Пример структурного программирования. Структурное программирование. Ясность и удобочитаемость программ

Начало информационного этапа

Развитие человечества все больше и больше наталкивало величайшие умы на мысли об автоматизации некоторых процессов. Начало этапа программирования приписывается по разным источникам нескольким периодам в промежутке от начала 19 до середины 20 веков. За эти десятилетия появилось множество методик написания исходного кода. Каждая из них кардинально отличается своими принципами и идеями. Рассмотрим структурное программирование, появившееся в 70-х годах прошлого столетия.

Немного истории

До возникновения этой методики весьма распространенным был ассемблер - язык, оперирующий простейшими командами, которые после транслировались в машинный код, понятный непосредственно ЭВМ. Такой подход был использован только для написания сравнительно небольших программ. Кроме того, разобраться в чужом коде было крайне сложно, если не сказать - невозможно. Но с появлением новой методологии процесс разработки пошел куда быстрее.

Основные принципы структурного программирования

Рассмотрим подробно основные моменты структурного подхода.

1. Исходный код имеет модульную структуру. Это значит, что программа фактически разбита на более мелкие единицы - функции и процедуры. Эти подпрограммы могут быть вызваны из любого места разработки. Процедуры - выделенные участки кода, имеющие название и выполняющие конкретные действия, заданные алгоритмом. Функции вдобавок к этим возможностям реализуют вычисление некоторых переменных, а также имеют возвращаемое значение, которое может быть использовано в основной части программы. Кроме того, некоторые языки поддерживают рекурсию - вызов из "самой себя". Для решения задач это может быть эффективным, однако часто приводит к зацикливанию.

2. Сверху-вниз или снизу-вверх. Структурное программирование поддерживает несколько направлений. Последовательное определение целей, задачи и их реализация по ходу исходного кода - подход "сверху-вниз". Такая методика наиболее понятна с точки зрения исследования написанной программы и обнаружения "узких мест". Однако существует и другая сторона - подход "снизу-вверх". Обычно он используется, когда точный алгоритм программы еще не разработан, но уже есть возможность для написания отдельных подпрограмм, реализующих конкретные действия.

3. Управляющие элементы. Структурное программирование избавилось от некоторых "ассемблерных" подходов. В низкоуровневневых языках часто используется безусловный переход (goto), который достаточно сложно отследить и контролировать. Структурный подход к программированию вместо этого использует следующие элементы: цикл, условие и последовательность.

Языки программирования

С разработкой данной методологии стали появляться и развиваться языки программирования. Структурный подход реализуют такие известные из них, как Pascal (Паскаль), C (Си), а также более устаревший - Algol (Алгол).

Эпилог

В свое время структурное программирование имело довольно большое распространение в среде информационных технологий и помогало решать сложнейшие на тот период задачи. Однако жизнь не стоит на месте, и технический прогресс требует свежих идей.

Структурное программирование – это проектирование, написание и тестирование программы в соответствии с жестким соблюдением определенных правил.

Основная цель структурного программирования – повышение производительности программистов. Другими целями являются:

– избавиться от плохой структуры программы;

– создавать программы и документацию к ним, которые можно было бы понимать, сопровождать и модифицировать без участия авторов (стоимость сопровождения и модификации, как правило, в 3-5 раз больше стоимости разработки).

Структурное программирование (или метод пошаговой детализации) включает:

1. Метод нисходящего проектирования. Его еще называют методом «сверху вниз» или «от общего к частному». Он предполагает разбиение задачи на несколько более простых частей или подзадач. Их выделяют таким образом, чтобы проектирование подзадач было независимым. При этом составляют план решения всей задачи, пунктами которого и являются выделенные части. План записывают графически в виде функциональной схемы (схемы иерархии, подчинения), где определяют головную и подчиненные подзадачи и связи между ними, т.е. интерфейс. Здесь же устанавливается, какие начальные данные (или значения) получает каждая подзадача для правильного функционирования и какие результаты она выдает. Затем производят детализацию каждой подзадачи. Число шагов детализации может быть произвольным. Детализацию продолжают до тех пор, пока не станет ясно, как программировать данный фрагмент алгоритма.

