В чем суть структурного подхода к программированию

Структурное и модульное программирование.

Структурное программирование

Структурное программирование — парадигма программирования, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков.

По своей сути оно воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ.

Структурное программирование воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ. В основу структурного программирования положены следующие достаточно простые положения:

Структурное программирование иногда называют еще «программированием без go to». Рекомендуется избегать употребления оператора перехода всюду, где это возможно, но чтобы это не приводило к слишком громоздким структурированным программам.

goto (перейти на) — оператор безусловного перехода (перехода к определённой точке программы, обозначенной номером строки либо меткой) в некоторых языках программирования. В некоторых языках оператор безусловного перехода может иметь другое имя (например, jmp в языках ассемблера).

Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании. Эта теорема устанавливает, что, как бы сложна ни была задача, схема соответствующей программы всегда может быть представлена с использованием ограниченного числа элементарных управляющих структур.

Базовыми элементарными структурами являются структуры: следование, ветвление и повторение (цикл), любой алгоритм может быть реализован в виде композиции этих трех конструкций.

Достоинства структурного программирования:

Модульное программирование

Модульное программирование является естественным следствием проектирования сверху вниз и заключается в том, что программа разбивается на части – модули, разрабатываемые по отдельности.

В программировании под модулем понимается отдельная подпрограмма, а подпрограммы часто называются процедурами или процедурами-функциями. Поэтому модульное программирование еще называется процедурным.

Модуль должен обладать следующими свойствами:

Модули содержат определение доступных для обработки данных, операции обработки данных, схемы взаимосвязи с другими модулями.

Каждый модуль состоит из спецификации и тела. Спецификации определяют правила использования модуля, а тело – способ реализации процесса обработки.

Принципы модульного программирования программных продуктов во многом сходны с принципами нисходящего проектирования: сначала определяются состав и подчиненность функций, а затем — набор программных модулей, реализующих эти функции.

Источник

Учитель информатики

Сайт учителя информатики. Технологические карты уроков, Подготовка к ОГЭ и ЕГЭ, полезный материал и многое другое.

Структурное программирование

§ 9. Структурное программирование

Информатика. 11 класса. Босова Л.Л. Оглавление

На всех этапах подготовки к алгоритмизации задачи широко используется структурное представление алгоритма.

Cтруктурное программирование воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ. В основу структурного программирования положены следующие достаточно простые положения:

Структурное программирование иногда называют еще «программированием без GO TO». Рекомендуется избегать употребления оператора перехода всюду, где это возможно, но чтобы это не приводило к слишком громоздким структурированным программам.

К полезным случаям использования оператора перехода можно отнести выход из цикла или процедуры по особому условию, «досрочно» прекращающего работу данного цикла или данной процедуры, т.е. завершающего работу некоторой структурной единицы (обобщенного оператора) и тем самым лишь локально нарушающего структурированность программы.

Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании.

Эта теорема устанавливает, что, как бы сложна ни была задача, схема соответствующей программы всегда может быть представлена с использованием ограниченного числа элементарных управляющих структур.

Базовыми элементарными структурами являются структуры: следование, ветвление и повторение (цикл), любой алгоритм может быть реализован в виде композиции этих трех конструкций.

Первая (а) структура — тип последовательность (или просто последовательность), вторая (б) – структура выбора (ветвление), третья (в) – структура цикла с предусловием.

9.1. Общее представление о структурном программировании

Программирование как род занятий и сфера деятельности интенсивно развивается со второй половины прошлого века. За это время сложились определённые технологии, способствующие повышению производительности труда программистов, в том числе сокращению числа ошибок, упрощению отладки, модификации и сопровождения программного обеспечения. Особенно это важно при разработке больших и сложных программных комплексов, осуществляемой усилиями целых коллективов программистов.

Одна из таких технологий — структурное программирование — была разработана ещё в начале 70-х годов прошлого века и связана с именем выдающегося нидерландского ученого Эдсгера Дейкстры (1930-2002).

Структурное программирование — технология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры логически целостных фрагментов (блоков).

Перечислим некоторые принципы структурного программирования.

1. Любая программа строится из трёх базовых управляющих конструкций: последовательность, ветвление, цикл.
2. В программе базовые управляющие конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом.
3. Повторяющиеся фрагменты программы можно оформить в виде подпрограмм (процедур и функций). В виде подпрограмм можно оформить логически целостные фрагменты программы, даже если они не повторяются.
4. Все перечисленные конструкции должны иметь один вход и один выход.
5. Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

О методе разработки алгоритма «сверху вниз» вы получили представление в курсе информатики основной школы. Напомним его ключевые моменты на примере разработки некоторой программы.

Сначала пишется короткий текст основной программы. В ней вместо каждого логически целостного фрагмента вставляется вызов подпрограммы, которая будет выполнять этот фрагмент. Вместо настоящих, работающих, подпрограмм в программу вставляются так называемые заглушки. Как правило, они удовлетворяют требованиям интерфейса заменяемого фрагмента, но не выполняют его функций.

На следующем шаге следует убедиться, что подпрограммы вызываются в правильной последовательности, т. е. верна общая структура программы.

После этого подпрограммы-заглушки последовательно заменяются на полнофункциональные, причём разработка каждой подпрограммы ведётся тем же методом, что и основной программы. На каждом этапе проверяется, что уже созданная программа правильно работает по отношению к подпрограммам более низкого уровня.

