В чем заключается сущность структурного программирования

Урок 13
§9 (1, 2). Структурное программирование

Содержание урока:

	САМОЕ ГЛАВНОЕ Вопросы и задания
9.2. Вспомогательный алгоритм		Материалы к уроку

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?

Cкачать материалы урока

Источник

Основные технологии

Основные понятия, факты

Структурное программирование. Модульное программирование. Объектно-ориентированное программирование. Базовые принципы ООП: инкапсуляция, наследование, полиморфизм.

Навыки и умения

Разработка программ с использованием принципов структурного, модульного, объектно-ориентированного программирования.

Основными технологиями разработки программного обеспечения являются

Сутью структурного программирования является возможность разбиения программы на составляющие элементы.

Распространены две методики (стратегии) разработки программ, относящиеся к структурному программированию: программирование «сверху вниз» и программирование «снизу вверх».

Программирование «сверху вниз», или нисходящее программирование – это методика разработки программ, при которой разработка начинается с определения целей решения проблемы, после чего идет последовательная детализация, заканчивающаяся детальной программой. Является противоположной методике программирования «снизу вверх».

При нисходящем проектировании задача анализируется с целью определения возможности разбиения ее на ряд подзадач. Затем каждая из полученных подзадач также анализируется для возможного разбиения на подзадачи. Процесс заканчивается, когда подзадачу невозможно или нецелесообразно далее разбивать на подзадачи.

Программирование «снизу вверх», или восходящее программирование – это методика разработки программ, начинающаяся с разработки подпрограмм (процедур, функций), в то время когда проработка общей схемы не закончилась. Является противоположной методике программирования «сверху вниз».

Такая методика является менее предпочтительной по сравнению с нисходящим программированием так как часто приводит к нежелательным результатам, переделкам и увеличению времени разработки.

Достоинства структурного программирования :

1) повышается надежность программ (благодаря хорошему структурированию при проектировании, программа легко поддается тестированию и не создает проблем при отладке);

2) повышается эффективность программ (структурирование программы позволяет легко находить и корректировать ошибки, а отдельные подпрограммы можно переделывать (модифицировать) независимо от других);

3) уменьшается время и стоимость программной разработки;

4) улучшается читабельность программ.

Резюме

Технология структурного программирования при разработке серьезных программных комплексов, основана на следующих принципах:

— программирование должно осуществляться сверху вниз;

— весь проект должен быть разбит на модули (подпрограммы) с одним входом и одним выходом;

— недопустим оператор передачи управления в любую точку программы ( goto );

— документация должна создаваться одновременно с программированием в виде комментариев к программе.

Структурное программирование эффективно используется для решения различных математических задач, имеющих алгоритмический характер.

Модулем (в модульном программировании) называется множество взаимосвязанных подпрограмм (процедур) вместе с данными, которые эти подпрограммы обрабатывают.

Модульное программирование предназначено для разработки больших программ.

Разработкой больших программ занимается коллектив программистов. Каждому программисту поручается разработка некоторой самостоятельной части программы. И он в таком случае отвечает за конструирование всех необходимых процедур и данных для этих процедур. Сокрытие данных (запрет доступа к данным из-за пределов модуля) предотвращает их случайное изменение и соответственно нарушение работы программы. Для взаимодействия отдельных частей (модулей) программы коллективу программистов необходимо продумать только интерфейс (взаимодействие) сконструированных модулей в основной программе.

Модуль ( unit ) – программная единица, текст которой компилируется независимо (автономно).

Модуль содержит 4 раздела: заголовок, интерфейсная часть (раздел объявлений), раздел реализации и раздел инициализации.

INTERFACE <интерфейсная часть>

Источник

В чем заключается сущность структурного программирования

Достоинства структурного программирования по сравнению с интуи­тивным неструктурным программированием:

· уменьшение трудностей тестирования программ;

· повышение производительности труда программистов;

· повышение ясности и читабельности программ, что упрощает их со­провождение;

· повышение эффективности объектного кода программ как с точки зрения времени их выполнения, так и с точки зрения необходимых затрат памя­ти.

