называют решением задачи в узком смысле слова.

В организации технической стороны выполнения программы на ЭВМ, управлении работой вычислительной системы, подготовке и вводе текста программы и исходных данных участвуют операторы ЭВМ. Здесь тоже необходим контроль за правильностью и надежностью работы программы и аппаратуры, в частности, проверка корректности исходных данных.

Результат выполнения программы для реальных исходных данных передается конечному пользователю. В его функции входят содержательная оценка результата, интерпретация результата с позиций предметной области (области его профессиональной деятельности) и, наконец, принятие решения на основе полученных данных.

С появлением персональных компьютеров и их широким внедрением в практику технология и методология решения задач претерпели изменения. Все большее значение и распространение стал приобретать режим, получивший наименование диалогового режима работы с ЭВМ.

Для организации такой работы, более эффективной и зачастую более привлекательной для пользователя, нужны специальные программные средства, обеспечивающие диалог с ЭВМ, т. е. непосредственное интерактивное взаимодействие с ЭВМ в темпе, удобном для пользователя. Пользователь вводит в ЭВМ или запрашивает у нее некоторые сведения (данные), а вычислительная машина, в свою очередь, задает ему встречные вопросы, «просит», например, ввести значения тех или иных исходных величин. В этом случае пользователю не требуются посредники (системный аналитик, прикладной программист, оператор), ему не нужно с помощью этих посредников формализовывать условие задачи, разрабатывать способ ее решения, проверять алгоритмы и программы. Конечный пользователь работает с уже готовыми программами и системами, разработанными, отлаженными и протестированными заранее. С применением ЭВМ конечным пользователем в таком режиме связана проблема, получившая название дружелюбия к пользователю. Под ним понимается свойство вычислительной системы, облегчающее конечному пользователю ее освоение, работу с ней. Для этого применяются наводящие и подсказывающие тексты, различные графические средства, «меню», при использовании которого ЭВМ сообщает список возможных в текущей ситуации реплик пользователя и просит выбрать одну из них.