دانلود مقاله حل مسئله و اصول برنامه نویسی

ما در زندگی روزمره همواره با مسایل گوناگونی روبرو می شویم ، بسیاری از مسایل با دنبال نمودن یک روند عادی حل می شوند .

روند عادی عبارت است از مجموعه ای از دستورالعمل ها که برای حل مسئله باید قدم به قدم دنبال شوند .

گاهی ما با روند حل مساله آشنا نیستیم در این مواقع اگر دستورالعمل های مورد نیاز برای حل آن مسئله را داشته باشیم می توانیم به ترتیب آنها را اجرا کنیم .
برنامه نویسی در واقع روشی برای حل مسئله است قبل از آنکه با روش صحیح برنامه نویسی آشنا شویم باید بدانیم برنامه چیست .

یک برنامه فهرستی از دستورالعملهاست که رایانه برای حل یک مسئله ی خاص باید قدم به قدم دنبال کند .

برنامه نویسی عبارت است از یک فرآیند شش مرحله ای برای حل مسئله شش مرحله ی موجود در برنامه نویسی عبارتند از :
1)تعریف مسئله 2)طرح روش حل مسئله 3)کد نویسی روش حل 4)آزمایش برنامه 5)مستندسازی برنامه 6)تعمیم و نگهداری برنامه
مرحله اول : تعریف مسئله :
اولین وظیفه ی برنامه نویس شناخت صحیح مسئله است در برخورد با هر مسئله توجه به نکته های زیر مارا به تعریف صحیح مسئله هدایت می کند .

نکته اول : تعیین هدف و منظور از حل مساله نکته دوم : تعیین خروجی مطلوب نکته سوم : تعیین ورودی مورد نیاز نکته چهارم : تعیین پردازش مناسب نکته پنجم : مستندسازی یا مکتوب کردن تعریف مسئله .

مرحله دوم : طرح و روش حل مسئله :
پس از تعریف مسئله مرحله بعدی بیان دقیق چگونگی حل مسئله یا طراحی یک روش برای حل مسئله است .

مجموعه ی مراحل و قدم های لازم در فرایند رسیدن به معلومات موجود به پاسخ مطلوب روش حل مساله یا الگوریتم نامیده می شود .

طراحی الگوریتم که مشخص کننده‌ی یک روش ویژه برای حل مسئله یا انجام یک کار است اولین قدم در طرح روش حل مسئله است .

برنامه نویس باید الگوریتم را با استفاده از جملات ، دیاگرام ها ، نمودارها و جدول ها به وضوح بیان نماید .

برای انجام این کار ، روش ها و فن هایی وجود دارد .

برخی از این روشها و فن ها عباراتند از : 1-طراحی بالا به پائین 2-شبه کد 3-نمودار گردشی .
طراحی بالا به پائین : طراحی بالا به پایین یعنی شکستن مسئله‌ی بزرگ و پیچیده به مسایل کوچک و ساده .

در طراحی بالا به پائین برنامه از سطوح مختلفی تشکیل شده است که سطوح بالاتر سطوح پایین تر را کنترل می کنند .

تمام سطوح از قسمت های مجزا و حتی الامکان مستقل از هم به نام پیمانه ساخته شده اند به این روش برنامه نویسی که در آن برنامه از پیمانه های مجزا ساخته شده برنامه نویسی پیمانه ای گفته می شود .

شبه کد :
شبه کد عبارت است از بیان الگوریتم با استفاده از کلمات ، عبارات و علایم ریاضی .

شبه کد یکی از روشهای بیان الگوریتم است که به سادگی به یک برنامه‌ی واقعی تبدیل می شود .

شبه کد این امکان را برای طرح روش حل فراهم می‌سازد که بدون در نظر گرفتن مقتضیات و ویژگی های زبان های مختلف به ساختار کلی روش حل مسئله توجه کند .

نمودار گردشی :
نمودار گردشی نمایش گرافیکی یا تصویری الگوریتم می باشد .

