IB111
Simulace a návrh aplikace
Založeno na 9. kapitole knihy J. M. Zelle: 
Python Programming: An Introduction to Computer Science
Simulace hry volejbal
• Chceme vytvořit simulátor hry volejbal
– Ne grafický :‐)
• Jde nám o počty vítězství 2 teamů, známe‐li 
pravděpodobnosti výhry jejich podání.
• Například:
– První team vyhrává svá podání s 60% úspěšností
– Druhý team vyhrává svá podání s 50% úspěšností
• Úkolem je vytvoření programu, který bude 
simulovat několik her volejbalu
– Používáme stará pravidla a existenci setů ignorujeme
Volejbal
• Začíná jeden team
– Pokud získá své podání, dostane bod a opět podává
– Pokud ztratí své podání, podává druhý team a bod 
nezískává nikdo
• Hra končí pokud nějaký team získá 15 bodů
– Pokud je však rozdíl ve skóre pouze jednobodový, je třeba 
hrát dál dokud rozdíl není alespoň 2 body
Detailnější specifikace problému
• Vstup: Program se zeptá na potřebné údaje
– Pravděpodobnost výhry podání teamu A
– Pravděpodobnost výhry podání teamu B
– Počet her, které budeme simulovat
• Výstup: Program vypíše výsledné statistiky
– Počet simulovaných her
– Počet her, které vyhrál team A
– Počet her, které vyhrál team B
Náhoda
• Pro deterministický počítač není jednoduché
vytvářet zcela náhodná čísla
• Pro simulace typicky používáme generátor 
pseudonáhodných čísel
– Založené na „semínku“ (seed)
– Vytváří posloupnost čísel s dobrými statistickými 
vlastnostmi
• Vhodné pro simulace
• Python
– Modul random
– Pseudonáhodný generátor „Mersenne Twister “
inicializovaný aktuálním časem
• Zcela nevhodné pro kryptografické účely
Generování náhodných čísel
• Python
– random.randint(a, b) 
• Return a random integer N such that a <= N <= b.
– random.random() 
• Return the next random floating point number in the
range [0.0, 1.0).
• Výhra podání
if random() < prob:
score = score + 1
kde prob je pravděpodobnost výhry hráče
Návrh shora dolů (top‐down)
• Návrh začínáme na abstraktní (vysoké) úrovní
• Specifikujeme co principielně bude program dělat
• Uvedeme, jak se bude postupovat, aniž bychom 
museli rovnou zmínit všechny detaily jak to udělat
– To upřesníme později
• V dalších krocích pak postupně upřesňujeme detaily, 
které jsme v předchozích krocích přeskočili
• Nakonec tak získáme kompletní program
Náš příklad se simulací volejbalu
• Základní algoritmus:
Vypiš úvodní informace
Získej vstupní údaje: probA, probB, n
Simuluj n her teamů A a B za pomoci probA, probB
Vypiš kolik her se hrálo, kolikrát vyhrál team A, B
• Pro každý krok dále musíme upřesnit vstupy a 
výstupy 
– parametry a návratové hodnoty funkcí
– Interface / rozhraní
První návrh programu
• Program v pythonu:
def main():
printInstructions()
probA, probB, n = getInputs()
winsA, winsB = simNGames(n, probA, probB)
printSummary(winsA, winsB)
Grafický návrh
• Náš návrh lze zobrazit i graficky
Druhá úroveň návrhu
• Po navržení první (kořenové) úrovně návrhu 
pokračujeme druhou úrovní
• Specifikujeme chování funkcí použitých v návrhu 
první úrovně.
• Tj. specifikujeme funkce
– printIntro
– getInputs
– simNGames
– printSummary
Výpis úvodních informací
• Funkce v pythonu:
def printIntro():
print "Tento program simuluje hru volejbal mezi 2"
print ’teamy "A" a "B". Schopnosti teamu jsou dany’
print "pravdepodobnostmi (cislo mezi 0 a 1)  s jakymi"
print "team vyhraje sve podani. Zacina vždy team A."
Získání vstupních dat
• Funkce v pythonu
def getInputs():
a = input("S jakou pravdepodobnosti vyhraje 
team A sve podani")
b = input("S jakou pravdepodobnosti vyhraje 
team B sve podani")
n = input("Kolik her bude simulovano?")
return a, b, n
Simulace n her
• Intuitivně bude simulace vypadat nějak takto:
iniciálně počet výher winsA a winsB bude nula
opakuj n‐krát
simuluj jednu hru
jestliže vyhrál team A
team A získává bod
jinak
team B získává bod
Simulace n her
• Přepíšeme do pythonu:
def simNGames(n, probA, probB):
winsA = winsB = 0
for i in range(n):
scoreA, scoreB = simOneGame(probA, probB)
if scoreA > scoreB:
winsA = winsA + 1
else:
winsB = winsB + 1
return winsA, winsB
Výpis výsedku
• Zapíšeme v pythonu
def printSummary(winsA, winsB):
n = winsA + winsB
print "\nPocet simulovanych her:", n
print "Pocet vyher A: %d (%0.1f%%)" % (winsA, 
float(winsA)/n*100)
print "Pocet vyher B: %d (%0.1f%%)" % (winsB, 
float(winsB)/n*100)
Grafické znázornění
• Opět může aktuální specifikaci zobrazit graficky:
Třetí úroveň návrhu
• Zbývá dospecifikovat funkci pro jednu hru
• Intuitivně bude funkce fungovat takto:
Inicializuje skóre obou teamů na nulu
Team A má podávat
Opakuj dokud není konec hry:
simuluj jedno podání teamu, který podává
aktualizuj skóre
Vrať skóre obou teamů
Implementace v pythonu
def simOneGame(probA, probB):
scoreA = 0
scoreB = 0
serving = "A"
while gameNotOver(scoreA, scoreB):
if serving == "A":
if random() < probA:
scoreA = scoreA + 1
else:
serving = "B"
else:
if random() < probB:
scoreB = scoreB + 1
else:
serving = "A"
return scoreA, scoreB
Grafické zobrazení
Zbývá funkce pro zjištění konce hry
• Hra končí, pokud některý z teamů získá 15 bodů
– A rozdíl skóre obou teamů je nejméně 2
def gameOver(a,b):
return (a>=15 or b>=15) and (a>=b+2 or b>=a+2)
Jak jsme postupovali
1. Vyjádřili jsme algoritmus jako sérii menších 
problémů (bloků/funkcí)
2. Pro každý menší problém (blok/funkci) jsme 
vyvinuli rozhraní
3. Algoritmus jsem pak upřesnili  tím, že jsme 
specifikovali, jak využijeme rozhraní s menšími 
problémy (bloky/funkcemi).
4. A obdobně jsme postupovali při návrhu 
jednotlivých menších problémů (bloků/funkcí) na 
nižších úrovních.
Testování
• Program implementujeme v pythonu
• Když ho poprvé spustíme je možné, že díky chybám 
nebude fungovat, tak jak si představujeme
– Chybujeme všichni
– Chyby jsou běžné
– Bug
• Program budeme testovat po částech
– Použijeme přístup „zdola nahoru“ (botton‐up)
– Nejprve ověříme funkčnost komponent na nižší úrovni a 
později komponent na vyšší úrovni
Testování funkce gameOver
• Vyzkoušíme na několika voláních s různými 
parametry:
• Pokud se zdá, že funkce funguje dobře, pokračujeme 
o úroveň výše.
• Pozn: Skutečná verifikace toho, že funkce dělá
přesně to co má, je netriviální.
Jiné přístup k návrhu a vývoji SW
• Prototypování a spirálový vývoj
– Prototyp – iniciální verze programu s omezenou 
funkčností
• Vhodné pro ověření, zda principy, na kterých chceme 
SW založit fungují
– Prototyp dále vylepšujeme, až získáme kompletní
program s plnou funkčností
• Inkrementální vývoj
Prototypování: úvodní verze
def simOneGame():
scoreA = 0
scoreB = 0
serving = "A"
for i in range(30):
if serving == "A":
if random() < .5:
scoreA = scoreA + 1
else:
serving = "B"
else:
if random() < .5:
scoreB = scoreB + 1
else:
serving = "A"
print scoreA, scoreB
Prototypování: inkrementální vývoj
• Fáze:
1. Iniciální prototyp: 30 podání s pravděpodobností vyhrání
podání 50 % a 50 %. Pomocný výpis po každém podání.
2. Přidáme parametry pro pravděpodobnosti výher podání.
3. Přidáme funkci sledující konec hry při získání 21 bodů
jedním hráčem. Tím máme funkční simulaci jedné hry.
4. Rozšíříme na opakování několika her. Výstupem bude 
počet výher jednotlivých hráčů.
5. Vývoj plně funkčního programu. Dořešení získání vstupu 
od uživatele a vhodného formátování výstupu.
Vývoj softwaru
• Vývoj softwaru je umění
• Již dlouhou dobu se jí zabývá věda nazývaná
„Softwarové inženýrství“ („Software engineering“)
• S dalšími aspekty vývoje SW se setkáte v dalších 
předmětech na FI
– například PB007 
Softwarové inženýrství I
Ladění programů v pythonu
• Modul pdb
• Spustíme ladění vykonávání
určitého kódu
• Nebo program zastavíme na 
určitém místě (breakpoint) 
pomocí pdb.set_trace()
• Potom můžeme
– Pokračovat (c)
– Krokovat (s)
– Prohlížet proměnné (p)
– …
Ladění programů v Pythonu v IDLE
Ladění programů v C: Visual Studio C++
Dokumentování programů
• Poznámky/komentáře
– Usnadňují pochopení jednotlivých konstrukcí
– Píšeme pro sebe i ostatní
• Užitečné pro pozdější modifikace programu 
– Prováděné námi i jinými
• Dokumentace rozhraní
– API
– Ty funkce/moduly/knihovny, které budou používány 
ostatními
• Názvy modulů, funkcí, proměnných…
Dokumentace rozhraní
• Funkce
– Jméno funkce
– Vstupní parametry
• Povinné
• Nepovinné
• Defaultní hodnoty
– Návratová hodnota
– Funkčnost
Příklad z dokumentace Pythonu
Příklad z dokumentace Windows API
Dokumentujeme v Pythonu
• Dokumentační řetězce (docstring)
• První řetězec třídy, modulu, funkce (metody)
• Všechny „veřejné“ části by měly být dokumentovány
Jak správně dokumentovat?
Příklad využití
Styl
• Styl psaní programů
– Styl programování, coding style
• Stejný program lze zapsat různým způsobem
– Pěkně vs. škaredě (nevhodně)
Doporučení pro Python
• Odsazení: 4 mezery
• Délka řádku: pod 80 znaků
• Prázdné řádky mezi funkcemi a třídami
• Komentáře na separátních řádcích
• Mezery mezi operátory
– Ale žádné mezery u závorek při volání funkcí
• Rozumné a konzistentní názvy funkcí
– dlouhy_nazev_funkce
– DlouhyNazevFunkce
Příklady
Další příklady