4.01. Алгоритмы
Разработчику
Аналитику
Тестировщику
Архитектору
Инженеру
Вся жизнь построена на структуре алгоритмов. Алгоритм – последовательность действий, набор инструкций для конкретной задачи. Мы помним это ещё с математики. Но не будем углубляться и пугать вас сложной схемой.
Простой алгоритм:
Действие1 → Действие2 → Действие3
Пример:
Взять чайник → Налить воду → Включить плиту → Дождаться кипения.
Алгоритмы – это фундамент программирования. Чтобы алгоритм был корректным и полезным, он должен обладать трёмя ключевыми свойствами: дискретностью, определённостью и конечностью.
Дискретность – алгоритм разбит на отдельные, завершённые этапы, не содержит расплывчатых или абстрактных инструкций, а каждый шаг имеет понятное начало и конец. Это важно, чтобы понимать, где начало, где конец действия.
Определённость – однозначность инструкций, когда каждый шаг трактуется единственным образом, нет двусмысленностей, а все возможные варианты предусмотрены. На практике подразумевает отработанность всех случаев.
Конечность – завершение за разумное время, означающее, что алгоритм всегда завершается, не зацикливается бесконечно, и даёт результат за приемлемое время. Бесконечный алгоритм зависнет и не приведёт к результату – это критично.
Конечно, мы тоже живём по алгоритмам, ведь каждый наш день — это цикл из просыпания, принятия решений, выполнения задач и отдыха. Некоторые из нас следуют строгому порядку, другие ищут гибкость, но даже хаос представляет собой алгоритм, просто он непредсказуемый. И программируя машину, мы проецируем алгоритм - поэтому сначала пишется псевдокод или рисуется блок-схема на алгоритмическом языке.
Поэтому, проектируя алгоритм, всегда нужно:
- разбивать задачу на атомарные шаги;
- избегать двусмысленностей;
- гарантировать завершение.
Алгоритм может быть линейным и нелинейным. Линейный алгоритм подразумевает выполнение одного действия за другим, а нелинейный содержит разветвление, что образует некое дерево решений:
Причинно-следственная связь
В философии есть такое понятие, причинность. Всё (состояние одного объекта) пришло к своему текущему состоянию именно из-за соответствующего изменения другого объекта. А под объектом мы можем подразумевать абсолютно что угодно. То есть, схема проста:
Причина → Следствие
Пример: в уголовном праве, в случае совершения лицом преступления, наступают общественно опасные последствия, наличие которых является обязательным условием для привлечения лица к уголовной ответственности:
Цепочка событий, спровоцировавших кражу (событие) →
Появление мотива и цели (последствие) Кража (событие) →
Нарушение права собственника владеть, пользоваться, распоряжаться имуществом и дальнейшее наказание (последствие).
Это абсолютная и простая логика работы любого алгоритма в нашей жизни. Попробуйте для себя привести пару примеров, взяв любой факт, и найти ответ на вопрос «Почему это произошло?» и «Что служило предпосылкой для этого?».
Подход к рассмотрению окружающего мира через призму расследования причинно-следственной связи помогает видеть скрытый смысл, и лучше понимать цепочку событий. Этому учат в юриспруденции, и именно поэтому у многих людей есть тяга к детективам.
Логика – «мозг» программы, правила, по которым принимаются решения. Простейший пример – если правильно, то так, иначе делать по-другому.
События, условия и действия
Структура в информационных технологиях базируется на алгоритме:
Событие + Условие → Действие
★ Событие (Trigger) – факт изменения состояния объекта, допустим, системы. Пример – нажатие кнопки на сайте. Могут быть следующими:
- пользовательские (клик, скролл, ввод текста);
- системные (загрузка процессора выше установленного значения);
- временные (таймер на установленное время или наступление момента).
Событие занимает отдельную часть в программировании, которая выступает как инициатор запуска. В самой комбинации «ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ» событие не равняется «ЕСЛИ». «ЕСЛИ» — это условие. Событие подразумевает запуск, инициацию.
К примеру, у нас есть кнопка, и она является элементом веб-страницы, пусть будет «КУПИТЬ». Эта кнопка сама по себе - болванка, которая ничего не делает. Но если оживить её, сказав, что при нажатии на неё, она должна запускать процесс «ПОКУПКА», то как раз запущенная «ПОКУПКА» будет содержать условия и действия:
КУПИТЬ =>
ПОКУПКА =
ЕСЛИ(ДЕНЬГИ ЕСТЬ) ТО ПРОДАТЬ;
ИНАЧЕ ОТКЛОНИТЬ.
Здесь событием является факт нажатия покупателем на кнопку «КУПИТЬ», ПОКУПКА будет некой задачей на стороне продавца, включающей в себя условие «ЕСЛИ(ДЕНЬГИ ЕСТЬ)» и действия «ПРОДАТЬ», «ОТКЛОНИТЬ»
★ Условие (Condition) – набор требований, которым должно соответствовать событие. Это правило, которое определяет, выполнится ли действие, записывается, как «если (условие) – то (действие). Условия должны быть полными, не противоречить друг другу и быть относительно быстрыми для выполнения. Пример – «x» равен чему-то. Проверка может быть:
- простая – если (x
>0); - составная – если (возраст
>18 и страна=”Россия”); - регулярные выражения («умные» шаблоны для поиска и проверки текста, вроде «найди мне все слова, где есть буква «а» а потом цифра «3»).
В программировании проверки, как правило. используются через условные операторы. Примерами таких операторов являются IF / ELSE (ЕСЛИ-ИНАЧЕ). Есть даже такая шутка, когда жена отправляет мужа-программиста и говорит «Сходи в магазин, возьми шоколадку. Если будут бананы, возьми четыре». Муж приносит четыре шоколадки, так как бананы были.
Здесь и сработала логика:
ЕСЛИ (БАНАНЫ) {
ВЕРНУТЬ 4;
} ИНАЧЕ {
ВЕРНУТЬ 1;
}
Выполнилась проверка на условие БАНАНЫ - ИСТИНА (true) или ЛОЖЬ (false). Это булево значение - такой тип переменной БАНАНЫ, который может быть или true, или false, и ничем иначе. Поэтому простейшее условие - проверить факт.
Как можно обратить внимание, в условии всё написано как-то просто. Буквально логика была такова:
ЕСЛИ (БАНАНЫ = ИСТИНА) {
ВЕРНУТЬ 4;
} ИНАЧЕ {
ВЕРНУТЬ 1;
}
Но в программировании в большинстве современных языков можно явно не указывать проверку равенства булева значения, можно просто указать «БАНАНЫ» для истины, и «!БАНАНЫ» (поставить восклицательный знак для отрицания) для лжи. И не обязательно дважды писать проверку - ИНАЧЕ работает как раз для всех прочих случаев, не указанных в ЕСЛИ.
Но если же у нас тип данных не булево значение, а, к примеру, число, то уже можно применять сравнивающие, арифметические и прочие операторы:
ЕСЛИ (ШОКОЛАДКИ > 1) {
ОТРУГАТЬ МУЖА();
} ИНАЧЕ {
ПОХВАЛИТЬ МУЖА();
}
Здесь количество шоколадок скрывается в значении переменной «ШОКОЛАДКИ», а оператор проверки сравнивает результат. Причем, неважно, чему равняется значение переменной, важно именно то, что выйдет в итоге всей операции - когда «ШОКОЛАДКИ» пройдут операцию сравнения, мы получим либо «ИСТИНА» либо «ЛОЖЬ». И как раз, когда муж приносит 4 шоколадки, операция «ШОКОЛАДКИ > 1» приведёт к «ИСТИНЕ», из-за чего сработает условие оператора ЕСЛИ, потому что формула всегда одна:
IF (TRUE) либо IF(!TRUE)
…а что внутри этого TRUE - просто «ШОКОЛАДКИ» или «ШОКОЛАДКИ > 1», не так важно, ведь всё что внутри этого TRUE — это условие целиком.
Соответствие условию влечёт за собой выполнение основного действия, а несоответствие условию - вторичного. Вторичное условие не обязательно, поэтому для блока IF не всегда может быть ELSE.
★ Действие (Action) – совершение чего-то, определённое поведение объекта. Пример – отправка данных адресату. Это конкретная операция, которая изменяет состояние системы. Виды:
- изменение данных (к примеру, удаление элемента);
- внешний вызов (отправка сообщения, API-запрос);
- визуальный эффект (анимация, переход).
В стандартном блоке «ЕСЛИ-ТО-ИНАЧЕ», или «IF-THEN-ELSE», действие и есть тот самый оператор THEN — это некий блок кода, который подлежит выполнению. В вышеприведённом примере действиями будут «ВЕРНУТЬ 4», «ВЕРНУТЬ 1», «ОТРУГАТЬ МУЖА» и «ПОХВАЛИТЬ МУЖА». Это может быть что угодно - от пустоты (да, можно сделать заглушку, подразумевающую, что в случае соответствия/несоответствия условию нам ну нужно ничего делать), до сложнейших вычислений и совокупности алгоритмов.
Такую триаду событий, условий и действий мы можем увидеть почти везде – от простейших скриптов до сложных нейросетей.
Регулярные выражения
Регулярные выражения, или RegEx (regular expressions) — это последовательность символов, которая задаёт правило поиска строк в тексте. Они поддерживаются почти во всех языках программирования. Используются они для валидаций форм (email, пароли, номера телефонов), поиска и замены в логах, автоматизации обработки текстовых файлов, очистки и структурирования данных, проверки корректности ответов.
Синтаксис RegEx состоит из:
- литералов (обычных цифр, букв);
- метасимволов (специальных символов с особыми значениями);
- экранирования спецсимволов с помощью \ или raw-строк r”.
Пример:
Проверка email (проверяет корректность адреса):
^[a-zA-Z0-9._%+-]+@[a-zA-Z0-9.-]+\.[a-zA-Z]{2,}$
Поиск телефонного номера:
\+7\s$$\d{3}$$\s\d{3}-\d{2}-\d{2}
Важно: RegEx - довольно сложный инструмент, который пригодится лишь после практики. Рекомендуется к нему вернуться только после того, как на практике встретитесь с необходимостью. Можете поэкспериментировать с ними на различных сервисах, к примеру тут - https://regex101.com/.
Чит-лист - https://cheatsheets.zip/regex
| Команда | Значение | Пример |
|---|---|---|
\d | Любая цифра (0-9) | \d\d → "42" |
\w | Буква (латиница), цифра или _ | \w+ → "Hello_123" |
\s | Пробел, табуляция или перенос строки | \s+ → " " |
. | Любой символ (кроме переноса строки) | a.c → "abc", "a c" |
^ | Начало строки | ^Start → "Start..." |
$ | Конец строки | end$ → "...end" |
[...] | Любой символ из скобок | [aeiou] → "a", "e" |
[^...] | Любой символ, кроме указанных | [^0-9] → "a", "!" |
(...) | Группа символов (для захвата или применения квантификаторов) | (\d{3}) → "123" |
\ | Экранирование спецсимволов (чтобы искать их как текст) | \. → "." |
* | 0 и более раз | a* → "", "a", "aaa" |
+ | 1 и более раз | a+ → "a", "aaa" |
? | 0 или 1 раз | a? → "", "a" |
{n} | Ровно n раз | a{3} → "aaa" |
{n,} | n и более раз | a{2,} → "aa", "aaaa" |
{n,m} | От n до m раз | a{2,4} → "aa", "aaaa" |