Файл: Анализ методов современного программирования (Понятие технологии программирования).pdf

Прочность модуля — это мера его внутренних связей. Чем выше прочность модуля, тем больше связей он может спрятать от внешней по отношению к нему части программы и, следовательно, тем больший вклад в упрощение программы он может внести. Для оценки степени прочности модуля Майерс предлагает упорядоченный по степени прочности набор из семи классов модулей. Самой слабой степенью прочности обладает модуль, прочный по совпадению. Это такой модуль, между элементами которого нет осмысленных связей. Такой модуль может быть выделен, например, при обнаружении в разных местах программы повторения одной и той же последовательности операторов, которая и оформляется в отдельный модуль. Необходимость изменения этой последовательности в одном из контекстов может привести к изменению этого модуля, что может сделать его использование в других контекстах ошибочным. Такой класс программных модулей не рекомендуется для использования. Вообще говоря, предложенная Майерсом упорядоченность по степени прочности классов модулей не бесспорна. Однако, это не очень существенно так, как только два высших по прочности класса модулей рекомендуются для использования. Эти классы я рассмотрю подробнее. [19]

Функционально прочный модуль — это модуль, выполняющий (реализующий) одну какую-либо определенную функцию. При реализации этой функции такой модуль может использовать и другие модули. Такой класс программных модулей рекомендуется для использования.

1. Сцепление модуля.

Сцепление модуля — это мера его зависимости по данным от других модулей. Характеризуется способом передачи данных. Чем слабее сцепление модуля с другими модулями, тем сильнее его независимость от других модулей. Для оценки степени сцепления Майерс предлагает упорядоченный набор из шести видов сцепления модулей. Худшим видом сцепления модулей является сцепление по содержимому. Таким является сцепление двух модулей, когда один из них имеет прямые ссылки на содержимое другого модуля (например, на константу, содержащуюся в другом модуле). Такое сцепление модулей недопустимо. Не рекомендуется использовать также сцепление по общей области - это такое сцепление модулей, когда несколько модулей используют одну и ту же область памяти. Такой вид сцепления модулей реализуется, например, при программировании на языке ФОРТРАН с использованием блоков COMMON. Единственным видом сцепления модулей, который рекомендуется для использования современной технологией программирования, является параметрическое сцепление (сцепление по данным по Майерсу ) - это случай, когда данные передаются модулю либо при обращении к нему как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Такой вид сцепления модулей реализуется на языках программирования при использовании обращений к процедурам (функциям).[13]

В таблице 1 приведены характеристики различных типов сцепления по экспертным оценкам. Допустимыми считают первые три типа сцепления, так как использование остальных приводит к резкому ухудшению технологичности программ.

Таблица 1

Характеристики типов сцепления

1. Рутинность модуля.

Рутинность модуля — это его независимость от предыстории обращений к нему. Модуль называется рутинным, если результат (эффект) обращения к нему зависит только от значений его параметров (и не зависит от предыстории обращений к нему). Модуль называется зависящим от предыстории, если результат (эффект) обращения к нему зависит от внутреннего состояния этого модуля, изменяемого в результате предыдущих обращений к нему. Майерс не рекомендует использовать зависящие от предыстории (непредсказуемые) модули, так как они провоцируют появление в программах хитрых (неуловимых) ошибок. Однако такая рекомендация является неконструктивной, так как во многих случаях именно зависящий от предыстории модуль является лучшей реализаций информационно прочного модуля.[12]

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:

a) задачи в языке программирования Ada;

b) кластер в языке программирования CLU;

c) классы в языках программирования C++ и Java.

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

a) модуль в языке программирования Modula-2;

b) пакеты в языках программирования Ada и Java.

При разработке модульного программирования может использоваться метод восходящей разработки или метод нисходящей разработки. (рис. 11)[19]

Рис.11. Структура метода восходящей, нисходящей разработки.

Выводы по 1 части.

• Модульное программирование связано с проектированием сверху вниз и заключается в том, что программа разбивается на части, которые называются модулями и разрабатываются по отдельности.

4.2. Структурное программирование

Структурное программирование основано главным образом на теоретическом аппарате теории рекурсивных функций. Программа рассматривается как частично-рекурсивный оператор [21] над библиотечными подпрограммами и исходными операциями. Структурное программирование базируется также на теории доказательств, прежде всего на естественном выводе. Структура программы соответствует структуре простейшего математического рассуждения, не использующего сложных лемм и абстрактных понятий.

Средства структурного программирования в первую очередь включаются во все языки программирования традиционного типа и во многие нетрадиционные языки.

Основные принципы структурного программирования:

• сложная задача разбивается на простые, функционально управляемые задачи, каждая задача имеет один вход и один выход; управляющий поток программы состоит из совокуп­ности элементарных функциональных подзадач;
• управляющие структуры просты, т. е. логическая задача долж­на состоять из минимальной, функционально полной сово­купности достаточно простых управляющих структур;
• программа разрабатывается поэтапно, на каждом этапе решается ограниченное число точно поставленных задач.

