程序设计方法学 PPT课件
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程序设计方法学PPT课件
2024/6/6
8
⑵ 代数方法
通过联系不同的操作间的行为关系给出操作的隐 式定义，未给出并发的显式表示。
如：OBJ、Larch
⑶ 过程代数方法
给出并发过程的一个显式模型，并通过过程间允 许的可观察的通信上的限制来约束表示行为。
如：CSP（通信顺序进程）和CCS（通信系统计算）
⑷ 基于逻辑的方法
采用逻辑来描述系统的特性，包括程序行为的低 级规范和系统时间的行为规范。
– 形式化的级别，应先确定应用的关键程度、项 目规模、可用资源等确定采用非、半或高度形 式化的描述
2024/6/6
22
– 使用范围，尽管形式化可以适应所有的开发阶 段，但通常应有选择的使用，对那些安全性、 可信性要求高的构件应用高度的形式化
– 工具，工具的支持在形式化方法中具有重要的 位置，应根据具体项目，综合上述因素选择合 适的工具
(1) 双重类：此类方法兼具二者的特点，如：扩展状 态机/实时时态逻辑等。
Байду номын сангаас
2024/6/6
14
形式化规范的成功案例
• IBM商用信息系统，牛津大学和Hursley实验室使用Z 语言。总体成本降低9％，获皇家技术成就奖。
• Praxis公司使用VDM开发的伦敦机场信息显示系统， 软件质量大为提高，故障率0.75(2~20)每K行代码。
2024/6/6
21
五、认识
• 形式化方法成长至今争议声不断，应正确地认识 形式化方法，在结合到具体的软件开发过程时应 考虑：
– 应用的类型，考虑问题领域的特点和模型的复 杂性
– 规模和结构，较适应中等规模的系统，大型系 统应考虑具有良好的结构
– 类型的选择，应从所确定的目标出发考虑采用 的形式化方法的类型
程序设计方法演示课件-精选.ppt
#include <stdio.h> #include "genlib.h"
main() {
printf("Hello, world.\n"); }
2019/12/24
两个数相加的程序
Those two are the must for every programs you will write in this class
struct switch tyepdef union unsigned void volatile while
2019/12/24
声明
变量
变量声明形式如下： 变量类型 变量名 [ = 初始值 ];
变量类型有： {char, int, float, double, … }
变量名：一个以字符开始的一个字符串
例：int hour;
//声明一个名叫hour的整型变量;
函数
函数声明形式：返回值类型 函数名（参数列表） 返回值类型有：{char, int, float, double, … }
表： 变量类型 变量名[, … ]
int timeConvert (int hour, char amORpm);
2019/12/24
声明
输入和输出
在 “simpio.h”中定义的函数有:
GetInteger ()
GetString ()
GetReal ()
2019/12/24
C保留字
auto break cCase char const continue default do
double else enum extern float for goto if
main() {
printf("Hello, world.\n"); }
2019/12/24
两个数相加的程序
Those two are the must for every programs you will write in this class
struct switch tyepdef union unsigned void volatile while
2019/12/24
声明
变量
变量声明形式如下： 变量类型 变量名 [ = 初始值 ];
变量类型有： {char, int, float, double, … }
变量名：一个以字符开始的一个字符串
例：int hour;
//声明一个名叫hour的整型变量;
函数
函数声明形式：返回值类型 函数名（参数列表） 返回值类型有：{char, int, float, double, … }
