基于圖元裝接模式由程序流程圖自動(dòng)生成源代碼

許秀林+李蘊(yùn)華

摘 要：針對(duì)程序流程圖到代碼自動(dòng)翻譯過程中，通常需要經(jīng)過代碼優(yōu)化及二次編程，翻譯效率不高，提出基于圖元裝接模式的流程圖到C語言源程序轉(zhuǎn)換的解決方案，實(shí)現(xiàn)流程圖到源程序的雙向轉(zhuǎn)換。由圖元同步產(chǎn)生代碼元，通過裝接自動(dòng)生成程序代碼。所生成的程序代碼無需修改，可直接編譯運(yùn)行。通過詞法分析，識(shí)別并產(chǎn)生代碼元和對(duì)應(yīng)圖元，可逆向生成流程圖。其有效性在原型系統(tǒng)中得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：C語言；流程圖；程序代碼；自動(dòng)翻譯

中圖分類號(hào)：TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

對(duì)于程序設(shè)計(jì)語言初學(xué)者來說，通過畫流程圖來學(xué)習(xí)程序編碼，將程序代碼與直觀的圖形相結(jié)合，可以起到事半功倍的學(xué)習(xí)效果。若用草圖來繪制程序流程圖，并且實(shí)現(xiàn)流程圖的自動(dòng)識(shí)別和代碼生成，不僅符合人的思維習(xí)慣，也將大大方便程序設(shè)計(jì)課程的教學(xué)，同時(shí)也可應(yīng)用于程序員的快速程序設(shè)計(jì)和編碼。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)手繪草圖識(shí)別的研究已有較大進(jìn)展，可較好地識(shí)別程序流程圖中的簡單圖元符號(hào)。但是對(duì)程序流程圖控制結(jié)構(gòu)的判別，以及代碼的自動(dòng)翻譯的研究較少。程序流程圖到代碼自動(dòng)生成的流程，通常分為草圖識(shí)別和代碼優(yōu)化兩個(gè)階段，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)或技術(shù)難點(diǎn)是圖元的識(shí)別和翻譯，文獻(xiàn)[1，2]設(shè)計(jì)了圖元節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，在圖元識(shí)別的基礎(chǔ)上，提出基于上下文的程序流程草圖自動(dòng)翻譯算法，實(shí)現(xiàn)了在線手繪程序流程草圖到C語言代碼的自動(dòng)翻譯。但該系統(tǒng)所能判別的基本圖元比較單一，而且在判斷程序流程圖控制結(jié)構(gòu)時(shí)，采用棧技術(shù)，若用戶采用非習(xí)慣性思維畫圖，可能會(huì)導(dǎo)致棧頂元素?zé)o法正確判別，在一定程度上影響識(shí)別結(jié)果。文獻(xiàn)[3-5]則是對(duì)程序流程圖到代碼的自動(dòng)生成技術(shù)的研究，然而所研究的程序流程圖到代碼的自動(dòng)生成工具對(duì)流程圖有諸多限制，并不是基于標(biāo)準(zhǔn)的程序流程圖。文獻(xiàn)[6]針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的程序流程圖，實(shí)現(xiàn)程序流程圖到代碼的自動(dòng)生成，并且對(duì)于含有continue/break/return語義的程序流程圖也能夠很好地識(shí)別并生成相應(yīng)的代碼。文獻(xiàn)[7]融合圖形化和文本語言兩種編程方式的優(yōu)點(diǎn)，提出流程圖與類C語言雙向?qū)崟r(shí)轉(zhuǎn)換方法：一方面通過遍歷模塊樹并參照功能模塊封裝的庫函數(shù)和語句完成流程圖到類C語言的轉(zhuǎn)換；另一方面采用XML作為中間代碼完成類C語言到流程圖的轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[8]實(shí)現(xiàn)了程序流程圖的自動(dòng)生成和實(shí)時(shí)修改，提高了程序流程圖的設(shè)計(jì)效率，但沒有實(shí)現(xiàn)程序代碼的同步生成。

本文結(jié)合上述文獻(xiàn)的研究成果，提出手工草圖→機(jī)繪流程圖→C語言源程序轉(zhuǎn)換的解決方案，目前已實(shí)現(xiàn)了機(jī)繪流程圖到源程序的雙向轉(zhuǎn)換，即按照“圖元+裝接”模式繪制流程圖，同步生成程序代碼；或通過本系統(tǒng)生成的源代碼，逆向生成流程圖。