Разработка заканчивается тогда, когда ни на одном уровне не останется ни одной заглушки. Полученная программа проверяется и отлаживается.

Такая последовательность гарантирует, что на каждом этапе разработки программист будет иметь дело с обозримым и понятным ему множеством фрагментов, осознавая, что общая структура всех более высоких уровней программы верна.

Действия по вычислению длины отрезка представляют собой логически целостный фрагмент, который целесообразно оформить в виде вспомогательного алгоритма.

9.2. Вспомогательный алгоритм

Пример 1. Применим метод «сверху вниз» для разработки алгоритма нахождения периметра треугольника, заданного координатами своих вершин.

Пусть ХА, ХВ, YA, YB, ХС, YC — координаты вершин треугольника ABC. Его периметр — сумма длин отрезков АВ, ВС и АС.

Из курса геометрии вам известна формула для вычисления длины отрезка АВ по координатам его концов (рис. 2.11):

Действия по вычислению длины отрезка представляют собой логически целостный фрагмент, который целесообразно оформить в виде вспомогательного алгоритма.

Рис. 2.11. Отрезок АВ

Вспомогательный алгоритм — это алгоритм, целиком используемый в составе другого алгоритма.

На рисунке 2.12 представлены:

1) блок-схема алгоритма вычисления периметра треугольника, предполагающая вызов вспомогательного алгоритма Отрезок;
2) блок-схема вспомогательного алгоритма Отрезок.

При вызове вспомогательного алгоритма указываются его параметры (входные данные и результаты). Параметрами вспомогательного алгоритма Отрезок являются величины XI, Y1, Х2, Y2, D. Это формальные параметры, они используются при описании алгоритма. При конкретном обращении к вспомогательному алгоритму формальные параметры заменяются фактическими параметрами, т. е. именно теми величинами, для которых будет исполнен вспомогательный алгоритм. Типы, количество и порядок следования формальных и фактических параметров должны совпадать.

Рис. 2.12. Алгоритм вычисления периметра треугольника и вспомогательный алгоритм Отрезок

Команда вызова вспомогательного алгоритма исполняется следующим образом:

1) формальные входные данные вспомогательного алгоритма заменяются значениями фактических входных данных, указанных в команде вызова вспомогательного алгоритма;
2) для заданных входных данных исполняются команды вспомогательного алгоритма;
3) полученные результаты присваиваются переменным с именами фактических результатов;
4) осуществляется переход к следующей команде основного алгоритма.

Каким будет результат работы алгоритма при следующих исходных данных: ХА = 1, ХВ = 2, ХС = 3, YA = 1, YВ = 3, YC = 1.

9.3. Рекурсивные алгоритмы

Алгоритм называется рекурсивным, если на каком-либо шаге он прямо или косвенно обращается сам к себе.

Пример 2. Как известно, факториал натурального числа n определяется следующим образом: n! = 1 • 2 • 3 • … • n; 0! считается равным единице (0! = 1).

Иначе это можно записать так:

В определении факториала через рекурсию имеется условие n ≤ 1, при достижении которого вызов рекурсии прекращается.

В рекурсивном определении должно присутствовать ограничение (граничное условие), при выходе на которое дальнейшая инициация рекурсивных обращений прекращается.

Пример 3. Определим функцию S(n), вычисляющую сумму цифр в заданном натуральном числе n:

Самостоятельно определите функцию К(n), которая возвращает количество цифр заданного натурального числа n.

Пример 4. Алгоритм вычисления значения функции F(n), где n — натуральное число, задан следующими соотношениями:

Требуется выяснить, чему равно значение функции F(7). По условию, F(1) = F(2) = 1.

Подобные вычисления можно проводить в уме, а их результаты фиксировать в таблице:

Пример 5. Исполнитель Плюс имеет следующую систему команд:

1) прибавь 1;
2) прибавь 2;
3) прибавь 4.

С помощью первой из них исполнитель увеличивает число на экране на 1, с помощью второй — на 2, с помощью третьей — на 4. Программа для исполнителя Плюс — это последовательность команд. Выясним, сколько разных программ, преобразующих число 20 в число 30, можно составить для этого исполнителя.

Количество программ, с помощью которых можно получить некоторое число n, будем рассматривать как функцию К(n).

Число, меньшее 20, при заданных начальных условиях и системе команд исполнителя Плюс получить невозможно. Следовательно, при n 20 может быть получено из чисел n — 1, n — 2 и n — 4 одной из трёх команд, входящих в систему команд исполнителя — «прибавь 1», «прибавь 2» и «прибавь 4» соответственно. При этом каждая программа получения из исходного числа чисел n-1, n-2 и n-4 удлинится на одну команду и будет приводить к числу n. Следовательно, К(n) = К(n — 1) + + К(n — 2) + К(n — 4).

Запишем все соотношения, определяющие функцию К(n):

Заполним по этой формуле таблицу для всех значений n от 20 до 30:

Итак, существует 169 различных программ, с помощью которых исполнитель Плюс может преобразовать число 20 в 30.

Любой объект, который частично определяется через самого себя, называется рекурсивным. Нас окружает множество рекурсивных объектов. Приведём примеры только некоторых из них.

1. Матрёшка — русская деревянная игрушка в виде расписной куклы, внутри которой находятся подобные ей куклы меньшего размера.

2. Два зеркала, поставленные друг напротив друга, — в них образуются два коридора из затухающих отражений. Это, например, можно наблюдать в спальном железнодорожном вагоне.

