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第1章数据结构与算法1.1算法的复杂度1.算法的基本概念利用计算机算法为计算机解题的过程实际上是在实施某种算法。(1)算法的基本特征算法一般具有4个基本特征：可行性、确定性、有穷性、拥有足够的情报。(2)算法的基本运算和操作算法的基本运算和操作包括：算术运算、逻辑运算、关系运算、数据传输。(3)算法的3种基本控制结构算法的3种基本控制结构是：顺序结构、选择结构、循环结构。(4)算法基本设计方法算法基本设计方法：列举法、归纳法、递推、递归、减半递推技术、回溯法。(5)指令系统所谓指令系统指的是一个计算机系统能执行的所有指令的集合。2.算法复杂度算 法复杂度包括时间复杂度和空间复杂度。注意两者的区别，无混淆，见表1-1。表1-1算法复杂性1.2数据结构1名称描述时间复杂度筑行算法所需要的计算工作量1空间复杂度岚行这个算法所需要的内存空间1.2.1逻辑结构和存储结构1.数据结构的基本概念(1)数据结构指相互有关联的数据元素的集合。（2）数据结构研究的3个方面数据集合中各数据元素之间所固有的逻辑关系，即数据的逻辑结构；在对数据进行处理时，各数据元素在计算机中的存储关系，即数据的存储结构；对各种数据结构进行的运算。2.逻辑结构数据的逻辑结构是对数据元素之间的逻辑关系的描述，它可以用一个数据元素的集合和 定义在此集合中的若干关系来表示。数据的逻辑结构有两个要素：一是数据元素的集合，通 常记为D；二是D上的关系，它反映了数据元素之间的前后件关系，通常记为R。一个数 据结构可以表示成：B=（D,R）其中，B表示数据结构。为了反映D中各数据元素之间的前后件关系，一般用二元组 来表示。例如，如果把一年四季看作一个数据结构，则可表示成：B=（D,R）D=春季，夏季，秋季，冬季R=（春季，夏季）,（夏季，秋季）,（秋季，冬季）3.存储结构数据的逻辑结构在计算机存储空间中的存放形式称为数据的存储结构（也称数据的物理 结构）。由于数据元素在计算机存储空间中的位置关系可能与逻辑关系不同，因此，为了表示存 放在计算机存储空间中的各数据元素之间的逻辑关系（即前后件关系），在数据的存储结构 中，不仅要存放各数据元素的信息，还需要存放各数据元素之间的前后件关系的信息。一种数据的逻辑结构根据需要可以表示成多种存储结构，常用的存储结构有顺序、链接 等存储结构。顺序存储方式主要用于线性的数据结构，它把逻辑上相邻的数据元素存储在物理上相邻 的存储单元里，结点之间的关系由存储单元的邻接关系来体现。链式存储结构就是在每个结点中至少包含一个指针域，用指针来体现数据元素之间逻辑 上的联系。1.2.2线性结构和非线性结构根据数据结构中各数据元素之间前后件关系的复杂程度，一般将数据结构分为两大类 型：线性结构与非线性结构。(1)如果一个非空的数据结构满足下列两个条件：有且只有一个根结点；每一个结点最多有一个前件，也最多有一个后件。则称该数据结构为线性结构。线性结构又称线性表。在一个线性结构中插入或删除任何 一个结点后还应是线性结构。栈、队列、串等都为线性结构。如果一个数据结构不是线性结构，则称之为非线性结构。数组、广义表、树和图等数据 结构都是非线性结构。(2)线性表的顺序存储结构具有以下两个基本特点：线性表中所有元素所占的存储空间是连续的；线性表中各数据元素在存储空间中是按逻辑顺序依次存放的。元素ai的存储地址为：ADR(ai)=ADR(al)+(i-l)k,ADR(al)为第一个元素的地址，k代 表每个元素占的字节数。(3)顺序表的运算有查找、插入、删除3种。1.3 栈1.栈的基本概念栈(stack)是一种特殊的线性表，是限定只在一端进行插入与删除的线性表。在栈中，一端是封闭的，既不允许进行插入元素，也不允许删除元素；另一端是开口的，允许插入和删除元素。通常称插入、删除的这一端为栈顶，另一端为栈底。当表中没有元素 时称为空栈。栈顶元素总是最后被插入的元素，从而也是最先被删除的元素；栈底元素总是 最先被插入的元素，从而也是最后才能被删除的元素。栈是按照“先进后出”或“后进先出的原则组织数据的。例如，枪械的子弹匣就可以用来 形象的表示栈结构。子弹匣的一端是完全封闭的，最后被压入弹匣的子弹总是最先被弹出，而最先被压入的子弹最后才能被弹出。2.栈的顺序存储及其运算栈的基本运算有3种：入栈、退栈与读栈顶元素。