2. Структурное программирование. Реализация идеи структурного программирования основывается на том факте, что правильная программа любой сложности может быть представлена логической структурой, представляющей собой композицию трех базовых (логических или управляющих) структур, определяющих правила обработки данных: следования (линейная), разветвления (условного перехода) и повторения (цикла).

3. Сквозной структурный контроль. Он представляет собой регулярные проверки и согласования результатов работы исполнителей - программистов различных структур. Его необходимость определяется желанием разработчиков снизить стоимость разрабатываемых программ. Обязательным условием этого является раннее обнаружение и исправление возникающих ошибок и не состыковок.

Таким образом, метод составления алгоритма и программы именуемый «сверху вниз» или «от общего к частному» состоит в сведении сформулированной задачи к последовательности более простых подзадач, легче поддающихся обработке в отдельности, чем целиком исходная программа. Последовательное выделение из исходной задачи все более простых подзадач обеспечивает представление алгоритма решения исходной задачи как композиции алгоритмов выделенных подзадач.

Вместе взятые (выделенные) алгоритмы подзадач образуют систему, управление которой должен взять на себя алгоритм-диспетчер. Его называют главным (или головным), а все остальные подчиненными. Схему, отображающую уровень и взаимосвязь, взаимодействие алгоритмов, как головного, так и подчиненных, называют функциональной схемой – это схема иерархии алгоритмов.

Подчиненный алгоритм должен иметь один вход и один выход. Для него необходимо задать цель и определить множество допустимых входных значений (формальных параметров-значений), возможные собственные (локальные, внутренние) объекты и возможные побочные (волновые) эффекты (выход параметров за область допустимых значений, изменение значений параметров, в частности, получение результатов и/или вывод данных). Таким образом, подчиненный алгоритм – это элемент функциональной схемы алгоритма, реализующий одну самостоятельную подзадачу.

Часть алгоритма, организованная как простое действие, т.е. имеющая один вход и один выход, называется функциональным блоком.

Один вход означает, что выполнение данной части всегда начинается с одного и того же действия. Один выход означает, что после завершения данной части алгоритма всегда начинает выполняться одно и то же действие.

Функциональный блок алгоритма относится к простому типу блоков.

Поскольку алгоритм определяет порядок обработки данных, он должен содержать, с одной стороны, действия по обработке, а с другой стороны, порядок их следования, называемый потоком управления. Поток управления может обладать следующими свойствами:

1) выполняется каждый блок;

2) каждый блок выполняется не более одного раза.

При структурной организации алгоритма можно выделить три типа потоков управления.

Поток управления, в котором выполняются оба указанных свойства, называется линейным.

Очевидно, что несколько блоков, связанных линейным потоком, могут быть объединены в один функциональный блок.

2. Ветвящийся поток управления. В этом типе выполняется свойство (2), а свойство (1) не выполняется.

Данный тип потока управления организует выполнение одного из двух функциональных блоков в зависимости от проверяемого логического условия.

3. Циклический поток управления. Он организует многократное повторение функционального блока, пока логическое условие его выполнения остается истинным.

В данном типе потока управления выполняется свойство (1), но не выполняется свойство (2).

Если алгоритм представляет собой комбинацию трех рассмотренных типов потоков управления (базовых алгоритмических структур), то его называют структурным алгоритмом.

Структурные алгоритмы обладают рядом преимуществ по сравнению с неструктурными алгоритмами:

1. понятность и простота восприятия алгоритма;

2. проверяемость (для проверки любой из основных структур достаточно убедиться в правильности входящих в нее функциональных блоков);

3. модифицируемость.

Структурная теорема : любой алгоритм может быть сведен к структурному алгоритму.

