算法

算法基本特征

• 算法：指解題方案的準確而完整的描述（≠程序 ≠計算方法）
• 算法四個特點：可行性 確定性 有窮性 足夠的情報

程序的設(shè)計不可能優(yōu)于算法的設(shè)計

有窮性：算法程序的運行時間是有限的

算法的基本要素

• 對數(shù)據(jù)對象的運算和操作：算術(shù)運算、邏輯運算、關(guān)系運算、數(shù)據(jù)傳輸
• 算法的控制結(jié)構(gòu)
  • 算法中各操作之間的執(zhí)行順序
  • 描述算法的工具：傳統(tǒng)流程圖、N-S結(jié)構(gòu)化流程圖、自然描述語言、偽代碼描述、程序
  • 一個算法可以用順序、選擇（分支） 、循環(huán)（重復(fù)）三種基本結(jié)構(gòu)組合而成
• 算法的復(fù)雜度
  • 時間復(fù)雜度：執(zhí)行算法所需要的計算工作量（基本運算次數(shù)），與所用計算工具無關(guān)，與采用的算法描述語言無關(guān)
  • 空間復(fù)雜度：執(zhí)行算法所需要的內(nèi)存空間（計算機所需存儲空間）

設(shè)計算法時需要考慮算法的的時間和空間復(fù)雜度，但兩者相互獨立，毫無關(guān)聯(lián)

• 算法分析方法：平均性態(tài)、最壞情況復(fù)雜性
• 算法分析目的：降低算法復(fù)雜度，提高算法的執(zhí)行效率，以求改進
• 算法設(shè)計方法：列舉法、歸納法、遞推、遞歸、減半遞推、回溯

算法的執(zhí)行效率與數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)有關(guān)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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數(shù)據(jù)

• 數(shù)據(jù)：需要處理的數(shù)據(jù)元素的集合

• 數(shù)據(jù)元素：數(shù)據(jù)的基本單位，即數(shù)據(jù)集合中的個體，也是結(jié)點

  有時一個數(shù)據(jù)元素可由若干數(shù)據(jù)項(Data Item)組成，數(shù)據(jù)項是數(shù)據(jù)的最小單位

• 結(jié)構(gòu)：集合中各數(shù)據(jù)元素之間存在的某種前后件關(guān)系

• 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：指帶有結(jié)構(gòu)的相互有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)元素的集合

【真題】設(shè)數(shù)據(jù)集合為D={1，2，3，4，5}，則結(jié)構(gòu)B=(D,R)中為非線性結(jié)構(gòu)的是

R={(1,2)，(2,3)，(4,3)，(3,5)} 非線性【1→2→3→5、4→3】（√）

R={(1,2)，(2,3)，(3,4)，(4,5)} 線性【1→2→3→4→5】（×）

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分類

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作為計算機的一門學科，主要研究三個方面：數(shù)據(jù)間固有邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系、數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)關(guān)系、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的運算

• 邏輯結(jié)構(gòu)：反映數(shù)據(jù)元素之間的前后件邏輯關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（與所使用的計算機無關(guān)）
• 存儲結(jié)構(gòu)：即物理結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)在計算機空間中的存放方式（不同的存儲結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理的效率不同，與效率有關(guān)）
  • 順序結(jié)構(gòu)：主要用于線性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  • 鏈式結(jié)構(gòu)：每一個結(jié)點至少包含一個指針域，用指針的指向來體現(xiàn)數(shù)據(jù)元素之間在邏輯上的聯(lián)系 ，優(yōu)點是便于插入和刪除操作
  • 索引結(jié)構(gòu)：帶有目錄與內(nèi)容

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線性表

• 線性表：由n(n≥0)個數(shù)據(jù)元素構(gòu)成的有限序列，表中由且只有一個根結(jié)點和一個終端結(jié)點，除根元素外的其它元素有且只有一個前件，除終端元素外的其它元素有且只有一個后件（如：春→夏→秋→冬）
• 線性表的順序存儲結(jié)構(gòu)叫做順序表（隨機存取），線性表的鏈式存儲結(jié)構(gòu)叫做線性鏈表（順序存取）

順序表

1. 線性表中所有元素所占的存儲空間是連續(xù)的
2. 線性表中數(shù)據(jù)元素在存儲空間中是按邏輯順序依次存放的
3. 可以隨機訪問數(shù)據(jù)元素
4. 做插入、刪除時需移動大量元素，因此線性表不便于插入和刪除元素
5. 其存儲空間連續(xù)，各個元素所占字節(jié)數(shù)相同，元素的存儲順序與邏輯順序一致

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線性鏈表

1. 各數(shù)據(jù)結(jié)點的存儲空間可以不連續(xù)
2. 各數(shù)據(jù)元素的存儲順序與邏輯順序可以不一致，可任意
3. 所占存儲空間大于順序存儲結(jié)構(gòu)（每節(jié)點多出至少一個指針域）
4. 查找結(jié)點時要比順序存儲慢
5. 插入刪除元素比順序存儲靈活

• 線性鏈表的操作：在線性鏈表中進行插入與刪除，不需要移動鏈表中的元素

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棧

1. 棧的入口和出口是同一個口，只能在棧頂進行插入和刪除

2. 棧的修改原則是“先進后出”或“后進先出”

3. 棧的棧底指針bottom和棧頂指針top，從入棧到棧滿再到退棧，棧低指針bottom不變，棧中元素隨棧頂指針的變化而動態(tài)變化（指針存放的是地址而非數(shù)據(jù)）

4. 棧能臨時保存數(shù)據(jù)，具有記憶功能

5. 棧支持子程序調(diào)用

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一個棧的初始狀態(tài)為空。將元素abcde依次入棧，不可能的出棧順序為（E）

A.edcba B.dcbae C.badce D.cbaed E.eabcd

用一個長度為50的數(shù)組(數(shù)組元素的下標從0到49)作為棧的存儲空間，如果bottom=49，top=30(數(shù)組下標)，則棧中具有的元素個數(shù)為【20】（49-30+1=20）

設(shè)棧的存儲空間為S（1：60），初始狀態(tài)為top=61。現(xiàn)經(jīng)過一系列正常的入棧與退棧操作后，top=25，則棧中的元素個數(shù)為【36】（60-25+1=36）

棧內(nèi)元素個數(shù)計算：丨Top－Bottom丨＋1 （其中Bottom≥1），若T＝B＝0說明棧空

鏈式棧比較特殊，當中存放元素與地址，但其棧底指針bottom可以改變

隊列

1. 隊列中隊頭指針front指向?qū)︻^元素的前一位置，隊尾指針rear指向最末元素，從入隊到出隊
2. 隊列的入口和出口非同一個口，只允許在隊尾插入，而在隊頭刪除
3. 隊列的修改原則是“先進先出”或“后進后出”（先到先服務(wù)的作業(yè)調(diào)度）
4. 隊列中元素隨front和rear的變化而動態(tài)變化，并非固定

• 循環(huán)隊列：將隊列存儲空間的最后一個位置繞到第一個位置，形成邏輯上的環(huán)狀空間，供隊列循環(huán)使用

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  求隊列中的元素個數(shù)s（由rear與front共同決定）

  1. rear＞front s=rear-front
     . rear＜front s=rear-front+總?cè)萘?br> . rear＝front s=0或者s=容量(滿)

  設(shè)循環(huán)隊列的存儲空間為Q（1:40），初始狀態(tài)為front=rear=40。經(jīng)過一系列正常的入隊與退隊操作后，front=rear=15，此后又正常地退出了一個元素，則循環(huán)隊列中的元素個數(shù)為 【39】 （當頭尾指針都是15之后還能退出元素，說明初始狀態(tài)為滿，故退出一個元素，即40-1=3）

樹

• 樹：指n(n＞0)個元素的有限集合，它有且僅有一個稱為根的元素，其余元素是互不相交的子樹

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• 概念術(shù)語：
  • 父結(jié)點（A是BCD的父）、子結(jié)點（BCD是A的子)
  • 根結(jié)點（A）、葉子結(jié)點（KLFMHNJ）
  • 結(jié)點的度：一個結(jié)點所擁有的后件的個數(shù)（A的度為3、B的度為2）
  • 樹的度：具有結(jié)點中最大的度（上圖為3）
  • 樹的深度：整棵樹的層數(shù)（上圖為4）
  • 子樹：在一棵樹中以某個結(jié)點的一個子結(jié)點為根所構(gòu)成的樹（如B→EF→KL這一左半部分）

二叉樹

二叉樹是一個有限的結(jié)點集合，該集合或為空，或由一個根結(jié)點及其兩棵互不相交的左右二叉子樹所組成

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• 二又樹的特點
  1. 非空二又樹只有一個根結(jié)點
  2. 每一個結(jié)點最多有兩棵子樹，且分別稱為該結(jié)點的左子樹與右子樹
• 特殊二叉樹

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滿二叉樹：除最后一層外，每一層上的結(jié)點數(shù)均達到最大值。

完全二叉樹：除最后一層外，每一層上的結(jié)點數(shù)均達到最大值，在最后一層上只缺少右邊的若干結(jié)點

滿二叉樹是完全二叉樹，完全二叉樹不是滿二叉樹

• 二叉樹的性質(zhì)：

  1. 非空二叉樹只有一個根結(jié)點，每個結(jié)點最多有兩棵子樹，分別稱為左子樹和右子樹
  2. 在二叉樹的第k層上，最多有2^(k-1)個結(jié)點
  3. 深度為m的二叉樹最多有2^(m)-1個結(jié)點
  4. 度為0的結(jié)點稱為葉子結(jié)點，度=0的結(jié)點總比度=2的結(jié)點多1個
  5. 有n個結(jié)點的二叉樹深度至少為[log(2)n]+1

• 二叉樹的遍歷：按照一定的順序不重復(fù)不遺漏地訪問二叉樹中的結(jié)點

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  前序遍歷：訪問根結(jié)點→前序遍歷左子樹→前序遍歷右子樹（ABDGECF）（根左右）
  中序遍歷：中序遍歷左子樹→訪問根結(jié)點→中序遍歷右子樹（DGBEACF）（左根右）
  后序遍歷：后序遍歷左子樹→后序遍歷右子樹→訪問根結(jié)點（GDEBFCA）（左右根）

查找技術(shù)

• 順序查找：從第一個或最后一個記錄開始，一直到查找出給定值，結(jié)束查找

• 二分查找：在有序表中取中間記錄作為比較對象，若給定值與中間記錄的關(guān)鍵字相等，查找成功；若小于則找左半?yún)^(qū)，若大于則找右半?yún)^(qū)，不斷重復(fù)直到成功

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  注意：即使是有序線性表，如果采用鏈式存儲結(jié)構(gòu)，也只能用順序查找

排序

• 冒泡排序：從頭到尾重復(fù)比較相鄰的兩元素，如果前比后大，就交換彼此，直到?jīng)]有相鄰元素需要交換則完成排序，越大的元素會經(jīng)交換慢慢“浮”到數(shù)列的后端
• 快速排序：選第一個數(shù)作為基準數(shù)，將之后所有的數(shù)與其做比較，比基大放右區(qū)，比基小放左區(qū)，此時線性表被分割為兩個子表，再對兩個子表重復(fù)上述步驟，直到各字表的長度為1則完成排序
• 簡單插入排序：將無序序列中的各元素依次插入到已經(jīng)有序的線性表中，像軍訓(xùn)時按身高逐個糾正排序
• 希爾排序：將整個無序序列分割成若干小的子序列分別進行簡單插入排序
• 簡單選擇排序：掃描整個線性表，從中選出最小的元素，將它交換到表的最前面，以此類推直到所有元素均排序完畢
• 堆排序：選建堆，然后將堆頂元素與堆中最后一個元素交換，再調(diào)整為堆

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最壞情況下，比較次數(shù)最少的是堆排序

要求內(nèi)存量最大的是歸并排序

當數(shù)據(jù)表中每個元素距其最終位置不遠，最節(jié)省時間的是簡單插入排序

選擇排序與冒泡排序的區(qū)別：冒泡排序通過依次交換相鄰兩個順序不合法的元素位置，從而將當前最小（大）元素放到合適的位置；而選擇排序每遍歷一次都記住了當前最小（大）元素的位置，最后僅需一次交換操作即可將其放到合適的位置。

程序設(shè)計基礎(chǔ)

程序設(shè)計方法與風格

• 相關(guān)術(shù)語
  • 程序：將計算機語言代碼依據(jù)一定的語法規(guī)則，描述為完成特定任務(wù)的算法的指令序列，程序執(zhí)行的效率與數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)
  • 程序設(shè)計：程序設(shè)計為完成一項程序工作的過程
  • 計算機語言：計算機語言是人與計算機交流的工具
  • Wirth公式：算法+數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)=程序
• 良好的程序設(shè)計風格：清晰第一，效率第二
• 良好的程序設(shè)計風格
  1. 源程序內(nèi)部文檔化
     • 選擇標識符的名字
     • 程序的視覺組織
     • 程序的注釋
       • 功能性注釋：位于模塊內(nèi)部，用于描述其后語句或程序主要功能
       • 序言性注釋：位于模塊首部，用于說明模塊的相關(guān)信息（程序的標題 功能的說明 主要的算法 模塊接口 開發(fā)歷史 程序設(shè)計者 復(fù)審者 復(fù)審日期 修改日期）
  2. 數(shù)據(jù)說明
     • 數(shù)據(jù)說明的次序規(guī)范化
     • 說明語句中變量安排有序化
     • 使用注釋來說明復(fù)雜數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)
  3. 語句的結(jié)構(gòu)
     • 在一行內(nèi)只寫一條語句
     • 程序編寫應(yīng)優(yōu)先考慮清晰性
     • 程序編寫要做到清晰第一，效率第二
     • 在保證程序正確的基礎(chǔ)上再要求提高效率
     • 避免使用臨時變量而使程序的可讀性下降
     • 避免不必要的轉(zhuǎn)移
     • 盡量使用庫函數(shù)
     • 避免采用復(fù)雜的條件語句
     • 盡量減少使用“否定”條件語句
     • 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)要有利于程序的簡化
     • 要模塊化，使模塊功能盡可能單一化
     • 利用信息隱蔽，確保每一個模塊的獨立性
     • 從數(shù)據(jù)出發(fā)去構(gòu)造程序
     • 不要修補不好的程序，要重新編寫
  4. 輸入和輸出
     • 對輸入數(shù)據(jù)檢驗數(shù)據(jù)的合法性
     • 檢查輸入項的各種重要組合的合法性
     • 輸入格式要簡單，使得輸入的步驟和操作盡可能簡單
     • 輸入數(shù)據(jù)時，應(yīng)允許使用自由格式
     • 應(yīng)允許缺省值
     • 輸入一批數(shù)據(jù)時，最好使用輸入結(jié)束標志
     • 在以交互式輸入/輸出方式進行輸入時，要在屏幕上使用提示符明確提示輸入的請求，同時在數(shù)據(jù)輸入過程中和輸入結(jié)束時，應(yīng)在屏幕上給出狀態(tài)信息
     • 當程序設(shè)計語言對輸入格式有嚴格要求時，應(yīng)保持輸入格式與輸入語句的一致性，給所有的輸出加注釋，并設(shè)計輸出報表格式

良好程序設(shè)計風格不僅有助于提高程序的可靠性、可理解性、可測試性、可維護性和可重復(fù)性，而且也能夠促進技術(shù)的交流，改善軟件的質(zhì)量

結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計

• 軟件設(shè)計的基本原則：抽象、信息隱蔽、模塊化、局部化、確定性、一致性、完備性、可靠性
• 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計風格：程序結(jié)構(gòu)良好、可讀性好、易測試、易維護
• 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計原則
  • 自頂向下：先考慮總體，后考慮細節(jié)；先考慮全局目標，后考慮局部目標
  • 逐步求精：對復(fù)雜問題，先設(shè)計一個目標作為過渡，然后逐步細化
  • 模塊化：把程序要解決的總目標分解為一個一個的模塊
  • 限用goto語句：程序的質(zhì)量與goto語句數(shù)量成反比
• 結(jié)構(gòu)化程序的基本結(jié)構(gòu)：順序、選擇（分支）、循環(huán)（重復(fù)）
• 程序設(shè)計語言的基本成分：數(shù)據(jù)成分、運算成分、控制成分、傳輸成分

設(shè)計程序時，應(yīng)采納的原則之一是程序結(jié)構(gòu)應(yīng)有助于讀者理解（強調(diào)程序易讀性）

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計

• 面向?qū)ο蠓椒ǖ闹饕獌?yōu)點
  1. 與人類習慣的思維方法致
  2. 穩(wěn)定性好
  3. 可重用性好
  4. 易于開發(fā)大型軟件產(chǎn)品
  5. 可維護性好

與傳統(tǒng)的的面向過程的方法不同之處：

面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計主張從客觀世界固有的物質(zhì)出發(fā)來構(gòu)造系統(tǒng)，使用現(xiàn)實世界的概念抽象地思考問題從而自然地解決問題，它提倡用人類在現(xiàn)實生活中常用的思維方式來認識理解描述客觀事物

• 對象有關(guān)概念術(shù)語

  • 對象：在現(xiàn)實世界中，每個實體都是對象（大學生、汽車、電視機、空調(diào)）
  • 屬性：用于描述對象的狀態(tài)
  • 方法：用于描述對象的行為
  • 類：一組具有相同屬性和相同操作的對象的集合
  • 消息：是一個實例與另一個實例之間傳遞的信息，對象間的通信靠消息傳遞
    1. 接收消息的對象的名稱
    2. 消息標識符，也稱消息名
    3. 零個或多個參數(shù)

  “對象是屬性和方法的封裝體”、“任何對象不一定有繼承性”

  “對象是類的具體實例，類是對象的抽象”、“操作是對象的動態(tài)屬性”

  基于同一類產(chǎn)生的對象可以分別設(shè)置各自的屬性，對象中的屬性只能通過該對象所提供的操作來存取或修改

• 對象的基本特點

  1. 標識唯一性：對象可由內(nèi)在本質(zhì)來區(qū)分，而不是通過描述來區(qū)分
  2. 分類性：可以將具有相同屬性和操作的對象抽象成類
  3. 多態(tài)性：同一操作可以是不同對象的行為，同樣的消息被不同對象接受時可導(dǎo)致完全不同的行為
  4. 封裝性：從外面看不到對象的內(nèi)部，只能看到對象外部特征，實現(xiàn)信息隱蔽，是數(shù)據(jù)與操作的結(jié)合，是屬性與方法的封裝
  5. 模塊獨立性好：對象是面向?qū)ο蟮能浖幕灸K，高內(nèi)聚低耦合
  6. 繼承性：使用已有的類建立新類的定義技術(shù)，能直接獲得已有的性質(zhì)，而不必重復(fù)定義他們，是類之間共享屬性和操作的機制
  7. 多態(tài)性：同樣的消息被不同的對象接受時可導(dǎo)致完全不同的行動的現(xiàn)象
  8. 依賴性：某個對象的功能依賴于另外的某個對象，而被依賴的對象只是作為一種工具在使用，而并不持有對它的引用

軟件工程基礎(chǔ)

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軟件工程基本概念

• 軟件分類：

  • 系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯程序、匯編程序、網(wǎng)絡(luò)軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
  • 應(yīng)用軟件：事務(wù)處理軟件、工程與科學計算軟件、實時處理軟件、人工智能軟件、財務(wù)管理系統(tǒng)
  • 支撐軟件（工具軟件）：需求分析工具軟件、編譯工具軟件、測試工具軟件、維護工具軟件、Word編輯軟件

  學生成績管理系統(tǒng)、教務(wù)管理系統(tǒng)屬于應(yīng)用軟件

• 軟件危機：需求增長、開發(fā)難控、質(zhì)量難保、難以維護、成本提高、生產(chǎn)率低

• 軟件工程：應(yīng)用于計算機軟件的定義、開發(fā)和維護的一整套方法、工具、文檔、實踐標準和工序；其目的是<u>提高軟件生產(chǎn)率、提高軟件質(zhì)量、降低軟件成本</u>；其核心思想是<u>把軟件當作一個工程產(chǎn)品來處理</u>

• 軟件工程三要素

  • 方法是完成軟件工程項目的技術(shù)手段
  • 工具支持軟件的開發(fā)、管理和文檔生成
  • 過程支持軟件開發(fā)的各環(huán)節(jié)的控制和管理

• 軟件生命周期：將軟件產(chǎn)品從提出、實現(xiàn)、使用維護到停止使用退役的過程

  • 軟件工程學的一個目的就是提高軟件的可維護性，降低維護代價
  • 分為3個時期8個階段，維護是持續(xù)時間最長，花費代價最大的一個時期
    • 軟件定義階段（問題定義可行性研究、需求分析）
    • 軟件開發(fā)階段（概要設(shè)計、詳細設(shè)計、實現(xiàn)、測試）
    • 軟件運行維護階段（使用、維護）

• 需求分析：確定系統(tǒng)的邏輯模型。參加人員有用戶、項目負責人和系統(tǒng)分析員

  • 需求分析的工作：需求獲取、需求分析、編寫需求規(guī)格說明書、需求評審
  • 需求分析階段產(chǎn)生的主要文檔為需求規(guī)格說明書，其作用為：
    1. 便于用戶、開發(fā)人員進行理解交流
    2. 反映用戶問題的結(jié)構(gòu)，可以作為軟件開發(fā)工作的基礎(chǔ)和依據(jù)
    3. 作為確認測試和驗收的依據(jù)

• 需求規(guī)格說明書（SRS）需求分析階段產(chǎn)生的主要文檔是“軟件需求規(guī)格說明書”，其特點是：

  • 正確性：體現(xiàn)待開發(fā)系統(tǒng)的真實要求·無歧義性：對每個需求只有一種解釋
  • 完整性：包括全部有意義的需求
  • 一致性：各個需求的描述不矛盾
  • 可驗證性：每個需求都是可驗證的
  • 可理解性：需求說明書必須簡明易懂
  • 可修改性：結(jié)構(gòu)風格在改變時，是易于實現(xiàn)的
  • 可追蹤性：每個需求的來源和流向是清晰的

結(jié)構(gòu)化分析方法

• 需求分析方法包括結(jié)構(gòu)化需求分析方法、面向?qū)ο蟮姆治龇椒?/code>

• 結(jié)構(gòu)化分析方法是一種使用數(shù)據(jù)流圖（DFD）、數(shù)據(jù)字典（DD）、判定表和判定樹等工具，來建立系統(tǒng)的邏輯模型。

• 數(shù)據(jù)流圖（DFD）是結(jié)構(gòu)化方法的需求分析工具，其圖形元素：

  • 〇 加工：輸入數(shù)據(jù)經(jīng)加工變換產(chǎn)生輸出
  • → 數(shù)據(jù)流：沿箭頭方向傳遞數(shù)據(jù)的通道
  • ＝ 存儲文件（數(shù)據(jù)源）：存放各種數(shù)據(jù)的文件
  • ? 源（潭）：系統(tǒng)和環(huán)境的接口
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• 數(shù)據(jù)字典（DD）：對數(shù)據(jù)流圖中所有元素定義的集合，它是結(jié)構(gòu)化分析的核心。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法

• 軟件設(shè)計的基本目標是用比較抽象、 概括的方式確定目標系統(tǒng)如何完成預(yù)定的任務(wù)，即軟件設(shè)計是確定系統(tǒng)的物理模型。

• 軟件設(shè)計的劃分

  • 按工程管理角度劃分：概要設(shè)計、詳細設(shè)計
  • 按技術(shù)觀點劃分：結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)設(shè)計、接口設(shè)計、過程設(shè)計

• 軟件設(shè)計基本原理

  • 抽象：在軟件設(shè)計中，可以定出多個抽象級別，抽象層次從概要設(shè)計到詳細設(shè)計逐步降低。
  • 模塊化：把一個待開發(fā)的軟件分解成若干小的簡單的部分，自頂向下逐層把軟件劃分成若干模塊。
  • 信息隱蔽：一個模塊內(nèi)的信息，對于不需要這些信息的其他模塊來說不能訪問。
  • 模塊獨立性：每個模塊只完成獨立的子功能，并且與其他模塊的聯(lián)系少且接口簡單。模塊的獨立程度是評價設(shè)計好壞的重要度量標準。

• 軟件模塊獨立性

  • 高內(nèi)聚性：指一個模塊內(nèi)部各個元素間彼此結(jié)合的緊密程度
  • 低耦合性：指模塊間互相連接的緊密程度

  耦合包括非直接耦合、數(shù)據(jù)耦合、標記耦合、控制耦合、外部耦合、公共耦合、內(nèi)容耦合（耦合度逐漸增強）

• 概要設(shè)計的任務(wù)：

  1. 設(shè)計軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
  2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)庫設(shè)計
  3. 編寫概要設(shè)計文檔
  4. 概要設(shè)計文檔評審

• 概要設(shè)計的常用工具是程序結(jié)構(gòu)圖（SC），其基本圖形：? 一般模塊、〇→ 數(shù)據(jù)信息、●→ 控制信息

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• 詳細設(shè)計的任務(wù)：確立每個模塊的實現(xiàn)算法和局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用適當方法表示算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的細節(jié)。

• 詳細設(shè)計的常用工具：

  • 圖形工具：程序流程圖、N-S圖、PAD、HIPO
  • 表格工具：判定表
  • 語言工具：PDL（偽碼）

• 程序流程圖的基本圖形：→ 控制流、? 加工步驟、◇ 邏輯條件

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軟件測試

• 軟件測試的目的：發(fā)現(xiàn)程序中的錯誤

• 軟件測試的準則

  • 所有測試都應(yīng)追溯到用戶需求
  • 在測試之前制定測試計劃，并嚴格執(zhí)行
  • 充分注意測試中的群集現(xiàn)象
  • 避免由程序的編寫者測試自己的程序
  • 不可能進行窮舉測試
  • 妥善保存測試分析報告，為維護提供方便

• 軟件測試的類型

  • 靜態(tài)測試：不實際運行軟件，通過人發(fā)揮思維優(yōu)勢發(fā)現(xiàn)程序的錯誤

  • 動態(tài)測試：基于計算機的測試，是為了發(fā)現(xiàn)錯誤而執(zhí)行程序的過程

  • 白盒測試：把測試對象看作一個打開的盒子，利用程序內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，對程序所有邏輯路徑進行測試

    白盒測試針對程序的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

    其方法有邏輯覆蓋測試、基本路徑測試

  • 黑盒測試：完全不考慮程序內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，只檢查程序是否能接收輸入數(shù)據(jù)而產(chǎn)生正確的輸出信息

    黑盒針對程序的外部功能

    其方法有等價類劃分法、邊界值分析法、錯誤推測法

• 軟件測試的步驟

  1. 單元測試：對軟件設(shè)計的最小單位——模塊進行測試，目的是發(fā)現(xiàn)各模塊內(nèi)部的錯誤。
  2. 集成測試：把模塊按照設(shè)計要求組裝起來的同時進行測試，目的是發(fā)現(xiàn)與接口有關(guān)的錯誤。
  3. 確認測試：驗證軟件的功能和性能是否滿足各種需求，以及軟件配置是否完全、正確。
  4. 系統(tǒng)測試：將軟件作為一個元素，與計算機系統(tǒng)其他元素組合在一起，進行集成測試。

程序調(diào)試

• 程序調(diào)試是對程序進行了成功的測試之后將進入程序調(diào)試，通常稱為Debug（排錯），主要在開發(fā)階段進行。
• 程序調(diào)試的任務(wù)：診斷和改正程序的錯誤
• 程序調(diào)試的基本步驟
  1. 錯誤定位
  2. 修改設(shè)計和代碼，以排除錯誤
  3. 進行回歸測試，防止引進新的錯誤
• 程序調(diào)試的方法：強行排除法、回溯法、原因排除法

數(shù)據(jù)庫設(shè)計基礎(chǔ)

數(shù)據(jù)庫基本概念

• 數(shù)據(jù)（data）：描述事物的符號記錄

• 數(shù)據(jù)庫（Database）：數(shù)據(jù)的集合，具有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式并存放于統(tǒng)一的存儲介質(zhì)內(nèi)，是多種應(yīng)用數(shù)據(jù)的集成，并可被各個應(yīng)用程序所共享

  數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有兩大特點：“集成”與“共享”

  數(shù)據(jù)庫技術(shù)的根本目標：解決數(shù)據(jù)共享問題

• 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（DBMS）：數(shù)據(jù)庫的機構(gòu)，一種系統(tǒng)軟件，負責數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)維護、控制及保護和數(shù)據(jù)服務(wù)，它是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的核心

  • 數(shù)據(jù)定義語言（DDL，Definition）：數(shù)據(jù)模式定義、數(shù)據(jù)存取的物理構(gòu)建
  • 數(shù)據(jù)操縱語言（DML，Manipulation）：數(shù)據(jù)操縱（包括查詢與增、刪、改等操作）
  • 數(shù)據(jù)控制語言（DCL，Control）：數(shù)據(jù)的完整性、安全性的定義與檢查、并發(fā)控制、故障恢復(fù)
  • 數(shù)據(jù)查詢語言（DQL，Query）：集數(shù)據(jù)定義、操縱和控制功能于一體的數(shù)據(jù)庫語言，是數(shù)據(jù)庫的核心語言， 具有操作所有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的能力

• 數(shù)據(jù)庫管理員（DBA）：主要工作包括數(shù)據(jù)庫規(guī)劃、設(shè)計、維護、監(jiān)視，改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)效率

• 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)（DBAS）：利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行應(yīng)用開發(fā)可構(gòu)成一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，它是專門為一類用戶設(shè)計的系統(tǒng)，不具有通用性，由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應(yīng)用軟件以及應(yīng)用界面組成

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• 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（DBS）的組成

  • 數(shù)據(jù)庫（數(shù)據(jù)）
  • 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS（軟件）
  • 數(shù)據(jù)庫管理員DBA（人員）
  • 軟件平臺
  • 硬件平臺

• 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點：高集成性、高共享低冗余、物理獨立性與邏輯獨立性、統(tǒng)一管理與控制

  數(shù)據(jù)獨立性是數(shù)據(jù)與程序間的互不依賴性，即數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)、存儲結(jié)構(gòu)與存取方式的改變不會影響應(yīng)用程序，==在數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的物理結(jié)構(gòu)并不一定與邏輯結(jié)構(gòu)一致==

  邏輯獨立性——指用戶的應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫的邏輯結(jié)構(gòu)是相互獨立的，即當數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)改變時，用戶程序也可以不變，當數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)總體邏輯結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而應(yīng)用程序不受影響

• 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系

  • 三級模式
    • 概念模式（概念數(shù)據(jù)庫）：全局數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)的描述，即全體用戶的公共數(shù)據(jù)視圖
    • 外模式（用戶數(shù)據(jù)庫）：又稱子模式或用戶模式，即用戶的數(shù)據(jù)視圖，反映用戶對數(shù)據(jù)的要求
    • 內(nèi)模式（物理數(shù)據(jù)庫）：給出數(shù)據(jù)庫物理存儲結(jié)構(gòu)與存取方法，反映數(shù)據(jù)在計算機物理結(jié)構(gòu)上的實際存儲形式，如數(shù)據(jù)存儲的文件結(jié)構(gòu)、索引、集簇及hash等存取方式與存取路徑
  • 二級映射
    • 外模式/概念模式的映射：實現(xiàn)了外槿式到概念模式之間的相互轉(zhuǎn)換（當邏輯模式發(fā)生變化時，通過修改相應(yīng)的外模式/邏輯模式映射，使得用戶所使用的那部分外模式不變，從而應(yīng)用程序不必修改，保證數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨立性）
    • 概念模式/內(nèi)模式的映射：實現(xiàn)了概念模式到內(nèi)模式之間的相互轉(zhuǎn)換（當數(shù)據(jù)庫的存儲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，通過修改相應(yīng)的概念模式/內(nèi)模式的映射，使得數(shù)據(jù)庫的邏輯模式不變，其外模式不變，應(yīng)用程序不用修改，從而保證數(shù)據(jù)具有很高的物理獨立性）

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  三級模式反映了模式的三個不同環(huán)境及其他們的不同要求

  兩級映射保證了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)具有較高的邏輯獨立性和物理獨立性

• 數(shù)據(jù)管理發(fā)展的三個階段：人工管理 → 文件系統(tǒng) → 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

  在數(shù)據(jù)管理技術(shù)發(fā)展過程中，文件系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的主要區(qū)別是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有特定的數(shù)據(jù)模型

數(shù)據(jù)模型

• 數(shù)據(jù)模型：數(shù)據(jù)庫設(shè)計的核心

• 數(shù)據(jù)模型的三要素

  數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：描述數(shù)據(jù)的類型、內(nèi)容、性質(zhì)以及數(shù)據(jù)間的聯(lián)系

  數(shù)據(jù)操作：描述在相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的操作類型與操作方式

  數(shù)據(jù)約束：描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)數(shù)據(jù)間的語法、語義聯(lián)系，它們之間的制約與依存關(guān)系

  用計算機表示每一個實體時，由其所有信息項組成一條記錄，相應(yīng)于屬性的數(shù)據(jù)稱為數(shù)據(jù)項

  實體內(nèi)部的聯(lián)系反映在數(shù)據(jù)上是數(shù)據(jù)項之間的聯(lián)系，實體間的聯(lián)系反映在數(shù)據(jù)上是記錄間的聯(lián)系
  實體與屬性有“型“與“值”之分，型是指結(jié)構(gòu)（對應(yīng)行），值是指結(jié)構(gòu)約束下的具體取值（對應(yīng)列）

• 數(shù)據(jù)模型按不同的應(yīng)用層次

  • 概念數(shù)據(jù)模型（概念模型）：E-R模型、謂詞模型
  • 邏輯數(shù)據(jù)模型（數(shù)據(jù)模型）：層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型
  • 物理數(shù)據(jù)模型（物理模型）：面向計算機物理結(jié)構(gòu)的模型

  概念數(shù)據(jù)模型——用于對客觀世界中復(fù)雜事物的結(jié)構(gòu)及它們之間的聯(lián)系進行描述，與具體的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)無關(guān)，與具體的計算機平臺無關(guān)

  邏輯數(shù)據(jù)模型——面向數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、考慮數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)的模型，著重于在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一級的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)模型實例

• E-R模型：實體聯(lián)系模型，由實體、聯(lián)系、屬性組成

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  E-R模型圖形符號：? 實體、〇 屬性、◇ 聯(lián)系、— 聯(lián)接關(guān)系

  實體集間的相互關(guān)系：一對一、一對多、多對一、多對多

• 層次模型：最早發(fā)展起來的數(shù)據(jù)庫模型，如樹

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  層次模型的特點：

  • 每棵樹有且僅有一個無雙親結(jié)點，稱為根
  • 樹中除根外所有結(jié)點有且僅有一個雙親

• 網(wǎng)狀模型：一個不加任何條件限制的無向圖

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• 關(guān)系模型：以二維表為基本結(jié)構(gòu)所建立的模型，由表框架及表元組構(gòu)成，表框架由n個命名的屬性組成，n稱為屬性元數(shù)

層次型、網(wǎng)狀型、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的劃分原則是數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系方式

二維表

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• 二維表的概念：用來表示實體間聯(lián)系，每一個二維表稱為一個關(guān)系，為了建立一個關(guān)系，首先要指定關(guān)系的屬性

  • 屬性：二維表中的一列，每個屬性的取值范圍稱為值域（一個關(guān)系的屬性名表稱為該關(guān)系的關(guān)系模式，其記法為<關(guān)系名>(<屬性名1>,<屬性名2>,…,<屬性名n>)）

  • 元組：二維表中的一行（各元組的每一個分量是表示最小單位的基本數(shù)據(jù)項，分量不可再分）

  • 主鍵：也稱關(guān)鍵字、主碼，其值能唯一標識表中一個元組，主碼屬性不能取空

  • 外鍵：也稱外部關(guān)鍵字，在一個關(guān)系中含有與另一個關(guān)系的關(guān)鍵字相對應(yīng)的屬性組，表的外鍵是另一表的主鍵，外鍵可重復(fù)、可空值