Свойство структурности операторов состоит в том, что каждый оператор имеет один вход и один выход. Программа, построенная из структурных операторов, называется структурированной.[19]

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

Если технологию разработки алгоритмов «сверху - вниз» совместить с использованием только структурных схем, то получится новая технология, которая называется структурным программированием сверху - вниз, идея которого заключается в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. Для этого надо иметь сред­ства для создания программы не только с помощью трех простых операторов, но и с помощью средств, более точно отражающих конкретную структуру алгоритма. С этой целью в программирование введено понятие подпрограммы — набора операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода. Программа разбивается на множество мелких подпрограмм (занимающих до 50 операторов — критический порог для быстрого понимания цели подпрограммы), каждая из которых выполняет одно из действий, предусмотренных исходным зада­нием. Комбинируя эти подпрограммы, удается формировать итоговый алгоритм уже не из простых операторов, а из законченных блоков кода, имеющих опреде­ленную смысловую нагрузку, причем обращаться к таким блокам можно по назва­ниям. Получается, что подпрограммы — это новые операторы или операции языка, определяемые программистом.[24]

Нисходящее проектирование

Наличие подпрограмм позволяет вести проектирование и разработку приложения сверху вниз — такой подход называется нисходящим проектированием. Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (напри­мер, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной.[21]

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предмет­ном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а вре­менно откладывать, пока не будут закончены другие части. Например, если имеется необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, но реализуется она временно одним оператором, который просто присваивает заранее выбранное значение (например, 5). Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реа­лизации этой функции.[20]

Немаловажно, что небольшие подпрограммы значительно проще отлаживать, что существенно повышает общую надежность всей программы.

Очень важная характеристика подпрограмм — это возможность их повторного использования. С интегрированными системами программирования поставляются большие библиотеки стандартных подпрограмм, которые позволяют значительно повысить производительность труда за счет использования чужой работы по созда­нию часто применяемых подпрограмм.

Процедуры и функции

Подпрограммы бывают двух видов — процедуры и функции. Отличаются они тем, что процедура просто выполняет группу операторов, а функция вдобавок вычис­ляет некоторое значение и передает его обратно в главную программу (возвращает значение). Это значение имеет определенный тип (говорят, что функция имеет такой-то тип).

В Си++ понятия «процедура» нет — там имеются только функции, а если никакого значения функция не вычисляет, то считается, что она возвращает значение типа «никакое» (void)

Параметры подпрограмм

Чтобы работа подпрограммы имела смысл, ей надо получить данные из внешней программы, которая эту подпрограмму вызывает. Данные передаются подпрограмме в виде параметров или аргументов, которые обычно описываются в ее заголовке так же, как переменные.[24]

Управление последовательностью вызова подпрограмм

Подпрограммы вызываются, как правило, путем простой записи их названия с нужными параметрами. В Бейсике есть оператор CALL для явного указания того, что происходит вызов подпрограммы.

Подпрограммы активизируются только в момент их вызова. Операторы, находя­щиеся внутри подпрограммы, выполняются, только если эта подпрограмма явно вызвана. Пока выполнение подпрограммы полностью не закончится, оператор глав­ной программы, следующий за командой вызова подпрограммы, выполняться не будет.

Элементарные (базовые) структуры могут соединяться между собой, образуя более сложные структуры, по тем же самым элементарным схемам. Виды основных управляющих структур алгоритма приведены на рис. 12.

• Структура типа «следование» (рис.12 а) – образуется последовательностью действий, S1, S2, …, Sn, следующих одно за другим: выполнить S1; выполнить S2; …; выполнить Sn. В линейном

вычислительном процессе все операции выполняются последовательно в порядке их записи. Типовым примером такого процесса является стандартная вычислительная схема, состоящая из трех этапов:

1) ввод исходных данных;

2) вычисление по формулам;

3) вывод результата.

• Структура типа «ветвление» (ЕСЛИ – ТО – ИНАЧЕ) (рис.12 б) – обеспечивает в зависимости от результата проверки условия Р, принимающего одно из двух логических значении Да (True) или Нет (False), выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма: если Р, то выполнить S1, иначе выполнить S2. Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран.
•  Структура типа «цикл с предусловием» (рис.12 в) – обеспечивает многократное выполнение действия S в зависимости от того, какое значение принимает логическое условие Р: до тех пор, пока Р, выполнять S. Выполнение цикла прекращается, когда условие Р не выполняется.[21]

Рис.12 Базовые алгоритмические структуры.

В расширенный комплект элементарных алгоритмических структур дополнительно входят следующие управляющие конструкции:

• Структура типа «сокращенное ветвление» (ЕСЛИ – ТО) (рис. 13 а) – если результат проверки условия Р принимает значение Да (True), то выполняется действие S; в противном случае это действие пропускается и управление передается следующей структуре: если Р, то выполнить S1.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат: