آموزش ++C - بخش نهم

7-4 عبارت تكرار while

يكعبارتتكراربهبرنامه ‌ نويسامكانمي ‌ دهدتابرمبن اي برقرار بودن يا نبودن مقداري در يك شرط، يك عمل را چندين بار و به تكرار انجام دهد. عبارت شبه‌كد زير يك فرآيند تكرار شوند را در حين خريد نشان مي‌دهد:

While there are more items on my shopping list

      Purchase next item and cross it off my list

شرط " there are more items on my shopping list " ممكن است برقرار يا برقرار نباشد. اگر شرط برقرار باشد عمل " Purchase next item " و " Cross it off my list " به ترتيب اجرا خواهند شد. اين عمل مي‌تواند تا زماني كه شرط برقرار است انجام شود. عبارت موجود در ساختار تكرار while تشكيل دهنده بدنه while است. سرانجام، زمانيكه شرط برقرار نباشد، تكرار پايان يافته و اولين دستور قرار گرفته پس از عبارت تكرار به اجرا در مي‌آيد .

مثالي كه در زير آورده شده از عبارت while استفاده كرده و اولين توان 3 بزرگتر از 100 را پيدا مي‌كند. در ابتداي كار متغير product با 3 مقدار دهي اوليه شده است :

int product = 3;  

while (product <= 100)

product = product * 3;

هنگامي كه برنامه وارد عبارت while مي‌شود، مقدار متغير product برابر 3 است. متغير product بصورت مكرر در 3 ضرب مي‌شود و مقادير 9 ، 27 ، 81 و 243 بدست مي‌آيند. زمانيكه مقدار product برابر 243 شود، شرط product<=100 در عبارت while برقرار نخواهد شد. در چنين حالتي تكرار با مقدار 243 براي product پايان مي‌پذيرد. اجراي برنامه با عبارت بعد از while دنبال مي‌شود. [نكته: اگر شرط يك عبارت while در همان ابتدا برقرار نباشد، عبارات قرار گرفته در بدنه عبارت تكرار اجرا نخواهند شد.]

خطاي برنامه‌نويسي

شرط عبارت تكرار را به نوعي تنظيم نمائيد كه برنامه براي هميشه در داخل حلقه قرار نگيرد، در غير اينصورت برنامه در حلقه بي‌نهايت “infinite loop” گرفتار مي‌شود.

دياگرام فعاليت UML به نمايش درآمده در شكل 6-4 نشاندهنده روند كنترلي است كه متناظر با عبارت while مطرح شده در قسمت فوق مي‌باشد. مجدداً نمادهاي موجود در اين دياگرام نشاندهنده يك وضعيت عمل و يك تصميم‌گيري هستند. همچنين اين دياگرام مبادرت به معرفي نماد ادغام UML كرده است، كه دو روند يا جريان فعاليت را به يك فعاليت متصل مي‌كند. UML نماد ادغام و تصميم‌گيري را بصورت لوزي نشان مي‌دهد. در اين دياگرام، نماد ادغام مبادرت به پيوند انتقال‌ها از وضعيت اوليه و از وضعيت عمل كرده است، از اينرو هر دو جريان وارد بخش تصميم شده‌اند كه تعيين مي‌كند آيا حلقه مجدداً بايد تكرار شود يا خير. مي‌توان نمادهاي تصميم و ادغام را توسط تعداد فلش‌هاي انتقال «واردشونده» و «خارج‌شونده» تشخيص داد. نماد تصميم داراي يك فلش انتقال اشاره‌كننده به لوزي داشته و داراي دو يا چند فلش انتقال اشاره‌كننده به خارج از لوزي است كه نشاندهنده انتقالات ممكنه از اين نقطه هستند. علاوه بر اين، هر فلش انتقال اشاره‌كننده به خارج از نماد تصميم داراي يك نگهبان شرط در كنار خود است. در طرف ديگر، نماد ادغام قرار دارد كه داراي دو يا چند فلش انتقال اشاره‌كننده به لوزي است و فقط يك فلش انتقال از آن خارج مي‌شود و نشان مي‌هد كه چندين روند با يكديگر براي انجام فعاليت ادغام شده‌اند. توجه كنيد، كه برخلاف نماد تصميم، نماد ادغام داراي يك رونوشت در كد C++ نيست.

دياگرام شكل 6-4 بوضوح عمليات تكرار در عبارت while مطرح شده در ابتداي اين بخش را نشان مي‌دهد. فلش انتقال از وضعيت عمل به حالت ادغام اشاره مي‌كند، كه انتقال را به تصميم باز مي‌گرداند تا تستي داير بر اينكه آيا حلقه دوباره بايد صورت گيرد يا خير انجام دهد، اين حلقه زماني شكسته مي‌شود كه شرط product>100 برقرار گردد. پس از خاتمه عمليات while ، كنترل به عبارت بعدي در برنامه انتقال مي‌يابد (در اين مورد وضعيت پاياني).

