Witajcie, młodzi uczniowie! Dzisiaj poznamy struktury kontrolne w programowaniu komputerowym. Struktury kontrolne są jak znaki drogowe dla programu komputerowego. Mówią mu, w którą stronę iść i co robić dalej. Tak jak przestrzegasz zasad w domu lub szkole, komputer przestrzega struktur kontrolnych, gdy uruchamia program.
Struktura sterowania to zestaw instrukcji, który mówi komputerowi, jak wybierać między różnymi krokami podczas wykonywania programu. Decyduje, czy komputer powinien kontynuować w tej samej kolejności, czy podjąć decyzję o zrobieniu czegoś innego.
Wyobraź sobie, że postępujesz zgodnie z przepisem. Przepis podaje każdy krok: najpierw wymieszaj mąkę z wodą; następnie dodaj jajko; następnie wymieszaj; a na końcu upiecz mieszankę. W komputerze struktury sterujące działają w podobny sposób. Pomagają komputerowi wiedzieć, która instrukcja jest następna i jaką decyzję podjąć, gdy są wybory.
Istnieją trzy główne typy struktur kontrolnych, o których dowiesz się dzisiaj. Są to:
Sekwencyjne struktury sterowania nakazują komputerowi wykonywanie instrukcji jedna po drugiej w ustalonej kolejności. W sekwencyjnym sterowaniu nie ma podejmowania decyzji. Każdy krok odbywa się w rzędzie, tak jak wtedy, gdy wykonujesz prosty zestaw instrukcji.
Pomyśl na przykład o swojej codziennej porannej rutynie:
Każda czynność następuje jedna po drugiej w jasnej kolejności. W programowaniu nazywa się to wykonywaniem sekwencyjnym . Komputer odczytuje pierwszą instrukcję, potem drugą, a potem trzecią.
Jeśli pomyślimy o prostym pseudoprogramie do robienia kanapek, mógłby on wyglądać tak:
Krok 1: Weź dwie kromki chleba.
Krok 2: Posmaruj jedną kromkę masłem.
Krok 3: Połóż ser na maśle.
Krok 4: Połącz dwa kawałki. Smacznego!
Podobnie jak w przypadku kanapki, którą przygotowujesz, komputer wykonuje instrukcje jedna po drugiej.
Struktury kontroli wyboru pozwalają komputerowi dokonywać wyborów. Działają jak rozwidlenie dróg lub książka „wybierz własną przygodę”. Komputer patrzy na warunek lub regułę, a następnie decyduje, którą ścieżką podążać.
Na przykład pomyśl o wyborze tego, co założyć rano. Możesz zdecydować: „Jeśli pada deszcz, założę płaszcz przeciwdeszczowy. Jeśli jest słonecznie, założę koszulkę”. Jest to decyzja, która pomaga Ci przygotować się na pogodę. W programowaniu komputer używa instrukcji if , else if i else do podejmowania decyzji.
Prosty przykład kodu zapisany prostym językiem wygląda następująco:
Jeśli pada deszcz, wydrukuj „Weź parasol”.
W przeciwnym wypadku wydrukuj „Parasol nie jest potrzebny”.
Oznacza to: jeśli warunek (pada) jest prawdziwy, to wykonaj czynność (weź parasol). W przeciwnym wypadku wykonaj drugą czynność.
Użyjmy innego przykładu. Wyobraź sobie, że grasz w grę i jest zasada, która mówi: „Jeśli zdobędziesz 10 punktów, wygrywasz!” Ta zasada jest jak struktura kontroli wyboru. Gra sprawdza, czy twoje punkty są równe 10. Jeśli tak, ogłasza cię zwycięzcą. Jeśli nie, gra kontynuuje.
Struktury wyboru pomagają komputerom radzić sobie z decyzjami, które mają tylko kilka możliwych odpowiedzi. Mówią komputerowi: „Zrób to, jeśli to prawda, a jeśli nie, zrób coś innego”.
Struktury kontroli iteracji nakazują komputerowi powtarzanie czegoś. Jest to znane jako pętla lub powtarzanie działań. Kiedy trzeba powtórzyć zadanie wiele razy, stosuje się iterację.
Pomyśl o tym, kiedy liczysz liczbę jabłek w koszyku. Możesz liczyć: 1, 2, 3, 4, 5 itd. Zaczyna się od jednej liczby i liczy się, aż dotrze się do końca. Jest to podobne do sposobu, w jaki komputer używa pętli.
