Как составить лгоритм

Схема — это абстракция какого-либо процесса или системы, наглядно отображающая наиболее значимые части. Схемы широко применяются с древних времен до настоящего времени — чертежи древних пирамид, карты земель, принципиальные электрические схемы. Очевидно, древние мореплаватели хотели обмениваться картами и поэтому выработали единую систему обозначений и правил их выполнения. Аналогичные соглашения выработаны для изображения схем-алгоритмов и закреплены ГОСТ и международными стандартами.

На территории Российской Федерации действует единая система программной документации (ЕСПД), частью которой является Государственный стандарт — ГОСТ 19.701-90 «Схемы алгоритмов программ, данных и систем» [1]. Не смотря на то, что описанные в стандарте обозначения могут использоваться для изображения схем ресурсов системы, схем взаимодействия программ и т.п., в настоящей статье описана лишь разработка схем алгоритмов программ.

Рассматриваемый ГОСТ практически полностью соответствует международному стандарту ISO 5807:1985.

Содержание:

1. Элементы блок-схем алгоритмов
2. Примеры блок-схем
3. Нужны ли блок-схемы? Альтернативы

Элементы блок-схем алгоритмов

Блок-схема представляет собой совокупность символов, соответствующих этапам работы алгоритма и соединяющих их линий. Пунктирная линия используется для соединения символа с комментарием. Сплошная линия отражает зависимости по управлению между символами и может снабжаться стрелкой. Стрелку можно не указывать при направлении дуги слева направо и сверху вниз. Согласно п. 4.2.4, линии должны подходить к символу слева, либо сверху, а исходить снизу, либо справа.

Есть и другие типы линий, используемые, например, для изображения блок-схем параллельных алгоритмов, но в текущей статье они, как и ряд специфических символов, не рассматриваются. Рассмотрены лишь основные символы, которых всегда достаточно студентам.

	Терминатором начинается и заканчивается любая функция. Тип возвращаемого значения и аргументов функции обычно указывается в комментариях к блоку терминатора.
	В ГОСТ определено множество символов ввода/вывода, например вывод на магнитные ленты, дисплеи и т.п. Если источник данных не принципиален, обычно используется символ параллелограмма. Подробности ввода/вывода могут быть указаны в комментариях.
	В блоке операций обычно размещают одно или несколько (ГОСТ не запрещает) операций присваивания, не требующих вызова внешних функций.
	Блок в виде ромба имеет один вход и несколько подписанных выходов. В случае, если блок имеет 2 выхода (соответствует оператору ветвления), на них подписывается результат сравнения — «да/нет». Если из блока выходит большее число линий (оператор выбора), внутри него записывается имя переменной, а на выходящих дугах — значения этой переменной.
	Вызов внешних процедур и функций помещается в прямоугольник с дополнительными вертикальными линиями.
	Символы начала и конца цикла содержат имя и условие. Условие может отсутствовать в одном из символов пары. Расположение условия, определяет тип оператора, соответствующего символам на языке высокого уровня — оператор с предусловием (while) или постусловием (do … while).
	Символ «подготовка данных» в произвольной форме (в ГОСТ нет ни пояснений, ни примеров), задает входные значения. Используется обычно для задания циклов со счетчиком.
	В случае, если блок-схема не умещается на лист, используется символ соединителя, отражающий переход потока управления между листами. Символ может использоваться и на одном листе, если по каким-либо причинам тянуть линию не удобно.
	Комментарий может быть соединен как с одним блоком, так и группой. Группа блоков выделяется на схеме пунктирной линией.

Примеры блок-схем

В качестве примеров, построены блок-схемы очень простых алгоритмов сортировки, при этом акцент сделан на различные реализации циклов, т.к. у студенты делают наибольшее число ошибок именно в этой части.

Сортировка вставками

Массив в алгоритме сортировки вставками разделяется на отсортированную и еще не обработанную части. Изначально отсортированная часть состоит из одного элемента, и постепенно увеличивается.

На каждом шаге алгоритма выбирается первый элемент необработанной части массива и вставляется в отсортированную так, чтобы в ней сохранялся требуемый порядок следования элементов. Вставка может выполняться как в конец массива, так и в середину. При вставке в середину необходимо сдвинуть все элементы, расположенные «правее» позиции вставки на один элемент вправо. В алгоритме используется два цикла — в первом выбираются элементы необработанной части, а во втором осуществляется вставка.

В приведенной блок-схеме для организации цикла используется символ ветвления. В главном цикле (i < n) перебираются элементы необработанной части массива. Если все элементы обработаны — алгоритм завершает работу, в противном случае выполняется поиск позиции для вставки i-того элемента. Искомая позиция будет сохранена в переменной j в результате выполнения внутреннего цикла, осуществляющем сдвиг элементов до тех пор, пока не будет найден элемент, значение которого меньше i-того.

На блок-схеме показано каким образом может использоваться символ перехода — его можно использовать не только для соединения частей схем, размещенных на разных листах, но и для сокращения количества линий. В ряде случаев это позволяет избежать пересечения линий и упрощает восприятие алгоритма.

Сортировка пузырьком

Сортировка пузырьком, как и сортировка вставками, использует два цикла. Во вложенном цикле выполняется попарное сравнение элементов и, в случае нарушения порядка их следования, перестановка. В результате выполнения одной итерации внутреннего цикла, максимальный элемент гарантированно будет смещен в конец массива. Внешний цикл выполняется до тех пор, пока весь массив не будет отсортирован.

На блок-схеме показано использование символов начала и конца цикла. Условие внешнего цикла (А) проверяется в конце (с постусловием), он работает до тех пор, пока переменная hasSwapped имеет значение true. Внутренний цикл использует предусловие для перебора пар сравниваемых элементов. В случае, если элементы расположены в неправильном порядке, выполняется их перестановка посредством вызова внешней процедуры (swap). Для того, чтобы было понятно назначение внешней процедуры и порядок следования ее аргументов, необходимо писать комментарии. В случае, если функция возвращает значение, комментарий может быть написан к символу терминатору конца.

Сортировка выбором

В сортировке выбором массив разделяется на отсортированную и необработанную части. Изначально отсортированная часть пустая, но постепенно она увеличивается. Алгоритм производит поиск минимального элемента необработанной части и меняет его местами с первым элементом той же части, после чего считается, что первый элемент обработан (отсортированная часть увеличивается).

На блок-схеме приведен пример использования блока «подготовка», а также показано, что в ряде случаев можно описывать алгоритм более «укрупнённо» (не вдаваясь в детали). К сортировке выбором не имеют отношения детали реализации поиска индекса минимального элемента массива, поэтому они могут быть описаны символом вызова внешней процедуры. Если блок-схема алгоритма внешней процедуры отсутствует, не помешает написать к символу вызова комментарий, исключением могут быть функции с говорящими названиями типа swap, sort, … .

На блоге можно найти другие примеры блок-схем:

• блок-схема проверки правильности расстановки скобок арифметического выражения [2];
• блок-схемы алгоритмов быстрой сортировки и сортировки слиянием [3].

Часть студентов традиционно пытается рисовать блок-схемы в Microsoft Word, но это оказывается сложно и не удобно. Например, в MS Word нет стандартного блока для терминатора начала и конца алгоритма (прямоугольник со скругленными краями, а не овал). Наиболее удобными, на мой взгляд, являются утилиты MS Visio и yEd [5], обе они позволяют гораздо больше, чем строить блок-схемы (например рисовать диаграммы UML), но первая является платной и работает только под Windows, вторая бесплатная и кроссплатфомренная. Все блок-схемы в этой статье выполнены с использованием yEd.

Частные конторы никакие блок-схемы не используют, в книжках по алгоритмам [6] вместо них применяют словесное описание (псевдокод) как более краткую форму. Возможно блок-схемы применяют на государственных предприятиях, которые должны оформлять документацию согласно требованиям ЕСПД, но есть сомнения — даже для регистрации программы в Государственном реестре программ для ЭВМ никаких блок-схем не требуется.

Тем не менее, рисовать блок-схемы заставляют школьников (примеры из учебников ГОСТ не соответствуют) — выносят вопросы на государственные экзамены (ГИА и ЕГЭ), студентов — перед защитой диплом сдается на нормоконтроль, где проверяется соответствие схем стандартам.

Разработка блок-схем выполняется на этапах проектирования и документирования, согласно каскадной модели разработки ПО, которая сейчас почти не применяется, т.к. сопровождается большими рисками, связанными с ошибками на этапах проектирования.

Появляются подозрения, что система образования прогнила и отстала лет на 20, однако аналогичная проблема наблюдается и за рубежом. Международный стандарт ISO 5807:1985 мало чем отличается от ГОСТ 19.701-90, более нового стандарта за рубежом нет. Там же производится множество программ для выполнения этих самых схем — Dia, MS Visio, yEd, …, а значит списывать их не собираются. Вместо блок-схем иногда применяют диаграммы деятельности UML [6], однако удобнее они оказываются, разве что при изображении параллельных алгоритмов.

Периодически поднимается вопрос о том, что ни блок-схемы, ни UML не нужны, да и документация тоже не нужна. Об этом твердят программисты, придерживающиеся методологии экстремального программирования (XP) [7], ходя даже в их кругу нет единого мнения.

В ряде случаев, программирование невозможно без рисования блок-схем, т.к. это один процесс — существуют визуальные языки программирования, такие как ДРАКОН [8], кроме того, блок-схемы используются для верификации алгоритмов (формального доказательства их корректности) методом индуктивных утверждений Флойда [9].

В общем, единого мнения нет. Очевидно, есть области, в которых без чего-то типа блок-схем обойтись нельзя, но более гибкой альтернативы нет. Для формальной верификации необходимо рисовать подробные блок-схемы, но для проектирования и документирования такие схемы не нужны — я считаю разумным утверждение экстремальных программистов о том, что нужно рисовать лишь те схемы, которые помогают в работе и не требуют больших усилий для поддержания в актуальном состоянии [10].

Список использованных источников:

1. ГОСТ 19.701–90 (ИСО 5807–85) «Единая система программной документа­ции».
2. Алгоритм. Свойства алгоритма https://pro-prof.com/archives/578
3. Алгоритмы сортировки слиянием и быстрой сортировки https://pro-prof.com/archives/813
4. yEd Graph Editor https://www.yworks.com/products/yed
5. Книги: алгоритмы https://pro-prof.com/books-algorithms
6. Рамбо Дж., Якобсон А., Буч Г. UML: специальный справочник. -СПб.: Питер, 2002. -656 с.
7. Кент Бек Экстремальное программирование: разработка через тестирование – СПб.: Питер – 2003
8. Визуальный язык ДРАКОН https://drakon.su/
9. Шилов Н.В. Верификация шаблонов алгоритмов для метода отката и метода ветвей и границ. Моделирование и анализ информационных систем, ISSN 1818 – 1015, т.18, №4, 2011
10. Брукс Ф., Мифический человеко — месяц или как создаются программные системы. СПб. Символ Плюс, 1999 — 304 с. ил.

Что это такое? Блок-схема алгоритма отображает в графическом виде последовательность операций и переходные фазы. Каждому действию соответствует определенная фигура (ромб, квадрат, овал и т. д.), поэтому располагать их нужно в правильном порядке.

Как составить? В любой блок-схеме существуют обязательные элементы: начало, конец, линии связи. Также необходима нумерация для понимания направления чтения. Остальные действия зависят от того, какой именно алгоритм нужно описать.

Суть алгоритмов

Алгоритмом называют конечную последовательность конкретных действий, выполняя которые, исполнитель достигает определенной цели.

Итогом прохождения всех шагов должен быть изначально заданный результат (например, некие выходные данные). Для выполнения этого процесса по мере необходимости могут создаваться и использоваться промежуточные данные. Они выходными являться не будут и нужны исключительно для обеспечения всей работы.

Любой алгоритм нужно наделять определенными свойствами. Наиболее важную роль играют:

• Дискретность. Общая задача разделяется на отдельные, последовательно выполняемые шаги. Это, как правило, простейшие действия, порядок которых строго определен. Каждый шаг представляет собой инструкцию или команду, выполнение которой должно начинаться только тогда, когда выполнена предыдущая команда в этой последовательности.
• Конечность. Количество шагов должно быть конечным. Иными словами, результат необходимо получить по завершении строго определенного числа команд в алгоритме.
• Понятность. Все шаги необходимо формулировать так, чтобы исполнитель их полностью понимал. То есть алгоритм должен состоять только из команд, входящих в систему компетенций данного человека.

Скачать
файл

• Детерминированность. Каждую команду, а также порядок выполнения всех команд необходимо предварительно четко и однозначно определить. При этом на результат выполнения каждого шага не должна влиять никакая сторонняя информация. Необходимо выстроить команды так, чтобы конечная цель алгоритма обеспечивалась только формальным выполнением четких и последовательных инструкций. Исполнителю при этом не нужно вникать в смысл команд. Благодаря такому подходу итоговый результат будет всегда одинаковым и предсказуемым независимо от того, кто выполняет эту работу.
• Массовость. Один алгоритм призван решать сразу комплекс однотипных задач, определяемый заданным диапазоном входной информации.

Алгоритмы могут быть представлены в нескольких формах:

• Текстовая запись. Команды записываются обычным текстом на каком-либо языке. Порядок выполнения определяется нумерацией. Действия описываются произвольно и максимально конкретно.

  

  

  Читайте также

• Блок–схема. Команды отображаются графически, в виде блок-схемы из геометрических фигур.
• Алгоритмические языки. Алгоритм строится с использованием специального искусственного языка, состоящего из определенной системы обозначений.
• Псевдокод. Обычный язык комбинируется с алгоритмическим. Последний берется за основу для описания базовых структур алгоритма.

Что такое блок-схема алгоритма

Как упоминалось выше, алгоритм может быть схематически представлен в виде блок-схемы. Этот вид графики также широко используется для представления любых процессов и систем в самых разных отраслях деятельности человека. С помощью блок-схемы выполняется документирование, изучение, планирование, совершенствование и объяснение сложных процессов путем превращения их в простые и логичные диаграммы.

Для описания конкретных действий используются геометрические фигуры: прямоугольники, ромбы, овалы и т. д. Последовательность шагов и направление процессов отображается соединительными стрелками.

Существует несколько видов блок-схем алгоритма, которые отличаются в числе прочего сложностью исполнения, начиная от простейших и нарисованных от руки эскизов, заканчивая сложными, спроектированными на компьютере диаграммами. Блок-схемы, учитывая многообразие всех вариаций, могут быть использованы в самых разных областях жизнедеятельности и, соответственно, по-разному называться.

Так, в зависимости от отрасли, встречаются схемы процессов, функциональные блок-схемы, модели и нотации бизнес-процессов, схемы технологических процессов. Все это имеет тесную связь с другими популярными разновидностями схем (например, с некоторыми диаграммами).

Составляющие блок-схемы алгоритма

Блок-схемы создаются из различных блоков, соединяемых между собой линиями со стрелками. Таким образом отображается поток управления. Далее разберем более подробно каждый тип блоков.

Терминал

Представляет собой овальную область, которой обозначают начало и конец выполнения программы. В любом алгоритме, изображенном в виде блок-схемы, присутствует как минимум два таких овала, которые ограничивают собой данный алгоритм.

Данные

Блок рисуется в виде параллелограмма, содержащего внутри входные или выходные данные. Обычно здесь размещают информацию, поступающую в алгоритм извне, и результат, который в итоге он выдает.

Процесс

Выглядит как прямоугольник, служит для записи основного программного кода. Процесс является ключевым элементом алгоритма, отражающим суть всей блок-схемы.

Решение

Данный блок рисуется в виде ромба и предназначен для управляющих и условных операторов какого-либо языка программирования (например, if или «больше» и «меньше»). Здесь всегда предлагается на выбор один из двух вариантов: «да» или «нет».

Поток

Обозначается в виде стрелки, представляя собой собственно поток какого либо процесса или алгоритма с указанием направления. Таким способом обеспечивается высокая читаемость программы.

Ссылка на странице

Выглядит как окружность с расположенными внутри символами. Такая ссылка дает понять, что блок-схема продолжает дальнейшие шаги алгоритма. Когда схема достаточно длинная, для экономии места внутри данной окружности в качестве ссылки размещают одну цифру. Этот же символ должен быть использован в продолжении схемы.

Правила составления блок-схемы

Чтобы составить блок-схему алгоритма грамотно, необходимо следовать приведенным ниже принципам.

• Начало и конец схемы обязательно ограничиваются соответствующими блоками в одном экземпляре.
• Начальный блок должен быть соединен с конечным линиями связи.
• Линии потока необходимо рисовать из всех блоков, кроме конечного.
• Все блоки нумеруются по порядку слева направо и сверху вниз. Номера ставятся в верхнем левом углу с разрывом начертания.
• Между всеми блоками обеспечивается взаимная связь через линии, определяющие последовательность выполнения команд. Движение потока в обратном порядке от принятого по умолчанию обязательно обозначается стрелками.
• Используемые в схеме линии могут быть входящими или выходящими. Это разделение относительное. Для одного линия, выходящая из одного блока, для другого уже будет являться входящей.
• Начальный блок имеет лишь выходящие линии потока. Соответственно, в конечный блок линии могут только входить.
• Поскольку движение потока идет сверху вниз, входящие линии принято изображать сверху от блока, а выходящие — снизу. Это в целом упрощает чтение блок-схемы.
• Линии потока могут обрываться. При этом места разрывов необходимо помечать специальными соединительными элементами.
• Чтобы блок-схема легче читалась, допускается описательную часть выносить в комментарии.

Разделение блок-схемы

Построение блок-схемы зачастую связано с определенными трудностями, среди которых:

• слишком малое место для размещения на одной странице;
• сложности в связывании всех элементов непосредственно друг с другом.

Устранить эти проблемы можно путем разбивки всей блок-схемы алгоритма программы на несколько фрагментов и последующего соединения этих фрагментов специальными соединительными элементами.

Используемые при этом соединители подписываются уникальными номерами, состоящими из двух частей. Это нужно для определения соответствия соединительных линий друг другу. Принадлежность частей уникального номера соединительному элементу обеспечивается записью данного номера на каждом фрагменте блок-схемы. Общие правила разделения приведем ниже.

• Места разрыва схемы обозначаются соединительным блоком. Каждое такое соединение маркируется уникальным номером.
• Использоваться должны только машинно-независимые элементы.
• Представление в блок-схеме каждого шага не является обязательным. Важно отобразить только ключевые этапы выполнения программы.
• Переменные и блоки желательно именовать наглядными и запоминаемыми словами.

И самое главное условие — сформированный алгоритм должен быть понятен любому программисту.

Востребованность блок-схем

В небольших компаниях для построения алгоритмов обычно применяют лаконичную словесную форму (псевдокод). Блок-схемы же вероятнее всего встречаются на государственных предприятиях, где действуют требования по оформлению документации ЕСПД. Однако даже при регистрации программного обеспечения в Госреестре можно обойтись без этих схем.

И все же современные учебные программы в школах и вузах учитывают умение рисовать данного вида графику. Вопросы, посвященные блок-схемам, встречаются на выпускных и государственных экзаменах. Студенты перед дипломной защитой также должны проверять свою работу на соответствие стандартам построения схем.

Программное обеспечение сегодня почти не разрабатывается по устаревшей каскадной модели, так как при этом часто на этапах проектирования возникают ошибки. Но когда разработка по такой модели все же ведется, применяются именно блок-схемы записи алгоритма.

Во всем мире наблюдается значительное отставание образовательной системы от технического прогресса. Отечественный устаревший стандарт ГОСТ 19.701-90 в целом схож с международным ISO 5807:1985. Более актуальные модификации до сих пор не разработаны. За рубежом все еще продолжают создавать специализированное программное обеспечение для проектирования блок-схем (Dia, MS Visio, yEd).

Есть немногочисленные примеры применения более совершенных диаграмм деятельности UML, хотя эти диаграммы показывают свою эффективность лишь при описании параллельных алгоритмов.

В среде разработчиков порой возникает мнение о бесполезности блок-схем и даже UML. Некоторые убеждены в том, что и документация для разработки тоже не требуется. Впрочем, об этом чаще говорят сторонники так называемого экстремального программирования.

Для определенных задач разработки использование блок-схем все же требуется. В частности, это необходимо, когда программы создаются в визуальных средах программирования (например, ДРАКОН). Также с помощью блок-схем верифицируются алгоритмы. То есть, в соответствии с методом индуктивных утверждений Флойда формально доказывается их корректность.

Пока что можно сделать вывод, что единого мнения касательно необходимости блок-схем нет. Безусловно, в некоторых областях деятельности без них пока не обойтись в отсутствие альтернативы. Формальная верификация требует создавать блок-схемы выполнения алгоритма, хотя для непосредственного проектирования и документирования это уже не нужно.

Здесь стоит прислушаться к утверждению «программистов-экстремалов» о том, что имеет смысл рисовать лишь те схемы, которые действительно полезны в работе и при этом не требуют слишком больших усилий для рисования и актуализации.

Is this article up to date?