表： 变量类型 变量名[, … ]
int timeConvert (int hour, char amORpm);
2019/12/24
声明
输入和输出
在 “simpio.h”中定义的函数有:
GetInteger ()
GetString ()
GetReal ()
2019/12/24
C保留字
auto break cCase char const continue default do
double else enum extern float for goto if
程序设计方法学 PPT
例如： 程序P: t:=x; x:=y; y:=t; 程序函数为：
{（(x,y,t),(y,x,x)）}
对于任意给定的X: (x,y,t) ,程序执行结果为 Y: (y,x,x)
程序函数表示形式：
有序对、数据赋值以及条件规则等形式
2 - 15
例如：[if x ≤ y then z:=x else z:=y fi] ={((x,y,z),(x,y,min(x,y)))} / /有序对的形式 {(x,y,z)|x ≤y z:=x ∧ x>y z:=y} //条件规则的形式 (z:=min(x,y))//数据赋值的形式
L:=0
g1=
P L:=3
g3=
Q L:=4
g2=
e
L:=0
g4=
h
L:=1
2 - 24
…实例 实例
由gi组合成新结构程序
L:=2 P L= 1 L= 2 L:=1 L> 0 L=3 h L=4 I L:=3 e q L:=4 L:=1 L:=0 L:=0
问题：比较庞大，而且效率不高。 问题：比较庞大，而且效率不高。 解决办法：需要简化，特别是消除一些多余的对 的测试与赋值 的测试与赋值。 解决办法：需要简化，特别是消除一些多余的对L的测试与赋值。
基本程序所对应的程序函数… 基本程序所对应的程序函数
函数： [f]={(x,y)|y=f(x)}
g °F f(x)表示函数 的复合，即 g(f(x))
F G 序列： [f; g]={(x,y)|y=g ° f(x)} IF-THEN: [if-then]={(x,y)|p(x) →y=f(x)|¬p(x) →y=x}
结构化程序就是我们通常说得好结构的程序。 结构化程序就是我们通常说得好结构的程序。
{（(x,y,t),(y,x,x)）}
对于任意给定的X: (x,y,t) ,程序执行结果为 Y: (y,x,x)
程序函数表示形式：
有序对、数据赋值以及条件规则等形式
2 - 15
例如：[if x ≤ y then z:=x else z:=y fi] ={((x,y,z),(x,y,min(x,y)))} / /有序对的形式 {(x,y,z)|x ≤y z:=x ∧ x>y z:=y} //条件规则的形式 (z:=min(x,y))//数据赋值的形式
L:=0
g1=
P L:=3
g3=
Q L:=4
g2=
e
L:=0
g4=
h
L:=1
2 - 24
…实例 实例
由gi组合成新结构程序
L:=2 P L= 1 L= 2 L:=1 L> 0 L=3 h L=4 I L:=3 e q L:=4 L:=1 L:=0 L:=0
问题：比较庞大，而且效率不高。 问题：比较庞大，而且效率不高。 解决办法：需要简化，特别是消除一些多余的对 的测试与赋值 的测试与赋值。 解决办法：需要简化，特别是消除一些多余的对L的测试与赋值。
基本程序所对应的程序函数… 基本程序所对应的程序函数
函数： [f]={(x,y)|y=f(x)}
g °F f(x)表示函数 的复合，即 g(f(x))
F G 序列： [f; g]={(x,y)|y=g ° f(x)} IF-THEN: [if-then]={(x,y)|p(x) →y=f(x)|¬p(x) →y=x}
结构化程序就是我们通常说得好结构的程序。 结构化程序就是我们通常说得好结构的程序。
《程序设计》PPT课件
界面设计
提供简洁明了操作界面，方便用户管理学生 信息。
安全性考虑
确保系统数据安全，采取必要加密和备份措 施。
案例三：网络爬虫程序设计
爬虫目标
明确爬虫抓取目标网站及所需数据字段。
爬虫策略
选择合适爬虫框架，制定合理抓取策略及反反爬虫措施。
数据处理
对抓取到数据进行清洗、去重和格式化等处理。
数据存储
将处理后数据存储到数据库或文件中，方便后续分析使用。
通过设置断点，逐步执行程序，观察变量值变化， 找出错误位置。