W programowaniu powszechnie stosuje się dwa rodzaje pętli:
Pętla for jest używana, gdy wiesz, ile razy chcesz coś powtórzyć. Na przykład, jeśli chcesz zaśpiewać ten sam wers piosenki 5 razy, możesz użyć pętli for:
Aby zaśpiewać (licząc od 1 do 5) należy wykonać wers: „Wszystkiego najlepszego z okazji urodzin!”
Komputer wyświetli „Wszystkiego najlepszego!” pięć razy, ponieważ powtarza ten krok 5 razy.
Pętla while jest używana, gdy komputer powinien powtarzać coś tak długo, jak długo warunek jest prawdziwy. Na przykład, jeśli nadmuchujesz balon, możesz kontynuować dmuchanie, aż balon będzie wystarczająco duży. Reguła może być taka: „Dopóki balon nie jest duży, kontynuuj dmuchanie do niego powietrza”.
To jest podobne do powiedzenia: Podczas gdy (balon jest mały), kontynuuj dmuchanie. Gdy balon stanie się wystarczająco duży, zatrzymaj pętlę.
Oto kolejny prosty przykład wykorzystujący ideę pętli: Wyobraź sobie, że uwielbiasz klaskać w dłonie. Postanawiasz klaskać w dłonie, aż klasniesz 10 razy. Możesz powiedzieć: Powtórz „Klaszcz” 10 razy. W programie komputer będzie liczył każde klaskanie i zatrzyma się, gdy osiągnie 10 klaskań.
Struktury kontrolne są bardzo ważne w programowaniu. Pomagają w organizacji zadań w programie, aby działał on poprawnie. Bez nich komputer nie wiedziałby, jak podejmować decyzje lub powtarzać działania.
Oto kilka powodów, dla których struktury kontrolne mają kluczowe znaczenie:
Przyjrzyjmy się kilku przykładom z życia codziennego, które odzwierciedlają struktury sterowania w programowaniu.
Przykład sterowania sekwencyjnego:
Wyobraź sobie, że szykujesz się do szkoły. Najpierw się budzisz. Następnie myjesz twarz. Następnie zakładasz ubranie. Na koniec jesz śniadanie. To sekwencja czynności, które wykonujesz jedna po drugiej. W programowaniu komputerowym sterowanie sekwencyjne jest używane, gdy każda instrukcja jest wykonywana bez warunków.
Przykład kontroli wyboru:
Rozważ decyzję, którą podejmujesz, wybierając ubrania. Jeśli pogoda jest zimna, zakładasz ciepły sweter. Jeśli pogoda jest gorąca, zakładasz koszulkę. Ten proces podejmowania decyzji jest podobny do tego, w jaki sposób komputer używa instrukcji „jeśli”. Komputer sprawdza pogodę (warunek), a następnie wybiera odpowiednią opcję ubrania (działanie).
Przykład kontroli iteracji:
Wyobraź sobie, że wykonujesz jakieś zadanie, np. odkładasz zabawki. Możesz mieć wiele zabawek do podniesienia. Zamiast myśleć o każdej zabawce po kolei, po prostu powtarzasz tę samą czynność: podnieś zabawkę, włóż ją do pudełka z zabawkami i przejdź do następnej zabawki, aż wszystkie zostaną podniesione. To powtarzająca się czynność, tak jak pętla w programowaniu.
Czasami struktury kontrolne mogą być umieszczone jedna w drugiej. Nazywa się to zagnieżdżoną strukturą kontrolną . Dzieje się tak, gdy jedna decyzja lub pętla znajduje się w innej. Wyobraź sobie grę, w której dokonujesz wyborów w kilku krokach. Na przykład możesz najpierw zdecydować, czy iść w lewo, czy w prawo. Jeśli wybierzesz lewo, możesz stanąć przed kolejnym wyborem: „Czy wejdziesz na wzgórze, czy je obejdziesz?”. Każdy wybór jest małą decyzją i są one zagnieżdżone jedna po drugiej.
W kodowaniu zagnieżdżanie pozwala komputerowi obsługiwać bardziej złożone zadania. Nawet prosta gra lub aplikacja może mieć kilka warstw decyzji i pętli. Gdy warstwy te współdziałają, program może podejmować mądrzejsze decyzje i robić bardziej ekscytujące rzeczy.