3. Примером рекурсивной структуры является замечательное стихотворение Р. Бернса «Дом, который построил Джек» в переводе С. Маршака.

4. Рекурсивную природу имеют геометрические фракталы. На рисунке представлено построение одного из геометрических фракталов — треугольника Серпинского. Чтобы его получить, нужно взять равносторонний треугольник с внутренней областью, провести в нём средние линии и «выкинуть» центральный из четырёх образовавшихся маленьких треугольников. Дальше эти же действия нужно повторить с каждым из оставшихся трёх треугольников, и т. д.

9.4. Запись вспомогательных алгоритмов на языке Pascal

Запись вспомогательных алгоритмов в языках программирования осуществляется с помощью подпрограмм. В языке Pascal различают два вида подпрограмм: процедуры и функции.

Процедура — подпрограмма, имеющая произвольное количество входных и выходных данных.

Описание процедуры имеет вид:

procedure ( ; var: );

begin

В заголовке процедуры после её имени приводится перечень формальных параметров и их типов. Для вызова процедуры достаточно указать её имя со списком фактических параметров. При этом между фактическими и формальными параметрами должно быть полное соответствие по количеству, порядку следования и типу.

Пример 6. Запишем на языке Pascal программу нахождения периметра треугольника, заданного координатами его вершин. Вспомогательный алгоритм оформим с помощью процедуры.

Выполните программу на компьютере.

Подумайте, каким образом можно модифицировать программу, чтобы вычислять с её помощью периметр n-угольника. Каким образом при решении этой задачи можно использовать массивы?

Функция — подпрограмма, имеющая единственный результат, записываемый в ячейку памяти, имя которой совпадает с именем функции.

Описание функции имеет вид:

В заголовке функции после её имени приводится описание входных данных — указывается перечень формальных параметров и их типов. Там же указывается тип самой функции, т. е. тип результата. В блоке функции обязательно должен присутствовать оператор

Для вызова функции достаточно указать её имя со списком фактических параметров в любом выражении, в условиях (после слов if, while, until) или в операторе write главной программы.

Пример 7. Запишем на языке Pascal программу нахождения периметра треугольника, заданного координатами его вершин. Вспомогательный алгоритм оформим с помощью функции.

Выполните программу на компьютере.

На основе этой программы напишите функцию, вычисляющую площадь треугольника по целочисленным координатам его вершин. Используйте эту функцию для вычисления площади n-угольника.

САМОЕ ГЛАВНОЕ

Структурное программирование — технология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры логически целостных фрагментов (блоков).

Основные принципы структурного программирования заключаются в том, что:

1) любая программа строится из трёх базовых управляющих конструкций: последовательность, ветвление, цикл;
2) в программе базовые управляющие конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом;
3) повторяющиеся фрагменты программы можно оформить в виде подпрограмм (процедур и функций). В виде подпрограмм можно оформить логически целостные фрагменты программы, даже если они не повторяются;
4) все перечисленные конструкции должны иметь один вход и один выход;
5) разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

Вспомогательный алгоритм — это алгоритм, целиком используемый в составе другого алгоритма.

Алгоритм называется рекурсивным, если на каком-либо шаге он прямо или косвенно обращается сам к себе.

Запись вспомогательных алгоритмов в языках программирования осуществляется с помощью подпрограмм. В языке Pascal различают два вида подпрограмм: процедуры и функции.

Вопросы и задания

1. В чём заключается сущность структурного программирования? Какие преимущества обеспечивает эта технология?

2. Какой алгоритм называется вспомогательным?

3. Вспомните, в чём состоит суть метода последовательного построения (уточнения) алгоритма. Как он называется иначе?

4. Опишите основные шаги разработки программы методом «сверху вниз».

5. Дан прямоугольный параллелепипед, длины рёбер которого равны а, b и с.

Требуется определить периметр треугольника, образованного диагоналями его граней. Какой алгоритм целесообразно использовать при решении этой задачи в качестве вспомогательного?

6. Какой вспомогательный алгоритм называется рекурсивным? Что такое граничное условие и каково его назначение в рекурсивном алгоритме?

7. Алгоритм вычисления значения функции F(n), где n — натуральное число, задан следующими соотношениями:

Требуется выяснить, чему равно значение функции F(10).

8. Исполнитель Калькулятор имеет следующую систему команд:

1) прибавь 1;
2) умножь на 2.

С помощью первой из них исполнитель увеличивает число на экране на 2, с помощью второй — в 2 раза.

1) Выясните, сколько разных программ, преобразующих число 1 в число 20, можно составить для этого исполнителя.
2) Сколько среди них таких программ, у которых в качестве промежуточного результата обязательно получается число 15?
3) Сколько среди них таких программ, у которых в качестве промежуточного результата никогда не получается число 12?

9. Попробуйте найти рекурсивные синтаксические структуры:

1) в поэме А. Блока «Двенадцать»;
2) в стихотворении М. Лермонтова «Сон»;
3) в романе М. Булгакова «Мастер и Маргарита»;
4) в фольклоре.

10. Найдите информацию о таких геометрических фракталах, как Снежинка Коха, Т-квадрат, Н-фрактал, кривая Леви, Драконова ломаная.

11. Напишите программу вычисления значения функции F(n), рассмотренной в примере 4 этого параграфа. Вычислите с её помощью значение функции F(7).

12. Напишите программу вычисления

Не выполняя программу на компьютере, выясните, что получится в результате работы этой программы.