日志调试
在程序中添加日志输出语句，记录程序执行过程 和关键数据，便于问题追踪。
调试工具
使用专业的调试工具，如GDB、Visual Studio等， 进行程序调试和错误排查。
程序性能评估指标
时间复杂度
评估程序执行时间随输入规模增长的趋势， 优化算法以降低时间复杂度。
案例四：机器学习算法实现
算法选择
根据实际问题需求选择合适机器学习算法。
数据准备
收集并整理训练数据集，进行必要预处理和 特征工程。
模型训练
使用选定算法对训练集进行训练，调整模型 参数优化性能。
模型评估
使用测试集对训练好模型进行评估，衡量其 泛化能力。
感谢您的观看
THANKS
函数式程序设计方法
1 2
函数作为一等公民 将函数视为程序中的基本单元，可作为参数传递、 返回值和赋值给变量。
高阶函数与Lambda表达式 支持将函数作为参数或返回值的函数，以及简洁 的匿名函数表示。
3
递归与迭代 利用函数递归调用实现复杂算法，或通过迭代方 式简化程序结构。
模块化与组件化技巧
模块化设计
高中信息技术 人教版选修1 2.5程序设计的基本方法(共13张PPT)
程序设计的基本方法
一、程序的三种基本结构
1.顺序结构
顺序结构是最简单、最基本的程序控 制结构。将解决问题的各个步骤按顺序写 成程序代码，程序中的各操作是按照它们 出现的先后顺序来执行的。
2.分支结构
分支结构又称为选择结构。利用分支 结构，可以控制程序根据不同的情况做出 不同的处理。
如前面所讲的“天气报告程序”的例 子。利用If-Then-Else条件语句可以实现 程序的条件选择，利用多个If-Then-Else 语句可以实现条件判断的嵌套。还可以通 过其他的语句(如Select Case语句)达到条 件选择的目的。
程序流程图，就是使用专门的图形符号 来描述解决问题的过程。使用程序流程图来 描述算法，优点是简洁直观、易看易懂，逻 辑关系清晰。
三、程序设计的基本思想与步骤
（1）应用领域的知识； （2）程序设计方法； （3）程序设计语言； （4）程序设计环境与工具。
谢谢
3. 循环结构
循环结构又称为重复结构。在解决 一些问题时，经常需要重复执行同一串 语句。利用循环结构可以控制程序的某 一部分按需要重复执行。
顺序、分支和循环三种程序的基本控 制结构都有一个共同的特点：每一种结构 都只有一个入口、一个出口。这三种结构 就像搭积木一样，可以构成任何复杂的程 序。
二、算法
1.算法的概念
编写程序解决实际问题，首先应确定解 决问题的思路和方法，然后写出正确的求解 步骤，这些求解方法与步骤当然要计算机能 理解与识别，这就是算法。所以简单地说， 算法就是计算机能理解与识别的解决问题的 方法和步骤。
2.算法的描述
（1）使用自然语言描述； （2）使用流程图表示。
使用自然语言描述算法容易理解，但所 描述的算法比较繁琐、冗长，有时会产生语 言的“歧义”，不同的人理解的意思可能不 一样。
一、程序的三种基本结构
1.顺序结构
顺序结构是最简单、最基本的程序控 制结构。将解决问题的各个步骤按顺序写 成程序代码，程序中的各操作是按照它们 出现的先后顺序来执行的。
2.分支结构
分支结构又称为选择结构。利用分支 结构，可以控制程序根据不同的情况做出 不同的处理。
如前面所讲的“天气报告程序”的例 子。利用If-Then-Else条件语句可以实现 程序的条件选择，利用多个If-Then-Else 语句可以实现条件判断的嵌套。还可以通 过其他的语句(如Select Case语句)达到条 件选择的目的。
程序流程图，就是使用专门的图形符号 来描述解决问题的过程。使用程序流程图来 描述算法，优点是简洁直观、易看易懂，逻 辑关系清晰。
三、程序设计的基本思想与步骤
（1）应用领域的知识； （2）程序设计方法； （3）程序设计语言； （4）程序设计环境与工具。
谢谢
3. 循环结构
循环结构又称为重复结构。在解决 一些问题时，经常需要重复执行同一串 语句。利用循环结构可以控制程序的某 一部分按需要重复执行。
顺序、分支和循环三种程序的基本控 制结构都有一个共同的特点：每一种结构 都只有一个入口、一个出口。这三种结构 就像搭积木一样，可以构成任何复杂的程 序。
二、算法
1.算法的概念
编写程序解决实际问题，首先应确定解 决问题的思路和方法，然后写出正确的求解 步骤，这些求解方法与步骤当然要计算机能 理解与识别，这就是算法。所以简单地说， 算法就是计算机能理解与识别的解决问题的 方法和步骤。
