在軟體開發過程中，隨著專案規模的擴大以及業務邏輯的複雜化，程式碼的結構和組織變得至關重要。缺乏良好結構的程式碼，如同義大利麵條般雜亂無章，難以理解、維護和擴充套件，這種「義大利麵條式程式碼」往往導致開發效率低下、錯誤頻出，甚至影響專案的整體進度。結構化程式設計方法的出現有效地解決了這個問題，它提倡使用清晰的程式碼結構和組織，透過模組化、層次化設計以及控制流程的規範化，提升程式碼的可讀性、可維護性和可擴充套件性，從而降低開發成本、提高軟體品質。臺灣的軟體開發環境也越來越重視結構化程式設計，許多企業在徵才和培訓中都將其列為重要指標。
結構化程式設計的重要性
在專業的商業應用中，程式設計可能變得非常複雜。想象一下，指導飛機飛行或審核所得稅申報的電腦程式中包含了多少指令。甚至產生薪水單的程式也包含了許多指令。為此類別程式設計邏輯可能是一項耗時的任務。當您在程式中增加數百或數千個指令時，很容易建立出一個複雜的混亂。
這種邏輯上纏繞的程式陳述被描述為「義大利麵條碼」（Spaghetti Code），因為其邏輯就像一盤義大利麵條一樣難以跟蹤。不僅如此，包含此類別邏輯的程式還容易出錯、難以重複使用，並且難以用作更大應用程式的構建塊。使用義大利麵條碼邏輯的程式是非結構化的程式，也就是說，它們不遵循本章將要學習的結構化邏輯規則。另一方面，結構化程式則遵循這些規則，並消除了由非結構化程式引起的問題。
例如，假設您開始了一份狗洗澡的工作，並收到圖 3-1 中顯示的指示。這個流程圖是非結構化的義大利麵條碼的一個例子。按照類別似組織的一個電腦程式可能「運作」，也就是說，它可能會產生正確的結果，但它將很難閱讀和維護，其邏輯也很難跟蹤。
您可能能夠跟蹤圖 3-1 中狗洗澡過程的邏輯，原因可能有兩點：
- 您可能已經知道如何洗狗。
- 流程圖包含有限的步驟。
但是，想象一下，如果您不熟悉狗洗澡，或者這個過程遠比這個複雜得多。例如，想象一下，您必須同時洗100隻狗，並施用跳蚤和蜱蟲藥物，給它們剪頭髮，並研究它們的家譜。在非結構化的方式下描繪更複雜的邏輯將會很麻煩。透過學習結構化程式設計，您將瞭解如何使圖 3-1 中的非結構化過程更清晰、更不容易出錯。
看圖說話：
graph LR
A[開始] --> B[收到狗洗澡指示]
B --> C[跟蹤流程圖]
C --> D[洗狗]
D --> E[完成]
在這個流程圖中，我們可以看到狗洗澡過程的邏輯是如何被結構化的。從開始到完成，每一步驟都很清晰，易於跟蹤。這種結構化的方法可以幫助我們避免義大利麵條碼的混亂，提高程式的可讀性和可維護性。
結構化技巧的優點
結構化技巧可以幫助我們建立更清晰、更易於維護的程式。透過使用結構化的方法，我們可以避免義大利麵條碼的混亂，提高程式的可讀性和可維護性。結構化技巧還可以幫助我們減少錯誤，提高程式的可靠性。
結構化程式設計的基本原則
結構化程式設計的基本原則包括：
- 使用模組化的結構
- 避免使用goto陳述式
- 使用迴圈和條件陳述式
- 使用函式和程式
透過遵循這些基本原則，我們可以建立更清晰、更易於維護的程式，提高程式的可讀性和可靠性。
看圖說話：
graph LR
A[開始] --> B[模組化]
B --> C[避免使用goto]
C --> D[使用迴圈和條件陳述式]
D --> E[使用函式和程式]
E --> F[完成]
在這個流程圖中，我們可以看到結構化程式設計的基本原則是如何被應用的。從開始到完成，每一步驟都很清晰，易於跟蹤。這種結構化的方法可以幫助我們建立更清晰、更易於維護的程式，提高程式的可讀性和可靠性。
結構化程式設計的重要性
在軟體開發中，程式設計的風格對於程式的維護和擴充套件具有重要影響。有一種被稱為「義大利麵條式」（spaghetti code）的程式設計風格，因其複雜且難以維護的特點，常被軟體開發者所避免。
