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Week-3

1. Algorithms and Control Structures​

컴퓨팅 문제는 특정 순서로 일련의 작업을 실행함으로써 해결된다. Algorithm은 실행할 작업과 그 작업이 실행되는 순서를 정의한 문제 해결 절차이다. Pseudocode는 Java 언어 구문의 엄격한 세부 사항을 걱정하지 않고 알고리즘을 개발할 수 있도록 도와주는 비공식 언어이다. 이는 일상적인 영어와 유사하며 프로그램을 작성하기 전에 생각을 정리하는 데 도움을 준다.

Bohm과 Jacopini는 goto 문 없이 프로그램을 작성할 수 있음을 증명했다. 모든 프로그램은 Sequence structure, Selection structure, Repetition structure라는 세 가지 제어 구조만으로 작성될 수 있다.

  • Sequence structure: 컴퓨터는 별도의 지시가 없는 한 문장들을 작성된 순서대로 하나씩 실행한다.
  • Selection structure: if, if...else, switch 문을 포함한다.
  • Repetition structure: while, do...while, for 문을 포함한다.

PDF p.6: Sequence structure activity diagram

2. Selection Statements​

Java는 세 가지 유형의 선택 문을 제공한다.

  • if statement: Single-selection statement로, 조건이 참이면 작업을 수행하고 거짓이면 무시한다.
  • if...else statement: Double-selection statement로, 조건이 참이면 하나의 작업을 수행하고 거짓이면 다른 작업을 수행한다.
  • switch statement: Multiple-selection statement로, 표현식의 값에 따라 여러 작업 중 하나를 수행한다.

PDF p.10: if single-selection statement UML activity diagram PDF p.11: if...else double-selection statement UML activity diagram

Nested if...else 문을 사용할 때 Dangling-else 문제가 발생할 수 있다. Java 컴파일러는 항상 else를 중괄호로 묶이지 않은 가장 가까운 이전의 if와 연관시킨다. 이를 해결하기 위해 중괄호 {}를 사용하여 블록을 명확히 지정해야 한다.

Conditional operator (?:)는 if...else 문을 대체할 수 있는 삼항 연산자이다. 피연산자 세 개를 취하며 첫 번째는 boolean 표현식, 두 번째는 참일 때의 값, 세 번째는 거짓일 때의 값이다.

switch 문은 byte, short, int, char 타입의 상수 정수 표현식 값에 따라 다른 작업을 수행한다. 각 case는 상수로 라벨링되며 일치하는 case가 실행된다.

// GradeBook.java
import java.util.Scanner;

public class GradeBook {
	private String courseName;
	public GradeBook(String name) { courseName = name; }
	public void setCourseName(String name) { courseName = name; }
	public Sring getCourseName() { return courseName; }
	public void displayMessage() { System.out.printf("Welcome to the grade book for \n%s!\n", getCourseName()); }
	public void determineClassAverage() {
		Scanner input = new Scanner(System.in);
		int total = 0, gradeCounter = 1, grade, average;
		
		while(gradeCounter <= 10) {
			System.out.print("Enter grade: ");
			grade = input.nextInt();
			total += grade;
			gradeCounter++;
		}
		
		System.out.printf("\nTotal of all 10 grades is %d\n", total);
		System.out.printf("Class average is %d\n", average);
	}
}
// GradeBookTest.java
public class GradeBookTest {
	public static void main(String[] args) {
		GradeBook myGradeBook = new GradeBook("CS101 Introduction to Java Programming");
		
		myGradeBook.displayMessage();
		myGradeBook.determinClassAverage();
	}
}

3. Repetition Statements​

반복 문은 Loop-continuation condition이 참인 동안 문장들을 반복해서 실행한다.

while 문은 루프 본문을 실행하기 전에 조건을 먼저 검사한다. 조건이 처음부터 거짓이면 본문은 한 번도 실행되지 않는다.