Значение структурной теоремы для практики программирования состоит в том, что на ее основе разработан и широко используется структурный метод программирования. Основой метода является использование принципа модульности построения сложных программ. При этом каждый программный модуль организуется в виде стандартного функционального блока (строится из трех базовых структур) и выполняет лишь одну функцию по обработке данных. Модули обладают определенной автономностью, что позволяет их отладку (поиск и устранение ошибок) вести независимо от остальной программы и обеспечивает относительно простую модифицируемость как отдельного модуля, так и программы в целом. Эффективность структурного программирования особенно заметна при разработке сложных программ – модульный принцип позволяет разбить общую задачу на составные и относительно автономные части, каждая из которых может создаваться и отлаживаться независимо. Безусловно, такое разбиение требует согласования входных и выходных параметров модулей.

Исходя из структурного подхода к разработке алгоритма, типовыми этапами этого процесса являются:

1. Описание общего замысла алгоритма;

2. Формализация задачи;

3. Разработка обобщенной схемы алгоритма;

4. Разработка отдельных блоков алгоритма;

5. Стыковка блоков;

6. Определение возможности использования стандартных блоков;

7. Разработка блоков логического контроля;

8. Оптимизация схемы алгоритма;

9. Уточнение параметров;

10. Оценка машинного ресурса.

Парадигмы программирования

Структу́рное программи́рование - методология разработки программного обеспечения , в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков . Предложена в 1970-х годах Э. Дейкстрой и др.

В соответствии с данной методологией любая программа строится без использования оператора goto из трёх базовых управляющих структур: последовательность, ветвление, цикл; кроме того, используются подпрограммы . При этом разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственно, усложнения программного обеспечения. В 1970-е годы объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что традиционная (неструктурированная) разработка программ перестала удовлетворять потребностям практики. Программы становились слишком сложными, чтобы их можно было нормально сопровождать. Поэтому потребовалась систематизация процесса разработки и структуры программ.

Методология структурной разработки программного обеспечения была признана «самой сильной формализацией 70-х годов».

По мнению Бертрана Мейера, «Революция во взглядах на программирование, начатая Дейкстрой, привела к движению, известному как структурное программирование, которое предложило систематический, рациональный подход к конструированию программ. Структурное программирование стало основой всего, что сделано в методологии программирования, включая и объектное программирование» .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Структурное программирование. Базовые принципы

✪ Паскаль с нуля [ч1]. Первая программа.

✪ Урок 7. Операторы вывода write/writeln. Простая программа. Программирование на Pascal / Паскаль

✪ Основы Программирования - #5 - Арифметические и логические выражения

✪ 003. Логические алгоритмы классификации - К.В. Воронцов

Субтитры

История

Первоначально идея структурного программирования появилась на свет в связи с оператором goto и сомнениями в целесообразности его применения. Впервые подобные сомнения высказал Хайнц Земанек (Heinz Zemanek) на совещании по языку Алгол в начале 1959 года в Копенгагене. Однако это выступление не привлекло к себе внимания и не имело последствий. Эдсгер Дейкстра (Edsger Dijkstra) вспоминает: «До некоторой степени я виню себя за то, что в то время не смог оценить значимость этой идеи» .

Ситуация коренным образом изменилась через десять лет, когда в марте 1968 года Дейкстра опубликовал своё знаменитое письмо «Оператор Go To считается вредным» (Go To Statement Considered Harmful). Это поистине исторический документ, оказавший заметное влияние на дальнейшее развитие программирования.

Судьба самого документа очень интересна. Дело в том, что Дейкстра дал статье совсем другое название: «Доводы против оператора GO TO» (A Case against the GO TO Statement).

Однако в момент публикации произошло нечто непонятное - статья почему-то загадочным образом превратилась в «Письмо к редактору», причем прежнее название столь же загадочно исчезло. Что произошло на самом деле? Дейкстра объяснил таинственное превращение статьи в письмо лишь много лет спустя, в 2001 году, за год до смерти.