2.算法的描述
（1）使用自然语言描述； （2）使用流程图表示。
使用自然语言描述算法容易理解，但所 描述的算法比较繁琐、冗长，有时会产生语 言的“歧义”，不同的人理解的意思可能不 一样。
程序设计方法学PPT课件
7
参考书
1. 《程序设计方法学基础》陈火旺 湖南科学技术出版社 2. 《程序设计方法学》 仲萃豪 吉林大学出版社 3. 《程序设计方法学教程》 张幸儿 南京大学出版社 4. 《现代软件工程》周之英 科学出版社 5. 《形式语义学基础与形式说明》 屈延文 科学出版社 6. 《The Science of Programming》 Gries, D. 7. 《Communicating Sequential Processos》Hoare,C.A.R 8. 《Programming from Specification》 Carroll Morgan 9. 《程序设计方法学》 胡正国 国防工业出版社 10. 《对象技术导论》 冯玉琳 科学出版社
2019/5/26
华东师大计算机科学技术系
5
• 第七章 并行程序设计方法 §7.1 基本概念 §7.2 并行系统 §7.3 并行程序设计语言 §7.4 通讯顺序进程(CSP)
2019/5/26
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6
基本要求
• 了解程序设计方法学的地位和重要性；
• 掌握程序控制结构构成的基本原理、基本成份；
2019/5/26
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20
d) 形式化的方法 • 计算机语言的研究可以分为三部分：
– 语法学（Syntax)：研究程序设计语言的形态结构
– 语义学（Semantics)：研究程序设计语言和它所指的 对象间的关系
– 语用学（Pragmatics)：研究语言和它使用间的关系
• 形式语义学
2019/5/26
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25
二、展望
• 今后的发展？ 软件开发对象的变化
C语言程序设计教程ppt课件完整版pptx
C语言的应用领域
计算机系统基本概念
计算机系统的组成 操作系统的基本概念 计算机中的数与编码
编程环境与工具安装配置
01
常见的C语言编程环境
02
安装与配置C语言编译器
使用集成开发环境（IDE）进行C语言编程
03
第一个C程序：Hello, World!
01
C程序的基本结 构
02
编写Hello, World!程序
应用场景
适用于需要根据特定条件提前终 止循环或跳过某些循环操作的情 况。
04 函数与模块化设计
函数定义和调用
01
函数定义
包括函数名、参数列表、返回值 类型和函数体等部分，用于描述 函数的功能和实现细节。
函数调用
02
03
函数声明
通过函数名和参数列表来调用函 数，实现相应功能并获取返回值 。
在使用函数之前，需要对函数进 行声明，以便编译器识别函数的 存在和调用方式。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
指针运算符
包括取地址运算符&和取值运算符*，分别 用于获取变量的内存地址和通过指针访问内 存中的数据。
动态内存分配函数（malloc, free）使用方法
malloc函数
用于在堆区动态分配指定大小的内存空间，并返回 分配内存的起始地址。
free函数
用于释放之前通过malloc函数分配的内存空间，防 止内存泄漏。
动态规划思想
动态规划是一种在数学、计算机科学和经济学中 使用的，通过把原问题分解为相对简单的子问题 的方式来求解复杂问题的方法。动态规划常用于 优化重叠子问题的计算。
回溯与分支限界法
回溯法是一种通过探索所有可能的候选解来找出 所有解的算法，而分支限界法是一种通过剪枝来 减少搜索空间的优化算法。回溯与分支限界法常 用于解决组合优化问题。
计算机系统基本概念
计算机系统的组成 操作系统的基本概念 计算机中的数与编码
编程环境与工具安装配置
01
常见的C语言编程环境
02
安装与配置C语言编译器
使用集成开发环境（IDE）进行C语言编程
03
第一个C程序：Hello, World!
