Файл: Алгоритмизация как обязательный этап разработки программы (Характеристика процесса разработки программы).pdf

Спиральная модель была предложена Бэри Боемом в 1988 году для преодоления недостатков водопадной модели, прежде всего, для лучшего управления рисками. Согласно этой модели, разработка продукта осуществляется по спирали, каждый виток которой является определенной фазой разработки. В отличие от водопадной модели в спиральной нет предопределенного и обязательного набора витков, каждый виток может стать последним при разработке системы, при его завершении составляются планы следующего витка. Наконец, виток является именно фазой, а не видом деятельности, как в водопадной модели, в его рамках может осуществляться много различных видов деятельности, то есть модель является двумерной [7].

Последовательность витков может быть такой: на первом витке принимается решение о целесообразности создания ПО, на следующем определяются системные требования, потом осуществляется проектирование системы и т.д. Витки могут иметь и иные значения.

Каждый виток имеет следующую структуру (секторы):

• определение целей, ограничений и альтернатив проекта;
• оценка альтернатив, оценка и разрешение рисков; возможно использование прототипирования (в том числе создание серии прототипов), симуляция системы, визуальное моделирование и анализ спецификаций; фокусировка на самых рисковых частях проекта;
• разработка и тестирование – здесь возможна водопадная модель или использование иных моделей и методов разработки ПО;
• планирование следующих итераций – анализируются результаты, планы и ресурсы на последующую разработку, принимается (или не принимается) решение о новом витке; анализируется, имеет ли смысл продолжать разрабатывать систему или нет; разработку можно и приостановить, например, из–за сбоев в финансировании; спиральная модель позволяет сделать это корректно [7].

Схематично спиральная модель разработки программы может быть изображена следующим образом (рисунок 2):

Рисунок 2 Спиральная модель разработки ПО

Отдельная спираль может соответствовать разработке некоторой программной компоненты или внесению очередных изменений в продукт. Таким образом, у модели может появиться третье измерение.

Спиральную модель нецелесообразно применять в проектах с небольшой степенью риска, с ограниченным бюджетом, для небольших проектов. Кроме того, отсутствие хороших средств прототипирования может также сделать неудобным использование спиральной модели.

---

Спиральная модель не нашла широкого применения в индустрии и важна, скорее в историко–методологическом плане: она является первой итеративной моделью, имеет красивую метафору – спираль, – и, подобно водопадной модели, использовалась в дальнейшем при создании других моделей процесса и методологий разработки ПО.

1.2. Этапы разработки программы

В процессе создания любой программы можно выделить несколько этапов.

1. Постановка задачи – выполняется специалистом в предметной области на естественном языке. Необходимо определить цель задачи, ее содержание и общий подход к решению. Возможно, что задача решается точно (аналитически), и без компьютера можно обойтись. Уже на этапе постановки надо учитывать эффективность алгоритма решения задачи на ЭВМ, ограничения, накладываемые аппаратным и программным обеспечением (АО и ПО).
2. Анализ задачи и моделирование – определяются исходные данные и результат, выявляются ограничения на их значения, выполняется формализованное описание задачи и построение (выбор) математической модели, пригодной для решения на компьютере.
3. Разработка или выбор алгоритма решения задачи – выполняется на основе ее математического описания. Многие задачи можно решить различными способами. Программист должен выбрать оптимальное решение. Неточности в постановке, анализе задачи или разработке алгоритма могут привести к скрытой ошибке – программист получит неверный результат, считая его правильным.
4. Проектирование общей структуры программы – формируется модель решения с последующей детализацией и разбивкой на подпрограммы, определяется «архитектура» программы, способ хранения информации (набор переменных, массивов и т. п.).
5. Кодирование – запись алгоритма на языке программирования. Современные системы программирования позволяют ускорить процесс разработки программы, автоматически создавая часть ее текста, однако творческая работа по–прежнему лежит на программисте. Для успешной реализации целей проекта программисту необходимо использовать методы структурного программирования.
6. Отладка и тестирование программы. Под отладкой понимается устранение ошибок в программе. Тестирование позволяет вести их поиск и, в конечном счете, убедиться в том, что полностью отлаженная программа дает правильный результат. Для этого разрабатывается система тестов – специально подобранных контрольных примеров с такими наборами па­раметров, для которых решение задачи известно. Тестирование должно охватывать все возможные ветвления в программе, т. е. проверять все ее инструкции, и включать такие исходные данные, для которых решение невозможно. Проверка особых, исключительных ситуаций необходима для анализа корректности. Например, программа должна отказать клиенту банка в просьбе выдать сумму, отсутствующую на его счете. В ответственных проектах большое внимание уделяется так называемой «защите от дурака» подразумевающей устойчивость программы к неумелому обращению пользователя. Использование специальных программ – отладчиков, которые позволяют выполнять программу по отдельным шагам, просматривая при этом значения переменных, значительно упрощает этот этап [18].
7. Анализ результатов – если программа выполняет моделирование какого–либо известного процесса, следует сопоставить результаты вычислений с результатами наблюдений. В случае существенного расхождения необ­ходимо изменить модель.
8. Публикация результатов работы, передача заказчику для эксплуатации.
9. Сопровождение программы – включает консультации представителей заказчика по работе с программой и обучение персонала. Недостатки и ошибки, замеченные в процессе эксплуатации, должны устраняться [6].