Цель

Цель структурного программирования - повысить производительность труда программистов, в том числе при разработке больших и сложных программных комплексов, сократить число ошибок, упростить отладку, модификацию и сопровождение программного обеспечения.

Такая цель была поставлена в связи с ростом сложности программ и неспособностью разработчиков и руководителей крупных программных проектов справиться с проблемами, возникшими в 1960 – 1970 годы в связи с развитием программных средств .

Спагетти-код

Структурное программирование призвано, в частности, устранить беспорядок и ошибки в программах, вызванные трудностями чтения кода, несистематизированным, неудобным для восприятия и анализа исходным текстом программы. Такой текст нередко характеризуют как «спагетти-код ».

Спагетти-код может быть отлажен и работать правильно и с высокой производительностью, но он крайне сложен в сопровождении и развитии . Доработка спагетти-кода для добавления новой функциональности иногда несет значительный потенциал внесения новых ошибок. По этой причине становится практически неизбежным рефакторинг (code refactoring) - главное лекарство от спагетти.

Оператор goto

Начиная с 1970-х годов оператор безусловного перехода goto оказался в центре систематической и всевозрастающей критики. Неправильное и необдуманное использование оператора goto в исходном тексте программы приводит к получению запутанного, неудобочитаемого «спагетти-кода ». По тексту такого кода практически невозможно понять порядок исполнения и взаимозависимость фрагментов.

Впервые эта точка зрения была отражена в статье Эдсгера Дейкстры «Оператор Go To считается вредным» . Дейкстра заметил, что качество программного кода обратно пропорционально количеству операторов goto в нём. Статья приобрела широкую известность, в результате чего взгляды на использование оператора goto были существенно пересмотрены. В работе «Заметки по структурному программированию» Дейкстра обосновал тот факт, что для кода без goto намного легче проверить формальную корректность .

Код с goto трудно форматировать, так как он может нарушать иерархичность выполнения (парадигму структурного программирования) и потому отступы, призванные отображать структуру программы, не всегда могут быть выставлены правильно. Кроме того, оператор goto мешает оптимизации компиляторами управляющих структур .

Некоторые способы применения goto могут создавать проблемы с логикой исполнения программы:

• Если некоторая переменная инициализируется (получает значение) в одном месте и потом используется далее, то переход в точку после инициализации, но до использования, приведёт к тому, что будет выбрано значение, которое находилось в памяти, выделенной под переменную, до момента выделения (и которое, как правило, является произвольным и случайным).
• Передача управления внутрь тела цикла приводит к пропуску кода инициализации цикла или первоначальной проверки условия.
• Аналогично, передача управления внутрь процедуры или функции приводит к пропуску её начальной части, в которой производится инициализация (выделение памяти под локальные переменные).

Доводы против оператора goto оказались столь серьёзными, что в структурном программировании его стали рассматривать как крайне нежелательный. Это нашло отражение при проектировании новых языков программирования. Например, goto запрещён в Java и Ruby . В ряде современных языков он всё же оставлен из соображений эффективности в тех редких случаях, когда применение goto оправданно. Так, goto сохранился в Аде - одном из наиболее продуманных с точки зрения архитектуры языков за всю историю .

Однако в языках высокого уровня, где этот оператор сохранился, на его использование, как правило, накладываются жёсткие ограничения, препятствующие использованию наиболее опасных методов его применения: например, запрещается передавать управление извне цикла, процедуры или функции внутрь. Стандарт языка C++ запрещает обход инициализации переменной с помощью goto.

Теорема о структурном программировании

Теорему сформулировали и доказали итальянские математики Коррадо Бём (Corrado Böhm) и Джузеппе Якопини (Giuseppe Jacopini). Они опубликовали её в 1965 году на итальянском языке и в 1966 году на английском . Наряду с теоремой, в статье Бёма и Якопини описывались методы преобразования неструктурных алгоритмов в структурные на примере созданного Бёмом языка программирования P′′ . Язык P′′ - первый полный по Тьюрингу язык программирования без оператора goto .

Теорема Бёма-Якопини написана сложным языком и в непривычных обозначениях. Если использовать современную терминологию и обозначения, она примет вид:

Любая программа, заданная в виде блок-схемы, может быть представлена с помощью трех управляющих структур:

• последовательность - обозначается: f THEN g,
• ветвление - обозначается: IF p THEN f ELSE g,
• цикл - обозначается: WHILE p DO f,

где f, g - блок-схемы с одним входом и одним выходом,

Р - условие, THEN, IF, ELSE, WHILE, DO - ключевые слова .

Пояснение. Формула f THEN g означает следующее: сначала выполняется программа f, затем выполняется программа g.

Бём и Якопини не употребляли термин «структурное программирование». Тем не менее, доказанную ими теорему (и её последующие вариации у разных авторов) впоследствии стали называть «Теоремой о структурном программировании », «Структурной теоремой» (Structure theorem ), «Теоремой о структурировании» .

Принципы структурного программирования

Становление и развитие структурного программирования связано с именем Эдсгера Дейкстры .

Принцип 1. Следует отказаться от использования оператора безусловного перехода goto.

Принцип 2. Любая программа строится из трёх базовых управляющих конструкций: последовательность, ветвление, цикл.

Принцип 3. В программе базовые управляющие конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом. Никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

Принцип 4. Повторяющиеся фрагменты программы можно оформить в виде подпрограмм (процедур и функций). Таким же образом (в виде подпрограмм) можно оформить логически целостные фрагменты программы, даже если они не повторяются.

Принцип 5. Каждую логически законченную группу инструкций следует оформить как блок (block). Блоки являются основой структурного программирования.

Блок - это логически сгруппированная часть исходного кода, например, набор инструкций, записанных подряд в исходном коде программы. Понятие блок означает, что к блоку инструкций следует обращаться как к единой инструкции. Блоки служат для ограничения области видимости переменных и функций. Блоки могут быть пустыми или вложенными один в другой. Границы блока строго определены. Например, в if-инструкции блок ограничен кодом BEGIN..END (в языке Паскаль) или фигурными скобками {...} (в языке C) или отступами (в языке Питон).

Принцип 6. Все перечисленные конструкции должны иметь один вход и один выход.

Произвольные управляющие конструкции (такие, как в блюде спагетти) могут иметь произвольное число входов и выходов. Ограничив себя управляющими конструкциями с одним входом и одним выходом, мы получаем возможность построения произвольных алгоритмов любой сложности с помощью простых и надежных механизмов .

Принцип 7. Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз» (top–down method) .

Метод «сверху вниз»

Сначала пишется текст основной программы, в котором, вместо каждого связного логического фрагмента текста, вставляется вызов подпрограммы, которая будет выполнять этот фрагмент. Вместо настоящих, работающих подпрограмм, в программу вставляются фиктивные части - заглушки , которые, говоря упрощенно, ничего не делают.

Если говорить точнее, заглушка удовлетворяет требованиям интерфейса заменяемого фрагмента (модуля), но не выполняет его функций или выполняет их частично. Затем заглушки заменяются или дорабатываются до настоящих полнофункциональных фрагментов (модулей) в соответствии с планом программирования. На каждой стадии процесса реализации уже созданная программа должна правильно работать по отношению к более низкому уровню. Полученная программа проверяется и отлаживается .

Следует также учесть, что в «Предисловии» к книге «Структурное программирование» Тони Хоар (Tony Hoare) отмечает, что принципы структурного программирования в равной степени могут применяться при разработке программ как «сверху вниз», так и «снизу вверх» .