Основные положения структурного программирования

К концепциям структурного программирования относятся:

· отказ от использования оператора безусловного перехода ( GoTo );

· применение фиксированного набора управляющих конструкций;

· использование метода нисходящего проектирования

В основу структурного программирования положено требование, чтобы каждый модуль алгоритма (программы) проектировался с единственным вхо­дом и единственным выходом. Программа представляется в виде множества вложенных модулей, каждый из которых имеет один вход и один выход.

· конструкции принятия двоичного (дихотомического) решения;

· конструкции обобщенного цикла.

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 1 Изображение функционального блока в структурном программировании

Конструкция принятия двоичного (дихотомического) решения называет­ся также конструкцией If-Then-Else (если-то-иначе), разветвлением или ветвле­нием. Это структура, обеспечивающая выбор между двумя альтернативными путями вычислительного процесса в зависимости от выполнения некоторого условия. Изображается с помощью символов «Решение» и «Процесс»

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 2 Изображение конструкции If-Then-Else в структурном программировании

Логические конструкции принятия двоичного решения и обобщенного цикла имеют только один вход и один выход. Поэтому они могут рассматриваться как функциональные блоки. C учётом этого вводит­ся преобразование логических блоков в функциональный блок.

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 3 Изображение конструкции обобщенного цикла в структурном программировании

Кроме того, всякая последовательность функциональных блоков, назы­ваемая конструкцией следования, также может быть приведена к од­ному функциональному блоку.

Структурное программирование базируется на концепциях отказа от ис­пользования оператора безусловного перехода, применения фиксированного набора управляющих конструкций; использования метода нисходящего проек­тирования. Программа или схема алгоритма представляется в виде совокупно­сти вложенных модулей, каждый из которых имеет один вход и один выход. В соответствии с принципом Бома-Джакопини любая программа может быть раз­работана с использованием лишь трех базовых структур: функционального блока, конструкции принятия двоичного решения, конструкции обобщенного цикла. Преобразования Бома-Джакопини могут быть использованы в качестве средства доказательства структурированности программ.

Реализация теоретических основ структурного программирования при разработке программ на конкретных языках программирования базируется на следующих правилах:

· все операторы в программе должны представлять собой либо непосредственно исполняемые в линейном порядке функциональные опе­раторы, либо следующие управляющие конструкции:

· вложенные на произвольную глубину операторы If-Then-Else ;

· циклические операторы (ци кл с пр едусловием).

Этих средств достаточно для составления структурированных программ. Однако иногда допускаются расширения данных конструкций:

· дополнительные конструкции организации цикла:

· цикл с параметром как вариант цикла с предусловием;

· цикл с постусловием, называемый в структурном программировании циклом «До», в котором тело цикла выполняется перед проверкой условия выхода из цикла и повторяется до выполнения условия;

· использование оператора Case как расширения конструкции If-Then-Else ;

М. Дамке предложил для конструкций структурированных схем алгорит­мов специальные обозначения, основанные на идеях нисходящего проектиро­вания. Основные конструкции структурного программирова­ния по методу Дамке изображаются следующим образом:

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 4 Представление функционального блока

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 5 Представление конструкции If-Then-Else

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 6 Представление цикла с предусловием

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 7 Представление цикла с постусловием

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 8 Представление конструкции цикла с параметром

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 9 Представление конструкции Case по методу Дамке

Достоинства метода Дамке:

· схема алгоритма, представленная с помощью данного метода, нагляд­нее, чем классическая, особенно для больших программ;

· метод Дамке удобно использовать при разработке алгоритма по методу нисходящего проектирования;

· метод Дамке удобен при коллективной разработке ПС, так как позволя­ет независимо разрабатывать отдельные функциональные части программы.

Схемы используются для изображения структурированных схем и позво­ляют уменьшить громоздкость схем за счёт отсутствия явного указания линий перехода по управлению.

Изображение основных элементов структурного программирования в схемах Насси-Шнейдермана организовано следующим образом. Каждый блок имеет форму прямоугольника и может быть вписан в любой внутренний пря­моугольник любого другого блока. Информация в блоках записывается по тем же правилам, что и в структурированных схемах алгоритмов (на естественном языке или языке математических формул).

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 10 Представление функционального блока

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 11 Представление блока следования

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 12 Представление блока решения

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 13 Представление блока Case

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 14 Представление цикла с предусловием

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 15 Представление цикла с постусловием

Модульное проектирование является одним из первых подходов к разра­ботке структуры ПС и уже несколько десятилетий сохраняет свои позиции как в качестве классического подхода, так и в качестве основы для современных технологий разработки ПС.