---

Приведенная последовательность является относительной и может быть ограниченно изменена в соответствии с требованиями выполняемого проекта.

В первой главе работы рассмотрены этапы разработки программы. Можно сказать, что большая часть выделенных этапов, на самом деле, является обязательной – без их выполнения программа просто не будет существовать. Несмотря на то, что реализация программного продукта возможна и без предварительного создания алгоритмов, этап алгоритмизации также сегодня является обязательным. Это связано с той значимостью, которой обладает данный этап – своевременная и грамотная алгоритмизация процессов будущей программы позволяет не только спрогнозировать определенные показатели и сформировать структуру работы, но также и предупредить появление ошибок в процессе создания, которые могут стать фатальными для всего проекта

2. Алгоритмизация в процессе разработки программы

2.1. Алгоритм. Понятие, характеристики

Алгоритмом называется точное и понятное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на решение поставленной задачи. Слово «алгоритм» происходит от имени математика Аль Хорезми, который сформулировал правила выполнения арифметических действий [5]. Первоначально под алгоритмом понимали только правила выполнения четырех арифметических действий над числами. В дальнейшем это понятие стали использовать вообще для обозначения последовательности действий, приводящих к решению любой поставленной задачи. Говоря об алгоритме вычислительного процесса, необходимо понимать, что объектами, к которым применялся алгоритм, являются данные. Алгоритм решения вычислительной задачи представляет собой совокупность правил преобразования исходных данных в результатные [3].

Относящаяся к алгоритму информация и сам алгоритм должны быть представлены на некотором языке. Описание алгоритма зависит от исполнителя – человека или технического средства (ЭВМ). Запись алгоритма для человека может иметь обычный текстуальный вид. Для повышения однозначности словесного описания прибегают к структуризации текста в соответствии с шагами алгоритмического процесса. Когда нужна высокая наглядность, применяют графическую форму записи алгоритмов, например в виде блок–схем. Текстуальная и графическая форма представления предназначена для восприятия человеком в процессе программирования или изучения алгоритма, но эти формы совсем не пригодны для выполнения программ на ЭВМ. ЭВМ воспринимает только определенные конструкции (команды), состав которых задан для каждого типа машины [8]. Алгоритм для ЭВМ следует представить на языке машины.

---

Основными свойствами алгоритма являются:

• детерминированность (определенность). Предполагает получение однозначного результата вычислительного процecca при заданных исходных данных. Благодаря этому свойству процесс выполнения алгоритма носит механический характер;
• результативность. Указывает на наличие таких исходных данных, для которых реализуемый по заданному алгоритму вычислительный процесс должен через конечное число шагов остановиться и выдать искомый результат;
• массовость. Это свойство предполагает, что алгоритм должен быть пригоден для решения всех задач данного типа;
• дискретность. Означает расчлененность определяемого алгоритмом вычислительного процесса на отдельные этапы, возможность выполнения которых исполнителем (компьютером) не вызывает сомнений [22].