01
C程序的基本结 构
02
编写Hello, World!程序
应用场景
适用于需要根据特定条件提前终 止循环或跳过某些循环操作的情 况。
04 函数与模块化设计
函数定义和调用
01
函数定义
包括函数名、参数列表、返回值 类型和函数体等部分，用于描述 函数的功能和实现细节。
函数调用
02
03
函数声明
通过函数名和参数列表来调用函 数，实现相应功能并获取返回值 。
在使用函数之前，需要对函数进 行声明，以便编译器识别函数的 存在和调用方式。
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指针运算符
包括取地址运算符&和取值运算符*，分别 用于获取变量的内存地址和通过指针访问内 存中的数据。
动态内存分配函数（malloc, free）使用方法
malloc函数
用于在堆区动态分配指定大小的内存空间，并返回 分配内存的起始地址。
free函数
用于释放之前通过malloc函数分配的内存空间，防 止内存泄漏。
动态规划思想
动态规划是一种在数学、计算机科学和经济学中 使用的，通过把原问题分解为相对简单的子问题 的方式来求解复杂问题的方法。动态规划常用于 优化重叠子问题的计算。
回溯与分支限界法
回溯法是一种通过探索所有可能的候选解来找出 所有解的算法，而分支限界法是一种通过剪枝来 减少搜索空间的优化算法。回溯与分支限界法常 用于解决组合优化问题。
C程序设计教程课件PPT课件
哈希查找
通过哈希函数将元素的关键字转 换为数组的索引，然后在对应位 置进行查找。时间复杂度为O(1)。
THANKS
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选择排序
每次从未排序序列中选出最小 （或最大）元素，放到已排序
序列的末尾。时间复杂度为 O(n^2)。
插入排序
将未排序元素插入到已排序序 列中的适当位置，以达到排序 的目的。时间复杂度为O(n^2)。
常见排序算法实现原理及性能比较
快速排序
采用分治策略，通过一趟排序将待排序序列分割成独立的两部分，其中一部分的所有元素都比另一部分的 所有元素小，然后再对这两部分继续进行排序。时间复杂度为O(nlogn)。
示例1
使用fprintf()和fscanf()函数实现 文件的读写操作。
示例2
使用fgetc()和fputc()函数实现文 件的字符读写操作。
示例3
使用fgets()和fputs()函数实现文 件的字符串读写操作。
示例4
使用fread()和fwrite()函数实现 文件的数据块读写操作。
数据存储格式选择（如：文本、二进制）
01
文本格式
02
二进制格式
03
选择依据
将数据以字符形式存储，便于查看和编 辑，但占用空间较大。
将数据以二进制形式存储，占用空间较 小，读写效率高，但不便于直接查看和 编辑。
根据实际需求选择数据存储格式，如需 要频繁读写大量数据且对存储空间有要 求时，可以选择二进制格式；如需要方 便查看和编辑数据时，可以选择文本格 式。
算法概念及评价标准
算法概念
为解决特定问题而规定的一系列操作步骤，具有有穷性、确定性、可行性、输 入和输出五个基本特性。
评价标准
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一、重要意义 • 软件发展中的问题：
– 整体功能不强、缺乏智能、质量欠佳、生产效 率低
– 软件自动化是提高软件生产率的根本途径 – 软件自动化的前提是形式化 • 因此将形式化的理论和方法用于需求分析与规格 说明是实现软件自动化的前提
02.08.2020
华东师大计算机科学技术系
6
二、发展状况
• 有30多年历史
信息安全
信息教育
02.08.2020
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3
创跨
新越
根源
植之
汪辨
成 为 院
短 长
识 规 律
士
02.08.2020
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4
软件自动化的三个层次
• 软件自动化（自动程序设计） 广义：尽可能地借助计算机系统实现软件开发 狭义：从形式化的软件功能规范到可执行程序代码 这一过程的自动化
给出系统（程序）状态和状态变换与操作的显式的 表示但亦是抽象的定义，不涉及并发的行为。 如：Z、VDM
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⑵ 代数方法
通过联系不同的操作间的行为关系给出操作的隐 式定义，未给出并发的显式表示。
如：OBJ、Larch
⑶ 过程代数方法
给出并发过程的一个显式模型，并通过过程间允 许的可观察的通信上的限制来约束表示行为。
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• 三项任务分别对应三方面的活动：
1. 形式化规范（规格）：
– 软件规范是指对软件系统对象及用来对系统对 象进行操作的方法的集合。以及对所开发系统 中的各对象在生命周期间的集体行为的描述。
– 对应与软件生命周期的各个阶段，规范应该理 解为是一个多阶段的行为。见例图
– 规范可以采用非、半形式化的方法来描述，形 式化规范精确地描述了用户的需求、软件系统 的功能及各种性质，其描述的是“做什么”， 而不考虑“如何做”。因此，在理解、掌握形 式规范语言和方法的基础上对所描述的系统的 全面、深入的了解，给出恰如其分的描述上至 关重要的。
如：CSP（通信顺序进程）和CCS（通信系统计算）
⑷ 基于逻辑的方法
采用逻辑来描述系统的特性，包括程序行为的低 级规范和系统时间的行为规范。
如：时态逻辑、模态逻辑