2 圖元與代碼元（The graphics primitive and the code primitive）

2.1 圖元

C語言流程圖有傳統(tǒng)流程圖（FC）、盒圖（N-S）、PAD等。其中傳統(tǒng)流程圖比較直觀、形式化，易于理解。但由于對(duì)流程連接線的使用沒有嚴(yán)格限制，使流程隨意轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，缺少規(guī)律。特別是傳統(tǒng)流程圖繪制后，修改流程圖需要大量移動(dòng)流程連接線，非常煩瑣。為此，我們根據(jù)C語言程序語句基本結(jié)構(gòu)，將基本圖形和連接線組合，定義了六種圖元（圖1）：if圖元、for圖元、while圖元、do-while圖元、switch圖元、基本語句圖元。圖元中菱形為決策圖標(biāo)，矩形為基本語句圖標(biāo)，實(shí)線為普通連接線，虛線為圖元裝接線。

根據(jù)程序語句的基本功能，基本語句圖元又分為文件包含、常量定義、變量定義、鍵盤輸入、屏幕輸出、文件打開、文件關(guān)閉、文件輸入、文件輸出、賦值語句，以及其他基本語句（通用語句）等十類。

2.2 代碼元

代碼元是與圖元相對(duì)應(yīng)的程序代碼，分別有if代碼元、for代碼元、while代碼元、do-while代碼元、switch代碼元、基本語句代碼元（表1）。表中的代碼元對(duì)應(yīng)的程序代碼只是其初始狀態(tài)，呈現(xiàn)為程序語句的骨架，只有通過進(jìn)一步處理之后，才能成為一條完整的程序語句。

3 圖元處理與流程圖繪制（Primitive processing and flowchart drawing）

3.1 圖元生成

（1）定義圖元基類

圖元基類包含圖元必備元素和基本操作。必備元素主要有圖元的坐標(biāo)位置、高度、寬度、圖元文本（含量代碼與注釋）、友元信息、圖元裝接信息、圖元編輯信息等。基本操作有位置移動(dòng)、大小改變、選擇、取消選擇、插入圖元、刪除圖元、繪制圖元。

public class FC_Control //圖元控件基類

{

private int x，y； //圖元坐標(biāo)

private int width，height； //圖元寬度與高度

private int wLeft，wRight；//圖元左寬與右寬

private bool selected； //圖元選中標(biāo)識(shí)

private int child_brother；//圖元裝接信息

//1 為左孩子結(jié)點(diǎn)，2為右孩子結(jié)點(diǎn)，0為兄弟結(jié)點(diǎn)，-1為初始值（無效）

private CODE_Control friendObj；//圖元友元信息

public string[] txtCode=new string[11]；//圖元文本信息

public string[] txtComment=new string[11]；//圖元文本信息

virtual public void moveTo（int x，int y） //移動(dòng)到新坐標(biāo)

{

X=x；

Y=y；

}

virtual public void reSize（） { } //大小改變操作

virtual public FC_Control select（int x，int y） { return null； }

//選擇操作（已知坐標(biāo)位置選擇對(duì)象）

virtual public bool select（FC_Control obj） { return false； }

//選擇操作（已知對(duì)象信息，選擇對(duì)象位置）

virtual public void escape（） { bSelected=false； }//取消操作

virtual public void draw（） { }//繪圖操作

virtual public void delete（FC_Control obj） { }//刪除操作

virtual public FC_Control insert（int x，int y，F(xiàn)C_Control obj） { return null； }

//插入操作（已知坐標(biāo)位置，插入特定對(duì)象）

virtual public void insert（FC_Control insertObj，F(xiàn)C_Control indexObj，int index） { }

//插入操作（已知對(duì)象信息，插入特定對(duì)象）

}

（2）定義圖元類

圖元類是圖元基類的子類，它繼承了基類的所有屬性和方法，同時(shí)還具有以下兩個(gè)屬性：圖元的孩子對(duì)象集和對(duì)象數(shù)。圖元的孩子對(duì)象包括判斷圖標(biāo)、判斷分支、圖元連接線和圖元裝接線。以while圖元為例，它由1個(gè)判斷圖標(biāo)、2個(gè)判斷分支（Y/N）、2條（5段）圖元連接線和1條圖元裝接線，共計(jì)9個(gè)對(duì)象。下面while圖元類屬性定義及其構(gòu)造方法：

public class FcWhile ： FC_Control //while圖元類

{

public int numOfObject=9； //組成圖元的對(duì)象數(shù)

public FC_Control[] N=new FC_Control[9]； //組成圖元的對(duì)象集

public image；//畫布

public FcWhile（int x，int y，F(xiàn)C_image ）

{

X=x；

Y=y；

image=FC_image；

bool arrow=true；

int defaultWidth=50；

int defaultHeight=50；

N[0]=new FcJudge（X，Y，F(xiàn)C_image）；//判斷圖標(biāo)

N[1]=new FcJudgeBranch（N[0].X，N[0].Y+N[0].H，F(xiàn)C_image，true，LINEWAY.DOWN）；//判斷Y分支