При разработке алгоритма необходимо учитывать ресурсы используемой ЭВМ (ее скорость, память) и возможности применяемой для решения задачи операционной системы. Алгоритмы для несложных задач, требования которых к ресурсам невелики, являются обычно машинно–независимыми.

В ходе разработки общего алгоритма используется некоторый специальный язык, который по своему характеру является промежуточным, переходным между неформальным, словесным способом изложения метода решения задачи на этапе 1 (формулировка требований) и формальным алгоритмическим языком для программирования на этапе 3 (непосредственно программирование). Промежуточный язык должен сочетать в себе, с одной стороны, наглядность для отображения содержания и смысла, выполняемых в алгоритме действий (что делается) и, с другой стороны, формализм для указания конкретных операций и последовательности их выполнения (как делается) [7].

В качестве такого промежуточного языка обычно используют блок–схемы, которые позволяют наиболее наглядно представить логическую структуру разрабатываемой программы, взаимосвязь отдельных частей программы, условия или кратность выполнения таких частей. Для отображения вычислительной (арифметической) стороны программы используются обычные математические средства или элементы алгоритмических языков, а в самых общих блок–схемах – просто словесная формулировка; иногда используются и все эти способы вместе.

Блок–схемой называется графическое изображение логической структуры алгоритма, в котором каждый этап процесса обработки информации представляется в виде геометрических символов (блоков), имеющих определенную конфигурацию в зависимости от характера выполняемых операций. Перечень символов, их наименование, отображаемые ими функции, форма и размеры определяются ГОСТами [2].

---

При всем многообразии алгоритмов решения задач в них можно выделить три основных вида вычислительных процессов:

• линейный;
• ветвящийся;
• циклический [19].

Линейным называется такой вычислительный процесс, при котором все этапы решения задачи выполняются в естественном порядке следования записи этих этапов. Пример линейного алгоритма представлен в таблице 1 [9].

Таблица 1

Пример линейного алгоритма

Блок–схема	Элементы программы
	1. Заголовок 2. Объявление переменных 3. Начало блока операторов 4. Ввод исходных данных 5. Вычисление по формуле 6. Вывод результата 7. Конец блока операторов

Ветвящимся называется такой вычислительный процесс, в котором выбор направления обработки информации зависит от исходных или промежуточных данных (от результатов проверки выполнения какого–либо логического условия). Пример представлен в таблице 2 [9].

Таблица 2

Пример ветвящегося алгоритма

Блок–схема	Элементы программы
	1. Заголовок 2. Объявление переменных 3. Начало блока операторов 4. Ввод исходных данных 5. Вычисление по формуле 6. Объявление условия 7. Проверка условия 8. Вывод результата 9. Конец блока операторов

Циклом называется многократно повторяемый участок вычислений. Вычислительный процесс, содержащий один или несколько циклов, называется циклическим. По количеству выполнения циклы делятся на циклы с определенным (заранее заданным) числом повторений и циклы с неопределенным числом повторений. Количество повторений последних зависит от соблюдения некоторого условия, задающего необходимость выполнения цикла. При этом условие может проверяться в начале цикла – тогда речь идет о цикле с предусловием, или в конце – тогда это цикл с постусловием. Наглядно циклические алгоритмы рассмотрены в таблице 3 [9].

Таблица 3

Пример циклического алгоритма

Задается количество повторений	Задается условие продолжения/окончания повторений
Цикл с параметром	Цикл с предусловием	Цикл с постусловием
... 2. Определение параметра проверки 3.Выполнение операций в теле цикла ...	... 2. Проверка выполнения условия 3.Выполнение операций в теле цикла/возврат к проверке условия ...	... 2. Выполнение операций в теле цикла 3.Проверка выполнения условия/возврат к операциям в теле цикла ...

---