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⑸ 基于网络的方法
根据网络中的数据流显式ห้องสมุดไป่ตู้给出系统的并发模 型，包括数据从一个结点流向另一个结点的条件。
基本理论：代数语义
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⑵ 抽象模型方法
特点：基于某些已知的ADT来给出待定义的 ADT的抽象模型，用抽象模型来刻画待 定义的ADT中运算的功能。
基本理论：指称语义
⑶ 状态机方法
特点：通过状态的转换来刻画输入与输出间的 关系
基本理论：操作语义
⑷ 高阶软件方法（HOS）
如：Petri网、谓词变换网
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四、形式化软件开发方法
• 采用软件生命周期的变换模型，其实质是将现实世界 的需求反映成软件的模型化过程。涉及三方面模型： 现实世界，模型表示和计算机系统。因此开发的过程 就是从三方面对系统进行描述和转换的过程。
• 开发过程中的任务为：
概况二
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概况三
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重要方向
攻克的关键教技术
网络体系 集成芯片 虚拟计算 软件工程 知识处理 高效系统
传感器网与因特网的高效融合 从System on chip到Chip on demount 资源聚合的有效性和可靠性验证 基于网络环境的需求工程 挖掘从消息到知识到决策的元知识 在高性（效）能计算系统中系列关注
基于控制公理
基本理论：公理语义
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• 在软件规范语言方面的代表性成果有： – 一阶谓词演算组成语言 – 80年代：Z语言、Larch语言、VDM语言 – 90年代：面向实时及分布式的LOTOS语言、 面向对象的Z++、Object-Z、VDM++等
三、分类 ⑴ 基于模型的方法
第六章 程序设计的形式化方法
• 软件新技术 – 智能化技术 – 自动化技术 – 集成化技术 – 并行化技术 – 自然化技术
扩大软件功能的关键途径 提高软件生产率的根本途径 助于提高生产率、提高质量 提高系统实效的关键技术 实现社会信息化
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1
整体概述
概况一
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包含各规格阶段的生命周期模型例
需求分析 SRD BS
(1) 模型获取：从现实世界向模型表示的过程，涉及如何 提取、表示模型。对应需求分析、设计等活动。
(2) 模型验证：对得到的模型表示进行检验，判断是否捕 获了所有的需求，该模型是否具有所期望的特性。
(3) 模型变换：是向计算机系统变换的过程， 关键的任 务是一致性检测。对应实现和测试。
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• 因此，形式化方法是在软件系统的开发过程中使用 一种形式系统来表示模型的方法。
• 形式系统是二元组（L，Cn） – L：语言（形式规范语言）
– Cn：对应关系，由推理规则构成 • 在软件规范方法方面的代表性成果有：
⑴ 基于异调代数的代数方法
特点：用抽象代数中的公理化方法来刻画抽象数 据类型中运算的性质，而不涉及数据的具 体表示。
• 从软件需求规范 软件功能、性能规范的转换 解决从 “非形式” “形式” 难度很大，寄希望于受限自然语言方面的突破
• 从软件功能、性能规范 软件设计 从“做什么” “如何做“
• 从软件设计规范 高级语言 已有相当的进展，出现了许多工具……
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5
§1 概述
Dijkstra、Hoare ――――程序验证 Scott、Stratchey ――――程序语义 • 形式化方法(Formal Method)：
通过严格的规范化的数学理论来描述软件系统“做 什么”的方法。需要形式规范语言的支持。
• 形式规范语言：
提供了一个称为语法域的记号系统。一个称为语义 域的目标集合，以及一组精确定义的哪些目标系统 满足那个规范的规则。
– 整体功能不强、缺乏智能、质量欠佳、生产效 率低
– 软件自动化是提高软件生产率的根本途径 – 软件自动化的前提是形式化 • 因此将形式化的理论和方法用于需求分析与规格 说明是实现软件自动化的前提
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二、发展状况
• 有30多年历史
信息安全
信息教育
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创跨
新越
根源
植之
汪辨
成 为 院
短 长
识 规 律
士
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软件自动化的三个层次
• 软件自动化（自动程序设计） 广义：尽可能地借助计算机系统实现软件开发 狭义：从形式化的软件功能规范到可执行程序代码 这一过程的自动化
给出系统（程序）状态和状态变换与操作的显式的 表示但亦是抽象的定义，不涉及并发的行为。 如：Z、VDM
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⑵ 代数方法
