新人须知
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算法描述

算法与算法描述

简单来说，算法就是完成一个任务的步骤组合。例如，要做一道菜，食谱上描述的整个做菜步骤就是一个算法，按照这个算法就可以完成这道菜的制作。

在计算机编程中，算法就是解决特定问题的一组指令组合。一个算法可以用来对一组数字进行排序；也可以用来完成向用户推荐喜欢的书籍。

在编写代码之前，我们通常需要先设计算法。而算法描述就是用一种清晰、准确的方式来表达算法的步骤。描述一个算法通常包括下面三个部分：

  • 接受一组或多组输入数据
  • 按照步骤去执行计算过程
  • 执行完成后，得到所需的输出数据

一个好的算法描述能够：

  • 帮助我们理清思路： 在编写代码之前，先用一种更抽象的方式描述算法，可以帮助我们更好地理解问题的本质，避免陷入代码细节。
  • 方便交流： 算法描述可以作为一种通用的语言，方便我们与他人交流算法思想，共同讨论和改进算法。
  • 指导编码： 好的算法描述可以作为编写代码的蓝图，使得编码过程更加流畅、高效。
  • 方便调试和维护： 当代码出现问题时，可以对照算法描述来检查代码的逻辑是否正确。

下面我们来聊一聊算法描述中三种常用的方法：：自然语言描述、流程图描述和伪代码描述。这三种方法各有特点，适用于不同的场景，掌握它们能帮助我们更好地理解、设计和交流算法。

自然语言描述

自然语言描述就是用我们日常使用的语言（比如中文、英文）来描述算法的步骤。

例如，针对问题：查找数组中最大的元素。可以用下面的自然语言描述：

  1. 假设数组的第一个元素是最大的元素，并用一个变量 max 记录它的值。
  2. 从数组的第二个元素开始，依次遍历数组中的每个元素。
  3. 对于每个元素，如果它比 max 大，就更新 max 的值为当前元素。
  4. 遍历完整个数组后，max 中存储的就是数组中最大的元素。

可以看到，使用自然语言来描述一个算法，优点是：

  • 通俗易懂：不需要特殊的语法或符号，任何人都能看懂。
  • 表达灵活：可以用不同的方式来表达同一个算法，更加自由灵活。

但缺点也很明显：

  • 容易产生歧义：自然语言表达有时不够精确，容易产生不同的理解
  • 冗长：描述复杂的算法时，使用自然语言描述可能会显得冗长、繁琐。

流程图描述

流程图是用一些特定的图形符号来表示算法的步骤和流程。

下面是常见的一些流程图符号：

例如，前面查找数组中最大元素这个问题，如果用流程图来描述，如下图所示：

使用流程图描述的方式，其优点比较明显：

  • 直观： 流程图用图形化的方式表示算法，更加直观、易于理解。
  • 结构清晰： 流程图可以清晰地展示算法的结构，比如顺序结构、选择结构、循环结构等。

当然，同样有一些缺点：

  • 不够精确： 流程图只能表示算法的整体流程，无法详细描述每个步骤的具体操作。
  • 难以表示复杂算法： 对于复杂的算法，流程图可能会变得非常庞大、难以阅读。

在实际应用中，我们也经常用到流程图去描述一些比较简单的逻辑，对于比较复杂的逻辑，可以先将算法的其中一部分拆分出来，用不同的流程图来描述。

支持流程图的工具也有很多，比如 draw.io、excalidraw.com、visio 等。

伪代码描述

伪代码是一种介于自然语言和编程语言之间的描述方法。它使用类似于编程语言的语法，但又不拘泥于具体的编程语言，更加注重算法的逻辑和步骤。

下面是对同样的问题，用伪代码描述出来：

BEGIN
    // 初始化最大值为第一个元素
    max = arr[0]
    
    // 从第二个元素开始遍历数组
    FOR i = 1 TO n-1 DO
        // 如果当前元素大于max，则更新max
        IF arr[i] > max THEN
            max = arr[i]
        END IF
    END FOR
    
    // 返回找到的最大值
    RETURN max
END

使用伪代码来描述算法，优点是：

  • 精确： 伪代码的语法比自然语言更精确，可以避免歧义。
  • 易于转化为代码： 伪代码的结构和语法与编程语言类似，可以方便地转化为具体的代码。
  • 简洁： 伪代码比自然语言更简洁，可以更清晰地表达算法的逻辑。

缺点是：

  • 需要一定的编程基础： 需要了解一些基本的编程概念和语法。
  • 不够直观： 伪代码不如流程图直观，难以展示算法的整体结构。

在早期的数据结构与算法的书籍里，也经常用伪代码来描述算法，不过现代编程语言环境很方便了，直接使用编程语言来描述反而更方便一些，毕竟不需要再次转换，可以直接运行程序查看结果。

总结

  • 自然语言描述 适合于描述简单的算法，或者在算法设计的初期进行初步构思。
  • 流程图描述 适合于展示算法的整体流程和结构，但不够精确。
  • 伪代码描述 适合于详细描述算法的逻辑和步骤，易于转化为代码。

在实际应用中，我们可以根据具体情况选择合适的描述方法，或者将多种方法结合起来使用。例如，可以用自然语言描述算法的整体思路，用流程图展示算法的流程，用伪代码描述算法的细节。

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