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

Это - важная особенность алгоритмов. Наличие алгоритма формализует процесс решения задачи, исключает рассуждение исполнителя. Использование алгоритма дает возможность решать задачу формально, механически исполняя команды алгоритма в указанной последовательности. Целесообразность предусматриваемых алгоритмом действий обеспечивается точным анализом со стороны того, кто составляет этот алгоритм.

Введение в рассмотрение понятия «исполнитель» позволяет определить алгоритм как понятное и точное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на достижение поставленной цели. В случае исполнителя-робота мы имеем пример алгоритма «в обстановке», характеризующегося отсутствием каких-либо величин. Наиболее же распространенными и привычными являются алгоритмы работы с величинами - числовыми, символьными, логическими и т.д.[8]

Свойства алгоритмов.

Алгоритм должен быть составлен таким образом, чтобы исполнитель, в расчете на которого он создан, мог однозначно и точно следовать командам алгоритма и эффективно получать определенный результат. Это накладывает на записи алгоритмов ряд обязательных требований, суть которых вытекает, вообще говоря, из приведенного выше неформального толкования понятия алгоритма. Сформулируем эти требования в виде перечня свойств, которым должны удовлетворять алгоритмы, адресуемые заданному исполнителю.

При составлении и записи алгоритма необходимо обеспечить, чтобы он обладал рядом свойств:

• однозначностью (детерминированностью) - любое действие алгоритма должно быть строго и недвусмысленно определено в каждом случае;
• дискретностью – разбиение алгоритма на ряд отдельных законченных действий (шагов);
• конечностью - каждое действие в отдельности и алгоритм в целом должны иметь возможность завершения;
• массовостью - возможность применения данного алгоритма для решения целого класса задач с разными исходными данными;
• результативностью - алгоритм должен приводить к правильному результату для всех допустимых входных значениях.[7]

Способы записи алгоритма.

• Графическая запись (блок-схемы)
• Словесная запись (псевдокоды)
• Язык программирования

  Словесная форма записи алгоритма представляет собой описание на естественном языке последовательных этапов обработки данных. Словесный способ не имеет широкого распространения, так как такие описания строго не формализуемы, допускают неоднозначность толкования отдельных предписаний. Алгоритм, записанный с помощью псевдокода, представляет собой полуформализованное описание на условном алгоритмическом языке, включающее как основные элементы языка программирования, так и фразы естественного языка, общепринятые математические обозначения и другие.
     Графическая форма записи, называемая также схемой алгоритма, представляет собой изображение алгоритма в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий. Графическая запись является более компактной и наглядной по сравнению со словесной. В схеме алгоритма каждому типу действий соответствует геометрическая фигура. Фигуры соединяются линиями переходов, определяющими очередность выполнения действий.
     Графическая форма записи, называемая также структурной схемой или блок-схемой алгоритма, представляет собой изображение алгоритма в виде последовательности связанных между собой функциональных блоков, каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких действий.[11]
     В дальнейшем мы будем использовать блок-схемы алгоритмов. Они позволяют представить алгоритмы в более наглядном виде, это дает возможность анализировать их работу, искать ошибки в их реализации и т.д. В блок-схемах всегда есть начало и конец, обозначаемые эллипсами, между ними - последовательность шагов алгоритма, соединенных стрелками.[10]

Рис.3 Функциональные элементы блок-схемы

Шаги бывают безусловными (изображаются прямоугольниками, параллелограммами) и условными (изображаются ромбами). Из ромба всегда выходят две стрелки - одна означает дальнейший путь, в случае выполнения условия (обозначается обычно словом "да" или "+"), другая - невыполнение (словом "нет" или "-"). Ввод с клавиатуры или вывод на экран значения выражения изображается параллелограммом. Команда, выполняющая обработку действий (команда присваивания), изображается в прямоугольнике. Пример блок-схемы представлен на рис. 4

Рис.4 блок-схема

Виды алгоритмов

Алгоритмические структуры можно разделить на три основных вида:

• Линейные

Линейные алгоритмы — это набор команд, выполняемых последовательно во времени, друг за другом

• Разветвленные

Разветвленные алгоритмы - содержит хотя бы одно условие, в результате которого обеспечивается переход на один из двух возможных шагов.