مي‌توانيد دياگرام‌هاي فعاليت UML خالي عبارت تكرار while را تصور كنيد كه برنامه‌نويسان مي‌توانند هر تعداد از آنها را به روش پشته‌اي يا تودرتو با ساير دياگرام‌هاي فعاليت عبارات كنترلي بكار گيرند تا بخشي از الگوريتم را پياده‌سازي كنند.

شكل 6-4 | دياگرام فعاليت UML عبارت تكرار while .

8-4 فرموله كردن الگوريتم: شمارنده-كنترل تكرار

براي اينكه با نحوه توسعه الگوريتم‌ها آشنا شويد، مسئله بدست آوردن ميانگين نمرات يك كلاس را با روش‌هاي مختلف بررسي مي‌كنيم. صورت مسئله عبارت است از:

از كلاسي با ده دانش‌آموز آزموني بعمل آمده است. نمرات اين آزمون در اختيار شما قرار دارد (نمرات در محدودة 0 تا 100 هستند). مجموع نمرات دانش‌آموزان و ميانگين نمرات اين كلاس را بدست آوريد.

ميانگين كلاس عبارت است از مجموع نمرات تقسيم بر تعداد دانش‌آموزان. الگوريتم بكار رفته بر روي كامپيوتر به منظور حل اين مسئله بايستي تك تك نمرات را به عنوان ورودي دريافت كرده، محاسبه ميانگين را انجام داده و نتيجه را به نمايش در آورد.

الگوريتم شبه‌كد با شمارنده-كنترل تكرار

اجازه دهيد تا از شبه‌كد استفاده كرده و ليستي از فعاليت‌هاي اجرائي تهيه و ترتيب اجرا را مشخص سازيم. از روش شمارنده-كنترل تكرار براي دريافت تك تك نمرات بعنوان ورودي استفاده مي‌كنيم. در اين تكنيك از متغيري بنام شمارنده (counter) براي تعيين تعداد دفعات مجموعه‌اي از عبارات كه اجرا خواهند شد، استفاده مي‌شود. روش شمارنده-كنترل تكرار، روش تكرار تعريف شده نيز ناميده مي‌شود چرا كه تعداد تكرار قبل از اينكه حلقه آغاز شود، مشخص است. در اين مثال، اجراي حلقه با رسيدن شمارنده به 10 خاتمه مي‌يابد. در اين بخش به معرفي الگوريتم شبه‌كد (شكل 7-4) و نسخه‌اي از كلاس GradeBook (شكل‌هاي 8-4 و 9-4) مي‌پردازيم كه الگوريتم را توسط يك تابع عضو C++ پياده‌سازي مي‌كند . در بخش ‌9-4 با توسعه الگوريتم‌ها با استفاده از شبه‌كد آشنا خواهيد شد.

به نقش total و counter در الگوريتم شبه‌كد دقت كنيد (شكل 7-4). در واقع total متغيري است كه از آن براي محاسبه مجموع مقادير استفاده مي‌شود و counter متغيري است كه نقش شمارنده بر عهده دارد، در اين برنامه، شمارنده تعداد نمرات وارد شدة توسط كاربر را ثبت مي‌كند.

Set grade counter to one

While grade counter is less than or equal to 10

      Input the next grade

      Add the grade to the total

      Add one to the grade counter

Set the class average to the total divided by 10

شكل7-4      | الگوريتم شبه‌كد با استفاده از روش شمارنده-كنترل تكرار براي حل مسئله ميانگين كلاس.

1       // Fig. 4.8: GradeBook.h

2       // Definition of class GradeBook that determines a class average.

3       // Member functions are defined in GradeBook.cpp

4        include <string> // program uses C++ standard string class

5       using std::string;

6        

7       // GradeBook class definition

8       class GradeBook

9       {

10    public:

11       GradeBook( string ); // constructor initializes course name

12       void setCourseName( string ); // function to set the course name

13       string getCourseName(); // function to retrieve the course name

14       void displayMessage(); // display a welcome message

15       void determineClassAverage(); // averages grades entered by the user

16    private:

17       string courseName; // course name for this GradeBook

18    }; // end class GradeBook

شكل 8-4      | مسئلهميانگينكلاسبااستف اده از روش شمارنده-كنترل تكرار:سرآيند فايل GradeBook .

1       // Fig. 4.9: GradeBook.cpp

2       // Member-function definitions for class GradeBook that solves the

3       // class average program with counter-controlled repetition.

