2019-2020-1学期 20192405《网络空间安全专业导论》第二周学习总结

2019-2020-1学期 20192420《网络空间安全专业导论》第二周学习总结

第六章

低级程序设计语言与伪代码

6.1 计算机操作

• 存储、检索、处理是计算机能够对数据进行执行的动作。

也就是说控制单元执行的指令能够把数据存储到机器的内存中，在机器内存中检索数据，在算数逻辑单元中以某种方式处理数据。

 

6.2机器语言

 

• 机器语言(machine language):由计算机直接使用的二进制编码指令构成的语言。
• pep/8：一台虚拟机每一种计算机有一个特定的能够被执行的操作集合，称为这种计算机的机器语言。

虚拟机：为了模拟真实机器的重要特征而设计的假象机器。

指令格式
首先，我们需要研究pep/8的指令格式
一条指令由两个部分组成，即8位的指令说明符和（可选的）16位的操作数说明符
指令说明符说明了要执行什么操作和如何解释操作数的位置。操作数说明符（指令存放的第二个和第三个字节）存放的是操作数本身或者是操作数的地址。有些指令没有操作说明符。
其中指令的指令说明符部分，前四位为操作码，第五位为寄存器说明符或操作码的第五位后三位为寻址模式
寻址模式分为
立即寻址（000）：指令的操作说明符中存储的是就是操作数
直接寻址（001）：指令的操作说明符中存储的是操作数所在的内存地址名称
没有操作数的指令称为一元指令，这些指令没有操作说明符，一元指令符的长度是一字节

0000：停止执行
1100：将操作数载入寄存器A中

1110：将寄存器A中的内容存储到操作数中
0111：将操作数加到寄存器A中
1000：将寄存器A中的值中减去操作数的值
01001：把字符输入操作数
01010：从操作数输出字符

6.3一个程序实例

简而言之，所需要的就是将给出的二进制指令，转化为16进制，即构成了两种进制命令语言

6.3.1手工模拟

1）从程序计数器指定的位置读取下一条指令
2)译解指令（并且更新程序计数器）
3）如果需要，获取数据操作数
4）执行命令
第一步先将0000载入程序计数器，执行命令后，然后在PC上加三（因为一共有三个字节）
最后指令为00000000为一元指令周期停止

6.3.2pep8模拟程序

要运行一个程序，需要逐字节地输入十六进制的代码，每个字节之间用空格隔开，以zz结束程序。

装入程序（loader）：软件用于读取机器语言并把它载入内存的部分

6.4.1 Pep/8汇编语言

• 在Pep/8汇编语言中，每个寄存器有一个操作码，操作数是十六进制的，由0x说明，寻址模式说明符由字母i或d说明。
• Pep/8汇编语言提供了助记忆码DECI和DECO，它允许我们做十进制输入和输出。
• 汇编器指令（assembler）：翻译程序使用的指令。
• 注释（comment）：为程序读者提供的解释性文字。
• 汇编器的输入是一个用汇编语言编写的程序，输出是用机器代码编写的程序。

6.4.2 汇编器指令

6.4.3 Hello程序的汇编语言版本

6.4.4 一6.4.4 一个新程序

6.4.5 具有分支的程序

• 一个将程序计数器设为下一条被执行的指令地址的BR指令可以改变程序计数器。
• 一个将程序计数器设为下一条被执行的指令地址的BR指令可以改变程序计数器。
• 伪代码：这是一种可以减少对分支和循环的情形进行文字解释的方式。
• 算法（algorithm）：解决方案的计划或概要，或解决问题的逻辑步骤顺序。
• 伪代码（pseudocode）：一种表达算法的语言。

个新程序

6.4.5 具有分支的程序

6.4.6 具有循环的程序

6.5 表达算法

6.5.1 伪代码的功能

虽然伪代码并没有特定的语法规则，但必须要表示变量、赋值、输入/输出、选择和重复的概念

布尔表达式（boolean expression）：评价为真或假的表达式。

6.5.2 执行伪代码算法

6.5.3 写伪代码算法

• 桌面检查（desk checking）：在纸上走查整个设计。

6.5.4 翻译伪代码算法

由于汇编语言的范围是有限的，所以一个伪代码语句需要几个 Pep/8语句。

6.6 测试

• 测试计划（test plan）：说明如何测试程序的文档。
• 代码覆盖（明箱）测试法（code-coverage(clear-box)testing):通过执行代码中的所有语句测试程序或子程序的测试方法。
• 数据覆盖（暗箱）测试法（data-coverage（black-box）testing）：把代码作为一个暗箱，基于所有可能的输入数据测试程序或子程序的测试方法。
• 测试计划实现（test-plan implementation）：用测试计划中规定的测试用例验证程序是否输出了预期的结果。
• 重要的引入：1945年，George Polya所写的《如何解决它：数学方法的新观点》。
• Polya的“如何解决它”列表
• 人类是擅长识别相似的情况的，在计算领域中，会看到某种问题不断地以不同的形式出现，一个好的程序员看到以前解决的任务或者任务的一部分（子任务）时，会直接选用已有的解决方案。
• 通常，我们会把一个大问题划分为几个能解决的小单元，这项原则尤其适用于计算领域：把大的问题分割成能够单独解决的小问题。
• 可以把一项任务分成若干个子任务，而子任务还可以继续划分为子任务，如此进行下去。可以反复利用分治法，直到每个子任务都是可以实现的为止。
• 算法（algorithm):在有限的时间内用有限的数据解决问题或子问题的明确指令集合。
• 计算机问题求解过程有四个阶段，即分析和说明阶段、算法开发阶段、实现阶段和维护阶段。

第7章 问题求解与算法设计

7.1 如何解决问题重要的引入：1945年，George Polya所写的《如何解决它：数学方法的新观点》

7.1.1 提出问题Polya的“如何解决它”列表

7.1.2 寻找熟悉的情况人类是擅长识别相似的情况的，在计算领域中，会看到某种问题不断地以不同的形式出现，一个好的程序员看到以前解决的任务或者任务的一部分（子任务）时，会直接选用已有的解决方案。

7.1.3 分治法

• 通常，我们会把一个大问题划分为几个能解决的小单元，这项原则尤其适用于计算领域：把大的问题分割成能够单独解决的小问题。

可以把一项任务分成若干个子任务，而子任务还可以继续划分为子任务，如此进行下去。可以反复利用分治法，直到每个子任务都是可以实现的为止。

7.1.4 算法算法（algorithm):在有限的时间内用有限的数据解决问题或子问题的明确指令集合

7.1.5 计算机问题求解过程计算机问题求解过程有四个阶段，即分析和说明阶段、算法开发阶段、实现阶段和维护阶段。

上述的四个阶段是存在交互现象的。如下图所示，粗线标明了各阶段间的一般信息流， 细线 表示在发生问题时可以退回前面的阶段的路径。

7.1.6 方法总结

• 主要可分解为一下四个步骤：
  1.分析问题
  2.列出主要任务
  3.编写其余的模块
  4.根据需要进行重组和改写 
• 简单（原子）变量是那些不能被分开的变量，是存储在一个地方的一个值。
• 顶级（主要）模块只是表达任务。
• 任何一个分支都包含一连串的语句。
• 计数控制循环
  1.计数控制循环可以指定过程重复的次数，这个循环的 机制是简单记录过程重复的次数并且在重复再次开始前检测循环是否已经结束。
  2.这类循环有三个不同的部分，使用一个特殊的变量叫 循环控制变量。第一部分是初始化：循环控制变量初始化为某个初始值。第二部分是测试：循环控制变量是否已经达到特定值？第三部分是增量：循环控制变量以1递增。
  3.while循环被称为前测试循环。
  4.永远不会终止的循环称为一个 无限循环。
• 事件控制循环 
  1.定义：循环中重复的次数是由循环体自身内发生的事件控制的循环。
  2.当使用 while语句来实现事件控制循环时，这一过程仍分为三部分：事件必须初始化，事件必须被测试，事件必须更新。
• 计数控制循环是非常简单直接的，它指定了循环的次数，而在事件控制循环中则不太清楚，并不显而易见。
• 嵌套结构（nested structure）：控制结构嵌入另一个控制结构的结构，又称为嵌套逻辑（nested logic）。
• 平方根 
• 走查平方根算法如下图
• 抽象步骤（abstract step）：细节仍未明确的算法步骤。
• 具体步骤（concrete step）：细节完全明确的算法步骤。

7.2 有简单参数的算法简单（原子）变量是那些不能被分开的变量，是存储在一个地方的一个值。

7.2.1 带有选择的算法

• 顶级（主要）模块只是表达任务。
• 任何一个分支都包含一连串的语句。

7.2.2 带有循环的算法

• 计数控制循环
  1.计数控制循环可以指定过程重复的次数，这个循环的 机制是简单记录过程重复的次数并且在重复再次开始前检测循环是否已经结束。
  2.这类循环有三个不同的部分，使用一个特殊的变量叫 循环控制变量。第一部分是初始化：循环控制变量初始化为某个初始值。第二部分是测试：循环控制变量是否已经达到特定值？第三部分是增量：循环控制变量以1递增。
  3.while循环被称为前测试循环。
  4.永远不会终止的循环称为一个 无限循环。
• 事件控制循环 
  1.定义：循环中重复的次数是由循环体自身内发生的事件控制的循环。
  2.当使用 while语句来实现事件控制循环时，这一过程仍分为三部分：事件必须初始化，事件必须被测试，事件必须更新。
• 计数控制循环是非常简单直接的，它指定了循环的次数，而在事件控制循环中则不太清楚，并不显而易见。
• 嵌套结构（nested structure）：控制结构嵌入另一个控制结构的结构，又称为嵌套逻辑（nested logic）。
• 平方根 
• 走查平方根算法如下图
• 抽象步骤（abstract step）：细节仍未明确的算法步骤。
• 具体步骤（concrete step）：细节完全明确的算法步骤。