• Циклические

Циклический алгоритм – это алгоритм, предусматривающий многократное повторение одного и того же действия над новыми данными.[11]

Линейный алгоритм

Линейным называется алгоритм, блоки которого расположены последовательно один за другим, нет условий и повторений.

Как правило, алгоритмы линейной структуры состоят из трех частей: ввод исходных данных, вычисления результатов по формулам, вывод значений результатов. Это самые простой алгоритм. Пример на рис. 5

Рис.5 линейная структура алгоритма.

Порядок выполнения блоков, как уже было сказано, определяют линии потока. По схеме видно, что при вводе совершенно различных исходных данных (по смыслу задачи, конечно, s>0) все действия этого алгоритма будут выполняться всегда, и порядок их выполнения никогда не изменяется.

Для отладки линейного алгоритма достаточно сравнить результаты его исполнения с результатами ручного решения задачи.

Разветвляющийся алгоритм

Разветвляющийся алгоритм (ветвление) обеспечивает выбор между двумя альтернативами. Выполняется проверка, а затем выбирается один из путей.

Подобная структура называется также «ЕСЛИ – ТО – ИНАЧЕ», или «развилка». Каждый из путей (ТО или ИНАЧЕ) ведет к общей точке слияния, так что выполнение программы продолжается независимо от того, какой путь был выбран.

Может оказаться, что для одного из результатов проверки ничего предпринимать не надо. В этом случае можно применять только один обрабатывающий блок.[9]

Рис 6. Разветвляющаяся структура алгоритма

Рис 7. Структура «неполное ветвление»

Циклический алгоритм

Циклический алгоритм(Цикл) содержит некоторую последовательность операций, выполняемую многократно. Основной блок цикла, тело цикла, производит требуемые вычисления. Остальные блоки организуют циклический процесс: устанавливают начальные и новые значения данных, проверяют условия окончания или продолжения циклического процесса.

Различают два типа структур цикла: цикл с параметром или с повторением и цикл с условием. Циклический алгоритм позволяет компактно описать большое число одинаковых вычислений над разными данными для получения необходимого результата.

Циклы с параметром используют тогда, когда количество повторов тела цикла заранее известно.  Пример представлен на рис.8

Рис 8. Структура цикла с параметром.

Циклы с условием используются тогда, когда число повторений заранее неизвестно, но задано условие окончания цикла. Причем, если условие окончания цикла проверяется перед выполнением тела цикла, то такие циклические структуры называют циклами с предусловием («Выполнять пока») Пример представлен на рис. 9 [12]

Рис.9.Структура цикла с предусловием.

А если проверка условия происходит после выполнения тела цикла – циклами с постусловием («Выполнять до тех пор, пока не». Пример представлен на рис.10

Рис 10. Структура цикла с постусловием

Методы технологии программирования.

Термины методов технологии программирования.

Основные определения:

Программа — завершенный продукт, пригодный для запуска своим автором на системе, на которой он был разработан.

Программный продукт — программа, которую любой человек может запускать, тестировать, исправлять и развивать. Такая программа должна быть написана в обобщенном стиле, тщательно оттестирована и сопровождена подробной документацией. (С учетом модной в настоящее время концепции авторских прав, здесь необходимо уточнить – любой человек, имеющий разрешение работать с исходными текстами программ)

Программный комплекс — набор взаимодействующих программ, согласованных по функциям и форматам, точно определенным интерфейсам, и вкупе составляющих полное средство для решения больших задач.[13]

Жизненный цикл программного обеспечения – это весь период его разработки и эксплуатации, начиная с момента возникновения замысла и заканчивая прекращением ее использования.