4        include <iostream>

5       using std::cout;

6       using std::cin;

7       using std::endl;

8        

9        include "GradeBook.h" // include definition of class GradeBook

10     

11    // constructor initializes courseName with string supplied as argument

12    GradeBook::GradeBook( string name )

13    {

14       setCourseName( name ); // validate and store courseName

15    } // end GradeBook constructor

16     

17    // function to set the course name;

18    // ensures that the course name has at most 25 characters

19    void GradeBook::setCourseName( string name )

20    {

21       if ( name.length() <= 25 ) // if name has 25 or fewer characters

22          courseName = name; // store the course name in the object

23       else // if name is longer than 25 characters

24       { // set courseName to first 25 characters of parameter name

25          courseName = name.substr( 0, 25 ); // select first 25 characters

26         cout << "Name \"" << name << "\" exceeds maximum length (25).\n"

27    << "Limiting courseName to first 25 characters.\n" << endl;

28       } // end if...else

29    } // end function setCourseName

30     

31    // function to retrieve the course name

32    string GradeBook::getCourseName()

33    {

34       return courseName;

35    } // end function getCourseName

36     

37    // display a welcome message to the GradeBook user

38    void GradeBook::displayMessage()

39    {

40       cout << "Welcome to the grade book for\n" << getCourseName() << "!\n"

41    << endl;

42    } // end function displayMessage

43     

44    // determine class average based on 10 grades entered by user

45    void GradeBook::determineClassAverage()

46    {

47       int total; // sum of grades entered by user

48       int gradeCounter; // number of the grade to be entered next

49       int grade; // grade value entered by user

50       int average; // average of grades

51     

52       // initialization phase

53       total = 0; // initialize total

54       gradeCounter = 1; // initialize loop counter

55     

56       // processing phase

57       while ( gradeCounter <= 10 ) // loop 10 times

58       {

59          cout << "Enter grade: "; // prompt for input

60          cin >> grade; // input next grade

61           total = total + grade; // add grade to total

62          gradeCounter = gradeCounter + 1; // increment counter by 1

63       } // end while

64     

65       // termination phase

66       average = total / 10; // integer division yields integer result

67     

68       // display total and average of grades

69       cout << "\nTotal of all 10 grades is " << total << endl;

70       cout << "Class average is " << average << endl;

71    } // end function determineClassAverage

شكل 9-4 | مسئلهميانگينكلاسبااستفادهازروششمارنده - كنترلتكرار : كدمنبعفايل GradeBook .

افزايش قابليت اعتبارسنجي GradeBook

قبل از اينكه به بحث پياده‌سازي الگوريتم ميانگين كلاس بپردازيم، اجازه دهيد به بهبود كارائي انجام گرفته بر روي كلاس GradeBook توجه كنيم. در برنامه 16-3، تابع setCourseName مبادرت به اعتبارسنجي نام دوره با تست طول نام دور مي‌كرد، كه بايد كمتر يا برابر 25 كاراكتر باشد (با استفاده از يك عبارت if ). اگر شرط برقرار بود، نام دوره بكار گرفته مي‌شد. سپس اين كد با يك عبارت if ديگر دنبال مي ‌شد كه مبادرت به تست طول نام دوره مي‌كرد كه آيا بزرگتر از 25 كاراكتر است يا خير. دقت كنيد كه شرط عبارت if دوم كاملاً متضاد شرط if اول است. اگر شرطي با true ارزيابي گردد، بايستي شرط‌هاي ديگر با false ارزيابي شوند. پياده‌سازي چنين وضعيتي توسط عبارت if..else بهتر خواهد بود، از اينرو كد خود را با جايگزين كردن دو عبارت if با يك عبارت if..else اصلاح كرده‌ايم (خطوط 21-28 از برنامه شكل 9-4).

1       // Fig. 4.10: fig04_10.cpp

2       // Create GradeBook object and invoke its determineClassAverage function.

3        include "GradeBook.h" // include definition of class GradeBook

4        

5       int main()

6       {

7          // create GradeBook object myGradeBook and

8          // pass course name to constructor

9          GradeBook myGradeBook( "CS101 C++ Programming" );

10     

11       myGradeBook.displayMessage(); // display welcome message

12       myGradeBook.determineClassAverage (); // find average of 10 grades

13       return 0; // indicate successful termination

14    } // end main

شكل10-4| برنامه ميانگين كلاس با شمارنده-كنترل تكرار:ايجاد يك شي از كلاس GradeBook (شكل 8-4 و 9-4) و فراخواني تابع عضو determineClassAverage .

پياده‌سازي شمارنده-كنترل تكرار در كلاس GradeBook

كلاس GradeBook (شكل 8-4 و 9-4) حاوي يك سازنده (اعلان شده در خط 11 از شكل 8-4 و تعريف شده در خطوط 12-15 از شكل 9-4) است كه مبادرت به تخصيص مقداري به متغير نمونه كلاس courseName مي‌كند (اعلان شده در خط 17 از شكل 8-4). در خطوط 19-29 ، 32-35 و 38-42 از شكل 9-4 توابع عضو setCourseName ، getCourseName و displayMessage تعريف شده‌اند. در خطوط 45-71 تابع عضو determineClassAverage تعريف شده است كه پياده ‌سازي‌كننده الگوريتم ميانگين كلاس توضيح داده شده در شبه كد شكل 7-4 است.