通过联系不同的操作间的行为关系给出操作的隐 式定义，未给出并发的显式表示。
如：OBJ、Larch
⑶ 过程代数方法
给出并发过程的一个显式模型，并通过过程间允 许的可观察的通信上的限制来约束表示行为。
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• 三项任务分别对应三方面的活动：
1. 形式化规范（规格）：
– 软件规范是指对软件系统对象及用来对系统对 象进行操作的方法的集合。以及对所开发系统 中的各对象在生命周期间的集体行为的描述。
– 对应与软件生命周期的各个阶段，规范应该理 解为是一个多阶段的行为。见例图
– 规范可以采用非、半形式化的方法来描述，形 式化规范精确地描述了用户的需求、软件系统 的功能及各种性质，其描述的是“做什么”， 而不考虑“如何做”。因此，在理解、掌握形 式规范语言和方法的基础上对所描述的系统的 全面、深入的了解，给出恰如其分的描述上至 关重要的。
如：CSP（通信顺序进程）和CCS（通信系统计算）
⑷ 基于逻辑的方法
采用逻辑来描述系统的特性，包括程序行为的低 级规范和系统时间的行为规范。
如：时态逻辑、模态逻辑
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⑸ 基于网络的方法
根据网络中的数据流显式ห้องสมุดไป่ตู้给出系统的并发模 型，包括数据从一个结点流向另一个结点的条件。
基本理论：代数语义
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⑵ 抽象模型方法
特点：基于某些已知的ADT来给出待定义的 ADT的抽象模型，用抽象模型来刻画待 定义的ADT中运算的功能。
基本理论：指称语义
⑶ 状态机方法
特点：通过状态的转换来刻画输入与输出间的 关系
基本理论：操作语义
⑷ 高阶软件方法（HOS）
如：Petri网、谓词变换网
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四、形式化软件开发方法
• 采用软件生命周期的变换模型，其实质是将现实世界 的需求反映成软件的模型化过程。涉及三方面模型： 现实世界，模型表示和计算机系统。因此开发的过程 就是从三方面对系统进行描述和转换的过程。
• 开发过程中的任务为：
概况二
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概况三
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重要方向
攻克的关键教技术
网络体系 集成芯片 虚拟计算 软件工程 知识处理 高效系统
传感器网与因特网的高效融合 从System on chip到Chip on demount 资源聚合的有效性和可靠性验证 基于网络环境的需求工程 挖掘从消息到知识到决策的元知识 在高性（效）能计算系统中系列关注
基于控制公理
基本理论：公理语义
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• 在软件规范语言方面的代表性成果有： – 一阶谓词演算组成语言 – 80年代：Z语言、Larch语言、VDM语言 – 90年代：面向实时及分布式的LOTOS语言、 面向对象的Z++、Object-Z、VDM++等
三、分类 ⑴ 基于模型的方法
第六章 程序设计的形式化方法
• 软件新技术 – 智能化技术 – 自动化技术 – 集成化技术 – 并行化技术 – 自然化技术
扩大软件功能的关键途径 提高软件生产率的根本途径 助于提高生产率、提高质量 提高系统实效的关键技术 实现社会信息化
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整体概述
概况一
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包含各规格阶段的生命周期模型例
需求分析 SRD BS
(1) 模型获取：从现实世界向模型表示的过程，涉及如何 提取、表示模型。对应需求分析、设计等活动。
(2) 模型验证：对得到的模型表示进行检验，判断是否捕 获了所有的需求，该模型是否具有所期望的特性。
(3) 模型变换：是向计算机系统变换的过程， 关键的任 务是一致性检测。对应实现和测试。
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• 因此，形式化方法是在软件系统的开发过程中使用 一种形式系统来表示模型的方法。
• 形式系统是二元组（L，Cn） – L：语言（形式规范语言）
– Cn：对应关系，由推理规则构成 • 在软件规范方法方面的代表性成果有：
⑴ 基于异调代数的代数方法
特点：用抽象代数中的公理化方法来刻画抽象数 据类型中运算的性质，而不涉及数据的具 体表示。
• 从软件需求规范 软件功能、性能规范的转换 解决从 “非形式” “形式” 难度很大，寄希望于受限自然语言方面的突破
• 从软件功能、性能规范 软件设计 从“做什么” “如何做“
• 从软件设计规范 高级语言 已有相当的进展，出现了许多工具……
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§1 概述
Dijkstra、Hoare ――――程序验证 Scott、Stratchey ――――程序语义 • 形式化方法(Formal Method)：
通过严格的规范化的数学理论来描述软件系统“做 什么”的方法。需要形式规范语言的支持。
• 形式规范语言：
提供了一个称为语法域的记号系统。一个称为语义 域的目标集合，以及一组精确定义的哪些目标系统 满足那个规范的规则。