 

7.3 复杂变量

• 引用中的字母叫作字符串。
• 数组：同构项目的有名集合。
• 项目在集合中的位置叫索引。
• 与数组有关的算法分为三类：搜索、排序和处理。
• 记录：异构项目的有名集合。
• 集合可以包含整数、实数、字符串或其他类型的数据。

7.3.1 数组

7.3.2 记录

 

7.4 搜索算法

7.4.1 顺序搜索

7.4.2 有序数组中的顺序搜索

• 无序数组
• 二分检索（binary search）：在有序列表中查找项目的操作，通过比较操作排除大部分检索范围。
• 二分检索不是从数组开头开始顺序前移，而是从数组中间开始。
• 选择排序算法虽然简单，但却有缺陷，它需要两个完整列表（数组）的空间。即使不考虑内存空间，赋值操作显然也很费空间。
• 冒泡排序也是一种选择排序法，只是在查找最小值时采用了不同的方法。它从数组的最后一个元素开始，比较相邻的元素对，如果下面的元素小于上面的元素，就交换这两个元素的位置。

7.4.3 二分检索

• 二分检索（binary search）：在有序列表中查找项目的操作，通过比较操作排除大部分检索范围。
• 二分检索不是从数组开头开始顺序前移，而是从数组中间开始。

7.5 排序

• 选择排序算法虽然简单，但却有缺陷，它需要两个完整列表（数组）的空间。即使不考虑内存空间，赋值操作显然也很费空间。

7.5.1 选择排序

• 冒泡排序也是一种选择排序法，只是在查找最小值时采用了不同的方法。它从数组的最后一个元素开始，比较相邻的元素对，如果下面的元素小于上面的元素，就交换这两个元素的位置。

7.5.2 冒泡排序

• 冒泡排序是非常慢的排序方式。

• 7.5.3 插入排序

  • 插入排序：将元素加入有序部分类似于冒泡排序中冒泡的过程。如果找到了一个位置，要插入的元素比数组中这个位置的元素小，那么就将新元素插入这个位置。

   

  7.6 递归算法

  • 递归算法：当在一个算法中使用它自己时时的算法。
  • 递归（recursion）：算法调用它本身的能力。
  • 每个递归算法至少有两种情况：基本情况和一般情况。
  • 调用单元：命名代码出现的地方。
  • 子程序有两种形式，一种是只执行特定任务的命名代码，一种是不仅执行任务，还返回给调用单元一个值（值返回子程序）。

  7.6.1 子程序语句

  7.6.2 递归阶乘

  数的阶乘的定义：这个数与0和它自身之间的所有数的乘积。

  尺寸系数就是要计算阶乘的数。

  7.6.3 递归二分检索

  递归算法必须从非递归算法中调用。

  7.6.4 快速排序

  速排序算法的基本思想：对两个小列表排序比对一个大列表排序更快更容易。

  其名字来自源于这种算法通常可以相对快地对数据元素列表进行排序，其基本策略是“分治法”。

  如果数据是随机排列的，则快速排序是一个很好的排序方法。

   

  7.7 几个重要思想

  7.7.1 信息隐蔽

  信息隐蔽（information hiding）：隐蔽模块的细节以控制对这些细节的访问的做法。

  7.7.2 抽象

  抽象（abstraction）：复杂系统的一种模型，只包括对观察者来说必需的细节。

  数抽象（data abstraction）：把数据的逻辑视图和它的实现分离开。

  过程抽象（procedural abstraction）：把动作的逻辑视图和它的实现分离开。

  控制抽象（control abstraction）：把控制结构的逻辑视图和它的实现分离开。

  控制结构（control structure）：用于改变正常的顺序控制流的语句。

  7.7.3 事物命名

  给数据和过程一个名字，这些名字叫作标识符。

  当我们要用一种程序设计语言把算法转换成计算机能够执行的程序时，可能必须修改标识符。

  转换过程分两个阶段，首先在算法中命名数据和动作，然后把这些名字转换成符合计算机语言规则的标识符。

  7.7.4 测试

  测试在编程的每个阶段都十分重要，有两种基本的测试分类：白盒测试，基于代码本身； 黑盒测试，基于测试所有可能的输入值。