Проверьте свой результат, выполнив программу на компьютере.

Дополнительные материалы к главе смотрите в авторской мастерской.

Источник

В чем суть структурного подхода к программированию

Основными технологиями разработки программного обеспечения являются

Императивное программирование — это исторически первая методология программирования, которой пользовался каждый программист, программирующий на любом из «массовых» языков программирования – Basic, Pascal, C.

Она ориентирована на классическую фон Неймановскую модель, остававшуюся долгое время единственной аппаратной архитектурой. Методология императивного программирования характеризуется принципом последовательного изменения состояния вычислителя пошаговым образом. При этом управление изменениями полностью определено и полностью контролируемо.

Методы и концепции.

В качестве математической модели императивное программирование использует машину Тьюринга-Поста — абстрактное вычислительное устройство, предложенное на заре компьютерной эры для описания алгоритмов.

Синтаксис и семантика. Языки, поддерживающие данную вычислительную модель, являются как бы средством описания функции переходов между состояниями вычислителя. Основным их синтаксическим понятием является оператор. Первая группа — простые операторы, у которых никакая их часть не является самостоятельным оператором (например, оператор присваивания, оператор безусловного перехода, вызова процедуры и т. п.). Вторая группа — структурные операторы, объединяющие другие операторы в новый, более крупный оператор (например, составной оператор, операторы выбора, цикла и т. п.).

Традиционное средство структурирования — подпрограмма (процедура или функция). Подпрограммы имеют параметры и локальные определения и могут быть вызваны рекурсивно. Функции возвращают значения как результат своей работы.

Если в данной методологии требуется решить некоторую задачу для того, чтобы использовать ее результаты при решении следующей задачи, то типичный подход будет таким. Сначала исполняется алгоритм, решающий первую задачу. Результаты его работы сохраняются в специальном месте памяти, которое известно следующему алгоритму, и используются им.

Императивные языки программирования. Императивные языки программирования манипулируют данными в пошаговом режиме, используя последовательные инструкции и применяя их к разнообразным данным.

Считается, что первым алгоритмическим языком программирования был язык Plankalkuel (от plan calculus), разработанный в 1945—1946 годах Конрадом Цузе (Konrad Zuse).

Большинствои из наиболее известных и распространенных императивных языков программирования было создано в конце 50-х — середине 70-х годов XX века. Это период 80-х и 90-х годов соответствует увлечениям новыми парадигмами, и императивных языков в это время практически не появлялось.

Класс задач. Императивное программирование наиболее пригодно для решения задач,в которых последовательное исполнение каких-либо команд является естественным. Примером здесь может служить управление современными аппаратными средствами. Поскольку практически все современные компьютеры императивны, эта методология позволяет порождать достаточно эффективный исполняемый код. С ростом сложности задачи императивные программы становятся все менее и менее читаемыми.

Программирование и отладка действительно больших программ (например, компиляторов),написанных исключительно на основе методологии императивного программирования, может затянуться на долгие годы.

Структурное программирование (СП) возникло как вариант решения проблемы уменьшения СЛОЖНОСТИ разработки программного обеспечения.

В начале эры программирования работа программиста ничем не регламентировалась. Решаемые задачи не отличались размахом и масштабностью, использовались в основном машинно-ориентированные языки и близкие к ним язык типа Ассемблера, разрабатываемые программы редко достигали значительных размеров, не ставились жесткие ограничения на время их разработки.

По мере развития программирования появились задачи, для решения которых определялись ограниченные сроки все более сложных задач с привлечением групп программистов. И как следствие, разработчики столкнулись с тем, что методы, пригодные для разработки небольших задач, не могут быть использованы при разработке больших проектов в силу сложности последних.

Методология структурного императивного программирования — подход, заключающийся в задании хорошей топологии императивных программ, в том числе отказе от использования глобальных данных и оператора безусловного перехода, разработке модулей с сильной связностью и обеспечении их независимости от других модулей.

Подход базируется на двух основных принципах:

Напомним, что данная методология является важнейшим развитием императивной методологии.

Происхождение, история и эволюция. Создателем структурного подхода считается Эдсгер Дейкстра. Ему также принадлежит попытка (к сожалению, совершенно неприменимая для массового программирования) соединить структурное программирование с методами доказательства правильности создаваемых программ. В его разработке участвовали такие известные ученые как Х. Милс, Д.Э. Кнут, С. Хоор.

Методы и концепции, лежащие в основе структурного программирования. Их три

Структурные языки программирования. Основное отличие от классической методологии императивного программирования заключается в отказе (точнее, той или иной степени отказа) от оператора безусловного перехода.

Следствие 1: Всякую программу можно привести к форме без оператора goto.

Следствие 3: Сложность структурированных программ ограничена, даже в случае их неограниченного размера.

Практически на всех языках, поддерживающих императивную методологию, можно разрабатывать программы и по данной методологии. В ряде языков введены специальные заменители оператора goto, позволяющие облегчить управление циклами (например, Break и Continue в языке C).

Класс задач. Класс задач для данной методологии соответствует классу задач для императивной методологии. Заметим, что при этом удается разрабатывать более сложные программы, поскольку их легко воспринимать и анализировать.

Концепции модульного программирования.

В основе модульного программирования лежат три основных концепции:

Принцип утаивания информации Парнаса. Всякий компонент утаивает единственное проектное решение, т.е. модуль служит для утаивания информации. Подход к разработке программ заключается в том, что сначала формируется список проектных решений, которые особенно трудно принять или которые, скорее всего, будут меняться. Затем определяются отдельные модули, каждый из которых реализует одно из указанных решений.

