Podział algorytmów ze względu na obszar zastosowań. algorytmy numeryczne (matematyczne) wykonują obliczenia arytmetyczne, algorytmy przeszukujące

Transkrypt

1 Podział algorytmów ze względu na obszar zastosowań. algorytmy numeryczne (matematyczne) wykonują obliczenia arytmetyczne, algorytmy przeszukujące badają zbiór w celu wyszukania wyróżnionego elementu, algorytmy porządkujące ustawiają elementy zbioru, wymaganej kolejności, algorytmy rekurencyjne rozwiązują problemy, które da się rozbić na mniejsze części, stanowiące kopie wzorca, algorytmy szyfrujące zmieniają dane tak, by ich odczyt nie był możliwy bez znajomości klucza kodującego, algorytmy kompresji danych określają taki sposób zapisu danych, by zmniejszyć objętość pliku kompresowanego, Złożoność algorytmów. Teoria złożoności jest to nauka której głównym celem jest określanie ilości zasobów potrzebnych do rozwiązania problemów obliczeniowych. Rozważanymi zasobami są takie wielkości jak czas, pamięć lub liczba procesorów. Złożoność algorytmów Ilość zasobów niezbędnych do wykonania algorytmu można rozumieć jako jego złożoność. W zależności od rozważanego zasobu mówimy o złożoności czasowej czy też pamięciowej. Oczywiście w większości wypadków ilość potrzebnych zasobów będzie się różnić w zależności od danych wejściowych z zakresu danego zagadnienia. Złożoność algorytmu jest więc funkcją rozmiaru danych wejściowych. Kolejnym problemem jest fakt, iż złożoność zwykle nie zależy wyłącznie od rozmiaru danych, ale może się znacznie różnić dla danych wejściowych o identycznym rozmiarze. Dwoma często stosowanymi sposobami podejścia są: rozpatrywanie przypadków najgorszych (złożoność pesymistyczna) oraz zastosowanie określonego sposobu uśrednienia wszystkich możliwych przypadków (złożoność oczekiwana). Ostatnim sposobem najrzadziej używanym jest szacowanie (złożoność optymistycznej) czyli złożoności obliczonej dla przypadku najkorzystniejszego dla danego algorytmu. Operacja elementarna (dominująca) w teorii obliczeń operacja charakterystyczna dla danego algorytmu, na ogół zajmująca w nim najwięcej czasu. Za jednostkę złożoności czasowej przyjmuje się wykonanie jednej operacji elementarnej. Złożoność czasowa Przyjętą miarą złożoności czasowej jest liczba operacji podstawowych w zależności od rozmiaru wejścia. Dlatego w charakterze czasu wykonania rozpatruje się zwykle liczbę operacji podstawowych (dominujących). Operacjami podstawowymi mogą być na przykład: podstawienie, porównanie lub prosta operacja arytmetyczna. Algorytmy analizuje się, wykorzystując abstrakcyjne modele obliczeń. Nie uwzględniając specyfiki sprzętu ni języka programowania. Złożoność pamięciowa jest miarą ilości wykorzystanej pamięci. Jako tę ilość najczęściej przyjmuje się użytą pamięć maszyny abstrakcyjnej w funkcji rozmiaru wejścia. Możliwe jest również obliczanie rozmiaru potrzebnej pamięci fizycznej wyrażonej w bitach lub bajtach. Porównywanie złożoności algorytmów przy porównywaniu bierzemy jak zachowuje się funkcja określająca złożoność dla odpowiednio dużych, granicznych argumentów (rozmiarów danych wejściowych) ignorując zachowanie dla małych danych. Ponadto złożoności algorytmów różniące się o stałą uważamy za takie same, co eliminuje wpływ szybkości działania komputera, na którym dany algorytm ma być wykonany. Klasa złożoności problemy, do rozwiązania których potrzebna jest podobna ilość zasobów łączymy w klasy. Przykładowo mówimy o problemach o liniowej złożoności pamięciowej, jeśli ilość potrzebnej pamięci rośnie liniowo względem rozmiaru danych; czy też o problemach o kwadratowej złożoności czasowej, jeśli liczba operacji podstawowych rośnie z kwadratem rozmiaru danych. Podobne określenia stosujemy do algorytmów.