· программа состоит из модулей. Данный признак для модульной про­граммы является очевидным;

· модули являются независимыми. Это значит, что модуль можно изме­нять или модифицировать без последствий в других модулях;

Достоинства модульного проектирования:

· упрощение разработки ПС;

· исключение чрезмерной детализации обработки данных;

· упрощение сопровождения ПС;

· облегчение чтения и понимания программ;

· облегчение работы с данными, имеющими сложную структуру.

· модульность требует дополнительной работы программиста и опреде­ленных навыков проектирования ПС.

Классические методы структурного проектирования модульных ПС делятся на три основные групп:

· методы нисходящего проектирования;

· методы расширения ядра;

· методы восходящего проектирования.

На практике обычно применяются различные сочетания этих методов.

В идеальной модульной программе любую часть логической структуры можно изменить, не вызывая изменений в ее других частях. Идеальная модуль­ная программа состоит из независимых модулей, имеющих один вход и один выход. Модульные программы имеют достоинства и недостатки. Существует три группы классических методов проектирования модульных ПС.

Суть метода нисходящего проектирования заключается в следующем.

На начальном шаге в соответствии с общими функциональными требова­ниями к программному средству разрабатывается его укрупненная структура без детальной проработки его отдельных частей. Затем выделяются функцио­нальные требования более низкого уровня и в соответствии с ними разрабаты­ваются отдельные компоненты программного средства, не детализированные на предыдущем шаге. Эти действия являются рекурсивными, то есть каждый из компонентов детализируется до тех пор, пока его составные части не будут окончательно уточнены. В последнем случае принимается решение о прекра­щении дальнейшего проектирования.

На каждом шаге нисходящего проектирования делается оценка правиль­ности вносимых уточнений в контексте правильности функционирования раз­рабатываемого программного средства в целом.

Компоненты нижнего уровня ПС называются программными модулями. Для модулей характерны достаточная простота и прозрачность, позволяющие выполнять их непосредственное программирование.

Таким образом, на каждом шаге разработки уточняется реализация фраг­мента алгоритма, то есть решается более простая задача.

При пошаговом уточнении на каждом следующем этапе декомпозиции детализируются программные компоненты очередного более низкого уровня. При этом результаты каждого этапа являются уточнением результатов преды­дущего этапа лишь с небольшими изменениями.

Существуют различные способы реализации пошагового уточнения.

Одним из классических способов реализации пошагового уточнения яв­ляется проектирование ПС с помощью псевдокода и управляющих конструк­ций структурного программирования.

При использовании данного способа разбиение программы на модули осуществляется эвристическим способом.

Еще одним классическим способом реализации пошагового уточнения является использование комментариев для описания обработки данных.

При этом способе на каждом этапе уточнений используются управляющие конструкции структурного программирования, а правила обработки данных не детализируются. Они описываются в виде комментариев.

На каждом этапе уточнений блоки, представленные комментариями, час­тично детализируются. Но сами комментарии при этом не выбрасываются. В результате после окончания проектирования получается хорошо прокомменти­рованный те кст пр ограммы.

Анализ сообщений является второй из рассматриваемых классических стратегий, реализующих метод нисходящего проектирования. Анализ сообще­ний используется в первую очередь для структуризации ПС обработки инфор­мации и основывается на анализе потоков данных, обрабатываемых программ­ным средством

При использовании восходящего проектирования в первую очередь вы­деляются функции нижнего уровня, которые должно выполнять программное средство. Эти функции реализуются с помощью программных модулей самых нижних уровней. Затем на основе этих модулей проектируются программные компоненты более высокого уровня. Данные компоненты реализуют функции более высокого уровня. Процесс продолжается, пока не будет завершена разра­ботка всего программного средства.

В чистом виде метод восходящего проектирования используется крайне редко. Основным его недостатком является то, что программисты начинают разработку программного средства с несущественных, вспомогательных дета­лей. Это затрудняет проектирование программного средства в целом.