متداول ترین نمادها در رسم نمودار گردشی عبارتند از :
: بیضی برای نشان دادن مرحله‌ی شروع و پایان .
: مستطیل برای نشان دادن عملیات پردازش از قبیل محاسبات ریاضی.
: متوازی الاضلاع برای نشان دادن ورود داده و خروج اطلاعات .

: لوزی برای بیان «انتخاب»یا«انشعاب» درشکل مزبور یک علامت سوال وجود دارد و پاسخ «بلی» یا «خیر» ، تعیین کننده ی مسیر انتخابی خواهد بود .

ساختارهای کنترلی :
یک ساختار شبکه کنترلی یک چارچوب منطقی است که تعیین کننده ی ترتیب انجام عملیات است .

همه ی ساختارهای کنترلی در طراحی ساخت یافته‌دارای یک ویژگی مشترک و بسیار مهم هستند .

همه دارای یک ورودی و یک خروجی هستند .

این مطلب باعث ساده شدن فهم ، عیب یابی و نگهداری برنامه های ساخت یافته می شود .

انواع ساختارهای کنترلی عبارتند از : 1)ساختار توالی و ترتیب : در ساختار توالی و ترتیب یک دستورالعمل به دنبال دستورالعمل بعدی می‌آید .

2-ساختار انتخاب : ساختار انتخاب زمانی به کار می رود که نیاز به تصمیم گیری باشد .

نتیجه تصمیم تعیین خواهد نمود که از دو مسیر موجود کدامیک انتخاب گردد .

ساختار انتخاب امکان انتخاب یکی از دو مسیر موجود را فراهم می آورد .

3-ساختار تکرار و حلقه : در ساختار تکرار و حلقه ، اجرای یک رشته دستورالعمل تا زمانی که شرایط خاصی برقرار است تکرار می شود .

در نمودار گردشی ، ساختار تکرار و حلقه ی مسیر حرکت به طرف بالا است .

بهترین راه برای برقراری ارتباط بین اجزا و بیان منطق حاکم بر الگوریتم ، ترکیبی از سه ساختار کنترلی توالی و ترتیب ، انتخاب و حلقه است .

اصل اساسی در طراحی و برنامه نویسی ساخت یافته تهیه همه ی برنامه ها با استفاده از این سه ساختار است .

مرحله ی سوم : کدنویسی روش حل مسئله پس از آنکه الگوریتم حل مسئله تعیین و طراحی آن تکمیل شد مرحله بعدی نوشتن کد روش حل (برنامه) است .

کدنویسی فرایندی است برای بیان الگوریتم با جزئیات کامل ، با استفاده از یک زبان برنامه نویسی است .

این مرحله در واقع ساده ترین و سریع ترین مرحله از مراحل شش گانه ی برنامه نویسی می باشد .

تصمیم مهمی که باید در این مرحله گرفت انتخاب یک زبان برنامه نویسی مناسب می باشد .

امروزه زبان های برنامه نویسی بسیاری وجود دارند .

متداول ترین زبان های برنامه نویسی برای ریز رایانه ها عبارتند از بیسیک ، پاسکال وزبان C .

مرحله چهارم : آزمایش برنامه معمولاً سخت ترین و طولانی ترین مرحله در فرایند برنامه نویسی آزمایش برنامه است .

هدف از آزمایش برنامه اشکال زدایی آن است .

آزمایش برنامه یعنی وارد کردن برنامه به رایانه جهت یافتن اشکالات احتمالی در برنامه و سپس تصحیح اشکالات موجود .

در این مرحله باید جدولی از داده های ورودی مختلف (اعم از معتبر و غیرمعتبر) تهیه نمود و پس از آزمایش برنامه با آنها اشتباهات احتمالی آن را یافت .

اشتباهات برنامه نویسی به دو دسته تقسیم می شوند : اشتباهات دستوری و اشتباهات منطقی .

اشتباهات دستوری : اشتباه دستوری یعنی اختلال و عدم رعایت قواعد زبان برنامه نویسی 2-اشتباهات منطقی : اشتباه منطقی زمانی رخ می دهد که برنامه نویس از محاسبات ناصحیح استفاده نماید یا این که یک روند با ویژگی برنامه و برنامه نویسی در نظر گرفته نشود .