Аксиома модульности Коуэна. Модуль — независимая программная единица, служащая для выполнения некоторой определенной функции программы и для связи с остальной частью программы. Программная единица должна удовлетворять следующим условиям:

Сборочное программирование Цейтина. Модули — это программные кирпичи, из которых строится программа. Существуют три основные предпосылки к модульному программированию:

Определения модуля и его примеры. Приведем несколько дополнительных определений модуля.

Функциональная спецификация модуля должна включать:

Разновидности модулей. Существуют три основные разновидности модулей:

«Маленькие» (функциональные) модули, реализующие, как правило, одну какую-либо определенную функцию. Основным и простейшим модулем практически во всех языках программирования является процедура или функция.

«Средние» (информационные) модули, реализующие, как правило, несколько операций или функций над одной и той же структурой данных (информационным объектом), которая считается неизвестной вне этого модуля. Примеры «средних» модулей в языках программирования:

«Большие” (логические) модули, объединяющие набор «средних» или «маленьких» модулей. Примеры «больших» модулей в языках программирования:

Набор характеристик модуля предложен Майерсом [Майерс 1980]. Он состоит из следующих конструктивных характеристик:

В модуле должно быть 7 (+/-2) конструкций (например, операторов для функций или функций для пакета). Это число берется на основе представлений психологов о среднем оперативном буфере памяти человека. Символьные образы в человеческом мозгу объединяются в «чанки» — наборы фактов и связей между ними, запоминаемые и извлекаемые как единое целое. В каждый момент времени человек может обрабатывать не более 7 чанков.

Модуль (функция) не должен превышать 60 строк. В результате его можно поместить на одну страницу распечатки или легко просмотреть на экране монитора.

прочности (связности) модуля;

Существует гипотеза о глобальных данных, утверждающая, что глобальные данные вредны и опасны. Идея глобальных данных дискредитирует себя так же, как и идея оператора безусловного перехода goto. Локальность данных дает возможность легко читать и понимать модули, а также легко удалять их из программы.

Связность (прочность) модуля — мера независимости его частей. Чем выше связность модуля — тем лучше, тем больше связей по отношению к оставшейся части программы он упрятывает в себе. Можно выделить типы связности, приведенные ниже.

Функциональная связность. Модуль с функциональной связностью реализует одну какую-либо определенную функцию и не может быть разбит на 2 модуля с теми же типами связностей.

Последовательная связность. Модуль с такой связностью может быть разбит на последовательные части, выполняющие независимые функции, но совместно реализующие единственную функцию. Например, один и тот же модуль может быть использован сначала для оценки, а затем для обработки данных.

Информационная (коммуникативная) связность. Модуль с информационной связностью — это модуль, который выполняет несколько операций или функций над одной и той же структурой данных (информационным объектом), которая считается неизвестной вне этого модуля. Эта информационная связность применяется для реализации абстрактных типов данных.

Обратим внимание на то, что средства для задания информационно прочных модулей отсутствовали в ранних языках программирования (например, FORTRAN и даже в оригинальной версии языка Pascal). И только позже, в языке программирования Ada, появился пакет — средство задания информационно прочного модуля.

сцепления модуля с другими модулями;

Сцепление — мера относительной независимости модуля от других модулей. Независимые модули могут быть модифицированы без переделки других модулей. Чем слабее сцепление модуля, тем лучше. Рассмотрим различные типы сцепления.

Независимые модули — это идеальный случай. Модули ничего не знают друг о друге. Организовать взаимодействие таких модулей можно, зная их интерфейс и соответствующим образом перенаправив выходные данные одного модуля на вход другого. Достичь такого сцепления сложно, да и не нужно, поскольку сцепление по данным (параметрическое сцепление) является достаточно хорошим.

Сцепление по данным (параметрическое) — это сцепление, когда данные передаются модулю, как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Этот вид сцепления реализуется в языках программирования при обращении к функциям (процедурам). Две разновидности этого сцепления определяются характером данным.

рутинности (идемпотентность, независимость от предыдущих обращений) модуля.

Рутинность — это независимость модуля от предыдущих обращений к нему (от предыстории). Будем называть модуль рутинным, если результат его работы зависит только от количества переданных параметров (а не от количества обращений).

Модуль должен быть рутинным в большинстве случаев, но есть и случаи, когда модуль должен сохранять историю. В выборе степени рутинности модуля пользуются тремя рекомендациями.

Метод объектно-ориентированного программирования (ООП).

Метод структурного программирования оказался эффективен при написании программ «ограниченной сложности». Однако с возрастанием сложности реализуемых программных проектов и, соответственно, объема кода создаваемых программ, возможности метода структурного программирования оказались недостаточными.

Основной причиной возникших проблем можно считать то, что в программе не отражалась непосредственно структура явлений и понятий реального мира и связей межу ними. При попытке анализа и модификации текста программы программист вынужден был оперировать искусственными категориями.

Чтобы писать все более сложные программы, необходим был новый подход к программированию. В итоге были разработаны принципы Объектно-Ориентированного Программирования. OOП аккумулирует лучшие идеи, воплощённые в структурном программировании, и сочетает их с мощными новыми концепциями, которые позволяют по-новому организовывать ваши программы.