Метод восходящего проектирования целесообразно применять в следую­щих случаях:

· существуют разработанные модули, которые могут быть использованы для выполнения некоторых функций разрабатываемой программы;

· заранее известно, что некоторые простые или стандартные модули по­требуются нескольким различным частям программы (например, подпрограмма анализа ошибок, ввода-вывода и т.п.).

При использовании метода восходящего проектирования в первую оче­редь реализуются функции нижнего уровня программы. На основе полученных модулей проектируются программные компоненты более высокого уровня. Часто используется сочетание методов нисходящего и восходящего проектиро­вания. Такое сочетание возможно различными способами.

При использовании данных методов в первую очередь создается ядро (основная часть) программы. Затем данное ядро постепенно расширяется, пока не будет полностью сформирована управляющая структура разрабатываемой программы.

Существует два подхода к реализации методов расширения ядра.

Первый подход основан на методах проектирования структур данных, используемых при иерархическом проектировании модулей. Данный подход применяется в методах JSP и JSD, разработанных Майклом Джексоном.

Второй подход основан на определении областей хранения данных с по­следующим анализом связанных с ними функций. Данный подход использует метод определения спецификаций модуля, разработанный Парнасом.

Метод JSP Джексона

Метод JSP (называемый также методом Джексона) базируется на исход­ном положении, состоящем в том, что структура программы зависит от струк­туры подлежащих обработке данных. Поэтому структура данных может ис­пользоваться для формирования структуры программы.

Метод JSP основывается на возможности представления структур данных и структур программ единым набором основных конструкций. М. Джексоном предложены четыре основные конструкции данных.

Эта конструкция используется, когда два или более компонента данных следуют друг за другом строго последовательным образом и образуют единый компонент данных.

В конструкции последовательности данных должно быть не менее двух подкомпонентов, причем каждый из них должен встречаться строго один раз и обязательно в предписанном порядке.

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 16 Конструкция последовательности данных

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 17 Пример последовательности данных

Конструкцией выбора данных (выбором данных) называется конструкция сведения результирующего компонента данных к одному из двух или более вы­бираемых подкомпонентов.

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 18 Пример правильного представления конструкции выбора данных

Данная конструкция применяется тогда, когда конкретный элемент дан­ных может повторяться от нуля до неограниченного числа раз.

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 19 Конструкция повторения данных

Элементарными являются те компоненты, которые не разбиваются далее на подкомпоненты. Примерами элементарных конструкций являются, напри­мер, первая запись D и запись D на, компоненты число N, ме­сяц M, год Y Компонент может являться элементарным, потому что его нельзя разло­жить дальше или потому, что с практической точки зрения отсутствует необхо­димость в его дальнейшем разбиении.

Метод JSP основывается на возможности представления структур данных и структур программ единым набором основных конструкций. Существует че­тыре основных конструкции данных: конструкция последовательности, конст­рукция выбора, конструкция повторения и элементарная конструкция.

Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 20 Иерархическая структура данных

Большинство структур (иерархическая, сетевая, реляционная) реальных наборов данных может быть сведено к иерархическим структурам, которые мо­гут быть представлены в нотации структур метода JSP Джексона.

Проектирование структур программ

В соответствии с методом JSP конструкции, используемые для построе­ния структур данных, применяются и для построения структур программ. Так же, как и данные, программы могут быть составлены из конструкций последо­вательности, выбора и повторения.

Большинство ПС предназначено для обработки некоторых входных дан­ных и получения некоторых выходных данных. Структура выходных данных формируется программой в результате некоторого преобразования структуры входных данных. Таким образом, для проектирования структуры программы необходимо определить взаимосвязь между входными данными, выходными данными и процессом преобразования.

Для проектирования структуры программы по методу Джексона необхо­димо разработать структуры ее входных и выходных данных, определить взаи­мосвязь между данными структурами и процессом преобразования входных данных в выходные, сформировать ядро программы с учетом соответствий ме­жду входной и выходной структурами данных, поместить не нашедшие соот­ветствия компоненты входных и выходных данных в нужные места структуры программы.

Этапы проектирования программного средства

Метод JSP реализуется пятью этапами:

· Проектирование структур входных и выходных данных.

· Идентификация соответствий между структурами данных.

· Проектирование структуры программы.

· Перечисление и распределение выполняемых операций.

· Создание текста программы на метаязыке структурированного описания.

Источник