روش های مختلفی برای یافتن و رفع هر دو نوع اشتباه وجود دارد .

1-آزمایش دستی : در این روش برنامه نویسی با خواندن ودنبال کردن توالی دستورات برنامه به دنبال غلط های دستوری و منطقی می شود .

2-آزمایش دستی با داده ی نمونه : داده درست و غلط به طور دستی به برنامه داده می شود تا نتایج به دست آمده و پردازش صورت گرفته آزمایش شوند .

3-استفاده از برنامه ی مترجم : برنامه ی مترجم برنامه ی نوشته شده را از زبان برنامه نویسی به زبان ماشین ترجمه می کند .

4-آزمایش داده ی نمونه روی رایانه : داده ی نمونه برای آزمایش اجرای صحیح دستورالعمل موجود در برنامه به کار می رود .

5-آزمایش برنامه توسط گروهی از کاربران : مزیت این روش این است که یک کاربر عادی ممکن است به طور آگاهانه یا تصادفی با اشکالی برخورد کند که به ذهن برنامه نویس نرسیده باشد .

مرحله پنجم : مستندسازی برنامه در این مرحله باید مستنداتمراحل قبل مرتب شده و یک نتیجه گیری از کل فرایندحل مسئله به آن اضافه شود .

در این نتیجه گیری معمولاً‌ توفیق برنامه در رسیدن به اهداف تعیین شده در مرحله ی تعریف مسئله ارزیابی می شود .

جمع آوری اطلاعات و مستندسازی باید یک فعالیت مستمر در تمامی مراحل برنامه نویسی از ابتدا تا به آخر باشد .

مستندسازی هم برای کاربرانی که می‌خواهند با اطمینان از برنامه استفاده کنند و هم برای برنامه نویسانی که قرار است به دلایل مختلف در آینده در برنامه تغییراتی ایجاد کنند ، ضروری و مهم می باشد .

مرحله ششم : تعمیم و نگه داری برنامه هدف از نگهداری برنامه حصول اطمینان از عملکرد صحیح ، کارآمد و موثر برنامه پس از نصب آن است .

تعمیم و نگهداری برنامه یک فرایند مستمر برای تصحیح اشکالات کشف شده در زمان استفاده از برنامه ، ارتقای برنامه برای سازگاری با سخت افزار و نرم افزار جدید و بهینه سازی آن می باشد به عبارت دقیق تر نگهداری برنامه ، تصحیح ، توسعه ، ارتقاء و بهبود برنامه بعد از نصب آن است .

زبانهای برنامه نویسی : می دانیم کامپیوتر تحت برنامه ای که به او داده می شود انجام وظیفه می‌نماید .

اما این برنامه چگونه به کامپیوتر داده می شود .

زبان یک سیستم ارتباطی است و زبان برنامه نویسی به مجموعه ای از علایم ، قواعد و دستورالعمل ها گفته می شود که امکان ارتباط با کامپیوتر را فراهم می نماید .

هر زبان برنامه نویسی باید قادر باشد دستورالعمل های معینی را برای کامپیوتر تعریف کند تا امکان اجرای عملیات موردنظر توسط کامپیوتر فراهم شود .

برخی از زبان های برنامه نویسی به منظور خاصی ایجاد شده اند ، برای مثال کنترل کردن یک روبات در حالی که زبان های دیگر قابل انعطاف بوده و برای مقاصد عمومی به وجود آمده اند .

به هر حال هر زبان برنامه نویسی باید قادر باشد دستورالعمل های معینی را ایجاد نماید تا سبب گردد کامپیوتر عملیاتی را انجام دهد که این دستورالعمل ها را به گروههای زیر تقسیم بندی می نمایند : 1-دستورهای ورودی - خروجی : این دستورها ارتباط بین دستگاه ورودی ، خروجی و پردازش مرکزی را برقرار می سازند .

2-دستورهای محاسباتی : دستورهایی هستند که امکان عملیات جمع ، تفریق ، ضرب و تقسیم را فراهم می نمایند .