入栈运算：在栈顶位置插入一个新元素；退栈运算：取出栈顶元素并赋给一个指定的变量;读栈顶元素：将栈顶元素赋给一个指定的变量。1.4 队列1.队列的基本概念队列是只允许在一端进行删除，在另一端进行插入的顺序表，通常将允许删除的这一端 称为队头，允许插入的这一端称为队尾。当表中没有元素时称为空队列。队列的修改是依照先进先出的原则进行的，因此队列也称为先进先出的线性表，或者后 进后出的线性表。例如：火车进遂道，最先进遂道的是火车头，最后是火车尾，而火车出遂 道的时候也是火车头先出，最后出的是火车尾。若有队列：Q=（ql,q2,.,qn）那么，ql为队头元素（排头元素），qn为队尾元素。队列中的元素是按照ql,q2,一，qn的顺序进入的，退出队列也只能按照这个次序依次退出，即只有在ql,q2,，qn-1都 退队之后，qn才能退出队列。因最先进入队列的元素将最先出队，所以队列具有先进先出 的特性，体现“先来先服务”的原则。队头元素ql是最先被插入的元素，也是最先被删除的元素。队尾元素qn是最后被插入 的元素，也是最后被删除的元素。因此，与栈相反，队列又称为“先进先出（First In First Out,简称FIFO）或“后进后出（Last In Last Out,简称LILO）的线性表。2.队列运算入队运算是往队列队尾插入一个数据元素；退队运算是从队列的队头删除一个数据元 素。队列的顺序存储结构一般采用队列循环的形式。循环队列s=0表示队列空；s=l且front=rear表示队列满。计算循环队列的元素个数：”尾指针减头指针”，若为负 数，再加其容量即可。1.5 链表在链式存储方式中，要求每个结点由两部分组成：一部分用于存放数据元素值，称为数 据域；另一部分用于存放指针，称为指针域。其中指针用于指向该结点的前一个或后一个结 点（即前件或后件）。链式存储方式既可用于表示线性结构，也可用于表示非线性结构。（1）线性链表线性表的链式存储结构称为线性链表。在某些应用中，对线性链表中的每个结点设置两个指针，一个称为左指针，用以指向其 前件结点；另一个称为右指针，用以指向其后件结点。这样的表称为双向链表。在线性链表中，各数据元素结点的存储空间可以是不连续的，且各数据元素的存储顺序 与逻辑顺序可以不一致。在线性链表中进行插入与删除，不需要移动链表中的元素。线性单链表中，HEAD称为头指针，HEAD=NULL（或0）称为空表。如果是双项链表的两指针：左指针（Llink）指向前件结点，右指针（Rlink）指向后件 结点。线性链表的基本运算：查找、插入、删除。（2）带链的栈栈也是线性表，也可以采用链式存储结构。带链的栈可以用来收集计算机存储空间中所 有空闲的存储结点，这种带链的栈称为可利用栈。1.6 二叉树1.6.1二叉树概念及其基本性质1.二叉树及其基本概念二叉树是一种很有用的非线性结构，具有以下两个特点：非空二叉树只有一个根结点；每一个结点最多有两棵子树，且分别称为该结点的左子树和右子树。在二叉树中，每一个结点的度最大为2,即所有子树（左子树或右子树）也均为二叉树。另外，二叉树中的每个结点的子树被明显地分为左子树和右子树。在二叉树中，一个结点可以只有左子树而没有右子树，也可以只有右子树而没有左子树。当一个结点既没有左子树也没有右子树时，该结点即为叶子结点。例如，一个家族中的族谱关系如图1-1所示：A有后代B,C；B有后代D,E；C有后代F。典型的二叉树如图1-1所示：详细讲解二叉树的基本概念，见表1-2。图1-1二叉树图父结点（根）在树结构中，每一个结点只有一个前件，称为父结点，没有前件的结点 只有一个，称为树的根结点，简称树的根。例如，在图1-1中，结点A 是树的根结点。子结点和 叶子结点在树结构中，每一个结点可以有多个后件，称为该结点的子结点。没有 后件的结点称为叶子结点。例如，在图1-1中，结点D,E,F均为叶子 结点。度在树结构中，一个结点所拥有的后件的个数称为该结点的度，所有结点 中最大的度称为树的度。例如，在图1-1中，根结点A和结点B的度为 2,结点C的度为1,叶子结点D,E,F的度为Oo所以，该树的度为2o深度定义一棵树的根结点所在的层次为1,其他结点所在的层次等于它的父 结点所在的层次加1。树的最大层次称为树的深度。例如，在图1-1中，根结点A在第1层，结点B,C在第2层，结点D,E,F在第3层。该 树的深度为3。子树在树中，以某结点的一个子结点为根构成的树称为该结点的一棵子树。表1-2二叉树的基本概念2.二叉树基本性质二叉树具有以下几个性质：性质1：在二叉树的第k层上，最多有2k-l（kNl）个结点。