در خطوط 47-50 متغيرهاي محلي total ، gradeCounter ، grade و average از نوع int اعلان شده‌اند. در متغير grade ورودي كاربر ذخيره مي‌شود. توجه كنيد كه اعلان‌هاي فوق در بدنه تابع عضو determineClassAverage قرار دارند.

در نسخه‌هاي كلاس GradeBook مطرح شده در اين فصل، فرآيند خواندن و پردازش نمرات به روش ساده‌اي در نظر گرفته‌ شده‌اند. محاسبه ميانگين در تابع عضو determineClassAverage و با استفاده از متغيرهاي محلي صورت مي‌گيرد. در اين بخش مبادرت به ذخيره‌سازي نمرات دانشجويان نمي‌كنيم. در فصل هفتم، با تغييري كه در كلاس GradeBook انجام مي‌دهيم قادر به نگهداري نمرات در حافظه خواهيم بود كه توسط ساختمان داده آرايه صورت مي‌گيرد. در اينحالت به يك شي GradeBook اجازه داده مي‌شود تا محاسبات مختلف را بر روي همان مجموعه از نمرات انجام دهد بدون اينكه كاربر مجبور به وارد كردن همان نمرات به دفعات باشد.

برنامه‌نويسي ايده‌ال

هميشه يك خط خالي مابين بخش اعلان‌ها و عبارات اجرايي قرار دهيد. در اين صورت بخش اعلان بخوبي در برنامه مشخص شده و خوانايي برنامه افزايش مي‌يابد.

در خطوط 53-54 متغير total با 0 و gradeCounter با 1 مقداردهي اوليه شده‌اند.دقت كنيد كه متغيرهاي totoal و gradeCounter قبل از اينكه در محاسبات بكار گرفته شوند، مقداردهي اوليه شده‌اند. معمولاً متغيرهاي شمارنده را با يك يا صفر و بر اساس نياز مقداردهي اوليه مي‌كنند. يك متغير مقداردهي نشده حاوي يك مقدار اشغال (يا مقدار تعريف نشده) است، آخرين مقداري كه در مكان حافظه رزرو شده براي متغير از قبل وجود داشته است. در اين برنامه متغيرهاي grade و average كه مقدار خود را از طرف ورودي كاربر و محاسبه ميانگين بدست مي‌آورند، نيازي به مقداردهي اوليه ندارند.

خط 57 مشخص مي‌كند كه عبارت while تا زمانيكه مقدار gradeCounter كمتر يا معادل 10 باشد، تكرار خواهد شد. تا زمانيكه شرط برقرار باشد، ساختار while عبارات قرار گرفته مابين براكت‌هاي بدنه خود را تكرار خواهد كرد.

 عبارت بكار رفته در خط 59 ، جمله "Enter grade:" را بنمايش در مي‌آورد. اين خط معادل عبارت شبه‌كد “Prompt the user to enter the next grade.” هستند. خط 60 مقدار وارد شده توسط كاربر را خوانده و آنرا در متغير grade ذخيره مي‌كند. اين خط معادل شبه‌كد "Input the next grade." است. بخاطر داريد كه متغير grade در ابتداي برنامه مقداردهي اوليه نشده است، به اين دليل كه برنامه مقدار grade را از كاربر و در هر بار تكرار حلقه اخذ مي‌كند. سپس، برنامه مقدار total را با مقدار جديد grade كه توسط كاربر وارد شده به روز مي‌كند (خط 61 ) . مقدار grade با مقدار قبلي total جمع شده و نتيجه به total تخصيص مي‌يابد.

در خط 62 متغير gradeCounter   يك واحد افزايش مي‌يابد تا نشان دهد يك نمره مورد پردازش قرار گرفته است. اينكار تا زمانيكه شرط موجود در عبارت while برقرار نشود، ادامه مي‌يابد. پس از اتمام حلقه، در خط 66 نتيجه محاسبه ميانگين به متغير average تخصيص مي‌يابد. خط 69 پيغام "Total of all 10 grades is" و بدنبال آن مقدار متغير total را بنمايش در مي‌آورد. سپس در خط 70 پيغامي حاوي رشته “Class average is” كه بدنبال آن مقدار متغير average آورده شده، به نمايش در مي‌آيد. تابع عضو determineClassAverage ، كنترل را به تابع فراخوان برگشت مي‌دهد (تابع main در شكل 10-4).

