2021-08-18

算法设计

算法的一个显著特征是，它解决的是一类问题而不是一个特定的问题。例如日常使用计算机的过程中，经常会对文件夹中的文件进行排序，以便把文件按序（按文件名、或按类型名、或按文件大小、或按创建日期等）列表显示。此时，计算机使用的排序算法对文件的个数（100个还是1000个甚至更多）和文件的名字（中文还是西文）等都应该没有限制

开发计算机应用的核心内容是研究和设计解决实际应用问题的算法并将其在计算机上实现（即开发成为软件）。关于算法，需要考虑以下3个方面的问题，即如何确定算法（算法设计）、如何表示算法（算法表示）以及如何使算法更有效（算法的复杂性分析）

使用计算机求解问题通常包括
理解和确定问题

寻找解决问题的方法与规则，并将其表示成算法

使用程序设计语言表达（描述）算法（编程）

运行程序，获得问题的解答

对算法进行评估以求改进

程序设计语言

语言是用于通信的。日常使用的自然语言用于人与人的通信，而程序设计语言则用于人与计算机之间的通信。计算机是一种电子机器，其硬件使用的是二进制语言，与自然语言差别太大了。程序设计语言是一种既可使人能准确地描述解题的算法，又可以让计算机很容易理解和执行的语言。程序员使用这种语言来编制程序，精确地表达需要计算机完成什么任务，计算机就按照程序的规定去完成任务

机器语言

每台计算机在设计过程中，都规定了一组指令，这组机器指令集合，就是所谓的机器指令系统。用机器指令形式编写的程序，称为机器语言。机器语言是一台计算机的功能体现，它的特点是结构简单、功能强大、可构造性强，计算机可以直接识别和执行

汇编语言

汇编语言是机器语言的符号化。在机器指令的基础上，人们提出了采用字符和十进制来表示指令的操作码和地址，代替了二进制代码。汇编语言的基本语句等价于机器语言指令，具体而言：用英文单词或其缩写表示操作码，如MOV表示数据传送，ADD表示加法，SUB表示减法等。用符号表示数据的存储地址，如A表示一个单元的地址，A+1则表示它的下一个单元的地址

对3+6进行计算的算法描述。

机器指令对3+6=9进行运算的算法描述。

1011000000000110表示将“6”送到寄存器AL中，数字“6”放在指令后8位。

0000010000000011表示数“3”与寄存器AL中的内容相加，运算结果仍存放在AL中。

1010001001000000000000表示把AL中的内容送到地址为5的存储单元中。

汇编语言对3+6=9进行运算的算法描述。

MOV AL，6

ADD AL，3

MOV VC，AL 汇编语言程序看起来要直观。但是，计算机只能识别和执行机器语言，因此用汇编语言编写的程序不能直接执行，必须事先将其“翻译”成等价的机器语言程序

高级程序设计语言

虽然与机器语言相比，汇编语言的产生是一个很大的进步，但是人们用它来进行程序设计仍然比较困难，并且所编的程序仅仅能运行在某一种类计算机上（不同种类计算机汇编语言不同）。为了解决这些问题，出现了用高级程序设计语言编写的程序。所谓高级程序设计语言是一种接近于人类自然语言的程序设计语言，用“类自然语言”和“数学语言”的形式编写程序，且高级语言的语句与特定机器的指令无关，因此人们编程更加方便。如用高级语言对3+6进行运算，其描述与数学描述一样，即3+6

高级程序设计语言通常由基本字符集、词法规则、语法规则、语义规则等构成。用高级程序设计语言编写的程序通常包括“说明”和“过程”两部分，前者的任务是描述数据，后者的任务是描述处理过程。因此，学习一种高级程序设计语言时，除语言的基本字符集、词法规则、语法规则、语义规则外，更重要的是要学习程序结构，即如何构造一个程序的方法和技术。常用的高级程序设计语言有C、C++、C#、Java、FORTRAN等

用高级程序设计语言编写的程序同样在计算机上不能直接执行，必须经过“翻译”成目标程序才能执行。高级程序设计语言源程序是用“解释程序”或“编译程序”来完成“翻译”工作。解释程序是先将源程序“扫描”一遍，然后逐句翻译成目标程序，同时每翻译完一句执行一句，即边翻译边执行。编译程序是将源程序全部翻译成目标程序后再执行

翻译程序

利用高级程序设计语言编写的程序不能直接在计算机上执行，因为计算机只能执行二进制的机器指令，所以，必须将高级程序设计语言编写的程序（称为源程序）转换为在逻辑上等价的机器指令（称为目标程序），这种转换程序称为翻译程序。翻译程序是一个相当复杂的系统程序，涉及很多概念、理论、方法和技术，掌握翻译程序的基本原理和过程，有助于对高级程序设计语言的深层次理解，提高开发大中型软件的能力

工作方式

翻译程序能够将使用某种源语言编写的源程序翻译为与其等价的目标语言编写的目标程序，通常源语言指的是高级程序设计语言，目标语言指的是机器语言或汇编语言。不同的程序设计语言需要有不同的翻译程序，同一种程序设计语言在不同类型的计算机上也需要配置不同的翻译程序
按照生成目标程序的过程不同，翻译程序的工作方式通常分为解释方式和翻译方式

解释方式
解释一般是翻译一句执行一句，即在翻译过程中，不把源程序翻译成一个完整的目标程序，而是按照源程序中语句的顺序逐条语句翻译成机器可执行的指令并立即予以执行，由于解释方式不产生目标代码，所以，源程序的执行不能脱离其解释环境，并且每次运行都需要重新解释。早期的BASIC语言和近年来流行的Java语言都具有逐条解释执行程序的功能

编译方式
编译是一个整体理解和翻译的过程，即先由编译程序把源程序翻译成目标程序，然后再由计算机执行目标程序。由于编译后形成了可执行的目标代码，所以，目标程序可以脱离其语言环境独立执行，但对源程序修改后需要重新编译。C、C++、C#语言都是编译型语言