性质2：深度为m的二叉树最多有2m-l个结点。性质3：在任意一棵二叉树中，度为0的结点（即叶子结点）总是比度为2的结点多一 个。性质4：具有n个结点的二叉树，其深度至少为log2n+l,其中log2n表示取log2n的 整数部分。3.满二叉树与完全二叉树满二叉树是指这样的一种二叉树:除最后一层外，每一层上的所有结点都有两个子结点。在满二叉树中，每一层上的结点数都达到最大值，即在满二叉树的第k层上有2k-l个结点，且深度为m的满二叉树有2m-l个结点。完全二叉树是指这样的二叉树：除最后一层外，每一层上的结点数均达到最大值；在最 后一层上只缺少右边的若干结点。对于完全二叉树来说，叶子结点只可能在层次最大的两层上出现：对于任何一个结点，若其右分支下的子孙结点的最大层次为P，则其左分支下的子孙结点的最大层次或为p,或 为 P+1 0完全二叉树具有以下两个性质：性质1：具有n个结点的完全二叉树的深度为口og2n+l。性质2：设完全二叉树共有n个结点。如果从根结点开始，按层次（每一层从左到右）用自然数1，2,，n给结点进行编号，则对于编号为k（k=l,2,n）的结点有 以下结论：若k=l,则该结点为根结点，它没有父结点；若kl,则该结点的父结点编号为INT（k/2）；若2kgn,则编号为k的结点的左子结点编号为2k；否则该结点无左子结点（显然也 没有右子结点）；若2k+lSn,则编号为k的结点的右子结点编号为2k+l；否则该结点无右子结点。1.6.2二叉树的遍历在遍历二叉树的过程中，一般先遍历左子树，再遍历右子树。在先左后右的原则下，根 据访问根结点的次序，二叉树的遍历分为三类：中序前序遍历、遍历和后序遍历。（1）前序遍历先访问根结点，然后遍历左子树，最后遍历右子树；并且在遍历左、右子树时，仍需先 访问根结点，然后遍历左子树，最后遍历右子树。例如，对图1-1中的二叉树进行前序遍历 的结果（或称为该二叉树的前序序列）为：A,B,D,E,C,Fo（2）中序遍历先遍历左子树、然后访问根结点，最后遍历右子树；并且，在遍历左、右子树时，仍然 先遍历左子树，然后访问根结点，最后遍历右子树。例如，对图1-1中的二叉树进行中序遍 历的结果（或称为该二叉树的中序序列）为：D,B,E,A,C,Fo（3）后序遍历先遍历左子树、然后遍历右子树，最后访问根结点；并且，在遍历左、右子树时，仍然 先遍历左子树，然后遍历右子树，最后访问根结点。例如，对图1-1中的二叉树进行后序遍 历的结果（或称为该二叉树的后序序列）为：D,E,B,F,C,Ao1.7 查找1.7.1 顺序查找查找是指在一个给定的数据结构中查找某个指定的元素。从线性表的第一个元素开始，依次将线性表中的元素与被查找的元素相比较，若相等则表示查找成功；若线性表中所有的 元素都与被查找元素进行了比较但都不相等，则表示查找失败。例如，在一维数组21,46,24,99,57,77,86中，查找数据元素99,首先从第1个元素21开始进行比较，比较结果与要查找的数据不相等，接着与第2个元 素46进行比较，以此类推，当进行到与第4个元素比较时，它们相等，所以查找成功。如 果查找数据元素100,则整个线性表扫描完毕，仍未找到与100相等的元素，表示线性表中 没有要查找的元素。在下列两种情况下也只能采用顺序查找：如果线性表为无序表，则不管是顺序存储结构还是链式存储结构，只能用顺序查找；即使是有序线性表，如果采用链式存储结构，也只能用顺序查找。1.7.2 二分法查找二分法查找，也称拆半查找，是一种高效的查找方法。能使用二分法查找的线性表必须 满足用顺序存储结构和线性表是有序表两个条件。“有序”是特指元素按非递减排列，即从小到大排列，但允许相邻元素相等。下一节排序 中，有序的含义也是如此。对于长度为n的有序线性表，利用二分法查找元素X的过程如下：步骤1：将X与线性表的中间项比较；步骤2：如果X的值与中间项的值相等，则查找成功，结束查找；步骤3：如果X小于中间项的值，则在线性表的前半部分以二分法继续查找；步骤4：如果X大于中间项的值，则在线性表的后半部分以二分法继续查找。例如，长度为8的线性表关键码序列为:6,13,27,30,38,46,47,70,被查元 素为38,首先将与线性表的中间项比较，即与第4个数据元素30相比较，38大于中间项 30的值，则在线性表38,46,47,70中继续查找；接着与中间项比较，即与第2个元素 46相比较，38小于46,则在线性表38中继续查找，最后一次比较相等，查找成功。