Надо сказать, что теоретические основы ООП были заложены еще в 70-х годах прошлого века, но практическое их воплощение стало возможно лишь в середине 80-х, с появлением соответствующих технических средств.

Объектно-ориентированные программы называют «программами, управляемыми от событий»,в отличие от традиционных программ, называемых «программам, управляемыми от данных».

Основные методы и концепции ООП

Вычислительная модель чистого ООП поддерживает только одну операцию – посылку сообщения объекту. Сообщения могут иметь параметры, являющиеся объектами. Само сообщение тоже является объектом.

Объект имеет набор обработчиков сообщений (набор методов). У объекта есть поля – персональные переменные данного объекта, значениями которых являются ссылки на другие объекты. В одном из полей объекта хранится ссылка на объект-предок, которому переадресуются все сообщения, не обработанные данным объектом. Структуры, описывающие обработку и переадресацию сообщений, обычно выделяются в отдельный объект, называемый классом данного объекта. Сам объект называется экземпляром указанного класса.

Синтаксис и семантика

В синтаксисе чистых объектно-ориентированных языков все может быть записано в форме посылки сообщений объектам. Класс в объектно-ориентированных языках описывает структуру и функционирование множества объектов с подобными характеристиками, атрибутами и поведением. Объект принадлежит к некоторому классу и обладает своим собственным внутренним состоянием. Методы — функциональные свойства, которые можно активизировать.

В объектно-ориентированном программировании определяют три основных свойства:

Инкапсуляция. Это сокрытие информации и комбинирование данных и функций (методов) внутри объекта.

Наследование. Построение иерархии порожденных объектов с возможностью для каждого такого объекта-наследника доступа к коду и данным всех порождающих объектов-предков. Построение иерархий является достаточно сложным делом, так как при этом приходится выполнять классифицирование.

Большинство окружающих нас объектов относится к категориям, рассмотренным в книге [Шлеер, Меллор 1993]:

Полиморфизм (полиморфизм включения) — присваивание действию одного имени, которое затем разделяется вверх и вниз по иерархии объектов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, подходящим именно ему.

У каждого объекта есть ссылка на класс, к которому он относится. При приеме сообщения объект обращается к классу для обработки данного сообщения. Сообщение может быть передано вверх по иерархии наследования, если сам класс не располагает методом для его обработки. Если обработчик событий для сообщения выбирается динамически, то методы, реализующие обработчиков событий, принято называть виртуальными.

Естественным средством структурирования в данной методологии являются классы. Классы определяют, какие поля и методы экземпляра доступны извне, как обрабатывать отдельные сообщения и т. п. В чистых объектно-ориентированных языках извне доступны только методы, а доступ к данным объекта возможен только через его методы.

Взаимодействие задач в данной методологии осуществляется при помощи обмена сообщениями между объектами, реализующими данные задачи.

Для поддержки концепции ООП были разработаны специальные объектно-ориентированные языки программирования. Все языки OOП можно разделить на три группы.

Общие принципы разработки программного обеспечения

Программное обеспечение различается по назначению, выполняемым функциям, формам реализации. В этом смысле всякое ПО — сложная, достаточно уникальная программная система. Однако существуют некоторые общие принципы, которые следует использовать при разработке ПО.

Частотный принцип. Основан на выделении в алгоритмах и в обрабатываемых структурах групп действий и данных по частоте использования. Для действий, которые чаще встречаются при работе ПО, обеспечиваются условия их наиболее быстрого выполнения. К данным, к которым происходит частое обращение, обеспечивается наиболее быстрый доступ. «Частые» операции стараются делать более короткими.

Принцип модульности. Под модулем в общем случае понимают функциональный элемент рассматриваемой системы, имеющий оформление, законченное и выполненное в пределах требований системы, и средства сопряжения с подобными элементами или элементами более высокого уровня данной или другой системы. Способы обособления составных частей ПО в отдельные модули могут быть существенно различными. Чаще всего разделение происходит по функциональному признаку. В значительной степени разделение системы на модули определяется используемым методом проектирования ПО.

Принцип функциональной избирательности. Этот принцип является логическим продолжением частотного и модульного принципов и используется при проектировании ПО, объем которого существенно превосходит имеющийся объем оперативной памяти. В ПО выделяется некоторая часть важных модулей, которые постоянно должны быть в состоянии готовности для эффективной организации вычислительного процесса. Эту часть в ПО называют ядром или монитором. В состав монитора, помимо чисто управляющих модулей, должны войти наиболее часто используемые модули. Программы, входящие в состав монитора, постоянно хранятся в оперативной памяти. Остальные части ПО размещаются на внешних запоминающих устройствах и загружаются в оперативную память только по вызову, перекрывая друг друга при необходимости.

Принцип генерируемости. Основное положение этого принципа определяет такой способ исходного представления ПО, который бы позволял осуществлять настройку на конкретную конфигурацию технических средств, круг решаемых проблем, условия работы пользователя.

Принцип функциональной избыточности. Этот принцип учитывает возможность выполнения одной и той же работы (функции) различными средствами. Особенно важен учет этого принципа при разработке пользовательского интерфейса для выдачи данных из-за психологических различий в восприятии информации.

Принцип умолчания. Применяется для облегчения организации связей с системой как на стадии генерации, так и при работе с уже готовым ПО. Принцип основан на хранении в системе некоторых базовых описаний структур, модулей, конфигураций оборудования и данных, заранее определяющих условия работы с ПО. Эту информацию ПО использует в качестве заданной, если пользователь забудет или сознательно не конкретизирует ее.

