ЯЗЫКИ И МЕТОДЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

В данном разделе практикума приведены материалы для проведения занятий по программированию на различных языках высокого уровня. Не исключено, что, наряду с данным практикумом, в учебном процессе по этому разделу могут ис­пользоваться сборники задач по программированию, которых (по крайней мере, по традиционным методологиям программирования) имеется большое число.

Хотя основу практикума по этому разделу составляют лабораторные работы, на которых студенты самостоятельно разрабатывают и реализуют (пользуясь консуль­тациями преподавателей) программы на компьютере, это не исключает проведе­ния семинарских занятий, на которых отрабатываются навыки решения типовых задач. Опыт показывает, что для многих студентов занятия по принципам алгорит­мизации и программирования в аудитории, без компьютера, полезны и даже не­обходимы. Заметим в связи с этим, что в название раздела включено слово «мето­ды» (а не просто «языки программирования»). Этим подчеркивается важность ос­воения именно методов разработки алгоритмов и программ, а не только кодирова­ния на том или ином языке.

Основу практикума составляет программирование на трех языках: Паскаль, Си и Пролог. Наиболее полно отражен Паскаль, что соответствует его реальной роли в подготовке учителей информатики и ряду других специальностей. На базе Паскаля предполагается отработка навыков по объектно-ориентированному про­граммированию. На уровне получения начальных практических навыков реализо­ван практикум по Си и Прологу. В то же время, в практикум не включены разде­лы по программированию на языках Бейсик и ЛИСП, описанных в базовом учеб­ном пособии.

Вопрос о целесообразности проведения практикума по языку Бейсик, формам и объему этого практикума следует рассматривать в контексте постановки изучения программирования в конкретном вузе. Роль Бейсика в профессиональном програм­мировании в настоящее время невелика (достаточно популярный объектно-ориен­тированный У18иа1 Вазю, по существу, есть иной язык). Чаще всего на Бейсик отпус­кается лишь немного времени для ознакомления (либо эта тема полностью исклю­чается или переносится на самостоятельное изучение). Учитывая, что языки Бейсик (в его современных версиях типа (^Вазю) и Паскаль нацелены на решение достаточ­но схожего круга прикладных задач, весьма объемный практикум по Бейсику с решением задач и выполнением лабораторных работ может быть при желании орга­низован с помощью заданий, приведенных в разделе по Паскалю.

Язык ЛИСП, реализующий принципиально иную, нежели Паскаль, парадигму программирования, в принципе заслуживает ознакомления, что и имели в виду авторы базового учебного пособия, включив в него соответствующую главу. Одна­ко на практическое освоение этого языка при подготовке студентов той катего­рии, которой адресован практикум, обычно не остается времени. Соответствую­щих требований нет и в государственных образовательных стандартах.

Важную роль в данном разделе практикума играет тема «Методы и искусство программирования». Именно на классических задачах поиска и сортировки и пост­роения рекурсивных алгоритмов традиционно оттачиваются практические навыки будущего программиста в сфере алгоритмизации и программирования. Вопрос о том, на каких языках реализовывать соответствующие программы, вторичен. В дан­ном случае это могут быть и Паскаль, и Си, и Бейсик.

§ 1. ПАСКАЛЬ КАК ЯЗЫК СТРУКТУРНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Рекомендации по проведению занятий

Паскаль чаще всего является основным языком, изучаемым в ходе подготовки учителей информатики. Это обусловливает особую роль в проведении лаборатор- но-практических занятий по программированию на Паскале. Если в отношении других языков ставятся в основном ознакомительные цели, то при освоении Пас­каля требуется выработка устойчивых практических навыков программирования.

Это обусловливает и организацию занятий. Они включают практические (груп­повые) семинарские занятия, на которых отрабатываются навыки реализации ти­повых алгоритмов; для этой деятельности и для домашних заданий необходимо некоторое число традиционных задач. Не все эти задачи становятся объектом от­ладки на компьютере, поскольку это требует немалого времени.

