2.11 结构化程序设计思想

程序设计方法经历了从传统的“面向过程设计”到目前被广泛接受的“面向对象设计”的过程。本节将讨论结构化程序设计。

概念提出

1976 年 N.Wirth 出版的名为 《Algorithms + Data Structure = Programs》的著作中，明确提出“算法”和“数据结构”是程序的两个要素，即程序设计主要包括两方面的内容。

• 行为特性的设计：指完整地描述问题求解的全过程，并精确地定义每个解题步骤，这一过程即是“算法设计”
• 结构特性的设计：指在问题求解的过程中，计算机所处理的数据、及数据之间联系的表示方法。

根据上述定义，传统的程序设计方法可以归结为“ 程序=算法+数据结构 ”，将程序定义为处理数据的一系列过程。

设计特点

• 结构化程序设计方法SP(Structured Programming)的着眼点是“面向过程”。
• 结构化程序设计特点是将程序中的数据与处理数据的方法分离。

核心思想

结构化程序设计方法的核心是“算法设计”，基本思想是：

• 自顶向下和逐步细化的设计方法：将一个复杂任务按照功能进行拆分，并逐层细化到便于理解和描述的程度，最终形成由若干独立模块组成的树状层次结构，如下图所示。（查看动画演示）
  
• 单入单出的控制结构：是指每个模块内部均用顺序、选择、循环结构来描述。

应用举例

举个较简单的例子：读入一组整数，要求统计其中正整数和负整数的个数。

【分析】：

1. 该任务的顶层模块可设计为3块：
2. 读入数据（模块1）；
3. 统计正、负数个数（模块2）；      
4. 输出结果（模块3）；

其中，模块2可继续细化为以下小块：

1. 正整数个数为0；负整数个数为0；
2. 取第一个数；
3. 重复执行以下步骤直到数据统计完。
   • 若该数大于0，正整数个数加1；
   • 若该数小于0，负整数个数加1；
   • 取下一个数。

上述结构化程序设计的方法如下图所示：（ 查看动画演示 ）

缺陷和不足

结构化程序设计方法曾一度成为程序设计的主流方法。 但到20世纪80年代末，这种方法开始逐渐暴露出缺陷。主要表现在以下方面：

• 难以适应大型软件的设计：在大型多文件软件系统中，随着数据量的增大，由于数据与数据处理相对独立，程序变得越来越难以理解，文件之间的数据沟通也变得困难，还容易产生意想不到“副作用”。
• 程序可重用性差：结构化程序设计方法不具备建立“软件部件”的工具，即使是面对老问题，数据类型的变化或处理方法的改变都必将导致重新设计。这种额外开销与可重用性相左，称为“重复投入”。

这些由结构化程序设计的特点所导致的缺陷，其本身无法克服！而越来越多的大型程序设计又要求必须克服它们，这最终导致了“面向对象”设计方法的产生。