N[2]=new FcCodingLine（N[1].X，N[1].Y+N[1].H，LINE_TYPE.CODINGLINE_IN_FUNCTION，F(xiàn)C_image）；//圖元裝接線

N[3]=new FcLine（N[2].X，N[2].Y+N[2].H，LINEWAY.LEFT，！arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；//（左下端）向左連接線

N[3].W=defaultWidth；

N[4]=new FcLine（N[3].X-N[3].W，N[3].Y，LINEWAY.UP，！arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；//（左邊）向上連接線

N[4].H=N[1].H+N[2].H+N[0].H/2；

N[5]=new FcLine（N[4].X，N[4].Y-N[4].H，LINEWAY.RIGHT，arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；//（左上端）向右?guī)Ъ^連接線

N[5].W=N[3].W-N[0].WL；

N[6]=new FcJudgeBranch（N[0].X+N[0].WR，N[0].Y+N[0].H/2，F(xiàn)C_image，false，LINEWAY.RIGHT）；//判斷N分支

N[7]=new FcLine（N[6].X+N[6].W，N[6].Y，LINEWAY.DOWN，！arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；//（右邊）向下連接線

N[7].H=N[4].H+defaultHeight；

N[8]=new FcLine（N[7].X，N[7].Y+N[7].H，LINEWAY.LEFT，arrow，LINE_TYPE.NOTCODINGLINE，F(xiàn)C_image）；//（右下端）帶箭頭連接線

N[8].W=N[6].W+N[0].WR；

WR=N[8].W；

WL=N[3].W；

W=WL+WR；//計(jì)算圖元寬度

H=N[0].H/2+N[7].H；//計(jì)算圖元高度

txtCode[0]=""；

txtComment[0]=""；

}

……

}

（3）生成圖元對(duì)象

當(dāng)用戶通過菜單項(xiàng)或圖標(biāo)工具插入某個(gè)圖元時(shí)，生成該圖元對(duì)象。同樣以while圖元為例，在插入while圖元方法中生成圖元對(duì)象。

public void insert_While（int x，int y）

{

int X，Y；

X=x；

Y=y；

FcWhile w=new FcWhile（X，Y，F(xiàn)C_image）； //生成while圖元對(duì)象

… …

}

3.2 圖元裝接

圖元裝接是將圖元對(duì)象按指定的坐標(biāo)位置插入到圖元裝接線上。圖2是流程圖的初始畫面，從開始到結(jié)束之間，是由兩條裝接線組成。上端黃色裝接線用于插入帶#的圖元對(duì)象，下端藍(lán)色裝接線用于插入其他圖元對(duì)象。圖元裝接根據(jù)裝接對(duì)象的位置關(guān)系分為順序裝接和嵌入裝接兩類：對(duì)于某個(gè)已裝接的圖元對(duì)象A，當(dāng)待裝接的圖元對(duì)象B與圖元對(duì)象處于同一條裝接線，則為順序裝接如圖3（a）所示；當(dāng)圖元對(duì)象B處于圖元對(duì)象A內(nèi)部的裝接線時(shí)，則屬于嵌入裝接如圖3（b）所示。

3.3 圖元文本編輯

圖元裝接只是決定了了流程圖的流程走向，程序功能則需要通過圖元文本編輯，確定每個(gè)圖元的具體功能。現(xiàn)以while圖元為例，說明圖元文本編輯的過程。while圖元的文本編輯，主要是while循環(huán)條件表達(dá)式的編輯。先選中while圖元，然后打開該圖元的屬性頁進(jìn)行相關(guān)的文字編輯，如圖4所示。編輯后的while圖元在左上方添加了條件表達(dá)式，如圖5所示。

3.4 示例

任務(wù)：輸入兩個(gè)正整數(shù)a、b，求兩個(gè)數(shù)的最大公約數(shù)。

算法：

①定義變量a、b、c為正整數(shù)

②鍵盤輸入a和b

③if （a

④if b≠0 goto ④，否則goto ⑧

⑤c←a除b的余數(shù)；

⑥a←b

⑦b←c

⑧goto ④

⑨輸出公約數(shù)a

⑩結(jié)束

本任務(wù)主要使用一個(gè)if圖元和while圖元和若干基本語句圖元。通過圖元裝接和圖元編輯后，所繪制的流程圖，如圖6所示。

4 代碼程序自動(dòng)生成（The program code beingautomatically generated）

與圖元處理相同，代碼元處理同樣有生成、裝接和編輯等操作。由于代碼元與圖元一一對(duì)應(yīng)，圖元處理和代碼元處理同步完成。當(dāng)流程圖繪制完畢時(shí)，對(duì)應(yīng)的源程序也生成完畢，處理過程如圖7所示。