По отдельным темам обычно проводятся контрольные работы, для которых так­же нужны задания. Следует отметить, что указанные оценки продолжительности выполнения контрольных работ, приведенные ниже, весьма условны. Они исходят из полного выполнения всех приведенных заданий и отладки программ на ЭВМ; и то, и другое необязательно, и реальный состав задания определяется преподавате­лем. Часть этих заданий может быть использована на лабораторных работах.

Практически полностью самостоятельная работа студентов, во время которой преподавателю отводится роль консультанта, реализуется в ходе выполнения ла­бораторных работ. Для этих работ необходимы наборы индивидуальных заданий, предусматривающих разработку типовых алгоритмов и программирование, с от­ладкой (и, в случае целесообразности, тестированием) программ, проведением по ним расчетов. Такие задания даются ниже по основным темам.

Практикум тесно привязан к базовому учебнику. В силу этого, иногда при раз­боре упражнений практикуются ссылки на программы, приведенные в учебнике.

Краткие сведения

Паскаль-программа является текстовым файлом с собственным именем и с расширением.раз. Схематически программа представляется в виде последователь­ности восьми разделов:

1. Заголовок программы.

2. Описание внешних модулей, процедур и функций.

3. Описание меток.

4. Описание констант.

5. Описание типов переменных.

6. Описание переменных.

7. Описание функций и процедур.

8. Раздел операторов.

Основные операторы языка

Реализация последовательности действий (структуры следования) выполняет­ся с помощью составного оператора:

Ьед±п Споследовательность операторов> епс1;

Для реализации развилки в Паскале предусмотрены два оператора: условный оператор и оператор варианта (выбора). Первый выглядит так:

Слогическое выражение> " ЬЪеп < оператор1> е1зе < оператор2>;

или

И Слогическое выражение> " ЬЪеп < оператор>;.

Оператор варианта имеет следующую форму:

сазе < выражение> о^

< список констант 1>: < оператор 1>; < список констант 2>: < оператор 2>;

< список констант N> 1 < оператор

епс1;.

Для реализации циклов в Паскале имеются три оператора.

Цикл с предусловием:

угЪИе Слогическое выражение> с1о < оператор>;.

Действие: вычисляется значение логического выражения. Если оно равно 1гие, то выполняется оператор, после чего снова вычисляется значение логического выражения, в противном случае действие заканчивается.

Цикл с постусловием:

гереаЪ

< последовательность операторов>

ип" Ы1 Слогическое выражение>;

Действие: выполняется последовательность операторов. Далее вычисляется зна­чение логического выражения. Если оно равно ггие, то действие заканчивается, иначе снова выполняется последовательность операторов и т.д.

Цикл с параметром:

^ог < параметр>: = < выражение 1> " Ьо < выражение 2> с! о < оператор>

Параметр, выражение 1, выражение 2 должны быть одного ординального типа. Параметр в этом цикле возрастает.

^ог < параметр>: =< выражение 1> сижп" Ьо < выражение 2> с! о < оператор>.

Параметр в этом цикле убывает.

Структуры данных

Простые типы

К ним относятся: геа1 — вещественный; ш1е§ег — целый; Ьоо1еап — логический; Ьу1е — байтовый; сЬаг — символьный.

Перечисляемые и интервальные типы данных задаются с помощью простых типов. Описание перечисляемого типа выполняется в разделе типов по схеме:

" Ьуре < имя типа> = ссписок имен> Примеры:

" Ьуре орегаЬог={р1из, Ш1пиз, ти111, < 3л^л.с1е); со1ог= (мНИе, гес1, Ыие, уе11ом, ригр1е, дгееп);

Интервальный тип — это подмножество другого уже определенного простого типа, называемого базовым. Пример:

" Ьуре с1ауз = (шоп, Ъие, мес1, Ыпи, ±г±, за!, зип); могМауз = шоп..^г1; 1пс1ех = 1.. 30; 1е-Ыег = 'а'..'г';

Можно задать интервал и в разделе переменных: Vа^ а: 1..100; Ь: -25..25/.