    例：在關(guān)系A(chǔ)(S，SN，D)和B(D，CN，NM)中，A的主鍵是S，B的主鍵是D，則D是A的外鍵

• 關(guān)系中的數(shù)據(jù)約束

  • 實體完整性約束：要求關(guān)系的主鍵中屬性值不能為空值，為主鍵是唯一決定元組的，若屬性為空值則其唯一性就無意義了，即一個關(guān)系中應(yīng)有一個或多個候選關(guān)鍵字
  • 參照完整性約束：這是關(guān)系之間相互關(guān)聯(lián)的基本約束，不允許關(guān)系引用不存在的元組，即在關(guān)系中的外鍵要么是所關(guān)聯(lián)關(guān)系中實際存在的元組，要么為空值
  • 用戶定義的完整性約束：反映某一具體應(yīng)用所涉及的數(shù)據(jù)必須滿足的語義要求，例如某個屬性的取值范圍在0-100之間

• 關(guān)系的特點

  1. 關(guān)系必須規(guī)范化
  2. 在同一個關(guān)系中不能出現(xiàn)相同的屬性名
  3. 關(guān)系中不能有相同的元組
  4. 在一個關(guān)系中元組的次序無關(guān)緊要，任意交換兩行位置并不影響數(shù)據(jù)的實際含義
  5. 在一個關(guān)系中屬性的次序無關(guān)緊要，任意交換兩列位置也不影響數(shù)據(jù)的實際含義

  關(guān)系代數(shù)

• 關(guān)系模型的基本操縱：增加、刪除、修改、查詢

  • 并 R∪S：將兩個以上表的行并到一起，去除相同的行
  • 差 R-S：在關(guān)系R中減去關(guān)系S共有的行，保留的是S中沒有的行，運算時依次將兩個表的一行一行相減
  • 笛卡兒積 R×S：行與列重新組合
  • 投影 π：從所有字段中選取一部分字段及其值進行縱向操作（選列）
  • 選擇 σ：從二維表的全部記錄中把那些符合指定條件的記錄挑出來（選行）
  • 連接 R?S(A?B)：將兩個關(guān)系模式拼接成一個更寬的關(guān)系模式，在新的關(guān)系上做選擇操作，生成的新關(guān)系中包含滿足聯(lián)接條件的元組
  • 交 R∩S：求兩個以上表的公共行，前提是參與運算的表的結(jié)構(gòu)相同
  • 除 T=R÷S（笛卡兒反運算）：行與列重新拆分，剩下的合并相同行
  • 自然連接 R?S：一種特殊的等值鏈接，把對應(yīng)字段取值相等的元組連接成一個新的表，剩下的去掉屬性重復(fù)的列，要求R和S含有一個或多個共有的屬性

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  說明：

  笛卡爾積——若R有m個元組，S有n個元組，則R×S有m×n個元組

  投影——C和A為屬性名，說明要選擇的列

  選擇——B>'4'是選擇語句的條件，對關(guān)系做水平分割，選擇符合條件的元組

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  交運算能不改變關(guān)系表中的屬性個數(shù)但能減少元組個數(shù)

數(shù)據(jù)庫設(shè)計與管理

• 數(shù)據(jù)庫設(shè)計：設(shè)計一個能滿足用戶要求，性能良好的數(shù)據(jù)庫，它是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中的核心問題

  • 基本任務(wù)：根據(jù)用戶對象的信息需求、處理需求和數(shù)據(jù)庫的支持環(huán)境設(shè)計出數(shù)據(jù)模式
  • 兩種方法
    • 面向數(shù)據(jù)的方法：以信息需求為主，兼顧處理需求（主流）
    • 面向過程的方法：以處理需求為主，兼顧信息需求

• 數(shù)據(jù)庫設(shè)計的步驟：（一般采用生命周期法）

  1. 需求分析階段——包括信息/處理/安全性/完整性的需求，建立數(shù)據(jù)字典
  2. 概念設(shè)計階段——分析數(shù)據(jù)間內(nèi)在語義的關(guān)聯(lián)建立抽象模型，用E-R圖來描述信息結(jié)構(gòu)但不涉及信息在計算機中的表示
  3. 邏輯設(shè)計階段——把E-R圖轉(zhuǎn)換為關(guān)系模式（實體與聯(lián)系表示成關(guān)系，屬性轉(zhuǎn)換成關(guān)系中的屬性）
  4. 物理設(shè)計階段——對數(shù)據(jù)庫內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)作調(diào)整并選擇合理的存取路徑，以提數(shù)據(jù)庫訪問速度及有效利用存儲空間，包括優(yōu)化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)查詢性能的索引設(shè)計、集簇設(shè)計和分區(qū)設(shè)計
  5. 編碼階段
  6. 測試階段
  7. 運行階段
  8. 進一步修改階段

  在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中最多采用前四個階段，并且重點以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與模型的設(shè)計為主線

• 數(shù)據(jù)庫管理

  • 數(shù)據(jù)庫的建立
  • 數(shù)據(jù)庫的調(diào)整
  • 數(shù)據(jù)庫的重組
  • 數(shù)據(jù)庫安全性控制與完整性控制
  • 數(shù)據(jù)庫的故障恢復(fù)
  • 數(shù)據(jù)庫監(jiān)控