توصيف كلاس GradeBook

شكل 10-4 حاوي تابع main اين برنامه است، كه يك شي از كلاس GradeBook ايجاد و به توصيف قابليت‌هاي آن مي‌پردازد. در خط 9 از شكل10-4 يك شي جديد از GradeBook بنام myGradeBook ايجاد مي‌شود. رشته موجود در خط 9  به سازنده GradeBook ارسال مي‌شود (خطوط 15-12 از شكل 9-4). خط 11 از شكل10-4 تابع عضو displayMessage را براي نمايش پيغام‌ خوش‌آمدگويي به كاربر فراخواني مي‌كند. سپس خط 12 تابع عضو determineClassAverage را فراخواني مي‌كند تا كاربر بتواند 10 نمره را وارد كرده و سپس ميانگين را محاسبه و چاپ مي‌كند. تابع عضو، الگوريتم نشان داده شده در شبه كد شكل 7-4 را انجام مي‌دهد.

نكاتي در ارتباط با تقسيم صحيح و قطع كردن

محاسبه ميانگين توسط تابع عضو determineClassAverage صورت مي ‌گيرد كه در واكنش به فراخواني تابع در خط 12 از شكل10-4 فعال شده و يك عدد صحيح توليد مي‌كند. خروجي برنامه نشان مي‌دهد كه مجموع نمرات در اجراي نمونه برنامه 846 است كه به هنگام تقسيم بر 10 ، بايد 84.6 بدست آيد، عددي با نقطه اعشار. با اين همه، در نتيجه محاسبه total/10 عدد 84 بدست آمده است (خط 66 از شكل 9-4)، چرا كه total و 10 هر دو مقادير عددي صحيح هستند. نتيجه تقسيم دو عدد صحيح يك عدد صحيح است كه در آن بخش اعشاري بدست آمده از تقسيم حذف مي‌گردد (قطع مي‌شود). در بخش بعد با نحوه بدست آوردن نتايج اعشاري از محاسبات آشنا خواهيد شد.

خطاي برنامه‌نويسي

فرض اينكه تقسيم صحيح مبادرت به گرد كردن (بجاي قطع كردن) مي‌كند مي‌تواند نتايج اشتباهي بدنبال داشته باشد. براي مثال، 7 ¸ 4 حاصل 1.75 را در رياضي بدست مي‌دهد، در حاليكه در يك تقسيم صحيح 1 كوتاه شده و 2 در حالت گرد شده توليد مي‌كند.

در برنامه شكل 9-4، اگر در خط 66 از gradeCounter بجاي 10 در محاسبه استفاده شود، خروجي اين برنامه مقدار اشتباه 76 را نشان خواهد داد. دليل اينكار در آخرين تكرار عبارت while نهفته است كه gradeCounter به مقدار 11 در خط 62 افزايش يافته است.

خطاي برنامه‌نويسي

استفاده از متغير شمارنده حلقه، در يك عبارت محاسباتي پس از حلقه، معمولاً سبب توليد خطاي منطقي بنام off-by-one-error مي‌شود.

9-4  فرموله كردن الگوريتم‌ها: مراقبت-كنترل تكرار

اجازه دهيد تا به مسئله ميانگين كلاس بازگرديم و آنرا مجدداً و اينبار بصورت زير و كلي‌تر تعريف كنيم:

"برنامه محاسبه ميانگين كلاس را به نحوي توسعه دهيد تا در هر بار اجراي برنامه، به تعداد اختياري نمره دريافت كرده و محاسبه ميانگين بر روي آنها اعمال شود."

در برنامه قبلي، تعداد نمرات از همان ابتدا مشخص بود ( 10 نمره). در اين برنامه، تعداد نمراتي كه بعنوان ورودي وارد خواهند شد مشخص نيستند. برنامه بايد بر روي تعداد نمرات وارد شده كار كند. چگونه برنامه تشخيص مي‌دهد كه به گرفتن نمره پايان دهد؟ محاسبات به چه صورتي بايد انجام گرفته و ميانگين كلاس به نمايش درآيد؟

يك راه‌حل براي رفع اين مشكل، استفاده از يك مقدار ويژه بنام مقدار مراقبتي (sentinel value) است كه پايان ورود داده‌ها را مشخص مي‌كند (همچنين به اين مقدار، مقدار سيگنال، مقدار ساختگي يا پرچم نيز مي‌گويند). در اين روش كاربر اقدام به وارد كردن نمره‌ها كرده و در پايان مقدار مراقبتي تعيين شده را به عنوان اينكه داده‌هاي ورودي به اتمام رسيده‌اند، وارد مي‌سازد. روش مراقبت-كنترل تكرار، روش تكرار-تعريف‌نشده نيز ناميده مي‌شود چرا كه تعداد دفعات تكرار قبل از اجراي حلقه مشخص نيست.