Общесистемные принципы. При создании и развитии ПО рекомендуется применять следующие общесистемные принципы:

Жизненный цикл программного обеспечения

Понятие «жизненный цикл» предполагает нечто рождаю­щееся, развивающееся и умирающее. Подобно живому организму программные изделия создаются, эксплуатируются и развиваются во времени.

Жизненный цикл программного обеспечения включает в себя все этапы его развития: от возникновения потребности в нем до полного прекращения его использования вследствие морального старения или потери необходимости решения соответствующих задач.

Можно выделить несколько фаз существования программного изделия в течение его жизненного цикла. Общепринятых названий для этих фаз и их числа пока еще нет. Но и особых разногласий по этому вопросу нет. Поэтому существует несколько вариантов разбиения жизненного цикла программного обеспечения на этапы. Вопрос о том, лучше ли данное конкретное разбиение, чем другие, не является основным. Главное, необходимо пра­вильно организовать разработку программного обеспечения с их учетом.

По длительности жизненного цикла программные изделия можно разделить на два класса: с малым и большим временем жизни. Этим классам программ соответствуют гибкий (мягкий) подход к их созданию и использованию и жесткий промыш­ленный подход регламентированного проектирования и эксплуа­тации программных изделий. В научных организациях и вузах, например, преобладают разработки программ первого класса, а в проектных и промышленных организациях — второго.

Программные изделия с малой длительностью эксплуатации создаются в основном для решения научных и инженерных задач, для получения конкретных результатов вычислений. Такие прог­раммы обычно относительно невелики. Они разрабатываются одним специалистом или маленькой группой. Главная идея программы обсуждается одним программистом и конечным пользователем. Некоторые детали заносятся на бумагу, и проект реализуется в течение нескольких дней или недель. Они не предназначены для тиражирования и передачи для последующего использования в другие коллективы. По существу, такие прог­раммы являются частью научно-исследовательской работы и не могут рассматриваться как отчуждаемые программные изделия.

Их жизненный цикл состоит из длительного интервала сис­темного анализа и формализации проблемы, значительного этапа проектирования программ и относительно небольшого времени эксплуатации и получения результатов. Требования, предъяв­ляемые к функциональным и конструктивным характеристикам, как правило, не формализуются, отсутствуют оформленные испытания программ. Показатели их качества контролируются только разработчиками в соответствии с их неформальными представлениями.

Сопровождение и модификация таких программ не обязатель­ны, и их жизненный цикл завершается после получения резуль­татов вычислений. Основные затраты в жизненном цикле таких программ приходятся на этапы системного анализа и проектирования, которые продолжаются от месяца до 2 лет, в результате чего жизненный цикл программного изделия редко превышает 3 года.

Программные изделия с большой длительностью эксплуатации создаются для регулярной обработки информации и управления. Структура таких программ сложная. Их размеры могут изменяться в широких пределах, однако все они обладают свойствами познаваемости и возможности модифи­кации в процессе длительного сопровождения и использования различными специалистами. Программные изделия этого класса допускают тиражирование, они сопровождаются документацией как промышленные изделия и представляют собой отчуждаемые от разработчика программные продукты.

Их проектированием и эксплуатацией занимаются большие коллективы специалистов, для чего необходима формализация программной системы, а также формализованные испытания и определение достигнутых показателей качества конечного про­дукта. Их жизненный цикл составляет десятки лет. До 90% этого времени приходится на эксплуатацию и сопровождение. Вследствие массового тиражирования и длительного сопровождения совокупные затраты в процессе эксплуатации и сопровождения таких программных изделий значительно превышают затраты на системный анализ и проектирование.

Все последующее изложение акцентирует внимание на теме разработки крупных (сложных)программных средств управления и обработки информации.

Обобщенная модель жизненного цикла программного изделия может выглядеть так:

Проектирование программного обеспечения:

Оценка (испытания) программного обеспечения.

Использование программного обеспечения:

Системный анализ. В начале разработки программного обеспечения проводят системный анализ (предварительное его проектирование), в ходе которого определяются потребность в нем, его назначение и основные функциональные характе­ристики. Оцениваются затраты и возможная эффективность применения будущего программного изделия.

На этом этапе составляется перечень требований, то есть четкое определение того, что пользователь ожидает от готового продукта. Здесь же осуществляется постановка целей и задач, ради реализации которых и разрабатывается сам проект. В фазе систем­ного анализа можно выделить два направления: исследование и анализ осуществимости.

Исследования начинаются с того момента, когда руководитель разработки осознает потребность в программном обеспечении.

Работа состоит в планировании и координации действий, необходимых для подготовки формального рукописного перечня требований к разрабатываемому программному изделию.

Исследования заканчиваются тогда, когда требования сформи­рованы в таком виде, что становятся обозримыми и при необ­ходимости могут быть модифицированы и одобрены ответствен­ным руководителем.

Анализ осуществимости есть техническая часть исследований и начинается тогда, когда намерение руководства окрепнет настолько, что назначается руководитель проекта, организующий проектирование и распределение ресурсов (рабочей силы).

Работа заключается в исследовании предполагаемого прог­раммного изделия с целью получения практической оценки возможности реализации проекта, в частности определяются:

Эти и другие вопросы необходимо решать главным образом при рассмотрении указанных выше требований.

Анализ осуществимости заканчивается, когда все требования собраны и одобрены.

