3.5.2 结构化程序设计的基本内容

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小牛编辑

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2023-12-01

3.5.2 结构化程序设计的基本内容

简单问题的求解过程通常是直接了当的，可选择的执行路径不多；但对于复杂问题，一般能设计出多种求解过程。在各种求解过程中，有些过程会比其他过程“好”，当然这个“好” 的意义是依赖于具体问题的。打个比方，为了烧一壶开水，恐怕所有人都会按照“向壶中加入冷水；壶放到炉子上；点火烧至沸腾”这样的过程来解决。但如果是烧冬瓜排骨汤，则外行会将冬瓜和排骨一起入锅加水煮；有点经验的人则知道先煮排骨，排骨快熟了才加冬瓜一起煮；而老练的厨师则会先将排骨焯水，然后再加水煮，排骨熟了才加冬瓜。如果再考虑各种佐料的使用，显然冬瓜排骨汤的制作过程是多种多样的。哪种制作过程好呢？美食家会告诉我们厨师的做法是好的，因为按他们的做法能保证排骨熟透而冬瓜不烂，而且焯过水的排骨更干净并可减少油腻。

至此，一个问题摆在了我们面前：如何设计出能解决特定问题的“好”的程序？为了回答这个问题，需要先定义什么是“好”程序。一般来说，好的程序不但要能正确地解决问题，而且还应该是执行效率高、易理解、易维护、可扩展的。

程序设计过去曾被看作是个人技艺，程序的好坏完全依赖于程序员的个人才能。但后来计算机科学家们认识到，程序设计是一门可以给予科学解释的学问，可以建立良好的设计方法来指导程序员进行程序设计。普通程序员只要遵循这些设计方法，都能编写出良好的程序。

计算机科学家提出了许多程序设计方法，最早提出也是最基本的一种方法就是这里要介绍的是结构化程序设计（structured programming，简称 SP）。SP 是以 Dijkstra 为代表的计算机科学家于上世纪 60 年代后期建立起来的，是从程序文本结构的角度来阐述怎样的程序是良好的。SP 的基本思想是要确保程序具有良好的结构，使程序易理解、易验证和易维护。当然， SP 并没有一个严格的、公认的定义，其具体内容大致包括以下几个原则。

只用三种基本控制结构解决复杂问题时，程序可能需要建立复杂的控制流程，这是不是意味着编程语言应该提供更多的复杂控制结构呢？答案是否定的。计算机科学家证明了所谓“结构化定理”：任何程序逻辑都可以只用顺序、条件分支、循环这三种基本控制结构来实现。因此，我们在开发程序时，应该只使用这些基本控制结构，并将它们串联、嵌套在一起，从而搭建出整个程序。本章前面介绍了条件分支和循环控制结构的多种常见使用模式，读者应当熟练地掌握这些模式。当遇到复杂问题时，可以利用流程图工具，将复杂的控制流程转化成这些基本控制结构的串联和嵌套。

goto 语句是有害的

较老的编程语言（如 BASIC、Pascal 和 C 等）中提供了 goto 语句，这条语句的作用是将控制直接转到程序中的指定位置。使用 goto 可能写出这样的代码：

……
ENTRY: count := 0; while count &lt; n do
begin
……
if sthWrong then goto EXIT else goto ENTRY;
end;
EXIT: writeln("End");
……

goto 语句看上去用起来很直接、很方便，很多人在设计程序流程遇到麻烦时第一感就会想用 goto 语句。但是可以想象，如果程序中大量使用 goto 来控制程序的流程，这样的程序就像一团乱麻，程序的静态结构与动态执行不一致，是非常难理解、难维护的。Dijkstra 首先提出 goto 语句是有害的，并提出应当编写结构清晰的程序，以使程序易写、易读、易验证和易维护。

事实上，goto 语句并非必须的语言构造。计算机科学家证明了，使用 goto 的程序一定可以转化为只包含顺序、条件分支和循环结构的程序，也就是说编程语言中完全可以将 goto 语句去除。

与 goto 类似的语句还有循环中使用的 break 和 continue 语句，它们都是以跳转的方式将控制转移到程序其他位置，导致循环有多个出口。按照 SP 的思想，这些语句都应慎用。

单入口单出口的程序块

编程语言的单条语句可以看成是只有一个入口和一个出口，因此前后相继的语句序列构成了单入口单出口的顺序控制结构。而条件控制结构（if 语句）和循环控制结构（for 和 while 语句）的内部虽然可以出现由多条语句构成的语句块，但从外部看同样是只有一个入口和一个出口（参见图 3.1、图 3.4 等流程图）。总之，基本控制结构（顺序、条件、循环）都是单入口单出口的结构，这种结构具有“可组合”的特性。如果将两个基本控制结构串联在一起，前一个结构的出口连接后一个结构的入口，那么

所得到的语句序列仍然只有一个入口和一个出口，在效果上完全可以视之为单条语句（见图 3.11）。这就像电子电路中将两个电阻串联后可以视为一个更大的电阻一样。不断重复这个串联过程，将得到由多个控制结构串联而成的结构，它仍然只有一个入口和一个出口，我们称之为程序块。由于程序块只有一个入口和一个出口，在不考虑其内部控制结构的情况下，完全可以将整个程序块视为单条语句，从而可以在不改变其内部控制流的情况下用于程序中任何可以出现语句的地方。

[图片丢失]

图 3.11 控制结构的串联

除了串联，嵌套也是一种将多个语句组合成一个更大的程序块的形式。例如条件语句的

分支语句体和循环语句的循环体本身都是程序块。结构化程序设计的原则就是利用“单入口单出口”的程序块进行串联、嵌套，最终搭建出复杂程序，这使得程序的结构清晰、层次分明、易理解、易维护。

除了上述几条设计原则，其他如模块化设计、自顶向下逐步求精设计也都是结构化程序设计的基本内容，下一章对此有详细介绍。