什麼是義大利麵條式程式？
義大利麵條式程式是指那些邏輯複雜、跳躍式的程式碼，缺乏清晰的結構和組織。這種程式碼通常由多個無法預測的控制流組成，使得程式的行為難以理解和預測。
義大利麵條式程式的問題
義大利麵條式程式存在多個問題，包括：
- 難以維護：由於程式碼的複雜性和缺乏清晰的結構，維護和更新程式變得非常困難。
- 易於出錯：義大利麵條式程式更容易出現錯誤和 bug，因為其複雜的邏輯使得錯誤的發現和修復變得困難。
- 不易擴充套件：當需要增加新功能或修改現有功能時，義大利麵條式程式的複雜性使得這些變化變得非常困難。
結構化程式設計的優點
與義大利麵條式程式相反，結構化程式設計強調清晰的結構和組織，使用模組化和層次化的設計方法。這種方法具有多個優點，包括：
- 易於維護：結構化程式設計使得維護和更新程式變得容易，因為程式碼的清晰結構和組織使得問題的定位和修復變得簡單。
- 減少錯誤：結構化程式設計可以減少錯誤和 bug 的出現，因為其清晰的邏輯和組織使得錯誤的發現和修復變得容易。
- 易於擴充套件：結構化程式設計使得增加新功能或修改現有功能變得容易，因為其模組化和層次化的設計方法使得變化變得簡單。
程式設計的三大基本結構
程式設計的基本單位是結構，任何複雜的程式都可以透過三種基本結構來構建：序列、選擇和迴圈。這三種結構是程式設計的基本，透過它們，可以將任意複雜的任務分解成簡單的步驟。
序列結構
序列結構是最基本的結構，它按照順序執行一系列的任務。序列結構可以包含任意多的任務，但不允許跳過任務或改變執行順序。例如，開車從學校到家，可以按照以下序列進行：
- 從第一大道向北開3英里
- 左轉到華盛頓大道
- 往西開2英里
- 停在華盛頓大道634號
選擇結構
選擇結構，也稱為決策結構，根據條件的真假值選擇執行不同的任務。條件是布林表示式，其值只能是真或假。選擇結構使用布林表示式來控制程式的流程。
例如，根據天氣的情況決定是否帶傘，可以使用選擇結構來實作：
- 如果天氣是晴天，則不帶傘
- 如果天氣是雨天，則帶傘
迴圈結構
迴圈結構允許程式重複執行一系列的任務，直到滿足某個條件。迴圈結構可以用來實作重複的任務，例如計算一系列數字的總和。
結構的重要性
程式設計的三大基本結構是序列、選擇和迴圈。這三種結構是程式設計的基本，透過它們，可以將任意複雜的任務分解成簡單的步驟。結構的使用可以使程式更加清晰、易於維護和 debug。
看圖說話：
flowchart TD
A[開始] --> B[序列結構]
B --> C[選擇結構]
C --> D[迴圈結構]
D --> E[結束]
這個流程圖示意了程式設計的三大基本結構：序列結構、選擇結構和迴圈結構。這三種結構是程式設計的基本，透過它們，可以將任意複雜的任務分解成簡單的步驟。
選擇結構的邏輯與應用
在程式設計中，選擇結構是一種基本的控制流程，允許程式根據特定條件執行不同的動作。這種結構通常以流程圖或偽程式碼的形式表達。
流程圖的描述
流程圖是一種視覺化工具，使用符號和箭頭來描述程式的控制流程。選擇結構的流程圖通常以決策符號（decision symbol）開始，該符號包含一個布林表示式（Boolean expression）。然後，流程圖會分支到不同的路徑，根據決策符號中的條件進行執行。
偽程式碼的描述
偽程式碼（pseudocode）是一種用於描述程式邏輯的文字形式。選擇結構的偽程式碼通常以「if」關鍵字開始，後面跟著一個布林表示式。然後，偽程式碼會描述如果條件為真時要執行的動作，如果條件為假時要執行的動作。最後，偽程式碼會使用「endif」關鍵字來標誌選擇結構的結束。
if-then-else 結構
選擇結構也被稱為 if-then-else 結構，因為它符合以下語法：