2 Rzędy złożoności czasowej(obliczeniowej) Złożoność czasowa Opis Szybkość O(1) stała złożoność algorytm wykonuje się w stałej ilości operacji, niezależnie od liczby danych wejściowych. najszybszy O(log2(n)) złożoność logarytmiczna algorytm wykonuje logarytmiczną ilość operacji w stosunku do liczby danych wejściowych. *n jest to liczba danych wejściowych; *podstawa logarytmu zazwyczaj wynosi 2, jednak czasami może być większa (np. w B-drzewach). bardzo O(n) O(n*log2(n)) złożoność liniowa algorytm wykonuje wprost proporcjonalną ilość operacji do liczby danych wejściowych. *n jest to liczba danych wejściowych. złożoność liniowo-logarytmiczna *n jest to liczba danych wejściowych. O(n2) O(nX) O(Xn) złożoność kwadratowa ilość operacji algorytmu jest wprost proporcjonalna do liczby danych wejściowych podniesionej do potęgi drugiej. *n jest to liczba danych wejściowych. złożoność wielomianowa ilość operacji algorytmu jest wprost proporcjonalna do liczby danych wejściowych podniesionej do potęgi X. *n jest to liczba danych wejściowych; *X jest stałą o dowolnej wartości. Uwaga! Pamiętaj, że zarówno funkcja liniowa jak i funkcja kwadratowa są również wielomianami. W informatyce posługując się terminem złożoności wielomianowej zazwyczaj mamy na myśli algorytmy, których złożoność obliczeniowa (lub pamięciowa) jest co najmniej kwadratowa. złożoność wykładnicza ilość operacji algorytmu jest wprost proporcjonalna do stałej X większej lub równej 2, podniesionej do potęgi równej liczbie danych wejściowych. *n jest to liczba danych wejściowych; *X jest stałą większą niż 2. niezbyt wolny bardzo wolny

3 Narzędzia programistyczne. Podstawowe narzędzia programistyczne to: Edytor Debugger. Zintegrowane środowisko programistyczne (IDE) Edytor programistyczny do tworzenia programu można użyć dowolny edytor tekstu np. Notatnik w Winows. Vi, Nano Pico w Linux Text w Macintosch. Jednakże pisząc program należy kontrolować składnię języka itd. więc często wykorzystuje się wyspecjalizowane edytory kodu źródłowego. Edytor kodu źródłowego to program komputerowy wspomagający pisanie kodu źródłowego. Rozpoznaje i wyróżnia składnie (np. poprzez nadawanie koloru czy kroju czcionki) i zapisuje w odpowiednim formacie. Często ma dodatkowe funkcję jak: auto uzupełnianie kodu, możliwość pisania makr, itp. Może stanowić samodzielny program lub być częścią zintegrowanego środowiska programistycznego. Przykładowy edytor dla Windows to Notepad++ pozwalający na pracę w C,C++,Java, C# JavaScript, VB, ASP Debug tool, Debugger (po polsku - program do usuwania błędów, czytaj dibager - z ang. odpluskwiacz) program komputerowy służący do analizy innych programów, w celu odnalezienia i identyfikacji zawartych w nich błędów, zwanych z angielskiego bugami (robakami). Proces nadzorowania wykonania programu za pomocą debuggera określa się mianem debugowania. Podstawowym zadaniem debuggera jest sprawowanie kontroli nad wykonaniem kodu, co umożliwia zlokalizowanie instrukcji odpowiedzialnych za wadliwe działanie programu. Współczesne debuggery pozwalają na efektywne śledzenie wartości poszczególnych zmiennych, wykonywanie instrukcji krok po kroku czy wstrzymywanie działania programu w określonych miejscach. Debugger jest standardowym wyposażeniem większości współczesnych środowisk programistycznych. Wadą debuggera jest to że jest wstanie tylko wykryć wadliwe działanie programu nie wykrywa natomiast błędów wynikłych z powodu niewłaściwego zrozumienia problemu przez programistę (program nie robi to co powinien, ale robi to co programista żeby robił). Zintegrowane środowisko programistyczne (ang. Integrated Development Environment, IDE) aplikacja lub zespół aplikacji (środowisko) służących do tworzenia, modyfikowania, testowania i konserwacji oprogramowania. Charakteryzują się tym, że udostępniają złożoną, wieloraką funkcjonalność obejmującą edycję kodu źródłowego, kompilowanie kodu źródłowego, tworzenie zasobów programu (tzn. formatek / ekranów / okien dialogowych, menu, raportów, elementów graficznych takich jak ikony, obrazy itp.), tworzenie baz danych, komponentów i innych, debugowanie itd.