  • Counter-controlled repetition: 반복 횟수가 루프 실행 전에 알려진 경우 사용하며 Definite repetition이라고도 한다. 제어 변수, 초기값, 증감, 루프 지속 조건이 필요하다.
  • Sentinel-controlled repetition: 반복 횟수가 사전에 알려지지 않은 경우 사용하며 Indefinite repetition이라고도 한다. Sentinel value(감시 값)를 사용하여 데이터 입력의 끝을 나타낸다.

PDF p.18: while repetition statement UML activity diagram

for 문은 카운터 제어 반복의 세부 사항(초기화, 조건, 증감)을 코드 한 줄에 지정한다. 일반적으로 for 문은 카운터 제어 반복에 사용되고 while 문은 센티넬 제어 반복에 사용된다. 초기화 부분에서 선언된 변수는 그 for 문 내에서만 사용할 수 있는 Scope를 가진다.

PDF p.7: UML activity diagram for the for statement

do...while 문은 루프 본문을 실행한 후에 루프 지속 조건을 검사한다. 따라서 본문이 항상 최소 한 번은 실행된다.

PDF p.18: do...while repetition statement UML activity diagram

4. Control Flow Manipulation​

프로그램의 흐름을 제어하기 위해 break와 continue 문을 사용한다.

  • break: while, for, do...while, switch 문에서 실행되면 해당 문을 즉시 종료하고 다음 문장으로 제어를 이동시킨다. 주로 루프를 조기에 탈출하거나 switch 문의 나머지 부분을 건너뛸 때 사용한다.
  • continue: while, for, do...while 문에서 실행되면 루프 본문의 남은 문장들을 건너뛰고 다음 반복(Iteration)으로 진행한다.

5. Operators​

Compound assignment operators는 할당 표현식을 축약한다. 예를 들어 c = c + 3은 c += 3으로 작성할 수 있다. 이는 변수의 값에 오른쪽 표현식의 값을 연산하여 다시 변수에 저장한다.

Increment and Decrement operators는 변수의 값을 1 증가시키거나(++) 1 감소시킨다(--).

  • Prefix (e.g., ++a): 변수를 먼저 증가/감소시킨 후 그 값을 식에서 사용한다.
  • Postfix (e.g., a++): 변수의 현재 값을 식에서 먼저 사용한 후 변수를 증가/감소시킨다.

Logical operators는 더 복잡한 조건을 형성하기 위해 사용된다.

  • && (Conditional AND): 두 조건이 모두 참일 때만 참이다.
  • || (Conditional OR): 두 조건 중 하나라도 참이면 참이다.
  • ! (Logical NOT): 조건의 값을 반전시킨다.
  • Short-circuit evaluation: &&나 || 연산자를 포함한 식에서, 결과가 이미 결정된 경우 나머지 부분은 평가하지 않는다. 예를 들어 && 연산에서 첫 번째 조건이 거짓이면 전체는 거짓이므로 두 번째 조건은 평가되지 않는다.

6. Structured Programming Summary​

Java의 제어 문들은 Single-entry/single-exit 구조를 가진다. 즉, 각 제어 문에는 들어가는 길 하나와 나가는 길 하나만 존재한다. 구조적 프로그래밍은 이러한 제어 문들을 연결하는 두 가지 방법으로 이루어진다.

  • Stacking: 하나의 제어 문 종료 지점을 다음 제어 문의 시작 지점과 연결하여 순차적으로 배치하는 것이다.
  • Nesting: 하나의 제어 문 안에 다른 제어 문을 포함시키는 것이다.

Rule for forming structued programs​

  1. begin with the simplest activity diagram.
  2. Any action state can be replaced by two action states in sequence(Stacking).
  3. Any action state can be replaced by any control statement(Nesting).
  4. Rules 2 and 3 can be applied as often as you like and in any order.

PDF p.42: Rules for forming structured programs