واضح است كه مقدار مراقبتي بايد به نحوي انتخاب شود كه به عنوان يك ورودي معتبر مورد قبول واقع نشود. بدليل اينكه نمرات امتحان معمولاً منفي نيستند، مي‌توانيم از مقدار -1 به عنوان مقدار مراقبتي در اين برنامه استفاده كنيم. بنابراين به هنگام اجراي برنامه، نمرات كلاس، مي‌توانند ترتيبي مانند -1 و 84 ، 74 ، 75 ، 96 ، 93 داشته باشند. برنامه بايد نمره ميانگين كلاس را با استفاده از مقادير 93 ، 96 ، 75 ، 74 و 84 محاسبه كرده و به نمايش درآورد ( -1 يك مقدار مراقبتي است و نبايد در محاسبه ميانگين وارد شود).

خطاي برنامه‌نويسي

انتخاب يك مقدار مراقبتي به عنوان يك داده معتبر، موجب رخ دادن خطاي منطقي مي‌شود.

الگوريتم شبه‌كد به روش مراقبت كنترل تكرار به روش از بالا به پايين، اصلاح گام‌به‌گام: اولين اصلاح

به هنگام بررسي مسائل پيچيده‌اي همانند اين برنامه، عرضه الگوريتم شبه‌كد به آساني امكان پذير نمي‌باشد. از اينرو به برنامه ميانگين كلاس با استفاده از تكنيكي بنام، از بالا به پايين، اصلاح گام‌به‌گام نزديك مي‌شويم كه براي ساخت و توسعه برنامه‌هاي ساخت‌يافته مناسب و ضروري است. شبه‌كدي كه در بالاترين سطح (top) ارائه مي‌شود، عبارت است از:

Determine the class average for the quiz.

اين عبارت تابع و هدف اصلي برنامه است كه در واقع كاري كه بايد برنامه انجام دهد را در بردارد. عبارت top جزئيات ناكافي در مورد اينكه برنامه چگونه بايستي نوشته شود در خود دارد. بنابر اين به طرف جزئيات برنامه و اصلاح گام به گام پيش مي‌رويم. ابتدا عبارت top به قسمت‌هاي كوچكي تقسيم مي‌شود كه هر يك به ترتيب وظايفي در برنامه ايفا مي‌كنند. نتيجه اين تقسيمات در اولين گام مي‌تواند چنين باشد:

Initialize Variables

Input, sum and count the quiz grades

Calculate and print the total of all student grades and the class average

در اينجا، با توجه به اينكه فقط از عبارت توالي استفاده شده، ليست انجام مراحل فقط شامل عبارت‌هاي اجرائي است كه به ترتيب يكي پس از ديگري اجرا مي‌شوند.

اصلاح گام‌به‌گام مرحله دوم

مرحله بعدي تجزيه برنامه به جزئيات بيشتر (مرحله دوم)، در ارتباط با متغيرها مي‌باشد به يك متغير بنام total نياز است كه مجموع اعداد را در خود نگهداري كند و به يك متغير ديگر بنام count كه نشان دهد، چه تعدادي از اين اعداد مورد پردازش قرار گرفته‌اند. يك متغير براي دريافت هر نمره از طريق ورودي و يك متغير براي نگهداري ميانگين محاسبه شده مورد نياز است. عبارت شبه‌كد:

Initialize variable

را مي‌توان به عبارات جزئي‌تر زير تقسيم كرد:

Initialize total to zero

Initialize counter to zero

توجه كنيد كه فقط متغيرهاي total و counter نياز به مقداردهي اوليه قبل از بكارگيري دارند. متغيرهاي average و grade (اين متغيرها براي محاسبه ميانگين و ورودي كاربر استفاده شده است)، نيازي به مقداردهي اوليه ندارند. عبارت شبه‌كد:

Input, sum and count the quiz grades

نيازمند يك عبارت تكرار (حلقه) است كه نمرات را دريافت كند. چون بطور دقيق نمي‌دانيم كه چه تعداد نمره به عنوان ورودي دريافت خواهيم كرد، از روش مراقبت-كنترل تكرار استفاده مي‌كنيم. كاربر در هر زمان يك مقدار معتبر وارد مي‌كند و پس از اينكه آخرين مقدار مورد نظر را وارد كرد، مقدار مراقبتي را وارد مي‌كند تا از حلقه ورود نمرات خارج شود. برنامه در هر بار كه داده وارد مي‌شود مقدار آنرا با مقدار مراقبتي مقايسه مي‌كند. دومين اصلاح بر روي عبارت شبه‌كد قبلي مي‌تواند بصورت زير باشد:

Prompt the user to enter the first grade

Input the first grade (possibly the sentinel)

While the user has not yet entered the sentinel

      Add this grade to the running total

      Add one to the grade counter

      Input the next grade (possibly the sentinel)

عبارت شبه‌كد زير

Calculate and print the total of all student grades and the class average

مي‌تواند به صورت عبارات جزئي‌تر زير نوشته شود:

If the counter is not equal to zero

        Set the average to the total divided by the counter

Print the total of all student grades in the class

      Print the average

Else

   Print “No grades were entered”

توجه كنيد كه در اين قسمت براي جلوگيري از بروز خطاي منطقي تقسيم بر صفر، يك تست بكار برده شده است كه اگر در برنامه تشخيص داده نشود، مي‌تواند مشكل ساز شود. شبه‌كد كامل برنامه ميانگين در شكل 11-4 آورده شده است.

