(转载)从0开始学matlab(第10天)—自顶向下的编程思想

        在前面的内容中，我们开发了几个完全运转的 MATLAB 程序。但是这些程序都十分简单，包括一系列的 MATLAB 语句，这些语句按照固定的顺序一个接一个的执行。像这样的程序我们称之顺序结构程序。它首先读取输入，然后运算得到所需结果，打印出结果，并退出。至于要多次重复运算程序的某些部分是没有办法的，也不能根据输入的值，有选择地执行程序的某些部分。

        在之后的内容中，我们将向大家介绍大量的 MATLAB 语句，这些语句允许我们来控制中语句的执行顺序。有两大类控制顺序结构： 选择结构 ，用选择执行特定的语句；循环结构，用于重复执行特定部分的代码。随着选择和循环介绍，我们的程序也将变得复杂，对于解决问题来说，将会变得简单。为了帮助大家避免在编程过程中出现大量的错误，我们将向大家介绍正式的编程步骤，即自顶向下的编程方法。我们也会向大家介绍一些普通的算法开发工具即伪代码。   

1简介

        假设你是在工厂工作的工程师，为了解决某些问题，你要编写一个程序。你如何开始呢？当遇到一个新问题时，我们的心里会自然而然的产生这样的想法：马上坐在计算机前，开始编程，而不用浪费大量的时间思考我们所要解决的问题是什么？用这种不切实际的想法来编一些非常小的程序可能会成功。但在现实中，问题可能会非常的大，程序员再用这种方法编程将会陷入困境。对于一个大的程序来说，在编写代码之前你要通盘的思考你所要面临的问题和解决的方法。在本节中，我们将向大家介绍正式的编程设计步骤，然后应用这个步骤来编写本书所有的大的应用程序。对于我们所遇到一些简单的例子来说，这个步骤好像有些画蛇添足。但是当我们解决的问题变得越来越大的时侯，这个步骤将会变得异常重要。

        当我还没有毕业的时侯，一个教授喜欢说：“编程很简单，因为我知道在编程的过程的困难”。当我们离开学校，在工厂从事于大规模软件工程编写时，我深深地理解了它所说的话。我发现在工作中我遇到的大多数困难都是对所要解决问题的理解。一旦你真正理解了问题，你就会把这个问题分解成许多小的问题，更加易于管理的小块，然后逐一解决某一个小块。自上而下的编程方法是我们正规编程设计的基础。我们现在向大家介绍这些在图1 说明的步骤细节。步骤如下 :

 图1 

1.1.清晰地陈述你所要解决的问题

        编写的程序大多数情况下要满足一些感觉上的需要，但这种需要不一定能够被人清晰地表达出来。例如，用户需要一个解线性方程组的表达式。像这样的要求就不够清楚，程序员就很难编出一个使他满意的程序。他必须弄清楚要有多少问题需要解决?在这些方程式中有没有对称的形式使我们的开发变得简单?程序设计者必须和使用者讨论所需的程序，他们必须要对完成的任务有一个精确细致的描述。对问题清晰的描述可以防止误解，并且能够帮助程序员合理的组织他的思想，一个对问题陈述的例子:设计一个用于解决联立线性方程组的程序，这些方程中未知数的系数为实数，最多有20 个未知数。

1.1定义程序所需的输入量和程序所产生的输出量

        指定输入量和输出量，只有这样新的程序才能适应全过程计划。在这个例子中方程式的系数可能有其预先存在的顺序，我们的新程序必须能按照顺序读取它们。相似地，也需要产生出这个程序所要求的结果，即输出量，我们还要以一定的格式打印出来。

1.3.设计你的程序得以实现的算法

        算法是指为某个问题找到答案一步接一步的程序。在这个阶段自上而下的编程方法发挥了作用。编程设计者开始对这个问题进行逻辑划分，把它逐步分解为一个又一个子工作。这个过程叫做分解(decomposition)。如果一些子工作还是比较大，设计者还可以把他它分解成更小的块。这个过程将会继续到问题被分解成许多简单且易理解的小块为止。在问题被分解成小块之后，每一个小块要被进一步的求精，这个过程叫做逐步求精(stepwise refinement)。在这个过程中，设计者开始于对本小块代码总括性的描述，然后开始一步一步地定义所需的函数，越来越具体，直到他能够转化为 MATLAB 语句。逐步求精的过程中，我们要用到的伪代码将会在下节为大家介绍。在算法开发过程中，这个方法是非常有用的。如果设计者真正理解了解决问题这个些步骤，他将会对问题进行分解和逐步求精。

1.4把算法转化为代码

        如果分解和逐步求精的过程已经顺利完成，那么这一步将会异常地简单。所有程序员都会将伪代码一句一句地转化为合适地 MATLAB 语句。

1.5 调试 MATLAB 程序

        这一步是真正的拦路虎。首先，程序的每一部分将会被单独地检测，如果有可能的话，整个程序还要被检测一遍。在我们检测程序时，我们必须证明所有合法输入数据值都能够正常运行。用标准的输入值检测程序，看它是否产生了值。如果在一个程序中执行的算法包含了不同的分支，你必须检测每一个分支，以保证产生正确的答案。大程序在交付大众使用之前，必须经过一系列地检测(图 2)。检测的第一步有时被称为单元检测(unittesting)。在单元检测过程中，程序的子程序将会被独立地检测以证明它的正确性。当单元检测结束之后，这个程序将进行一系列的组合，把独立的子程序联合产生出最后的程序。程序第一步的联合通常只包括很少的子程序。通过组合这些子程序，经常用检查子程序或函数之间的联系。在一系列地组合过程中，越来越多的子程序被加了进来，直到整个程序的完成。在每一次组合的过程中，每一个错误都会被发现并在进行下一次组合之前纠正过来。

图2

 

        在整个程序被组合之后，调试继续进行。程序第一个版本我们通常称之为“alpha 版本”。程序员和其他有机会接近它的人可以想尽一切办法应用它，以发现其中的漏洞，然后改正之。当许许多多大的错误从程序中去除，一个新的版本出现了，我们称之“beta 版本”。beta 版本就要公开地发行给天天需要这个程序工作的人。这些用户使这个程序在不同的环境下，在不同的输入条件下工作，会发现许多的错误，并报告给程序员。当这些错误被更正后，这个程序就能够发行给公众使用了。因为本书中的程序都比较小，没有必要进行上述的大规模的检测。但是我们会遵循基本的调试原则。程序设计的基本步骤如下 :

        1.清晰地陈述出你要解决的问题。

        2.确定程序所需地输入量和程序所产生的输出量。

        3.为你的程序设计算法

        4.将算法转化为 MATLAB 语句

        5.调试 MATLAB 程序

好的编程习惯

遵循上面的步骤编写可靠，易理解的 MATLAB 程序。

        在大的编程项目中，花在编程序的时间是出奇的少。Frederick P Brooks 在他的 the Mythical Man-Month 书中写道，对于大的软件工程来说，三分之一的时间花在计划如何来做上 (第一步到第三步)，六分之一的时间花在编写程序上，近一半的时间用来调试程序。而我们能做的只有压缩调试用的时间。在计划阶段做好充分的准备和在编程过程使用良好的编程习惯，这样会大大降低我们调试所用的时间。好的编程习惯能减少出错的数量，也能使别人迅速地找出其中的错误。

2 伪代码的应用

        作为我们设计步骤的一部分，描述出你要执行的算法是非常必要的。算法的描述有一种标准形式，能让你和大家都能理解，这种描述将帮助你的内容转化为 MATLAB 代码。我们用于描述算法的标准形式叫做构造 (constructs 有时也称 structure)。用这些结构描述出的算法，我们称之为结构化算法。当在我们在 MATLAB 程序中执行这个算法时，产生的程序叫做结构化程序。

        我们可以用伪代码的形式建立算法的结构。伪代码是 MATLAB 和文字的混合体。和MATLAB 一样，它是结构化的，一行表达一个明确的意思或代码的片段，但每一行的描述用的是英语或其他人类语言。伪代码的每一行都应用普通简单且易于理解的英语或中文描述。因为修改简单灵活，所以伪代码在开发算法的过程中非常的有用。因为伪代码给编辑器或字处理器 ( 通常用于编写 MATLAB 程序 )的，而不需要其他的可视化功能。例如下面是 一个算法伪代码

提示用户输入华氏温度值
读取华氏温度值并存储在变量temp_f中
将华氏温度值转换为开尔文温度值并存储在变量temp_k中
写出转换后的开尔文温度值

        注意用向左指的箭头←替代等号(=)指出一个值将存储到对应的变量中，这样就避免了赋值号与等号的混淆。在把它们转化为 MATLAB 代码之前，伪代码将有助于你思想的组织。