Базовые конструкции структурного программирования в C++

В теории программирования доказано, что программу для решения задачи любой сложности можно составить только из трех структур, называемых следованием, ветвлением и циклом. Этот результат установлен Боймом и Якопини еще в 1966 году путем доказательства того, что любую программу можно преобразовать в эквивалентную, состоящую только из этих структур и их комбинаций.

Следование, ветвление и цикл называют базовыми конструкциями структурного программирования.

Идея структурного программирования

Как уже было отмечено выше, любую программу можно составить только из структур трех типов: следования, ветвления и цикла (это базовые конструкции).

• Следованием называется конструкция, представляющая собой последовательное выполнение двух или более операторов (простых или составных).
• Ветвление задает выполнение либо одного, либо другого оператора в зависимости от выполнения какого-либо условия.
• Цикл задает многократное выполнение оператора.

Базовые конструкции структурного программирования

Особенностью базовых конструкций является то, что любая из них имеет только один вход и один выход, поэтому конструкции могут вкладываться друг в друга произвольным образом, например, цикл может содержать следование из двух ветвлений, каждое из которых включает вложенные циклы.

Вложение базовых конструкций

Идеей использования базовых конструкций является получение программы простой структуры. Такую программу легко читать (а программы чаще приходится читать, чем писать), отлаживать и при необходимости вносить в нее изменения. Структурное профаммирование часто называли «программированием без goto», и в этом есть большая доля правды: частое использование операторов передачи управления в произвольные точки программы затрудняет прослеживание логики ее работы. С другой стороны, никакие принципы нельзя возводить в абсолют, и есть ситуации, в которых использование goto оправдано и приводит, напротив, к упрощению структуры программы.

В большинстве языков высокого уровня существует несколько реализаций базовых конструкций; в C++ есть три вида циклов и два вида ветвлений (на два и на произвольное количество направлений). Они введены для удобства программирования, и в каждом случае надо выбирать наиболее подходящие средства. Главное, о чем нужно помнить даже при написании самых простых программ, — что они должны состоять из четкой последовательности блоков строго определенной конфигурации. «Кто ясно мыслит, тот ясно излагает» — практика давно показала, что программы в стиле «поток сознания» нежизнеспособны, не говоря о том, что они просто некрасивы.

Рассмотрим операторы языка, реализующие базовые конструкции структурного программирования в C++.

Оператор «выражение»

Любое выражение, завершающееся точкой с запятой, рассматривается как оператор, выполнение которого заключается в вычислении выражения. Частным случаем выражения является пустой оператор ; (он используется, когда по синтаксису оператор требуется, а по смыслу — нет). Примеры:

i++; // выполняется операция инкремента
а* = b + с; // выполняется умножение с присваиванием
fun(i, к); // выполняется вызов функции

Операторы ветвления

Условный оператор if

Условный оператор if используется для разветвления процесса вычислений на два направления. Формат оператора:

if ( выражение ) оператор_1; [else оператор_2;]

Сначала вычисляется выражение, которое может иметь арифметический тип или тип указателя. Если оно не равно нулю (имеет значение true), выполняется первый оператор, иначе — второй. После этого управление передается на оператор, следующий за условным.

Одна из ветвей может отсутствовать, логичнее опускать вторую ветвь вместе с ключевым словом else. Если в какой-либо ветви требуется выполнить несколько операторов, их необходимо заключить в блок, иначе компилятор не сможет понять, где заканчивается ветвление. Блок может содержать любые операторы, в том числе описания и другие условные операторы (но не может состоять из одних описаний). Необходимо учитывать, что переменная, описанная в блоке, вне блока не существует.

Структурная схема условного оператора

Примеры:
if (а<0) b = 1; //1
if (a<b && (a>d || a==0)) b++; else {b *= a; a = 0;} //2
if (a<b) {if (a<c) m = a; else m = c;} else {if (b<c) m = b; else m = c;} // 3
if (a++) b++; // 4
if (b>a) max = b; else max = a; //5

В примере 1 отсутствует ветвь else. Подобная конструкция называется «пропуск оператора», поскольку присваивание либо выполняется, либо пропускается в зависимости от выполнения условия.

Если требуется проверить несколько условий, их объединяют знаками логических операций. Например, выражение в примере 2 будет истинно в том случае, если выполнится одновременно условие а<Ь и одно из условий в скобках. Если опустить внутренние скобки, будет выполнено сначала логическое И, а потом — ИЛИ.

Оператор в примере 3 вычисляет наименьшее значение из трех переменных. Фигурные скобки в данном случае не обязательны, так как компилятор относит часть else к ближайшему if.

Пример 4 напоминает о том, что хотя в качестве выражений в операторе if чаще всего используются операции отношения, это не обязательно.

Конструкции, подобные оператору в примере 5, пройде и нагляднее записывать в виде условной операции (в данном случае: max = (b > а) ? b : а;).

Пример. Производится выстрел по мишени, изображенной на рис. ниже. Определить количество очков.

#include <iostream.h>
int main(){
float x, у: int kol;
cout << "Введите координаты выстрелаn"; cin >> x >> у;
if ( x*x + y*y < 1 ) kol = 2;
else if( x*x + y*y < 4 ) kol = 1:
else коl = 0;
cout << "n Очков: " << kol;
return 0;
}

Внимание

Распространенная ошибка при записи условных операторов — использование в выражениях вместо проверки на равенство (==) простого присваивания (=), например if(a=1)b=0;. Синтаксической ошибки нет, так как операция присваивания формирует результат, который и оценивается на равенство/неравенство нулю. В данном примере присваивание переменной b будет выполнено независимо от значения переменной а. Поэтому в выражениях проверки переменной на равенство константе константу рекомендуется записывать слева от операции сравнения: if (1==а) Ь=0[ccie_cpp];.

Вторая ошибка — неверная запись проверки на принадлежность диапазону. Например, чтобы проверить условие 0<х<1, нельзя записать его в условном операторе непосредственно, так как будет выполнено сначала сравнение 0<х, а его результат (true или false, преобразованное в int) будет сравниваться с 1. Правильный способ записи: [ccie_cpp]if(0<x && х<1)…

Тип переменных выбирается исходя из их назначения. Координаты выстрела нельзя представить целыми величинами, так как это приведет к потере точности результата, а счетчик очков не имеет смысла описывать как вещественный. Даже такую простую программу можно еще упростить с помощью промежуточной переменной и записи условия в виде двух последовательных, а не вложенных, операторов if (обратите внимание, что в первом варианте значение переменной коl присваивается ровно один раз, а во втором — от одного до трех раз в зависимости от выполнения условий):

#1nc!ucle
int main(){
float x, у, temp; int коl;
cout << "Введите координаты выстрелаn"; cin >> X >> у;
temp = x * x + y * y;
коl = 0;
if (temp < 4 ) коl = 1;
if (temp < 1 ) kol = 2:
cout << "n Очков: " << kol;
return 0;
}

Если какая-либо переменная используется только внутри условного оператора, рекомендуется объявить ее внутри скобок, например:

if (int i = fun(t)) a -= 1; else a += 1;

Объявление переменной в тот момент, когда она требуется, то есть когда ей необходимо присвоить значение, является признаком хорошего стиля и позволяет избежать случайного использования переменной до ее инициализации. Объявлять внутри оператора if можно только одну переменную. Область ее видимости начинается в точке объявления и включает обе ветви оператора.

Оператор switch

Оператор switch (переключатель) предназначен для разветвления процесса вычислений на несколько направлений. Структурная схема оператора приведена на рис. ниже. Формат оператора:

switch ( выражение ) {
case константное_выражение_1: [список_операторов_1]
case константное_выражение_2: [список_операторов_2]
…
case константное_выражение_n: [список_операторов_n]
[default: операторы ]
}

Выполнение оператора начинается с вычисления выражения (оно должно быть целочисленным), а затем управление передается первому оператору из списка, помеченного константным выражением, значение которого совпало с вычисленным. После этого, если выход из переключателя явно не указан, последовательно выполняются все остальные ветви.

Выход из переключателя обычно выполняется с помощью операторов break или return. Оператор break выполняет выход из самого внутреннего из объемлющих его операторов switch, for, while и do. Оператор return выполняет выход из функции, в теле которой он записан.

Все константные выражения должны иметь разные значения, но быть одного и того же целочисленного типа. Несколько меток могут следовать подряд. Если совпадения не произошло, выполняются операторы, расположенные после слова default (а при его отсутствии управление передается следующему за switch оператору).

Пример (программа реализует простейший калькулятор на 4 действия):

#include
int main() {
int a, b, res;
char op;
cout << "nВведите 1й операнд : "; cin >> a;
cout << "nВведите знак операции : "; cin >> op;
cout << "nВведите 2й операнд : "; cin >> b;
bool f = true;

switch (op){
case ‘+’: res = a + b; break;
case ‘-‘: res = a — b; break;
case ‘*’: res = a * b; break;
case ‘/’: res = a / b; break;
default : "nНеизвестная операция"; f = false;
}

if (f) cout << "nРезультат: " << res;
return 0;
}

ПримечаниеВ случае синтаксической ошибки в слове default сообщение об ошибке не выдается, поскольку компилятор воспримет это слово как допустимую метку оператора.

Операторы цикла

Операторы цикла используются для организации многократно повторяющихся вычислений. Любой цикл состоит из тела цикла, то есть тех операторов, которые выполняются несколько раз, начальных установок, модификации параметра цикла и проверки условия продолжения выполнения цикла.

Один проход цикла называется итерацией. Проверка условия выполняется на каждой итерации либо до тела цикла (тогда говорят о цикле с предусловием), либо после тела цикла (цикл с постусловием). Разница между ними состоит в том, что тело цикла с постусловием всегда выполняется хотя бы один раз, после чего проверяется, надо ли его выполнять еще раз. Проверка необходимости выполнения цикла с предусловием делается до тела цикла, поэтому возможно, что он не выполнится ни разу.

Переменные, изменяющиеся в теле цикла и используемые при проверке условия продолжения, называются параметрами цикла. Целочисленные параметры цикла, изменяющиеся с постоянным шагом на каждой итерации, называются счетчиками цикла.

Начальные установки могут явно не присутствовать в программе, их смысл состоит в том, чтобы до входа в цикл задать значения переменным, которые в нем используются.

Цикл завершается, если условие его продолжения не выполняется. Возможно принудительное завершение как текущей итерации, так и цикла в целом. Для этого служат операторы break, continue, return и goto. Передавать управление извне внутрь цикла не рекомендуется.

Для удобства, а не по необходимости, в C++ есть три разных оператора цикла — while, do while и for.

Цикл с предусловием (while)

Цикл с предусловием реализует структурную схему, приведенную на рис. выше, и имеет вид:

while ( выражение ) оператор

Выражение определяет условие повторения тела цикла, представленного простым или составным оператором. Выполнение оператора начинается с вычисления выражения. Если оно истинно (не равно false), выполняется оператор цикла. Если при первой проверке выражение равно false, цикл не выполнится ни разу. Тип выражения должен быть арифметическим или приводимым к нему. Выражение вычисляется перед каждой итерацией цикла.

Пример (программа печатает таблицу значений функции y = х2+1 во введенном диапазоне):

#include
int main(){
float Xn, Xk, Dx;
printf("Введите диапазон и шаг изменения аргумента: " );
scanf("%f%f%f", &Хn, &Хк, &Dx);
printf(" | X | Y |n"); // шапка таблицы
float X = Xn; // установка параметра цикла
while (X printf("| %5.2f | %5.2f |n", X, X*X + 1 ); // тело цикла
X += Dx; // модификация параметра
}
return 0;
}

Распространенный прием программирования — организация бесконечного цикла с заголовком while (true) либо while (1) и принудительным выходом из тела цикла по выполнению какого-либо условия.

В круглых скобках после ключевого слова while можно вводить описание переменной. Областью ее действия является цикл:

while (int х = 0) { … / * область действия х */ }

Цикл с постусловием (do while)

Цикл с постусловием реализует структурную схему, приведенную на рис. выше, б, и имеет вид:

do оператор while выражение;

Сначала выполняется простой или составной оператор, составляющий тело цикла, а затем вычисляется выражение. Если оно истинно (не равно f а! se), тело цикла выполняется еще раз. Цикл завершается, когда выражение станет равным false или в теле цикла будет выполнен какой-либо оператор передачи управления. Тип выражения должен быть арифметическим или приводимым к нему.

Пример (программа осуществляет проверку ввода):

#include
int main(){
char answer;
do{
cout << "nКупи слоника! "; cin >> answer;
} while (answer != ‘y’);
return 0;
}

Цикл с параметром (for)

Цикл с параметром имеет следующий формат:

for (инициализация; выражение; модификации) оператор;

Инициализация используется для объявления и присвоения начальных значений величинам, используемым в цикле. В этой части можно записать несколько операторов, разделенных запятой (операцией «последовательное выполнение»), например, так:

for (int 1 = 0, j = 2; …
int к. m;
for (k = 1, m = 0; …

Областью действия переменных, объявленных в части инициализации цикла, является цикл. Инициализация выполняется один раз в начале исполнения цикла.

Выражение определяет условие выполнения цикла: если его результат, приведенный к типу bool, равен true, цикл выполняется. Цикл с параметром реализован  как цикл с предусловием.

Модификации выполняются после каждой итерации цикла и служат обычно для изменения параметров цикла. В части модификаций можно записать несколько операторов через запятую. Простой или составной оператор представляет собой тело цикла. Любая из частей оператора for может быть опущена (но точки с запятой надо оставить на своих местах!).

Пример (оператор, вычисляющий сумму чисел от 1 до 100):

for (int 1 = 1, s = 0; 1<=100; 1++) s += 1;

Часто встречающиеся ошибки при программировании циклов — использование в теле цикла неинициализированных переменных и неверная запись условия выхода из цикла.

Чтобы избежать ошибок, рекомендуется:

• проверить, всем ли переменным, встречающимся в правой части операторов присваивания в теле цикла, присвоены до этого начальные значения (а также возможно ли выполнение других операторов);
• проверить, изменяется ли в цикле хотя бы одна переменная, входящая в условие выхода из цикла;
• предусмотреть аварийный выход из цикла по достижению некоторого количества итераций;
• и, конечно, не забывать о том, что если в теле цикла требуется выполнить более одного оператора, нужно заключать их в фигурные скобки.

Операторы цикла взаимозаменяемы, но можно привести некоторые рекомендации по выбору наилучшего в каждом конкретном случае.

Оператор do while обычно используют, когда цикл требуется обязательно выполнить хотя бы раз (например, если в цикле производится ввод данных).

Оператором while удобнее пользоваться в случаях, когда число итераций заранее не известно, очевидных параметров цикла нет или модификацию параметров удобнее записывать не в конце тела цикла.

Оператор for предпочтительнее в большинстве остальных случаев (однозначно — для организации циклов со счетчиками).

Операторы передачи управления

В C++ есть четыре оператора, изменяющих естественный порядок выполнения вычислений:

• оператор безусловного перехода goto;
• оператор выхода из цикла break;
• оператор перехода к следующей итерации цикла continue;
• оператор возврата из функции return.

Оператор goto

Оператор безусловного перехода goto имеет формат:

goto метка;

В теле той же функции должна присутствовать ровно одна конструкция вида:

метка: оператор;

Оператор goto передает управление на помеченный оператор. Метка — это обычный идентификатор, областью видимости которого является функция, в теле которой он задан.

Использование оператора безусловного перехода оправдано в двух случаях:

• принудительный выход вниз по тексту программы из нескольких вложенных циклов или переключателей;
• переход из нескольких мест функции в одно (например, если перед выходом из функции всегда необходимо выполнять какие-либо действия).

В остальных случаях для записи любого алгоритма существуют более подходящие средства, а использование goto приводит только к усложнению структуры программы и затруднению отладки (Даже в приведенных случаях допустимо применять goto только в случае, если в этих фрагментах кода не создаются локальные объекты. В противном случае возможно применение деструктора при пропущенгюм конструкторе, что приводит к серьезным ошибкам в программе). Применение goto нарушает принципы структурного и модульного программирования, по которым все блоки, из которых состоит программа, должны иметь только один вход и один выход.

В любом случае не следует передавать управление внутрь операторов if, switch и циклов. Нельзя переходить внутрь блоков, содержащих инициализацию переменных, на операторы, расположенные после нее, поскольку в этом случае инициализация не будет выполнена:

int к; …
goto metka; …
{int а = 3, b = 4;
к = а + b;
metka: int m = к + 1; …
}

После выполнения этого фрагмента программы значение переменной m не определено.

Оператор break

Оператор break используется внутри операторов цикла или switch для обеспечения перехода в точку программы, находящуюся непосредственно за оператором, внутри которого находится break.

Оператор continue

Оператор перехода к следующей итерации цикла continue пропускает все операторы, оставшиеся до конца тела цикла, и передает управление на начало следующей итерации.

Оператор return

Оператор возврата из функции return завершает выполнение функции и передает управление в точку ее вызова. Вид оператора:

return [ выражение ];

Выражение должно иметь скалярный тип. Если тип возвращаемого функцией значения описан как void, выражение должно отсутствовать.

По материалам книги Т.А. Павловской «CC++. Программирование на языке высокого уровня»