3-دستورهای منطقی و مقایسه ای : این دستورها با منظور انتقال کنترل برنامه ، انتخاب کردن و ایجاد حلقه‌های تکرار مورد استفاده قرار می گیرند .

در ضمن پردازش ، دو داده بر اثر اجرای یک دستورالعمل منطقی با یکدیگر مقایسه می گردند .

4-دستورهای ذخیره ، بازیابی : این دستورها به منظور ذخیره یا بازیابی اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرند .

علیرغم اینکه کلیه زبانهای برنامه نویسی از مجموعه ای از دستورالعمل ها استفاده می نمایند لیکن به علت اختلاف در نحوه بکارگیری از علایم ، حروف و دستورها ، زبانهای گوناگونی به وجود آمده اند که به طور کلی می توان آنها را به دو گروه زیر تقسیم نمود : 1-زبانهای سطح پایین 2-زبانهای سطح بالا زبانهای سطح پایین : زبانهایی هستند در سطح ماشین و به دور از زبان طبیعی و محاوره ای انسان ، این زبانها وابسته به سخت افزار کامپیوتر هستند به طوری که هر میکروپروسسور ، زبان خاص خود را داراست .

کارکردن با این زبانها مشکل است و خطایابی و بررسی برنامه ها به سهولت امکان پذیر نیست ولی به علت نزدیکی به سخت افزار ماشین ، برنامه های نوشته شده به این زبانها به سرعت بالای اجرا می شود .

زبانهای سطح پایین به دو دسته تقسیم می شوند 1-زبان ماشین : در این زبان که تنها زبان قابل فهم برای کامپیوتر می‌باشد از ارقام صفر و یک به عنوان علایم اولیه استفاده می شود و ارقام صفر و یک در حقیقت الفبای این زبان محسوب می شوند و جهت ایجاد کدهایی برای دستورالعمل ها به کار می روند به طوری که هر دستورالعمل به صورت نوشته ای از صفر و یکها نوشته می شود .

2-اسمبلی : این زبان در واقع همان زبان ماشین است ، با این تفاوت که جهت ساده نمودن کار برنامه نویس کدهای سمبلیکی به نام کد نمانیک در اوایل سالهای 1950 به وجود آمد که در آن به جای 0 و 1 از حروف برای کدگذاری کدهای زبان ماشین استفاده شد که این کدها در ریزپردذازنده های مختلف با یکدیگر تفاوت دارند .

این کدها توسط نرم افزار های بخصوصی به نام اسمبلر به زبان ماشین تبدیل می گردند تا قابل درک برای ماشین باشند .

زبانهای سطح بالا : این زبانها دارای قواعدی نزدیک به زبان محاوره ای انسان هستند که در آنها از علایم ، حروف و کلمات آشنا و روزمره زبان طبیعی استفاده می شود.

این زبانها احتیاج به ترجمه و تفسیر دارند تا بدین ترتیب برای کامپیوترها قابل درک شوند .

این امر به وسیله نرم افزارهای خاصی به نام مترجم یا مفسر انجام می گیرند .

زبانهای سطح بالا وابسته به ماشین و سخت افزار نیستند به طوری که قابل درک برای کلیه کامپیوترهای سازگار با یکدیگر می باشند .

البته شرط قابل درک بودن این زبانها برای کامپیوترها وجود مفسر یا مترجم می باشد.

کار کردن با این زبانها آسانتر است و نسبت به زبانهای سطح پایین ، خطایابی و بررسی برنامه ها راحت تر انجام می گیرد ، لیکن از سرعت اجرای کمتری برخوردارند .

تولید زبانهای سطح بالا از اواسط دهه 1950 آغاز گردید که متداول ترین آنها عبارتند از : FORTRAN ، PASCAL ، LOGO ، BASIC، PL/1 ، COBOL .

اینک به شرح مختصری درباره هر یک می پردازیم .

FORTRAN : فرترن اولین زبان سطح بالا و یک زبان علمی جهت حل معادلات ریاضی است که تولید آن در سال 1954 به سرپرستی جان باکوز به منظور ایجاد زبان علمی در شرکت IBM شروع و در سال 1957 روی IBM 704 معرفی گردید که بالغ بر 5/2 میلیون دلار هزینه برداشت .

با استفاده از این زبان حل معادلات ریاضی بسیار ساده گردید و بسیار مورد استقبال قرار گرفت .

این زبان در اکثر کامپیوترهای کوچک و بزرگ مورد استفاده قرار می گیرد و همین استقبال فوق العاده سبب شد تا کار تهیه استاندارد در سال 1962 برای آن شروع شود که یکی از آنها را نسخه پایه و دیگری را نسخه کامل یا گسترش یافته می نامند .

استاندارد زبان فرترن در سال 1966 مورد پذیرش سازمان استاندارد آمریکا قرار گرفت و این اولین زبانی بود که به صورت استاندارد در آمد .

برنامه هایی که به این زبان در یک کامپیوتر نوشته می‌شود ، معمولاً به سادگی در سایر کامپیوترها نیز قابل استفاده می باشد .

فرترن نیز از دستورات ورودی ، خروجی ، محاسباتی ، منطقی ، مقایسه ای و سایر دستورات اساسی از قبیل READ ، WRITE ، GOTO ، STOP همان طور که این دستورها در زبان انگلیسی انتظار می رود استفاده می شود .

زبان فرترن قابلیت حل مسائل ریاضی و آماری را دارا می باشد ، لذا بسیاری از بنامه های این مقوله ها به این زبان نوشته می شوند .

از ضعفهای این زبان این است که دنبال کردن منطق برنامه مشکل تر از سایر زبانهای سطح بالا می باشد و این زبان برای پردازش فایل ها استفاده نمی شود ، لذا برای پردازش فایل ها و استفاده در امور تجاری ، زبان سطح بالای دیگری به نام کوبول به وجود آمد .

COBOL : کوبول به معنی زبان تجاری می باشد که برای پردازش فایل ها به وجود آمد و هم اکنون برای کارهای تجاری با حجم زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در سال 1959 بسیاری از نمایندگان دولت آمریکا وسازندگان و استفاده کنندگان کامپیوتر و دانشگاهها گردهم آمدند تا زبان مناسب را جهت پردازش فایل ها به وجود آورند .حاصل کار آنها در ژانویه سال 1960 به اتمام رسید .

مشخصات این زبان چند ماه بعد‌توسط سازمان انتشارات دولتی به ثبت رسید و در سال 1961 کامپایلر زبان کوبول برای امور تجاری عرضه شد .

سازمان ANSI استانداردی برای زبان کوبول در سال 1968 تهیه کرد و در سال 1974 نسخه جدیدی از آن نیز عرضه شد .

PL/1 : در اوایل دهه 1960 شرکت IBM و یک کمیته از استفاده کنندگان خانواده IBM360 کار خود را بر روی زبانی که قابلیتهای فرترن و کوبول را تواماً داشته باشد آغاز نمودند که PL/1 نامیده شد و در اواسط دهه 1960 کار تهیه این زبان به پایان رسید .

PL/1 نیز مانند یک زبان علمی از برخی تکنیکهای‌فرترن‌وکوبول بهره‌جست و سازمان استاندارد آمریکا ANSI ، در سال 1976 استانداردی برای آن تهیه کرد .

BASIC : بیسیک به معنی زبان همه منظوره برای افراد مبتدی می باشد .

این زبان به خاطر ساختار ساده ای که دارد از محبوبیت فوق العاده در جهان برخوردار است .

یکفرد مبتدی که آشنایی چندانی با کامپیوتر ندارد پس از مدت کوتاهی می تواند دستورهای این زبان را فرا گرفته و اقدام به نوشتن برنامه نماید .

به خاطر سادگی این زبان ، BASIC در اولین میکروکامپیوترها مورد استفاده قرار گرفته .

زبان بیسیک بین سالهای 1963 و 1964 توسط پروفسور جان کمنی و توماس کورتز در کالج دارتموث به وجود آمد و هدف آنها از ایجاد زبان بیسیک این بود که کلیه دانشجویان رشته های مختلف بتوانند آن را به سادگی فراگیرند .

علیرغم اینکه در بیسیک اولیه از دستورات معین و محدودی استفاده می شد ، لیکن سازندگان کامپیوتر دستورات متعددی را به آن افزودند و از نظر سخت افزاری امکانات کامپیوتر خود را گسترش دادند تا بتوانند با سایر سازندگان کامپیوتر رقابت نمایند ، لذا امروزه نسخه های متعددی از بیسیک وجود دارد و سازمان استاندارد آمریکا نسخه ای از آن را به نام نسخه پایه در سال 1978 ارائه نمود .

استاندارد فوق به حدی ساده است که نسخه های گسترش یافته آن از قبیل VISUAL BASIC ، TURBO BASIC ، QBASIC و GWBASIC قابل دسترسی است .

همچنین این زبان در امور تجاری و مدیریت کاربرد دارد .

ALGOL : این زبان در سال 1958 معرفی گردید و یک زبان علمی می باشد .

نگارشهای مختلفی از ALGOL تاکنون عرضه شده است که از جمله می توان ALGOL68 را نام برد .

در آمریکا معمولاً از FORTRAN به جای ALGOL استفاده می‌شود ، ولی در اروپا این زبان از محبوبیت ویژه ای برخوردار است .

PASCAL : این زبان به افتخار بلزپاسکال دانشمند فرانسوی قرن هفدهم میلادی ، پاسکال نامگذاری شده است .

در اواخر سالهای 1960 و اوایل 1970 توسط پروفسور نیکلاس ویرث در انستیتو فنی فدرال سوئیس مطرح گردید .

این زبان از قدرت بالایی در انجام امور علمی و تجاری برخوردار است و در بسیاری از مدارس و کالج های دنیا جهت آموزش برنامه نویسی تدریس می گردد و در سال 1983 توسط سازمان استانداردملی آمریکا به صورت استاندارد در آمد .

C : زبان C در آزمایشگاه BELL در اوایل دهه 1970 به منظور تکمیل و بازنویسی نسخه اول سیستم عامل unix طراحی شد و امروزه نسخه های مختلفی از زبان C به وجود آمده است گرچه C یک زبان سطح بالاست ولی غالباً به عنوان زبان برنامه نویسی سیستم و یا برای رفع نیازهایی که در گذشته به کمک زبان اسمبلی برطرف می شدند استفاده می شود .

همچنین بسیاری از نرم افزارهای اساسی کامپیوتر به این زبان نوشته می شدند .

فراگیری این زبان برای مبتدیان کاری دشوار است .

زبان برنامه نویسی جاوا (JAVA) : جاوا مفسر یک زبان برنامه نویسی است که توسط شرکت سان طراحی شده است .

این زبان برنامه نویسی شبیه زبان C است و می تواند در محیط سیستم های عامل سلاریس که نسخه ای از یونیکس می باشد و ویندوز 95 و ویندوز NT اجرا شود .

این زبان کلیه قابلیتهای برنامه نویسی از جمله نوشتن متن ، رسم تصویر ، انجام محاسبات پیچیده ریاضی و ...

را داراست .

زبان جاوا به منظور برنامه نویسی در محیط اینترنت تولید شده است تا بسادگی بتوان امکان انتقال برنامه از یک دستگاه سخت افزار به دیگری را از طریق این شبکه فراهم کرد و استفاده از آن به برنامه نویسان با تجربه توصیه می شود.

LOGO : این زبان توسط سیمورپاپرت در دهه 1960 در دانشگاه MTT عرضه شد گرچه این زبان جهت استفاده دانشجویان به منظور کارهای علمی طرح گردید، لیکن آن را به عنوان اولین زبان آموزرشی جهت پرورش مهارت و خلاقیت بچه ها می شناسند .

رسم خطوط گرافیکی ، کار روی رنگها ، ایجاد تصاویر متحرک در این زبان به سادگی انجام می شود .