خطاي برنامه‌نويسي

نتيجه تقسيم بر صفر خطاي عظيم در زمان اجرا است.

اجتناب از خطا

Initialize total to zero

Initialize counter to zero

Input the first grade (possibly the sentinel)

While the user has not as yet entered the sentinel

      Add this grade to the running total

      Add one to the grade counter

      Input the next grade (possibly the sentinel)

If the counter is not equal to zero

      Set the average to the total divided by the counter

      Print the average

Else

      Print “No grades were entered”

برنامه‌نويسي ايده‌ال

با قراردادن خطوط خالي در برنامه‌هاي شبه‌كد خوانائي آنها افزايش مي‌يابد. خطوط خالي موجب مي‌شوند تا عبارتهاي كنترلي شبه‌كد و فازهاي برنامه از هم متمايز شوند.

مهندسي نرم‌افزار

بسياري از الگوريتم‌ها را مي‌توان به صورت منطقي به سه فاز تقسيم كرد: فاز مقدار دهي كه در آن متغيرهاي برنامه مقداردهي اوليه مي‌شوند، فاز پردازش كه مقادير داده‌ها وارد شده و متغيرها براساس آنها تنظيم مي‌شوند و فاز پايان كه مرحله انجام محاسبات و چاپ نتايج است.

الگوريتم شبه‌كد 11-4 مسئله ميانگين كلاس را كه در ابتداي اين بخش بصورت كلي بيان شده بود، برطرف مي‌كند. اين الگوريتم فقط پس از طي دو مرحله اصلاح گام به گام توسعه يافت، در حاليكه گاهي اوقات به انجام مراحل بيشتر نياز است.

مهندسي نرم‌افزار

برنامه‌نويسان زماني به فرآيند از بالا به پايين و اصلاح گام به گام پايان مي‌دهند كه الگوريتم شبه‌كد بصورت مشخص جزئيات را بيان كرده باشد، به نحوي كه بتوان آنها را به برنامه  C++ تبديل كرد. در اينحالت پياده سازي برنامه  C++ براحتي مي‌تواند صورت گيرد.

پياده‌سازي كلاس GradeBook به روش مراقبت-كنترل تكرار

شكل‌هاي 12-4 و 13-4 كلاس GradeBook را به نحوي نشان مي‌دهند كه حاوي تابع عضو determineClassAverage است كه الگوريتم شبه كد شكل 11-4 را پياده‌سازي مي‌كند (اين كلاس در شكل 14-4 توصيف شده است). اگر چه هر نمره وارد شده يك عدد صحيح است، امكان توليد يك عدد اعشاري به هنگام محاسبه ميانگين وجود دارد، به عبارتي يك عدد حقيقي يا عدد با نقطه اعشار (همانند 7.33 ، 0.0975  يا 1000.12345 ). نوع داده int نمي ‌تواند چنين اعدادي را عرضه كند، از اينرو اين كلاس بايد از نوع داده ديگري استفاده كند. زبان C++ داراي چندين نوع داده براي ذخيره‌سازي اعداد اعشاري در حافظه است، نوع‌هاي همانند float و double . تفاوت اصلي مابين اين نوع در اين است كه در مقايسه با متغيرهاي float ، متغيرهاي double قادر به نگهداري اعداد بزرگتر و دقيق‌تر در سمت نقطه اعشار هستند، در نتيجه دقت عدد بيشتر خواهد بود. اين برنامه مبادرت به معرفي يك عملگر ويژه بنام عملگر cast است كه محاسبه ميانگين را مجبور مي‌كند تا نتيجه را بصورت عدد اعشاري توليد كند. اين ويژگي به هنگام بررسي برنامه توضيح داده خواهد شد.

در اين مثال مشاهده مي‌كنيد كه عبارات كنترلي مي‌توانند به صورت پشته يكي بر روي ديگري قرار داده شوند (بصورت متوالي). عبارت while در خطوط 67-75 از شكل13-4 بلافاصله پس از عبارات if..else قرار گرفته است و حالت توالي دارد. قسمت اعظم كد بكار رفته در اين مثال با كد برنامه 9-4 يكسان است، از اينرو تمركز خود را بر روي ويژگي‌ها و مباحث جديد متمركز مي‌كنيم.