Na przykład wyobraź sobie program, który pomaga Ci zaplanować piknik. Najpierw może zapytać: „Czy pogoda jest ładna?”. Jeśli odpowiedź brzmi tak, program zapyta: „Czy masz wystarczająco dużo jedzenia?”. Jeśli ponownie odpowiesz tak, program powie: „Świetnie! Czas na piknik!”. Jeśli którakolwiek odpowiedź brzmi nie, zasugeruje inny plan. To zagnieżdżone podejmowanie decyzji pomaga komputerowi lepiej zrozumieć Twoje wybory.
Gdy program komputerowy jest uruchomiony, wykonuje instrukcje, które podałeś w określonej kolejności. Wyobraźmy sobie prosty program, który wyświetla powitanie na ekranie komputera. Program może wykonywać następujące czynności:
Krok 1: Uruchom program.
Krok 2: Sprawdź godzinę.
Krok 3: Jeżeli jest poranek, wyświetl komunikat „Dzień dobry!”
Krok 4: Jeżeli jest popołudnie, wyświetl komunikat „Dzień dobry!”
Krok 5: Jeżeli jest wieczór, wyświetl komunikat „Dobry wieczór!”
Krok 6: Zakończ program.
W tym programie istnieje wyraźna sekwencja. Istnieje również decyzja o tym, co pokazać na ekranie. Komputer używa struktury kontroli wyboru (instrukcji if-else ), aby podjąć tę decyzję.
Następnie wyobraź sobie, że grasz w prostą grę komputerową, w której musisz zbierać monety. Program może używać pętli, aby sprawdzać za każdym razem, gdy zbierasz jedną monetę. Będzie liczyć monety, gdy je zbierasz. Gdy zbierzesz wszystkie monety, gra się kończy. W tym przypadku pętla jest strukturą kontroli iteracji, która powtarza proces liczenia.
Struktury sterujące nie są używane tylko w ćwiczeniach szkolnych lub małych programach. Są używane w wielu rzeczywistych aplikacjach, które widzimy każdego dnia. Oto kilka interesujących przykładów:
Te przykłady pokazują, że struktury kontrolne są wszędzie! Pomagają nowoczesnym urządzeniom i programom działać tak płynnie, jak to możliwe, czyniąc nasze życie łatwiejszym i przyjemniejszym.
Napiszmy prosty przykład pseudokodu. Pseudokod to sposób planowania programów przy użyciu prostych słów, które wyglądają jak kod.
Przykład: Prosty decydent w kwestii przekąsek
Wyobraź sobie, że chcesz zdecydować, czy zjeść jabłko czy banana jako przekąskę. Możesz napisać zasady w ten sposób:
Jeśli jesteś głodny i masz ochotę na coś słodkiego, wybierz jabłko.
Jeśli natomiast jesteś głodny i chcesz zjeść coś miękkiego, wybierz banana.
W przeciwnym razie usiądź i pomyśl, czego chcesz.
Ten pseudokod mówi komputerowi: Sprawdź najpierw, czy chcesz czegoś słodkiego. Jeśli to prawda, wybierz jabłko. Jeśli nie, sprawdź coś innego, np. banana. Jeśli żadna z opcji nie pasuje, poświęć chwilę na podjęcie decyzji.
Może pomóc myślenie o strukturach kontrolnych jako o mapie. Wyobraź sobie prostą mapę skarbów. Mapa ma zaznaczoną ścieżkę z krokami napisanymi w kolejności. Kiedy dochodzisz do rozwidlenia drogi, mapa wskazuje ci, w którą stronę iść, na podstawie wskazówki ze skarbu. Czasami mapa wskazuje ci, abyś podążał tą samą ścieżką kilka razy, aż dotrzesz do skarbu. Wszystkie te instrukcje pomagają ci znaleźć właściwą drogę.
Podobnie komputer używa sekwencyjnych kroków, aby podążać za mapą, selekcji, aby wybrać właściwą ścieżkę na rozwidleniach i iteracji, aby powtarzać zadania, aż do osiągnięcia celu. Używając struktur kontrolnych, możemy powiedzieć komputerowi dokładnie, jak dotrzeć do jego „skarbu” – prawidłowego wyniku.
Przyjrzyjmy się ważnym ideom, których nauczyliśmy się dzisiaj:
