宋東興,殷旭東
(常熟理工學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇常熟 215500)
從八皇后問題的解決方案看面向過程和面向?qū)ο?/p>
宋東興,殷旭東
(常熟理工學(xué)院計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇常熟 215500)
通過八皇后問題的解的分析,討論了面向過程的解決方案和面向?qū)ο蠼鉀Q方案的不同,比較了面向過程設(shè)計思想和面向?qū)ο笤O(shè)計思想的區(qū)別和聯(lián)系,提出程序設(shè)計教學(xué)要從面向過程逐步過渡到面向?qū)ο螅鎻娬{(diào)一面而忽視另一面都是不可取的.
八皇后;面向過程;面向?qū)ο螅粚ο螅唤鉀Q方案
著名數(shù)學(xué)家高斯在1850年提出:在8×8格的國際象棋上擺放八個皇后,使其不能互相攻擊,即任意兩個皇后都不能處于同一行、同一列或同一斜線上,問有多少種擺法?此即八皇后問題.八皇后問題可以采用面向過程和面向?qū)ο髢煞N不同的解決方案.
在眾多針對“軟件危機”[1]的解決方案中,面向?qū)ο缶幊淌且环N優(yōu)秀的方法,國內(nèi)大多數(shù)高校的計算機專業(yè)都開設(shè)了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計課程,有的學(xué)校大一就直接進(jìn)入面向?qū)ο蠼虒W(xué).然而要完全拋棄傳統(tǒng)的面向過程方法,只接受面向?qū)ο蠓椒ú⒉豢茖W(xué),宏觀上的面向?qū)ο笏枷霃奈⒂^上看仍然是面向過程在實現(xiàn),離開面向過程的鋪墊而直接進(jìn)入面向?qū)ο螅瑢W(xué)生理解起來往往比較困難,實際教學(xué)效果也不理想.筆者通過八皇后問題的求解案例,分析比較面向過程和面向?qū)ο蟮牟煌岢龀绦蛟O(shè)計教學(xué)要從面向過程循序漸進(jìn)到面向?qū)ο?
1.1 基本思想
以過程作為分析的主題,著重強調(diào)一個系統(tǒng)中發(fā)生的過程以及由一個過程的結(jié)果輸出作為下一個過程輸入的數(shù)據(jù)流動,通過信息流及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換來認(rèn)識系統(tǒng),采用的是“自頂向下,逐步求精”的思維方法,核心思想是:以事件為中心,分析解決問題的步驟,然后用函數(shù)把這些步驟一步一步實現(xiàn),使用時依次調(diào)用就可以了.
1.2 八皇后問題的面向過程的解決方案
需要使用各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來保持棋子的位置,算法通過系統(tǒng)地控制每一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值,檢測每個新位置是否符合沒有皇后攻擊其他皇后的原則來解決問題.
1.2.1 窮舉法
解決八皇后問題的關(guān)鍵在于:
(1)找到合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存放棋子的擺放位置.
(2)要有合理的沖突檢查算法[2].采用的方法是,先把8個棋子擺在棋盤上,每行擺一個,然后去檢查這種擺放是否有沖突,如果沒有沖突,即找到了一種解決方案.
首先是如何存放棋子的擺放位置.可以設(shè)想一下,當(dāng)8個棋子擺放好之后,每個棋子的位置都有一個行值和列值,由于每行只有一個棋子,就可以從第0行開始依次記錄每個棋子的列值,8個棋子的列值依次排列構(gòu)成一個數(shù)字序列,例如24135046,它表示第0行棋子擺放在第2列,第1行棋子擺放在第4列,以此類推,這樣一種擺放方式對應(yīng)一個8位的8進(jìn)制數(shù),用一個一維數(shù)組來存放這樣一個8進(jìn)制數(shù),00000000-77777777窮舉了所有的擺放方式.
接下來對每種擺放情況做沖突檢查,若不沖突就是一個解.