顺序查找法每一次比较，只将查找范围减少1,而二分法查找，每比较一次，可将查找 范围减少为原来的一半，效率大大提高。对于长度为n的有序线性表，在最坏情况下，二分法查找只需比较log2n次，而顺序查找需要比较n次。1.8 排序1.交换类排序法(1)冒泡排序法首先，从表头开始往后扫描线性表，逐次比较相邻两个元素的大小，若前面的元素大于 后面的元素，则将它们互换，不断地将两个相邻元素中的大者往后移动，最后最大者到了线 性表的最后。然后，从后到前扫描剩下的线性表，逐次比较相邻两个元素的大小，若后面的元素小于 前面的元素，则将它们互换，不断地将两个相邻元素中的小者往前移动，最后最小者到了线 性表的最前面。对剩下的线性表重复上述过程，直到剩下的线性表变空为止，此时已经排好序。在最坏的情况下，冒泡排序需要比较次数为n(n-l)/20(2)快速排序法任取待排序序列中的某个元素作为基准(一般取第一个元素)，通过一次排序，将待排 元素分为左右两个子序列，左子序列元素的排序码均小于或等于基准元素的排序码，右子序 列的排序码则大于基准元素的排序码，然后分别对两个子序列继续进行排序，直至整个序列 有序。2.插入类排序法简单插入排序法，最坏情况需要n(n-l)/2次比较；希尔排序法，最坏情况需要O(nL5)次比较。3.选择类排序法简单选择排序法，最坏情况需要n(n-l)/2次比较;堆排序法，最坏情况需要O（nlog2n）次比较。相比以上几种（除希尔排序法外），堆排序法的时间复杂度最小。第2章 程序设计基础2.1程序设计的方法与风格养成良好的程序设计风格，主要考虑下述因素：（1）源程序文档化符号名的命名：符号名的命名应具有一定的实际含义，以便于对程序功能的理解；程序注释：在源程序中添加正确的注释可帮助人们理解程序。程序注释可分为序言性 注释和功能性注释。语句结构清晰第一、效率第二；视觉组织：通过在程序中添加一些空格、空行和缩进等，使人们在视觉上对程序的结 构一目了然。（2）数据说明的方法为使程序中的数据说明易于理解和维护，可采用下列数据说明的风格，见表2-1。表2-1数据说明风格数据说明风格详细说明次序应规范化使数据说明次序固定，使数据的属性容易查找，也有利于测试、排错 和维护变量安排有序 化当多个变量出现在同一个说明语句中时，变量名应按字母顺序排序,以便于查找使用注释在定义一个复杂的数据结构时，应通过注解来说明该数据结构的特点（3）语句的结构程序语句的结构程序应该简单易懂，语句构造应该简单直接。（4）输入和输出输入输出比较简单，这里就不作介绍。2.2 结构化程序设计1.结构化程序设计的原则结构化程序设计方法引入了工程思想和结构化思想,使大型软件的开发和编程得到了极 大的改善。结构化程序设计方法的主要原则为：自顶向下、逐步求精、模块化和限制使用 goto语句。自顶向上：先考虑整体，再考虑细节；先考虑全局目标，再考虑局部目标；逐步求精：对复杂问题应设计一些子目标作为过渡，逐步细化；模块化：把程序要解决的总目标分解为分目标，再进一步分解为具体的小目标，把 每个小目标称为一个模块。限制使用goto语句：在程序开发过程中要限制使用goto语句。2.结构化程序的基本结构结构化程序的基本结构有三种类型：顺序结构、选择结构和循环结构。顺序结构：是最基本、最普通的结构形式，按照程序中的语句行的先后顺序逐条执 行；选择结构：又称为分支结构，它包括简单选择和多分支选择结构；循环结构：根据给定的条件，判断是否要重复执行某一相同的或类似的程序段。循 环结构对应两类循环语句：先判断后执行的循环体称为当型循环结构；先执行循环体后判断 的称为直到型循环结构。2.3 面向对象方法面向对象方法涵盖对象及对象属性与方法、类、继承、多态性几个基本要素。1.对象通常把对象的操作也称为方法或服务。属性即对象所包含的信息,它在设计对象时确定，一般只能通过执行对象的操作来改变。属性值应该指的是纯粹的数据值，而不能指对象。操作描述了对象执行的功能，若通过信息的传递，还可以为其他对象使用。对象具有如下特征：标识惟一性、分类性、多态性、封装性、模块独立性。2.类和实例类是具有共同属性、共同方法的对象的集合。它描述了属于该对象类型的所有对象的性 质，而一个对象则是其对应类的一个实例。类是关于对象性质的描述，它同对象一样，包括一组数据属性和在数据上的一组合法操 作。3.消息消息是实例之间传递的信息，它请求对象执行某一处理或回答某一要求的信息，它统一 了数据流和控制流。