4 1. Określanie wymagań (specyfikacja), 2. Wybór języka programowania, 3. Tworzenie algorytmu, 4. Projektowanie systemu, 5. Implementacja, 6. Scalanie systemu, 7. Testy końcowe, 8. Tworzenie dokumentacji użytkowej, 9. Konserwacja systemu. Fazy powstawania programu komputerowego: Określanie wymagań służy do sprecyzowania potrzeb. Na tym etapie formułuje się wyobrażenia o programie i jego działaniu oraz precyzuje wymagania. Na podstawie wymagań tworzona jest tzw. specyfikacja projektu, czyli zakres czynności, jaki dany program ma wykonywać. Jeżeli program jest tworzony na zamówienie, należy w pewnym momencie zażądać zamrożenia specyfikacji w przeciwnym razie klient może zażądać zmian (nawet po napisaniu programu), a wykonawca będzie to musiał zrobić nieodpłatnie. Czasami nawet mała zmiana wymagań może w decydujący sposób wpłynąć na sposób realizacji zamówienia, co może nawet doprowadzić do konieczności rozpoczęcia praktycznie od nowa. Określanie wymagań od wywiad strukturalny polega na zadawaniu wcześniej opracowanej listy pytań, wywiad swobodny polega na zadawaniu dowolnych pytań i notowaniu odpowiedzi, ankieta wysyłana do dużej liczby potencjalnych klientów, analiza formularzy i innych dokumentów klienta, analiza cyklu pracy i wykonywanych czynności, analiza scenariuszy używania systemu, konstrukcja prototypu. Dokumentacja fazy określania wymagań powinna zawierać: wprowadzenie: zakres systemu, cele i konteksty jego używania, opis ewolucji systemu: przewidywane zmiany w systemie, specyfikację wymagań funkcjonalnych: jakie czynności i operacje system powinien wykonywać, specyfikację wymagań niefunkcjonalnych: przy jakich ograniczeniach system powinien powstać i działać. opis modelu systemu lub jego prototypu, opis wymagań sprzętowych, słownik zawierający wyjaśnienia używanych w dokumentacji pojęć fachowych i informatycznych. Jeżeli program komputerowy powstaje na użytek programisty, faza określania wymagań może zostać skrócona do minimum.