注:(i,queen[i])代表一個棋子的行,列坐標(biāo).
沖突檢查:(1)每行只放一個棋子,行上不會有沖突.
(2)數(shù)組中如沒有兩個元素值相同,則列上沒有沖突.
(3)任意兩個棋子(i,queen[i]),(j,queen[j]),只要有queen[i]+i!=queen[j]+j,且queen[i]-i!=queen [j]-j,則對角線上沒有沖突.
為方便運算:將八進(jìn)制數(shù)范圍00000000-77777777表達(dá)成十進(jìn)制,則范圍為[0,88-1],再將范圍內(nèi)每個十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為八進(jìn)制數(shù)字存入queen數(shù)組中.
窮舉算法:

1.2.2 回溯法[3]
回溯算法也叫試探法,它是一種系統(tǒng)化的窮舉搜索問題的解的方法,基本思想是:從一條路往前走,能進(jìn)則進(jìn),不能進(jìn)則退回來,換一條路再試.在前進(jìn)和回撤的路上都設(shè)置一些標(biāo)記,以便正確返回,直到達(dá)到目標(biāo)或者所有可能方案都已嘗試為止.
從第一行開始,逐行安排皇后(Q),Q1從第一行的第一個位置開始嘗試,然后嘗試Q2,…Qi-1,使得前i-1個皇后互不攻擊,再嘗試Qi,如果第i行上沒有剩余可放位置,則返回i-1行,同時使Qi-1放棄剛才擺放位置,并嘗試下一位置,…當(dāng)Q8成功放置時,則找到一種解.當(dāng)Q8嘗試過最后一行的所有位置后,算法結(jié)束.
回溯算法:


2.1 基本思想
面向?qū)ο蠓治龇椒ǖ幕舅枷胧牵喝f物都可看作對象[4],面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)是由一組互相作用的對象所組成的一個團(tuán)體,每一個對象都扮演一個角色,并為團(tuán)體中的其他成員提供特定的服務(wù)或者執(zhí)行特定的行為,目標(biāo)的實現(xiàn)來自于每個對象的努力和他們之間的相互協(xié)作.
2.2 八皇后問題的面向?qū)ο蟮慕鉀Q方案
方案要點:創(chuàng)建代表每一個皇后的對象,然后賦予它們尋找解決方案的能力,八個皇后彼此之間相互作用,各自負(fù)責(zé)尋找自己的解決方案[1].
2.2.1 為皇后對象建模
分析:在任一解決方案中,不會出現(xiàn)空列,一列也不可能有兩個皇后,可以為每一皇后指定一個特定列(col),而尋找一個合適的行(row).為了找到解決方案,皇后們需要相互聯(lián)系,每個皇后只需要了解它的鄰居(neighbor),即緊挨著其左邊的那個皇后.
第n列的可接受的解決方案可表示為:從第1列到第n列,沒有皇后可以攻擊其他皇后.每個皇后只需詢問相鄰皇后是否能夠互相攻擊.如果能夠互相攻擊,那么這個皇后就前進(jìn)一行(如不能前進(jìn)將返回失敗),當(dāng)相鄰皇后返回不能互相攻擊的信息時,解決方案就找到了,通過詢問最右端的皇后,找到一個可能的解決方案,即可找到整個問題的方案.
2.2.2 Queen類的部分方法實現(xiàn)思路
①構(gòu)造方法
為皇后對象建立必需的初始條件,行(row)從第0列開始,處于第n列皇后通過給定列號(col)以及相鄰的皇后進(jìn)行初始化.

圖1 皇后類的UML表示


②尋找解決方案findsolution()
通過詢問相鄰皇后是否能夠互相攻擊,來尋找解決方案.如果能夠互相攻擊,那么這個皇后就前進(jìn)一行(如不能前進(jìn)將返回失敗),當(dāng)相鄰皇后返回不能互相攻擊的信息時,解決方案就找到了.
③皇后前進(jìn)下一位置advance()
如果當(dāng)前不是最后行,則行號(row)加1,否則當(dāng)試驗過本列所有位置后仍然沒有找到解決方案時,就要求鄰居皇后尋找新的解決方案,并且自己的行(row)位置重新從第0行開始.
2.2.3 八皇后問題的面向?qū)ο蠼?/p>


