Файл: Разработка программы. Описание и этапы.pdf

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 (русском, английском и т. д.). 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.

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.

Непосредственная запись алгоритма на языке машины нерациональна, а естественный язык не подходит для ЭВМ. Поэтому появились языки программирования, которые:

• удовлетворяют требованиям однозначности представления алгоритма;
• более удобны для человека;
• непосредственно «понятны» процессору ЭВМ.

---

Так, для записи алгоритма решения задачи используются следующие способы:

• словесно–формульное описание;
• схема алгоритма, составленная с использованием графических блоков (блок–схема);
• алгоритмические языки программирования;
• псевдокод [12].

Алгоритмический язык программирования – формальный язык, используемый для записи, реализации и изучения алгоритмов. В отличие от большинства языков программирования, алгоритмический язык не привязан к архитектуре компьютера, не содержит деталей, связанных с устройством машины.

Для изучения основ алгоритмизации применяется так называемый Русский алгоритмический язык (школьный алгоритмический язык), использующий понятные школьнику слова на русском языке.

Алголо–подобный алгоритмический язык с русским синтаксисом был введён в употребление академиком А. П. Ершовым в середине 1980–х годов, в качестве основы для «безмашинного» курса информатики [16].

Основные служебные слова алгоритмического языка:

Описание алгоритма:

• алг (алгоритм);
• арг (аргумент);
• рез (результат);
• нач (начало) – начало алгоритма;
• кон (конец) – конец алгоритма;
• дано – исходные данные в произвольной форме;
• надо – цель алгоритма;
• утв.

Типы данных:

• цел (целый);
• вещ (вещественный);
• сим (символьный);
• лит (литера) – строка;
• лог (логический);
• таб (таблица) – для обозначения массива;
• длин (длина) – количество элементов массива.

Обозначение условий:

• если;
• то;
• иначе;
• все;
• выбор;
• при;
• знач.

Обозначение циклов:

• нц (начало цикла);
• кц (конец цикла);
• пока;
• для;
• от;
• до;
• шаг.

Логические функции и значения для составления выражений:

• и;
• или;
• не;
• да;
• нет;
• Ввод–вывод;
• ввод;
• вывод [16].

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 [15].

---

2.2 Алгоритмизация как этап разработки программы

Программирование является собирательным понятием и может рассматриваться и как наука и как искусство, на этом основан научно–практический подход к разработке программ. Программа – результат интеллектуального труда, для которого характерно творчество, а оно, как известно, не имеет четких границ [14]. В любой программе присутствует индивидуальность ее разработчика, программа отражает определенную степень искусства программиста. Вместе с тем программирование предполагает и рутинные работы, которые могут и должны иметь строгий регламент выполнения и соответствовать стандартам.

Процесс решения задачи на компьютере – это совместная деятельность человека и ЭВМ. Этот процесс можно представить в виде нескольких последовательных этапов. На долю человека приходятся этапы, связанные с творческой деятельностью – постановкой, алгоритмизацией, программированием задач и анализом результатов, а на долю компьютера – этапы обработки информации.

ЭВМ непосредственно выполняет программы на машинном языке программирования данной ЭВМ. При этом программа представляет собой набор отдельных команд компьютера. Эти команды являются достаточно «простыми», например, сложение, умножение, сравнение или пересылка отдельных данных. Каждая команда содержит в себе сведения о том, какая операция должна быть выполнена (код операции), с какими операндами (адреса данных или непосредственно сами данные) выполняются вычисления и куда (адрес) должен быть помещен результат [13].

Для выполнения различных вычислительных операций в процессе разработки программы целесообразно использовать соответствующие типы алгоритмов:

• линейные;
• ветвящиеся;
• циклические;

Линейные вычислительные процессы

Линейный алгоритм (линейная структура) – это такой алгоритм, в котором все действия выполняются последовательно друг за другом и только один раз. Схема представляет собой последовательность блоков, которые располагаются сверху вниз в порядке их выполнения [12]. Первичные и промежуточные данные не оказывают влияния на направление процесса вычисления. Построение линейного алгоритма изображено на рисунке 3.

Рисунок 3 Структура линейного алгоритма

---

Алгоритмы разветвляющейся структуры

На практике часто встречаются задачи, в которых в зависимости от первоначальных условий или промежуточных результатов необходимо выполнить вычисления по одним или другим формулам.

Такие задачи можно описать с помощью алгоритмов разветвляющейся структуры. В таких алгоритмах выбор направления продолжения вычисления осуществляется по итогам проверки заданного условия. Ветвящиеся процессы описываются оператором IF (условие) (рисунок 4).

Рисунок 4 Структура разветвляющегося алгоритма

Циклические вычислительные процессы

Для решения многих задач характерно многократное повторение отдельных участков вычислений. Для решения таких задач применяются алгоритмы циклической структуры (циклические алгоритмы). Цикл – последовательность команд, которая повторяется до тех пор, пока не будет выполнено заданное условие [11]. Циклическое описание многократно повторяемых процессов значительно снижает трудоемкость написания программ.

Существуют две схемы циклических вычислительных процессов – с предусловием (рисунок 5) и с постусловием (рисунок 6).

Рисунок 5 Структура циклического алгоритма с предусловием

Рисунок 6 Структура циклического алгоритма с постусловием

Особенностью первой схемы является то, что проверка условия выхода из цикла проводится до выполнения тела цикла. В том случае, если условие выхода из цикла выполняется, то тело цикла не выполняется ни разу.

Особенностью второй схемы является то, что цикл выполняется хоты бы один раз, так как первая проверка условия выхода из цикла осуществляется после того, как тело цикла выполнено [11].

Вне зависимости от вида и структуры, любой алгоритм должен быть формализован по некоторым правилам посредством конкретных изобразительных средств. К ним относятся следующие способы записи алгоритмов: словесный, формульно–словесный, графический, язык операторных схем, алгоритмический язык.

Наибольшее распространение благодаря своей наглядности получил графический (блок–схемный) способ записи алгоритмов. 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. Основные блоки для составления алгоритмов в процессе разработки программы представлены в таблице 1 [8].

---