一个消息由三部分组成：接收消息的对象的名称、消息标识符(消息名)和零个或多个 参数。4.继承广义地说，继承是指能够直接获得已有的性质和特征，而不必重复定义它们。继承分为单继承与多重继承。单继承是指，一个类只允许有一个父类，即类等级为树形 结构。多重继承是指，一个类允许有多个父类。5.多态性对象根据所接受的消息而做出动作，同样的消息被不同的对象接受时可导致完全不同的 行动，该现象称为多态性。2.1 程序设计设计方法和风格清晰第一、效率第二”已成为当今主导的程序设计风格。形成良好的程序设计风格需注意：1、源程序文档化；2、数据说明的方法；3、语句的结构；4、输入和输出。注释分序言性注释和功能性注释。语句结构清晰第一、效率第二。2.2 结构化程序设计结构化程序设计方法的四条原则是：1自顶向下；2、逐步求精；3、模块化；4、限制使用goto语句。结构化程序的基本结构及特点：(1)顺序结构：一种简单的程序设计，最基本、最常用的结构；(2)选择结构：又称分支结构，包括简单选择和多分支选择结构，可根据条件，判断应 该选择哪一条分支来执行相应的语句序列；(3)循环结构：又称重复结构，可根据给定条件，判断是否需要重复执行某一相同或类 似的程序段。结构化程序设计的特点：只有一个入口和出口2.3 面向对象的程序设计面向对象方法的优点：(1)与人类习惯的思维方法一致；(2)稳定性好；(3)可重用性好；(4)易于开发大型软件产品；(5)可维护性好。对象是面向对象方法中最基本的概念，可以用来表示客观世界中的任何实体，对象是实 体的抽象。面向对象的程序设计方法中，对象是由数据的容许的操作组成的封装体，是系统中用来 描述客观事物的一个实体，是构成系统的一个基本单位，由一组表示其静态特征的属性和它 可执行的一组操作组成。操作描述了对象执行的功能，是对象的动态属性，操作也称为方法或服务。对象的基本特点：(1)标识惟一性；(2)分类性;(3)多态性；(4)封装性；(5)模块独立性好。类是指具有共同属性、共同方法的对象的集合。类是关于对象性质的描述。类是对象的 抽象，对象是其对应类的一个实例。消息是一个实例与另一个实例之间传递的信息。对象间的通信靠消息传递。它请求对象 执行某一处理或回答某一要求的信息，它统一了数据流和控制流。继承是使用已有的类定义作为基础建立新类的定义技术，广义指能够直接获得已有的性 质和特征，而不必重复定义他们。继承具有传递性，一个类实际上继承了他上层的全部基类的特性。继承分单继承和多重继承。多态性是指同样的消息被不同的对象接受时可导致完全不同的行动的现象。3.1软件工程基本概念1、软件的相关概念计算机软件是包括程序、数据及相关文档的完整集合。软件的特点包括：1)软件是一种逻辑实体，而不是物理实体，具有抽象性；2)软件的生 产与硬件不同，它没有明显的制作过程；3)软件在运行、使用期间不存在磨损、老化问题；4)软件的开发、运行对计算机系统具有依赖性，受计算机系统的限制，这导致了软件移植的 问题；5)软件复杂性高，成本昂贵；6)软件开发涉及诸多的社会因素。2、软件危机与软件工程软件工程源自软件危机。所谓软件危机是泛指在计算机软件的开发和维护过程中所遇到 的一系列严重问题。软件工程的主要思想是将工程化原则运用到软件开发过程，它包括3个要素：方法、工 具和过程。方法是完成软件工程项目的技术手段；工具是支持软件的开发、管理、文档生成;过程支持软件开发的各个环节的控制、管理。软件工程过程是把输入转化为输出的一组彼此相关的资源和活动。3、软件生命周期软件生命周期：软件产品从提出、实现、使用维护到停止使用退役的过程。软件生命周期分为软件定义、软件开发及软件运行维护三个阶段：1）软件定义阶段：包括制定计划和需求分析。制定计划：确定总目标；可行性研究；探讨解决方案；制定开发计划。需求分析：对待开发软件提出的需求进行分析并给出详细的定义。2）软件开发阶段：软件设计：分为概要设计和详细设计两个部分。软件实现：把软件设计转换成计算机可以接受的程序代码。软件测试：在设计测试用例的基础上检验软件的各个组成部分。3）软件运行维护阶段：软件投入运行，并在使用中不断地维护，进行必要的扩充和删改。4、软件工程的目标和与原则（1）软件工程目标：在给定成本、进度的前提下，开发出具有有效性、可靠性、可理解 性、可维护性、可重用性、可适应性、可移植性、可追踪性和可互操作性且满足用户需求的 产品。（2）软件工程需要达到的基本目标应是：付出较低的开发成本；达到要求的软件功能；取得较好的软件性能；开发的软件易于移植；需要较低的维护费用；能按时完成开发，及时 交付使用。（3）软件工程原则：抽象、信息隐蔽、模块化、局部化、确定性、一致性、完备性和可 验证性。1）抽象:2）信息隐蔽:3）模块化:4）局部化：5）确定性：6）一致性：7）完备性:8）可验证性:3.2结构化分析方法1、需求分析需求分析方法有：1）结构化需求分析方法；2）面向对象的分析方法。2、结构化分析方法结构化分析方法是结构化程序设计理论在软件需求分析阶段的应用。结构化分析方法的实质：着眼于数据流，自顶向下，逐层分解，建立系统的处理流程，以数据流图和数据字典为主要工具，建立系统的逻辑模型。结构化分析的常用工具：1）数据流图（DFD）；2）数据字典（DD）；3）判定树；4）判定表。数据流图的基本图形元素：加工数据流存储文件源、潭加工（转换）：输入数据经加工变换产生输出。数据流：沿箭头方向传送数据的通道，一般在旁边标注数据流名。存储文件（数据源）：表示处理过程中存放各种数据的文件。源，潭：表示系统和环境的接口，属系统之外的实体。3.3 结构化设计方法1、软件设计的基础从技术观点来看，软件设计包括软件结构设计、数据设计、接口设计、过程设计。从工程角度来看，软件设计分两步完成，即概要设计和详细设计。概要设计：又称结构设计，将软件需求转化为软件体系结构，确定系统级接口、全局数 据结构或数据库模式。详细设计：确定每个模块的实现算法和局部数据结构，用适当方法表示算法和数据结构 的细节。软件设计的基本原理包括：抽象、模块化、信息隐蔽和模块独立性。1）抽象。抽象是一种思维工具，就是把事物本质的共同特性提取出来而不考虑其他细节。2）模块化。解决一个复杂问题时自顶向下逐步把软件系统划分成一个个较小的、相对独 立但又不相互关联的模块的过程。3）信息隐蔽。每个模块的实施细节对于其他模块来说是隐蔽的。4）模块独立性。软件系统中每个模块只涉及软件要求的具体的子功能，而和软件系统中 其他的模块的接口是简单的。*：模块分解的主要指导思想是信息隐蔽和模块独立性。模块的耦合性和内聚性是衡量软件的模块独立性的两个定性指标。内聚性：是一个模块内部各个元素间彼此结合的紧密程度的度量。*：按内聚性由弱到强排列，内聚可以分为以下几种：偶然内聚、逻辑内聚、时间内聚、过程内聚、通信内聚、顺序内聚及功能内聚。耦合性：是模块间互相连接的紧密程度的度量。*：按耦合性由高到低排列，耦合可以分为以下几种：内容耦合、公共耦合、外部耦合、控制耦合、标记耦合、数据耦合以及非直接耦合。一个设计良好的软件系统应具有高内聚、低耦合的特征。在结构化程序设计中，模块划分的原则是：模块内具有高内聚度，模块间具有低耦合度。2、总体设计（概要设计）和详细设计（1）总体设计（概要设计）软件概要设计的基本任务是：1）设计软件系统结构；2）数据结构及数据库设计；3）编写 概要设计文档；4）概要设计文档评审。常用的软件结构设计工具是结构图，也称程序结构图。程序结构图的基本图符：模块用一个矩形表示，箭头表示模块间的调用关系。在结构图中还可以用带注释的箭头 表示模块调用过程中来回传递的信息。还可用带实心圆的箭头表示传递的是控制信息，空心 圆箭心表示传递的是数据信息。（2）详细设计详细设计是为软件结构图中的每一个模块确定实现算法和局部数据结构,用某种选定的 表达工具表示算法和数据结构的细节。常用的过程设计（即详细设计）工具有以下几种：图形工具：程序流程图、N-S（方盒图）、PAD（问题分析图）和HIPO（层次图+输入/处理/输出图）。表格工具：判定表。语言工具：PDL（伪码）3.4 软件测试1、软件测试定义：使用人工或自动手段来运行或测定某个系统的过程，其目的在于检 验它是否满足规定的需求或是弄清预期结果与实际结果之间的差别。软件测试的目的：尽可能地多发现程序中的错误，不能也不可能证明程序没有错误。软 件测试的关键是设计测试用例，一个好的测试用例能找到迄今为止尚未发现的错误。2、软件测试方法：静态测试和动态测试。静态测试：包括代码检查、静态结构分析、代码质量度量。不实际运行软件，主要通过 人工进行。动态测试：是基于计算机的测试，主要包括白盒测试方法和黑盒测试方法。白盒测试白盒测试方法也称为结构测试或逻辑驱动测试。它是根据软件产品的内部工作过程，检 查内部成分，以确认每种内部操作符合设计规格要求。白盒测试的基本原则：保证所测模块中每一独立路径至少执行一次；保证所测模块所有 判断的每一分支至少执行一次;保证所测模块每一循环都在边界条件和一般条件下至少各执 行一次；验证所有内部数据结构的有效性。*：白盒测试法的测试用例是根据程序的内部逻辑来设计的，主要用软件的单元测试，主要方法有逻辑覆盖、基本路径测试等。A、逻辑覆盖。逻辑覆盖泛指一系列以程序内部的逻辑结构为基础的测试用例设计技术。通常程序中的逻辑表示有判断、分支、条件等几种表示方法。语句覆盖：选择足够的测试用例，使得程序中每一个语句至少都能被执行一次。路径覆盖：执行足够的测试用例，使程序中所有的可能的路径都至少经历一次。判定覆盖：使设计的测试用例保证程序中每个判断的每个取值分支（T或F）至少经历一 次。条件覆盖：设计的测试用例保证程序中每个判断的每个条件的可能取值至少执行一次。判断-条件覆盖：设计足够的测试用例，使判断中每个条件的所有可能取值至少执行一 次，同时每个判断的所有可能取值分支至少执行一次。*：逻辑覆盖的强度依次是：语句覆盖路径覆盖判定覆盖条件覆盖判断-条件覆盖。B、基本路径测试。其思想和步骤是，根据软件过程性描述中的控制流程确定程序的环 路复杂性度量，用此度量定义基本路径集合，并由此导出一组测试用例，对每一条独立执行 路径进行测试。（2）黑盒测试黑盒测试方法也称为功能测试或数据驱动测试。黑盒测试是对软件已经实现的功能是否 满足需求进行测试和验证。黑盒测试主要诊断功能不对或遗漏、接口错误、数据结构或外部数据库访问错误、性能 错误、初始化和终止条件错误。黑盒测试不关心程序内部的逻辑，只是根据程序的功能说明来设计测试用例，主要方法 有等价类划分法、边界值分析法、错误推测法等，主要用软件的确认测试。3、软件测试过程一般按4个步骤进行：单元测试、集成测试、确认测试和系统测试。3.5 程序的调试程序调试的任务是诊断和改正程序中的错误，主要在开发阶段进行，调试程序应该由编 制源程序的程序员来完成。程序调试的基本步骤：（1）错误定位；（2）纠正错误；（3）回归测试。软件的调试后要进行回归测试，防止引进新的错误。软件调试可分为静态调试和动态调试。静态调试主要是指通过人的思维来分析源程序代 码和排错，是主要的调试手段，而动态调试是辅助静态调试。对软件主要的调试方法可以采用：(1)强行排错法。(2)回溯法。(3)原因排除法。4.1数据库系统的基本概念1、数据、数据库、数据管理系统数据(2)数据库(DB)(3)数据库管理系统(DBMS)：一种系统软件，负责数据库中的数据组织、数据操纵、数 据维护、控制及保护和数据服务等，是数据库的核心。数据库管理系统功能：1)数据模式定义2)数据存取的物理构建3)数据操纵4)数据的完整性、安生性定义与检查5)数据库的并发控制与故障恢复6)数据的服务数据库技术的根本目标是解决数据的共享问题。2、数据库系统的发展数据库管理发展至今已经历了三个阶段：人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶 段。3、数据库系统的基本特点(1)数据的高集成性。(2)数据的高共享性与低冗余性。(3)数据独立性：数据独立性一般分为物理独立性与逻辑独立性两级。物理独立性：物理独立性即是数据的物理结构(包括存储结构，存取方式等)的改变，如 存储设备的更换、物理存储的更换、存取方式改变等都不影响数据库的逻辑结构，从而不致 引起应用程序的变化。逻辑独立性：数据库总体逻辑结构的改变，如修改数据模式、增加新的数据类型、改变 数据间联系等，不需要相应修改应用程序，这就是数据的逻辑独立性。(4)数据统一管理与控制。4、数据库系统的内部结构体系三级模式、两种映射关系图（1）数据库系统的三级模式：1）概念模式：数据库系统中全局数据逻辑结构的描述，是全体用户（应用）公共数据视图。2）外模式：也称子模式或用户模式，它是用户的数据视图，也就是用户所见到的数据模 式，它由概念模式推导而出。3）内模式：又称物理模式，它给出了数据库物理存储结构与物理存取方法。内模式的物 理性主要体现在操作系统及文件级上，它还未深入到设备级上（如磁盘及磁盘操作）。内模式 对一般用户是透明的，但它的设计直接影响数据库的性能。（2）数据库系统的两级映射：1）概念模式/内模式的映射：实现了概念模式到内模式之间的相互转换。当数据库的存 储结构发生变化时，通过修改相应的概念模式/内模式的映射，使得数据库的逻辑模式不变,其外模式不变，应用程序不用修改，从而保证数据具有很高的物理独立性。2）外模式/概念模式的映射：实现了外模式到概念模式之间的相互转换。当逻辑模式发 生变化时，通过修改相应的外模式/逻辑模式映射、使得用户所使用的那部分外模式不变，从而应用程序不必修改，保证数据具有较高的逻辑独立性。4.2数据模型1、数据模型2、实体联系模型及E-R图E-R模型的图示法：student实体集表示法 属性表示法联系表示法|course 11)实体集：用矩形表示。2)属性：用椭圆形表示。3)联系：用菱形表示。4)实体集与属性间的联接关系：用无向线段表示。5)实体集与联系间的联接关系：用无向线段表示。3、数据库管理系统常见的数据模型有层次模型、网状模型和关系模型三种。4.3关系代数1、关系的数据结构关系是由若干个不同的元组所组成，因此关系可视为元组的集合。n元关系是一个n元 有序组的集合。关系模型的基本运算：1)插入；2)删除；3)修改；4)查询(包括投影、选择、笛卡尔积运 算)。2、关系操纵关系模型的数据操纵即是建立在关系上的数据操纵，一般有查询、增加、删除和修改四 种操作。3、集合运算及选择、投影、连接运算(1)并(U)：关系R和S具有相同的关系模式，R和S的并是由属于R或属于S的元组 构成的集合。(2)差(一)：关系R和S具有相同的关系模式，R和S的差是由属于R但不属于S的元 组构成的集合。(3)交(D)：关系R和S具有相同的关系模式，R和S的交是由属于R且属于S的元组构 成的集合。(4)广义笛卡尔积(x)：设关系R和S的属性个数分别为n、m,则R和S的广义笛卡尔积是一个有(n+m)列的元组的集合。每个元组的前n列来自R的一个元组，后m列来自 S的一个元组，记为RxSo*：根据笛卡尔积的定义：有n元关系R及m元关系S,它们分别有p、q个元组，则 关系R与S经笛卡尔积记为RxS,该关系是一个n+m元关系，元组个数是pxq,由R与S 的有序组组合而成。例：有两个关系R和S,分别进行并、差、交和广义笛卡尔积运算。(5)在关系型数据库管理系统中，基本的关系运算有选择、投影与联接三种操作：1)选择：选择指的是从二维关系表的全部记录中，把那些符合指定条件的记录挑出来。2)投影：投影是从所有字段中选取一部分字段及其值进行操作，它是一种纵向操作。3)联接：联接将两个关系模式拼接成一个更宽的关系模式，生成的新关系中包含满足联 接条件的元组。4.4数据库设计方法和步骤(1)数据库设计阶段包括：需求分析、概念分析、逻辑设计、物理设计。(2)数据库设计的每个阶段都有各自的任务：1)需求分析阶段：这是数据库设计的第一个阶段，任务主要是收集和分析数据，这一阶 段收集到的基础数据和数据流图是下一步设计概念结构的基础。2)概念设计阶段：分析数据间内在语义关联，在此基础上建立一个数据的抽象模型，即 形成E-R图。3)逻辑设计阶段：将E-R图转换成指定RDBMS中的关系模式。4)物理设计阶段：对数据库内部物理结构作调整并选择合理的存取路径，以提高数据库 访问速度及有效利用存储空间。1.基本数据结构与算法1.1 算法算法：是指解题方案的准确而完整的描述。算法不等于程序，也不等计算机方法，程序的编制不可能优于算法的设计。算法的基本特征：是一组严谨地定义运算顺序的规则，每一个规则都是有效的，是明确 的，此顺序将在有限的次数下终止。特征包括：可行性；(2)确定性，算法中每一步骤都必须有明确定义，不充许有模棱两可的解释，不允许有 多义性；(3)有穷性，算法必须能在有限的时间内做完，即能在执行有限个步骤后终止，包括合 理的执行时间的含义；拥有足够的情报。算法的基本要素：一是对数据对象的运算和操作;二是算法的控制结构。指令系统：一个计算机系统能执行的所有指令的集合。基本运算和操作包括：算术运算、逻辑运算、关系运算、数据传输。算法的控制结构：顺序结构、选择结构、循环结构。算法基本设计方法：列举法、归纳法、递推、递归、减斗递推技术、回溯法。算法复杂度：算法时间复杂度和算法空间复杂度。算法时间复杂度是指执行算法所需要的计算工作量。算法空间复杂度是指执行这个算法所需要的内存空间。1.2 数据结构的基本概念数据结构研究的三个方面：(1)数据集合中各数据元素之间所固有的逻辑关系，即数据的逻辑结构；(2)在对数据进行处理时，各数据元素在计算机中的存储关系，即数据的存储结构;(3)对各种数据结构进行的运算。数据结构是指相互有关联的数据元素的集合。数据的逻辑结构包含：(1)表示数据元素的信息；(2)表示各数据元素之间的前后件关系。数据的存储结构有顺序、链接、索引等。线性结构条件：(1)有且只有一个根结点；(2)每一个结点