為了確保圖元對(duì)象與代碼元對(duì)象一一對(duì)應(yīng)，在圖元基類和代碼元基類中均設(shè)置了一個(gè)友元屬性變量friendObj，分別存儲(chǔ)對(duì)方信息。在圖元基類和代碼元基類定義的相關(guān)代碼為：

public class FC_Control //圖元控件基類

{

… …

private CODE_Control friendObj；//圖元友元信息

… …

}

public class CODE_Control //圖元控件基類

{

… …

private FC_Control friendObj；//代碼元友元信息

… …

}

在圖元和代碼元生成時(shí)，相互記錄對(duì)方的信息，仍以圖元while為例：

FcWhile w1=new FcWhile（X，Y，F(xiàn)C_image）；

CodeWhile w2=new CodeWhile（0，0，CODE_image）；

w1.friend=w2； //friend 是設(shè)置或獲取屬性

//變量friendObj值的方法

w2.friend=w1；

當(dāng)在流程圖中插入圖元對(duì)象w1時(shí)，也在程序代碼中插入代碼元對(duì)象w2，同步完成裝接。由流程圖（圖6）同步生成的程序代碼如圖8所示。

5 代碼元識(shí)別與流程圖逆生成（The identification of code primitive and the flowchart being produced reverse from the source program）

對(duì)于生成的C語言源程序文件，通過詞法分析器對(duì)關(guān)鍵詞的識(shí)別，生成相應(yīng)的代碼元對(duì)象，并同步生成圖元對(duì)象。再經(jīng)過圖元裝接，逆向生成流程圖。由于流程圖文件是圖片格式，一旦形成圖片文件，再轉(zhuǎn)換成圖元對(duì)象，比文本識(shí)別要困難得多。通過程序代碼文本文件閱讀和識(shí)別，生成代碼元對(duì)象，再通過代碼元生成圖元對(duì)象，然后接裝為流程圖，方便流程圖的保存和修改。流程圖逆向生過程如圖9所示。

代碼元識(shí)別算法如下：

void codeRead（string s）

{

if （s==“if”）

{

FcIf o1=new FcIf（X，Y，F(xiàn)C_image）；

CodeIf o2=new CodeIf（0，0，CODE_image）；

o1.friend=o2；

o2.friend=o1；

FC_p.insert（o1）；

CODE_p.insert（o2）；

}

else

if（s==“for”）

{

FcFor o1=new FcFor（X，Y，F(xiàn)C_image）；

CodeFor o2=new CodeFor（0，0，CODE_image）；

o1.friend=o2；

o2.friend=o1；

FC_p.insert（o1）；

CODE_p.insert（o2）；

}

else

if（s==“while”）

{

FcWhile o1=new FcWhile （X，Y，F(xiàn)C_image）；

CodeWhile o2=new CodeWhile（0，0，CODE_image）；

o1.friend=o2；

o2.friend=o1；

FC_p.insert（o1）；

CODE_p.insert（o2）；

}

else

if（s==“do”）

{

FcDowhile o1=new Dowhile （X，Y，F(xiàn)C_image）；

CodeDowhile o2=new Dowhile（0，0，CODE_image）；

o1.friend=o2；

o2.friend=o1；

FC_p.insert（o1）；

CODE_p.insert（o2）；

}

else

if（s==“switch”）

{

FcSwitch o1=new FcSwitch （X，Y，F(xiàn)C_image）；

CodeSwitch o2=new CodeSwitch（0，0，CODE_image）；

o1.friend=o2；

o2.friend=o1；

FC_p.insert（o1）；

CODE_p.insert（o2）；

}

else

…

}

5 結(jié)論（Conclusion）

本文提出了一個(gè)基于圖元裝接的流程圖繪制原型系統(tǒng)，用戶可以通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖元控件，在繪圖區(qū)域繪制C程序傳統(tǒng)流程圖，并同步生成C語言源程序。所繪制的流程圖以JPG文件格式、源程序以文本格式分別保存到磁盤。同時(shí)還具有源程序到流程圖逆生成功能，通過源代碼可以進(jìn)行流程圖二次編輯和修改。今后，我們將完成流程圖手繪草圖的識(shí)別和轉(zhuǎn)換研究，將手工流程圖的圖元，轉(zhuǎn)換為本系統(tǒng)的圖元，裝接后生成機(jī)繪流程圖，再同步生成源程序，提高流程圖的識(shí)別效率。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者介紹：

許秀林（1965-），男，碩士，教授.研究領(lǐng)域：軟件工程，智能算法.

李蘊(yùn)華（1965-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：圖像處理，信號(hào)系統(tǒng).