圖2 findSolution()方法實現(xiàn)思路
從八皇后的問題的解法來看,傳統(tǒng)的面向過程的求解就像一個人坐在棋盤前,移動一些毫無生命的棋子,這種方式強調(diào)的是從一個行為到另一個行為的控制流,每一步過程的結(jié)果,都是下一步的前提條件,程序設(shè)計者必須事必躬親,考慮系統(tǒng)的每一細(xì)節(jié),什么時候?qū)κ裁磾?shù)據(jù)進(jìn)行操作.當(dāng)分析的系統(tǒng)規(guī)模較小時,面向過程的方法能取得較好的效果,但當(dāng)系統(tǒng)逐比較大復(fù)雜時,由于系統(tǒng)組成預(yù)先不可知,加上系統(tǒng)組成之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系也不易弄清楚的情況下,面向過程的分析方法就難以勝任了.
而在八皇后問題的面向?qū)ο蟮慕夥ㄖ校覀冑x予每一個棋子自己解決問題的能力[1].把尋找解決方案的責(zé)任分配給那些相互作用的皇后對象,每一個棋子就像一個有生命的個體,它們彼此相互作用,各自負(fù)責(zé)尋找自己的解決方案,這代替了那種由單一實體來控制結(jié)果的集中模式,當(dāng)系統(tǒng)需求增加或發(fā)生變化時,只需在局部進(jìn)行改變或增刪操作,而不會影響整個系統(tǒng)的架構(gòu).
面向過程方法要求你為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做些什么,而面向?qū)ο蟮姆椒▌t問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為你做了些什么;面向過程采用的是一個過程狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型,它與實際計算機內(nèi)部的工作流程大致相吻合,但對于我們理解如何使用計算機來解決問題卻沒有什么幫助,面向過程采用的是“責(zé)任驅(qū)動”設(shè)計模型,與現(xiàn)實世界人們解決問題的方式相近,但無論是哪種方式對程序員來說都應(yīng)該熟悉和掌握.教師在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計教學(xué)中,選取一些典型的問題,引導(dǎo)學(xué)生用兩種不同方式來思考解決,更有利于學(xué)生加深對面向?qū)ο蟮乃季S方式的理解,筆者在實際的教學(xué)中采用這種方式也取得了較好的效果.
面向過程和面向?qū)ο笫莾煞N不同的思考問題的方法,面向過程方法以事務(wù)為中心,側(cè)重于分析解決問題所需的步驟,強調(diào)怎么實施,而面向?qū)ο笫且允挛餅橹行模严到y(tǒng)分解成若干對象,側(cè)重某個對象在整個解決問題的過程中的責(zé)任(行為),強調(diào)實施什么.通過用責(zé)任來討論問題,提高了抽象的水平,使得對象之間更加獨立,這正是解決復(fù)雜問題的關(guān)鍵.
對于大多數(shù)問題,面向?qū)ο蠓椒ū让嫦蜻^程方法優(yōu)越,但并不意味著它能完全取代面向過程,事實上,從宏觀角度來分析系統(tǒng)時采用面向?qū)ο螅鴱奈⒂^考慮一個對象的行為的具體實現(xiàn)時,離不開面向過程[5].這就要求程序設(shè)計課程教學(xué)要從面向過程開始,并在教學(xué)中及時滲透面向?qū)ο蟮乃枷耄箤W(xué)生逐步過渡到用面向?qū)ο蠓椒ㄋ伎紗栴}.
[1](美)Timothy A Budd.面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(影印版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
[2]焦玲,邢偉,于海波,等.Java程序設(shè)計案例匯編[M].北京:中國鐵道出版社,2008.
[3]嚴(yán)蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(C語言版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1997.
[4](美)Bruce Eckel.Java編程思想[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[5]游曉明,劉升.面向過程向面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的轉(zhuǎn)變與實現(xiàn)[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報,1999(2).
Observing Procedure-oriented and Object-oriented from the Solution to the Eight-queen Puzzle
SONG Dong-xing,Ying Xu-dong,LIU Yong-jun
(School of Computer Science and Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)
By analyzing the question of the eight-queen puzzle,this paper discusses the different solutions between procedure-oriented and object-oriented,compares their relation and difference.The paper also proposes program?ming design teaching,which needs natural transition from procedure-oriented to object-oriented,and it is not desir?able to emphasize one side and ignore another one.
eight queens;procedure-oriented;object-oriented;object;solution
TP312
A
1008-2794(2012)04-0120-05
2012-02-23
宋東興(1973—),男,江蘇高郵人,講師,研究方向:計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù),圖像處理,軟件工程.