5 Nie powinno się jednak pomijać fazy dokumentacji powinna oba być prowadzona przynajmniej w zakresie podstawowym, umożliwiającym rozwój i modyfikację programu nawet po wielu latach. 2. Wybór języka programowania zależy głównie od przeznaczenia aplikacji. Przeważnie istnieje przynajmniej kilka języków programowania nadających się budowy systemu spełniającego wymagania. Wybór języka programowania może być dokonany przed lub po stworzeniu algorytmu. W pierwszym przypadku dobór języka może w znaczny sposób wpłynąć na tok rozumowania i zdeterminować budowę algorytmu. Wybór języka programowania może być: narzucony przez zamawiającego, pozostawiony woli wykonawcy musi on wówczas uwzględnić: dziedzinę aplikacji, doświadczenie zespołu programistów, posiadane narzędzia, dostępność gotowych modułów i bibliotek, potrzeby innych prowadzonych równolegle prac. 3. Tworzenie algorytmu - jest to jeden z najważniejszych etapów projektowania, wymaga on od programisty (bądź projektanta) starannego przemyślenia i przygotowania. Nie należy przystępować do pisania programu nie mając wyobrażenia o jego budowie. Takie postępowanie wydłuży zapewne czas realizacji projektu, zwiększy prawdopodobieństwo wystąpienia błędów oraz nie daje gwarancji optymalności rozwiązań. Dużych i rozbudowanych programów praktycznie nie da się napisać bez odpowiednich przygotowań. Jeżeli to jest tylko możliwe należy korzystać z istniejących i sprawdzonych algorytmów. 4. Projektowanie systemu służy do stworzenia szkieletu kodu źródłowego (systemu). Techniki projektowania: projektowanie strukturalne: zorientowane na akcję, zorientowane na dane, projektowanie obiektowe. 5. Implementacja jest to właściwa faza budowy programu. Małe systemy informatyczne mogą być realizowane przez jednego programistę. Systemy większe wymagają utworzenia zespołu bądź też grupy zespołów programistycznych. 6. Scalanie systemu w przypadku tworzenia aplikacji przez zespół programistów należy połączyć wszystkie moduły w jedną całość. Rozróżnia się trzy podstawowe techniki integracji systemu informatycznego: metoda zstępująca najpierw integrowane są moduły sterujące, a później moduły wykonawcze, nazywana inaczej od ogółu do szczegółu metoda wstępująca najpierw integrowane są moduły wykonawcze a później sterujące, nazywana inaczej od szczegółu do ogółu. metoda mieszana moduły sterujące integrowane są metodą zstępującą, a wykonawcze wstępującą.

6 7. Testy końcowe służą do ostatecznego potwierdzenia poprawności systemu. Rozróżnia się następujące etapy testów: testowanie przez Dział Kontroli Jakości, alfa-testy przez wybraną (najczęściej małą) grupę użytkowników, beta-testy przez wybraną (większą) grupę użytkowników, testy akceptacji (na rzeczywistych danych), wykonywane przez odbiorcę. Kryteria wykonywania testów: użyteczność aplikacji (łatwość użycia, użyteczność oferowanych funkcji, opłacalność), solidność (częstość krytycznych awarii systemu, czas podniesienia systemu po awarii, czas odbudowy systemu po awarii), odporność (na zmieniające się warunki otoczenia, błędne dane, nieoczekiwane reakcje użytkowników), efektywność (szybkość, czas reakcji, zajętość pamięci), poprawność (zgodność ze specyfikacją). Metody wykonywania testów: test czarnej skrzynki - odbywa się na poziomie interfejsu, test szklanej skrzynki - odbywa się na poziomie kodu źródłowego. 8. Dokumentacja użytkowa powinna zawierać następujące elementy: opis funkcjonalny opis przeznaczenia oraz głównych możliwości programu, podręcznik użytkownika opis przeznaczony dla typowych użytkowników, powinien zawierać: sposoby uruchamiania oraz kończenia pracy z systemem, sposoby realizacji podstawowych funkcji systemu, metody obsługi błędnych sytuacji, sposoby korzystania z systemu pomocy, kompletny przykład korzystania z systemu. kompletny opis systemu część przeznaczona dla doświadczonych użytkowników, powinien zawierać: szczegółowy opis wszystkich funkcji systemu, informacje o sposobach wywoływania tych funkcji, opisy formatu danych, opisy błędów, które mogą pojawić się w trakcie pracy zsystemem, informacje o wszelkich ograniczeniach dotyczących np. zakresudanych.