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结构化编程

2018-08-31 09:04:21     所属分类:编程典范

结构化编程英语:Structured programming),一种编程典范。它采用子程序、代码区块英语block structures、for循环以及while循环等结构,来取代传统的 goto。希望借此来改善计算机程序的明晰性、质量以及开发时间,并且避免写出面条式代码。

结构化编程在1960年代开始发展,科拉多·伯姆英语Corrado Böhm及朱塞佩·贾可皮尼(Giuseppe Jacopini)于1966年5月在《Communications of the ACM》期刊发表论文[1],说明任何一个有goto指令的程序,可以改为完全不使用goto指令的程序,后来艾兹赫尔·戴克斯特拉在1968年也提出著名的论文《GOTO陈述有害论》(Go To Statement Considered Harmful)[2],,因此结构化编程开始盛行,此概念理论上可以由结构化程序理论所证明,而在实务上,当时也有像ALGOL一样,有丰富控制结构的编程语言来实现结构化编程。

目录

  • 1 底层的结构化编程
  • 2 结构化编程语言
  • 3 历史
    • 3.1 理论基础
    • 3.2 争议
    • 3.3 影响
  • 4 例外情形
    • 4.1 异常处理
    • 4.2 状态机
  • 5 相关条目
  • 6 参考资料

底层的结构化编程

结构化的程序是以一些简单、有层次的程序流程架构所组成,可分为循序(sequence)、选择(selection)及重复(repetition)。

  • 循序是指程序正常的运行方式,运行完一个指令后,运行后面的指令。
  • 选择是依程序的状态,选择数段程序中的一个来运行,一般会使用if..then..else..endifswitchcase等关系字来识别。
  • 重复是指一直运行某一段程序,直到满足特定条件,或是一集合体中的所有元素均已处理过,一般会使用whilerepeatfordo..untildo...while等关键字识别。一般会建议每个循环只能有一个进入点(戴克斯特拉的结构化编程要求每个循环只能有一个进入点及一个结束点,有些编程语言仍有此规定)。

若一个编程语言的语法允许用成对的关键字包围一段程序,形成一个结构,这种编程语言称为有“区块结构”(block-structured),这类的结构包括用ALGOL 68的if..fi包围的程序,或是在PL/I中用BEGIN..END包围的一段程序,或是在C语言中用大括号{...}包围的一段程序。

结构化编程语言

用任何语言都可以进行结构化编程,不过一般较常使用过程式的编程语言。早期的结构化编程语言包括ALGOL、 Pascal、PL/I及Ada,不过后来大部分的过程式编程语言都鼓励使用结构化编程,有时也会特意的省去一些特性(例如不支持goto指令)使得非结构化的编程更加困难。

历史

理论基础

结构化程序理论可做为结构化编程的理论基础,结构化程序理论中提到利用循序、选择及重复这三种组合程序的方式,可以表示所有可计算函数。上述的三种结构已足以表示CPU中的指令周期,也可以表示图灵机的运作,以此观点来看,处理器所运行的指令可视为是某种“结构化程序”,虽然整个程序可能不是一个结构化程序。一般都认为结构化程序理论是归功于伯姆和贾可皮尼于1966年发表的论文,其中一个原因可能是戴克斯特拉引用过此论文。结构化程序理论未提及如何撰写结构化程序,也没有提到结构化程序的分析,后来1960至1970年代时,戴克斯特拉、罗伯特·弗洛伊德、东尼·霍尔等计算机科学家在此领域有许多的贡献。

争议

结构化编程中一项重要的原则是减少甚至禁止goto指令的使用,不过不是所有计算机科学家都赞成禁止使用goto指令。高德纳赞成编程时需考虑可读性,但他不赞成禁用goto指令。在其1974年发表的论文《使用goto指令的结构化编程》(Structured Programming with Goto Statements)中,他提出了一些程序,使用goto指令可以使得程序更清楚而有效率,也不会牺牲程序的可读性。高德纳提出了一个较松的结构限制要求:将程序以流程图表示,前进的分支在流程图的左侧,倒退的分支在流程图的右侧,所有分支均不得交叉。

结构化编程在1970年有很大的进展,IBM的研究员哈伦·米尔斯英语Harlan Mills将结构化编程应用在纽约时报研究文件索引系统的开发,此计划相当成功,因此许多公司开始使用结构化编程,不过戴克斯特拉评论米尔斯使用的方式和一些已发表论文中的方式不同。

到1987年时在计算机科学领域仍有针对结构化编程的争论,弗兰克·鲁宾发表了一篇论文《“goto有害论”是有害的》(GOTO considered harmful' considered harmful),引发许多的反对,戴克斯特拉本人也批评鲁宾及其追随者的论点。

影响

在二十世纪末时绝大多数的计算机科学学者均已同意使用结构化编程的好处,原来缺乏程序结构的高级编程语言(如FORTRAN、COBOL及BASIC)也都已加入此特性。

例外情形

异常处理

子程序很少会有一个以上的进入点,相对的,有时子程序会有一个以上的结束点,表示剩下的程序不需运行,或因为一些原因,造成无法运行后续的程序。

以下是是一个由文件中读取数据并处理的程序示例:

open file;
 while (reading not finished) {
   read some data;
   if (error) {
     stop the subprogram and inform rest of the program about the error;
   }
 }
 process read data;
 finish the subprogram;

其中“stop and inform”的步骤可以利用多种方式达成,包括产生一个异常(exception)、利用return指令回到上一层的程序、使用配合标记的break指令,或是使用goto。当子程序有二个结束点时,就违背了戴克斯特拉的结构化编程原则。但此情形下若强制要撰写只有一个结束点的子程序又相当麻烦,而且若有几个不同的错误处理,错误产生后有不同的清除方式,单一结束点的程序会相当难以阅读及理解,甚至比未结构化使用goto的程序相当。

许多编程语言就提供了在结构化编程中产生多个结束点的方式。C语言允许使用continuebreakreturn指令来产生结构的多个结束点,C++还可以用throw产生异常,在结构外再用catch进行异常的处理,有些语言则有配合标记的break指令(类似一般的break指令,但可以跳出不只一层的结构)。

状态机

有些程序(例如语法分析器或是处理通信协议的程序)有许多的状态英语state (computer science),因此程序进行的过程会在各状态中切换,此架构不容易简化成基本的控制结构。可以将此架构各状态下的程序分别独立为子程序,再用一个变量表示目前的状态,(可参考trampoline英语trampoline (computers)),另一种作法是用goto的方式切换到新状态对应的程序。

相关条目

  • 控制流程
  • 短路求值
  • 面向对象程序设计
  • Nassi-Shneiderman图
  • 编程范型
  • 异常处理
  • 结构图英语Structure chart
  • switch指令英语Switch statement,可视为许多goto的组合
  • 非结构化编程

参考资料

  1. ^ Böhm, Jacopini. "Flow diagrams, turing machines and languages with only two formation rules" Comm. ACM, 9(5):366-371, May 1966.
  2. ^ Edsger Dijkstra. Go To Statement Considered Harmful. Communications of the ACM (PDF). March 1968, 11 (3): 147–148. doi:10.1145/362929.362947. The unbridled use of the go to statement has as an immediate consequence that it becomes terribly hard to find a meaningful set of coordinates in which to describe the process progress. ... The go to statement as it stands is just too primitive, it is too much an invitation to make a mess of one's program. 

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