Составные типы

Массив — это последовательность, состоящая из фиксированного числа одно­типных элементов:

" Ьуре < имя типа> = аггау ссписок типов индексов> о^ < тип элементов>.

Число типов индексов называется размерностью массива. После описания типа массива конкретные массивы можно задать в разделе описания переменных, на­пример:

" Ьуре Vес-Ьог = аггау [1..10] о^ геа1; 1: аЫе = аггау ['А¹.. ¹ 2 ¹, 1..5] о^ л.п1: едег;

Vа^ а, Ъ: Vес'Ьо^; с: " ЬаЫе;

Описание массива—типа можно совместить с описанием соответствующих пе­ременных:

Vа^ а, Ъ: аггау [1..10] о^ геа1; с1: аггау [Ьу1е] о^ сЬаг;.

Строковый тип определяется в разделе описания типов, переменные этого типа - в разделе описания переменных:

" Ьуре ыогс1: зЪгз.пд [20];

Vа^ а, Ъ, с: ыогй;

или

Vа^ а, Ъ, с: зЪг±пд[20]; с!: зЪг±пд[30];

Для строковых величин определены четыре стандартные функции:

1. Функция соединения — сопсаЪ (з1, з2,..., зк).

2. Функция выделения — сору (з, ±, к). Из строки $ выделяется к символов, начиная с /-го символа.

3. Функция определения длины строки — 1епдЪЬ (з).

4. Функция определения позиции — роз(з, ь). Вычисляется номер позиции, начиная с которой строка 5 входит первый раз в строку результат равен О, если строка ^ не входит в и

Также определены четыре стандартные процедуры для обработки строковых величин:

1. Процедура удаления — йе1еЪе (з, д., к). Из строки я удаляется к символов, начиная с /-го символа.

2. Процедура вставки — ±пзегЪ(з, ^ 1) • Строка я вставляется в строку начи­ная с позиции /.

3. Процедура преобразования числа в строку символов — зЪг (к, з).

4. Процедура преобразования строки из цифр в число — Vа1 (з, к, ±).

Множественный тип можно определить в разделе описания типов по схеме: Ьуре < имя> = зе" Ь о^ < тип элементов>. Например: Ьуре Ь = зеЪ о^ ЪуЪе; уаг а: Ь;

или

Vа^ сос1е: зе" Ь о^ 0..7; сИдз-Ьз: зеЪ о^ ' 0 ¹.. ' 9 ¹;

Для данных множественного типа определены операции объединения, пересече­ния и дополнения множеств, обозначаемые соответственно знаками +, * и —, а также отношения равенства множеств (А = В), неравенства (АО В), включения (А< = В, А > = В). Логическая операция принадлежности: хтА принимает значение 1гие, если элемент х принадлежит множеству А и /аке в противном случае.

Запись — это последовательность, состоящая из фиксированного числа вели­чин разных типов, называемых полями или компонентами записи:

Ьуре имя типа записи = гесогс! имя поля 1: тип; имя поля 2: тип;

имя поля N: тип епс1;

Например, адресные данные (индекс, город, улица, номер дома, квартиры) можно представить как запись:

Ьуре аск! гезз = гесогс! 1пс1ех: з1г±пд [ б ]; зЪг±пд[2 0];

з!: гее1:: з1г±пд[20]; Ъаиз, 1: 1а1:: л.п" Ьедег епй;

Подпрограммы

В Паскале подпрограммы называются процедурами и функциями.

Процедура имеет такую же структуру, как и программа, но с двумя отличиями:

1) заголовок процедуры имеет другой синтаксис:

ргосес! иге < имя> (ссписок описаний формальных параметров>)

2) описание процедуры заканчивается точкой с запятой (а не точкой).