if 條件 then 執行動作1 else 執行動作2 endif
例如，假設你要給別人方向到你的家，你可能會說：
if 交通堵塞 then 繼續前進 1 個街區，然後左轉到 Adams Lane else 左轉到 Washington Boulevard endif
類別似地，薪資計算程式可能包含以下陳述式：
if 工作小時數 > 40 then 計算基本薪水和加班薪水 else 計算基本薪水
看圖說話：
flowchart TD
A[開始] --> B{交通堵塞?}
B -->|是| C[繼續前進 1 個街區，然後左轉到 Adams Lane]
B -->|否| D[左轉到 Washington Boulevard]
C --> E[結束]
D --> E
這個流程圖描述了根據交通狀況做出不同的決定。選擇結構是一種基本的控制流程，允許程式根據特定條件執行不同的動作。
程式設計中的基本結構
在程式設計中，控制結構是用於控制程式執行流程的基本元素。控制結構可以分為三種基本型別：順序結構、選擇結構和迴圈結構。
順序結構
順序結構是程式設計中最基本的控制結構。它按照一定的順序執行一系列的陳述式。例如：
x = 5
y = 10
z = x + y
這個例子中，程式按照順序執行三個陳述式，先將 5 指定給 x，然後將 10 指定給 y，最後計算 x 和 y 的和，並將結果指定給 z。
選擇結構
選擇結構是用於根據條件執行不同的陳述式。它可以分為單一選擇和雙重選擇兩種。
單一選擇結構的語法如下：
if 條件 then
執行陳述式
endif
例如：
if it is raining then
take an umbrella
endif
這個例子中，如果天正在下雨，則執行 “take an umbrella” 的陳述式。
雙重選擇結構的語法如下：
if 條件 then
執行陳述式1
else
執行陳述式2
endif
例如：
if overtimePay > 0 then
calculate total pay
else
do nothing
endif
這個例子中，如果加班費大於 0，則計算總薪水，否則不執行任何陳述式。
迴圈結構
迴圈結構是用於重複執行一系列的陳述式。它可以分為 while 迴圈和 for 迴圈兩種。
while 迴圈的語法如下：
while 條件 do
執行陳述式
endwhile
例如：
while the address of the house you are passing remains below 634 do
continue driving
endwhile
這個例子中，當房屋地址小於 634 時，繼續開車。
看圖說話：
flowchart TD
A[開始] --> B[順序結構]
B --> C[選擇結構]
C --> D[迴圈結構]
D --> E[結束]
這個流程圖展示了程式設計中的三種基本控制結構：順序結構、選擇結構和迴圈結構。每種結構都有其特定的語法和應用場景。透過掌握這些結構，可以更好地設計和實作程式。
綜觀程式設計的發展歷程，結構化程式設計的重要性不言而喻。從根本上來說，結構化方法的核心價值在於化解複雜性，將「義大利麵條式程式碼」的混亂局面轉化為清晰、易於理解和維護的邏輯體系。透過模組化、迴圈、條件陳述式以及避免無序跳轉，程式碼的可讀性和可重用性顯著提升，開發效率和程式碼品質也隨之提高。挑戰在於如何在實踐中靈活運用這些結構化技巧，並根據專案的規模和複雜度調整策略。展望未來，隨著軟體系統日趨複雜，結構化程式設計的思想仍將是構建穩健、可持續發展軟體系統的基本，並與新的程式設計正規化融合，持續引領軟體工程的最佳實踐。對於重視程式碼品質和長期維護成本的開發者而言，掌握結構化程式設計原則至關重要。