Методология программирования – совокупность методов, применимых в жизненном цикле программного обеспечения и объединенных общим философским подходом.[14]

Технология программирования изучает технологические процессы и порядок их прохождения – стадии (с использованием знаний, методов и средств).

Процесс — совокупность взаимосвязанных действий, преобразующих некоторые входные данные в выходные. Процессы состоят из набора действий, а каждое действие из набора задач. Вертикальное измерение отражает статические аспекты процессов и оперирует такими понятиями, как рабочие процессы, действия, задачи, результаты деятельности и исполнители.[16]

Стадия — часть действий по созданию программного обеспечения, ограниченная некоторыми временными рамками и заканчивающаяся выпуском конкретного продукта, определяемого заданными для данной стадии требованиями. Стадии состоят из этапов, которые обычно имеют итерационный характер. Иногда стадии объединяют в более крупные временные рамки, называемые фазами. Итак, горизонтальное измерение представляет время, отражает динамические аспекты процессов и оперирует такими понятиями, как фазы, стадии, этапы, итерации и контрольные точки.

Технологический подход определяется спецификой комбинации стадий и процессов, ориентированной на разные классы программного обеспечения и на особенности коллектива разработчиков.[15]

4. Методы программирования

4.1. Модульное программирование

Модульное программирование является развитием и совершенствованием процедурного программирования и библиотек специальных программ. Основная черта модульного программирования – стандартизация интерфейса между отдельными программными единицами. Модуль – это отдельная функционально-законченная программная единица, которая структурно оформляется стандартным образом по отношению к компилятору и по отношению к объединению ее с другими аналогичными единицами и загрузке. Как правило, каждый модуль содержит паспорт, в котором указаны все основные его характеристики: язык программирования, объем, входные и выходные переменные, их формат, ограничения на них, точки входа, параметры настройки и т.д. Объем модуля обычно не превышает 1000 команд ЭВМ или операторов языка программирования. В противном случае модуль становится громоздким и трудным к восприятию и использованию.[19]

Модульное программирование — это искусство разбиения задачи на некоторое число различных модулей, умение широко использовать стандартные модули путем их параметрической настройки, автоматизация сборки готовых модулей из библиотек, банков модулей.

Основные концепции модульного программирования:

• каждый модуль реализует единственную независимую функцию;
• каждый модуль имеет единственную точку входа и выхода;
• размер модуля по возможности должен быть минимизирован;
• каждый модуль может быть разработан и закодирован различными членами бригады программистов и может быть отдельно протестирован;
• вся система построена из модулей;
• модуль не должен давать побочных эффектов;
• каждый модуль не зависит от того, как реализованы другие модули.[15]

При таком подходе сложная система разделяется на несколько частей, одновременно создаваемых различными программистами. Каждый модуль реализует единственную функцию. Размер модуля невелик, поэтому тестирование управляемо и может быть проведено тщательным образом. После кодирования и тестирования всех модулей происходит их интеграция, и тестируется вся система.

При сопровождении тестируется и отлаживается только тот модуль, который плохо работает. Очевидны преимущества в облегчении написания и тестирования программ, уменьшается стоимость их сопровождения.

Основные характеристики программного модуля

Не всякий программный модуль способствует упрощению программы. Выделить хороший с этой точки зрения модуль является серьезной творческой задачей. Для оценки приемлемости выделенного модуля используются некоторые критерии. Так, Хольт предложил следующие два общих таких критерия: [14]

1. размер модуля;
2. прочность модуля;
3. сцепление с другими модулями;
4. рутинность модуля (независимость от предыстории обращений к нему).
5. Размер модуля.

Размер модуля измеряется числом содержащихся в нем операторов или строк. Модуль не должен быть слишком маленьким или слишком большим. Маленькие модули приводят к громоздкой модульной структуре программы и могут не окупать накладных расходов, связанных с их оформлением. Большие модули неудобны для изучения и изменений, они могут существенно увеличить суммарное время повторных трансляций программы при отладке программы. Обычно рекомендуются программные модули размером от нескольких десятков до нескольких сотен операторов.

1. Прочность модуля