Оператор вызова процедуры имеет вид

< имя процедуры> (Ссписок выражений>);

Функция — это подпрограмма, определяющая единственное скалярное, веще­ственное или строковое значение. Отличия подпрограммы-функции от процедуры:

1) заголовок функции начинается со служебного слова ГипсИоп и заканчивается указанием типа значения функции:

^ипсЫоп < имя> (< список описаний формальных параметров>): < тип>;

2) раздел операторов функции должен содержать хотя бы один оператор при­сваивания имени функции;

3) обращение к функции — не оператор, а выражение.

Функции и процедуры могут быть рекурсивными.

В Паскале имеются две встроенные процедуры ввода:

1)геас! < список переменных>;

2) геасИп < список переменных>.

Имеются две процедуры вывода на экран дисплея:

1)кг±-Ье < список выражений>;

2) ъг±Ъе1п Ссписок выражений>.

Модули

Модуль — это набор констант, типов данных, переменных, процедур и функ­ций. Используется для создания библиотек и разделения больших программ на логически связанные не зависимые друг от друга составные части. В состав модуля входят следующие разделы: заголовок, интерфейс, реализация, инициализация. Заго­ловок необходим для ссылок на модуль. Интерфейс содержит объявления, вклю­чая процедуры и функции, представленные списком заголовков и доступные пользо­вателям в теле основной программы. Раздел < реализация> содержит тела процедур и функций, перечисленных в интерфейсной части модуля. Раздел Инициализа­ция > содержит операторы, необходимые для инициализации модуля.

Каждый модуль компилируется отдельно; результат компиляции — файл с рас­ширением Лри (ТигЪоРазсаШпИ). Каждый элемент модуля можно использовать в программе пользователя без дополнительного объявления, для чего достаточно записать имя используемого модуля в директиве Цзез в начале программы после его заголовка: и§е§ < имя модуля>

Файлы

Для связи Паскаль-программы с внешними устройствами используют файловые переменные. Связь осуществляется оператором языка Паскаль:

а88±дп (< имя файловой переменной>, ¹< имя устройства> ¹).

Например:

азз1дп {Т., ¹ ргл_тег. с1а1: ¹)

Здесь / — имя файловой переменной, рг1тег.(За! — имя файла данных на внешнем носителе.

Если внешним устройством является принтер, то связь осуществляется опера­тором аззхдп ¹1з1:: ¹). Здесь 1з1: — логическое имя печатающего устройства. Ниже приведены логические имена внешних устройств ввода-вывода:

соп: консоль; Ьгт: терминал;

кЪс!: клавиатура; 1з-ь: принтер;

аих: буфер сети; изг: драйвер пользователя.

После осуществления связи файловая переменная / отождествляется с соответ­ствующим файлом.

Для работы с файлом его необходимо открыть, по окончании работы — закрыть. Файл открывается для чтения оператором гезеЪ(: Е), для записи — оператором ге*гл.1: е (. Чтение и запись данных осуществляется известными процедурами геас! / *г1Ье, только в начале списка помещается имя файловой переменной:

геас! < список ввода>); геасИп (Е, < список ввода>);

^г < список вывода>); \*гл." Ье1п (, < список вывода>).

Закрытие файла осуществляется командой с1озе {?). Команда гезеЬ. (I) уста­навливает указатель маркера файла на нулевое состояние.

В системе Турбо-Паскаль предусмотрены встроенные функции по работе с файлами:

^Иезхге (±) — возвращает текущее число компонент открытого файла;

ЁИероз — возвращает номер текущей позиции маркера;

гепате (^, имя) — переименование файла, связанного с /;

егазе(^) — уничтожение файла;

ехесиЪе (±) — выполнение СОМ-файла;

сЪал.п (^) — выполнение СНК-файла;

зеек(: Е, Ы) — устанавливает маркер на позицию Тч[;

ео^(^) — возвращает ТБШЕ, если найден конец файла;

еа1п(Г) — возвращает ТК11Е, если найден конец строки.

Файловый тип данных в программе задается по следующему правилу:

Ьуре < имя файлового типа> = ^Ие о^ < тип компонентов>.

В качестве типа компонент файла разрешается использовать любой тип данных, кроме файлового. Например:

Ьуре = ^Ие о^ 1П" Ьедег;

Динамические переменные и указатели

Переменные ссылочного типа (указатели) вводятся в употребление обычным путем с помощью их описания в разделе переменных.

Значением указателя является адрес ячейки, начиная с которой будет размеще­на в памяти соответствующая динамическая величина. Задание ссылочного типа выполняется по схеме:

Ьуре < имя ссылочного типа> = ^А < имя типа динамической величины> (значок ^А указывает на то, что величина является динамической).

Например:

" Ьуре р = ^А±п" Ьедег; д = ^Агесогс1 х: ±п" Ьедег; у: зЪг±пд [20] епс1;

В некоторых случаях возникает необходимость в качестве значения указателя принять «пустую» ссылку п±1, которая не связывает с указателем никакого объек­та и принадлежит любому ссылочному типу.

Для порождения динамического объекта, на который указывает ссылочная переменная л., служит стандартная процедура пек (л.). Имя ссылочной перемен­ной с последующим символом ^А называют «переменной с указателем». Именно она синтаксически выполняет роль динамической переменной и может быть ис­пользована в любых конструкциях языка, где допустимо использование пере­менных того типа, что и тип динамической переменной.

Процедура сИзрозе (л.) уничтожает порожденные динамические объекты.

Графика

Графические возможности реализованы с помощью стандартного модуля СгарЪ. Ьри. Подключение модуля к программе выполняется директивой изез дгарЬ. Процедура инициализации графического режима имеет три аргумента:

1п±^-ЬдгарЪ (< драйвер>, < режим>, 'Спуть к драйверу> ') и может быть выполнена так: изез дгарЬ;

Vа^ дс1, дш: ±п-Ьедег;

{переменные дс! и дш определяют драйвер и режим} Ьед±п

дс1: =^да; дт: =^даМ; ±п±" ЬдгарЬ (дс1, дт, ' с1: \1: р55 ');

Первые две команды можно заменить одной: дй: =< 1еЪесЪ с целью автомати­ческого распознавания драйвера и установления режима максимального разреше­ния для данной машины.

Процедура с1озедгарЪ освобождает память от драйвера и устанавливает ре­жим работы экрана, который был до инициализации графики.

Для обнаружения ошибок в графике применяются функции дгарЪгезиИ: и дгарЬеггогшзд (код ошибки). Инициализация графического режима с проверкой ошибок может быть выполнена в программе следующим образом:

изез дгарЬ; Vа^ дс1, дт, еггогсос!: ±п-Ьедег; Ьед±п

дс!: =с1е1: ес1:; л.пл.'ЬдгарЪ (дс!, дт, ' '); еггогсос!: =дгарЪгези11:; еггогсос! о дгок " ЬЬеп

Ьед±п

кг±-Ье1п (' ошибка графики'); кг±-Ье1п (дгарЬеггогтзд (еггогсос!));

Ьа1 Ь епс!;

Процедура Ьа1Ъ останавливает выполнение программы и возвращает управле­ние операционной системе.

Параметр «цвет» в процедурах работы с палитрой является выражением целого типа со значением из интервала 0..15, в частности, может быть константой из приведенного списка:

 

0 (черный)

1 (синий)

2 (зеленый)

3 (голубой)

4 (красный)

5 (малиновый)

6 (коричневый)

В1аск В1ие Огееп Суап Кед Ма§еп1а Вгошп ЬщЬ^гау

7 (светло-серый)

Иагк& гау =

ЬщМЫие =

ЬщЫ^гееп =

ЪщЫсуап =

ЬщЫгей =

Ы§Ыта§еп1а = Уе11ош

тие

8 (темно-серый)

9 (светло-синий)

10 (светло-зеленый)

11 (светло-голубой)

12 (светло-красный)

13 (светло-малиновый)

14 (желтый)

15 (белый).

 

Процедуры зе'ЬсоЛ.ог (< цвет>) и зеЪЬксо1ог (< цвет>) устанавливают теку­щий цвет рисунка и цвет фона. При инициализации графики по умолчанию уста­навливается черный фон и белый цвет рисунка.

Та б л и ца 3.1

Основные процедуры модуля бгарН Заголовок процедуры Геометрический смысл ри1: р1хе1 (х, у, с) Построить точку (х, у) цветом с 5еЫ1пезЬу1е (а, Ъ, 1:) Установить стиль, образец и толщину линий Ипе (х 1, у1, х2, у2) Соединить две точки отрезком гес1: апд1е (х1, у1, х2, у2) Прямоугольник с заданными концами диагонали и сторонами, параллельными осям координат с1гс1е (х, у, г) Построить окружность с центром (х, у) и радиусом Я агс (х, у, а, Ъ, г) Построить дугу окружности: а, Ь — начальный и конечный углы в градусах еШрзе (х, у, а, Ъ, гх, гу) Построить эллиптическую дугу: гх, гу— полуоси эллипса зеЬ^ШзЬуХе (1:, с) Установить стиль закраски и ее цвет йПеШрзе (х, у, гх, гу) Построить закрашенный эллипс, используя цвет рисунка ПоойГШ (х, у, сд) Закрасить фигуру до границы с цветом (х, у) — внутренняя точка фигуры Ъаг (х1, у 1, х2, у2) Построить столбец, используя тип и цвет закраски р1ез11се (х, у, а, Ь, г) Построить и закрасить сектор круга: а, Ь — начальный и конечный углы дуги в градусах зес1: ог(х, у, а, Ь, гх, гу) Построить и закрасить эллиптический сектор зе1: 1: ех1: з1: у1е (Г, п, < 3) Установить шрифт, направление вывода, размер символов текста оиЫехЬху(х, у, 5Ь) Вывести строку начиная с точки (х, у) оиЫехЪ (з" Ь) Вывести строку, начиная с точки расположения текущего указателя 5еЫ1пезЬу1е (а, Ъ, 1:) Стильлинии

 

Т а б л и ц а 3.2 Значения первого аргумента процедуры зеШпез1у1е(а, ЬД) Значение стиля Смысл 0 зоНс11п Непрерывная линия 1 с! о-Ы: е1п Пунктирная линия 2 сепЬег1п Штрихпунктирная линия 3 йазЬесПп Штриховая линия 4 изегЫип Определенная пользователем

 

Второй параметр Ь, «образец», имеет значение 4, если а = 4, в остальных случа­ях Ь = 0.

Третий параметр толщина линии, может иметь значение 1 (нормальная тол­щина) или 3 (жирная линия).

Первый аргумент процедуры зе1: ^111з1: у.1е(1: _/с) — тип закраски/—прини­мает значения из интервала 0..12. Наиболее употребителен тип / = 1 — заполнение фигуры текущим цветом.

Для вывода текста на графический экран сначала выполняется процедура зе" Ы: ех1: з1: у1е (^, п, с!), устанавливающая шрифт/, направление вывода п и раз­мер символов (параметр с1). При/= 0 используется стандартный точечный шрифт, встроенный в систему Турбо-Паскаль.

Контрольные вопросы

1. Из каких разделов состоит программа на Паскале?

2. В каких случаях используют циклы с параметром, с предусловием и с постус­ловием? Приведите примеры.

3. В чем различия и сходство данных типа скаг и Мпп§?

4. В чем различия и сходство данных типа массив и множество?

5. В чем различия и сходство данных типа массив и запись?

6. В чем принципиальные отличия подпрограммы-процедуры от подпрограммы- функции?

7. Для каких целей служат модули?

8. Какую роль в программе играет файловая переменная?

9. Для чего вводят динамические структуры? В чем их принципиальное отличие от статических типов данных?

10. Каким образом в Паскаль-программе инициализируется графический ре­жим?