1       // Fig. 4.12: GradeBook.h

2       // Definition of class GradeBook that determines a class average.

3       // Member functions are defined in GradeBook.cpp

4       #include <string> // program uses C++ standard string class

5       using std::string;

6        

7       // GradeBook class definition

8       class GradeBook

9       {

10    public:

11       GradeBook( string ); // constructor initializes course name

12       void setCourseName( string ); // function to set the course name

13       string getCourseName(); // function to retrieve the course name

14       void displayMessage(); // display a welcome message

15       void determineClassAverage(); // averages grades entered by the user

16    private:

17       string courseName; // course name for this GradeBook

18    }; // end class GradeBook

شكل 12-4 | برنامهميانگينكلاسبار وش مراقبت-كنترل تكرار: فايل سرآيند GradeBook

1       // Fig. 4.13: GradeBook.cpp

2       // Member-function definitions for class GradeBook that solves the

3       // class average program with sentinel-controlled repetition.

4       #include <iostream>

5       using std::cout;

6       using std::cin;

7       using std::endl;

8       using std::fixed; // ensures that decimal point is displayed

9        

10    #include <iomanip> // parameterized stream manipulators 

11    using std::setprecision; // sets numeric output precision

12     

13    // include definition of class GradeBook from GradeBook.h

14    #include "GradeBook.h"

15     

16    // constructor initializes courseName with string supplied as argument

17    GradeBook::GradeBook( string name )

18    {

19       setCourseName( name ); // validate and store courseName

20    } // end GradeBook constructor

21     

22    // function to set the course name;

23    // ensures that the course name has at most 25 characters

24    void GradeBook::setCourseName( string name )

25    {

26       if ( name.length() <= 25 ) // if name has 25 or fewer characters

27          courseName = name; // store the course name in the object

28       else // if name is longer than 25 characters

29       { // set courseName to first 25 characters of parameter name

30          courseName = name.substr( 0, 25 ); // select first 25 characters

31          cout << "Name \"" << name << "\" exceeds maximum length (25).\n"

32    << "Limiting courseName to first 25 characters.\n" << endl;

33       } // end if...else

34    } // end function setCourseName

35     

36    // function to retrieve the course name

37    string GradeBook::getCourseName()

38    {

39       return courseName;

40    } // end function getCourseName

41     

42    // display a welcome message to the GradeBook user

43    void GradeBook::displayMessage()

44    {

45       cout << "Welcome to the grade book for\n" << getCourseName() << "!\n"

46    << endl;

47    } // end function displayMessage

48     

49    // determine class average based on 10 grades entered by user

50    void GradeBook::determineClassAverage()

51    {

52       int total; // sum of grades entered by user

53       int gradeCounter; // number of grades entered

54       int grade; // grade value

55       double average; // number with decimal point for average

56     

57       // initialization phase

58       total = 0; // initialize total

59       gradeCounter = 0; // initialize loop counter

60     

61       // processing phase

62       // prompt for input and read grade from user 

63       cout << "Enter grade or -1 to quit: ";       

64       cin >> grade; // input grade or sentinel value

65     

66       // loop until sentinel value read from user  

67       while ( grade != -1 ) // while grade is not -1

68       {                 

69          total = total + grade; // add grade to total

70          gradeCounter = gradeCounter + 1; // increment counter

71     

72          // prompt for input and read next grade from user

73          cout << "Enter grade or -1 to quit: ";          

74          cin >> grade; // input grade or sentinel value  

75       } // end while

76     

77       // termination phase

78    if ( gradeCounter != 0 ) // if user entered at least one grade...

79       {

80          // calculate average of all grades entered             

81          average = static_cast< double >( total ) / gradeCounter;

82     

83          // display total and average (with two digits of precision)

84          cout << "\nTotal of all " << gradeCounter << " grades entered is "

85    << total << endl;

86          cout<< "Class average is" << setprecision( 2 ) << fixed << average

87    << endl;

88       } // end if

89       else // no grades were entered, so output appropriate message

90          cout << "No grades were entered" << endl;

91    } // end function determineClassAverage

شكل 13-4 | برنامهميانگينكلاسباروشمراقبت - كنترلتكرار : فايل كد منبع GradeBook

1       // Fig. 4.14: fig04_14.cpp

2       // Create GradeBook object and invoke its determineClassAverage function.

3        

4       // include definition of class GradeBook from GradeBook.h

5       #include "GradeBook.h"

6        

7       int main()

8       {

9          // create GradeBook object myGradeBook and

10       // pass course name to constructor

11       GradeBook myGradeBook( "CS101 C++ Programming" );

12     

13       myGradeBook.displayMessage(); // display welcome message

14       myGradeBook.determineClassAverage(); // find average of 10 grades

15       return 0; // indicate successful termination

16    } // end main