Прежде чем продолжить дальнейшую работу над проектом необходимо удостовериться, что вся необходимая информация получена. Эта информация должна быть точной, понятной и осуществимой. Она должна представлять собой полный комплекс требований удовлетворяющих пользователя к разрабатываемому программному продукту, оформляемый в виде спецификации.

При несоблюдении данного требования можно значительно замедлить реализацию проекта в будущем вследствие много­кратного повторного обращения к пользователю за уточнением неверно трактованных деталей, неоговоренных условий и, как следствие, потребуется переделка уже разработанных его частей.

Часто в период системного анализа принимается решение о прекращении дальнейшей разработки программного обеспе­чения.

Проектирование программного обеспечения. Проектиро­вание является основной и решающей фазой жизненного цикла программного обеспечения, во время которого создается и на 90% приобретает свою окончательную форму программное из­делие.

Эта фаза жизни охватывает различные виды деятельности проекта и может быть разделена на три основных этапа: конст­руирование, программирование и отладку программного из­делия.

Конструирование программного обеспечения обычно начи­нается ещё в фазе анализа осуществимости, как только оказы­ваются зафиксированными на бумаге некоторые предварительные цели и требования к нему.

К моменту утверждения требований работа в фазе конст­руирования будет в самом разгаре.

На этом отрезке жизни программного обеспечения осу­ществляют:

Программирование начинается уже в фазе конструирования, как только станут доступными основные спецификации на отдельные компоненты программного изделия, но не ранее утверждения соглашения о требованиях. Перекрытие фаз прог­раммирования и конструирования приводит к экономии общего времени разработки, а также к обеспечению проверки пра­вильности проектных решений, и в некоторых случаях влияет на решение ключевых вопросов.

На этом этапе выполняется работа, связанная со сборкой программного изделия. Она состоит в подробном внутреннем конструировании программного продукта, в разработке внут­ренней логики каждого модуля системы, которая затем выра­жается текстом конкретной программы.

Фаза программирования завершается, когда разработчики закончат документирование, отладку и компоновку отдельных частей программного изделия в одно целое.

Отладка программного обеспечения осуществляется после того, когда все его компоненты будут отлажены по отдельности и собраны в единый программный продукт.

Оценка (испытания) программного обеспечения. В этой фазе программное изделие подвергается строгому системному испы­танию со стороны группы лиц, не являющихся разработчиками.

Это делается для того, чтобы гарантировать, что готовое программное изделие удовлетворяет всем требованиям и спецификациям, может быть использовано в среде пользователя, свободно от каких-либо дефектов и содержит необходимую документацию, которая точно и полно описывает программное изделие.

Фаза оценки начинается, как только все компоненты (мо­дули) собраны вместе и испытаны, т.е. после полной отладки готового программного продукта. Она заканчивается после полу­чения подтверждения, что программное изделие прошло все испытания и готово к эксплуатации.

Она продолжается так же долго, как и программирование.

Такое сравнение уместно ввиду того, что во время исполь­зования программного изделия исправляются ошибки, вкрав­шиеся в процессе его проектирования.

Фаза использования программного изделия начинается тогда, когда изделие передается в систему распределения.

Это то время, в течение которого изделие находится в действии и используется эффективно.

Фаза использования заканчивается, когда изделие изымается из употребления и упомянутые выше действия прекращаются. Отметим, однако, что программное изделие может долго приме­няться кем-либо еще и после того, как фаза использования в том виде, как она определена здесь, завершится. Потому что этот некто может плодотворно использовать программное изделие у себя даже без помощи разработчика.

Использование программного продукта определяется его эксплуатацией и сопровождением.

Эксплуатация программного изделия заключается в испол­нении, функционировании его на ЭВМ для обработки инфор­мации и в получении результатов, являющихся целью его соз­дания, а также, в обеспечении достоверности и надежности выдаваемых данных.

Сопровождение программного обеспечения состоит в эксплу­атаци­он­ном обслуживании, развитии функциональных возможностей и повышении эксплуатационных характеристик прог­рам­мно­го изделия, в тиражировании и переносе программного изделия на различные типы вычислительных средств.

Сопровождение играет роль необходимой обратной связи от этапа эксплуатации.

В процессе функционирования программного обеспечения возможно обнаружение ошибок в программах, и появляется необходимость их модификации и расширения функций.

Эти доработки, как правило, ведутся одновременно с эксплу­атацией текущей версии программного изделия. После проверки подготовленных корректировок на одном из экземпляров прог­рамм очередная версия программного изделия заменяет ранее эксплуатировавшиеся или некоторые из них. При этом процесс эксплуатации программного изделия может быть практически непрерывным, так как замена версии программного изделия является кратковременной. Эти обстоятельства приводят к тому, что процесс эксплуатации версии программного изделия обычно идет параллельно и независимо от этапа сопровождения.

Возможны и обычно желательны перекрытия между разными фазами жизненного цикла программного изделия. Однако не должно быть никакого перекрытия между несмежными про­цессами.

Возможна обратная связь между фазами. Например, во время одного из шагов внешнего проектирования могут быть обна­ружены погрешности в формулировке целей, тогда нужно не­медленно вернуться и исправить их.

Традиционно приложения делят на две большие группы (по способу взаимодействия с пользователем):

консольные, ввод и вывод информации в которых производится при помощи стандартных потоков ввода (stdin), поток вывода (stdout) и поток ошибок (stderr).

Теория по консольным приложениям выше уже была, посмотрим как консольное приложение выглядит на C#:

Источник