Подпрограмма

Подпрограмма является важным элементом структурного программирования. Изначально подпрограммы появились как средство оптимизации программ по объёму занимаемой памяти - они позволили не повторять в программе идентичные блоки кода, а описывать их однократно и вызывать по мере необходимости. К настоящему времени данная функция подпрограмм стала вспомогательной, главное их назначение - структуризация программы с целью удобства её понимания и сопровождения.

Выделение набора действий в подпрограмму и вызов её по мере необходимости позволяет логически выделить целостную подзадачу, имеющую типовое решение. Такое действие имеет ещё одно (помимо экономии памяти) преимущество перед повторением однотипных действий. Любое изменение (исправление ошибки, оптимизация, расширение функциональности), сделанное в подпрограмме, автоматически отражается на всех её вызовах, в то время как при дублировании каждое изменение необходимо вносить в каждое вхождение изменяемого кода.

Даже в тех случаях, когда в подпрограмму выделяется однократно производимый набор действий, это оправдано, так как позволяет сократить размеры целостных блоков кода, составляющих программу, то есть сделать программу более понятной и обозримой.

Достоинства структурного программирования

Следование принципам структурного программирования сделало тексты программ, даже довольно крупных, нормально читаемыми. Серьёзно облегчилось понимание программ, появилась возможность разработки программ в нормальном промышленном режиме, когда программу может без особых затруднений понять не только её автор, но и другие программисты. Это позволило разрабатывать достаточно крупные для того времени программные комплексы силами коллективов разработчиков, и сопровождать эти комплексы в течение многих лет, даже в условиях неизбежных изменений в составе персонала.

1. Структурное программирование позволяет значительно сократить число вариантов построения программы по одной и той же спецификации, что значительно снижает сложность программы и, что ещё важнее, облегчает понимание её другими разработчиками.
2. В структурированных программах логически связанные операторы находятся визуально ближе, а слабо связанные - дальше, что позволяет обходиться без блок-схем и других графических форм изображения алгоритмов (по сути, сама программа является собственной блок-схемой).
3. Сильно упрощается процесс тестирования и отладки структурированных программ.

Ясность и удобочитаемость программ

Структурное программирование значительно повышает ясность и удобочитаемость (readability) программ . Эдвард Йордан (Edward Yourdon) поясняет:

Поведение многих неструктурных программ часто ближе к броуновскому движению, чем к сколько-нибудь организованному процессу. Всякая попытка прочесть листинг приводит человека в отчаяние тем, что в такой программе обычно исполняются несколько операторов, после чего управление передается в точку несколькими страницами ниже. Там исполняются еще несколько операторов и управление снова передается в какую-то случайную точку. Тут исполняются еще какие-то операторы и т. д. После нескольких таких передач читатель забывает, с чего все началось. И теряет ход мысли.

Структурным программам, напротив, свойственна тенденция к последовательным организации и исполнению .

Улучшение читабельности структурных программ объясняется тем, что отсутствие оператора goto позволяет читать программу сверху донизу без разрывов, вызванных передачами управления. В итоге можно сразу (одним взглядом) обнаружить условия, необходимые для модификации того или иного фрагмента программы .

Двумерное структурное программирование

Р-технология производства программ, или «технология двумерного программирования» была создана в . Графическая система Р-технологии программирования закреплена в стандартах ГОСТ 19.005-85 , ГОСТ Р ИСО/МЭК 8631-94 и международном стандарте ISО 8631Н.

Автор Р-технологии программирования доктор физико-математических наук профессор Игорь Вельбицкий предложил пересмотреть само понятие «структура программы». По его мнению, «структура - понятие многомерное. Поэтому отображение этого понятия с помощью линейных текстов (последовательности операторов) сводит практически на нет преимущества структурного подхода. Огромные ассоциативные возможности зрительного аппарата и аппарата мышления человека используются практически вхолостую - для распознавания структурных образов в виде единообразной последовательности символов» .

Методология двумерного структурного программирования существенно отличается от классического одномерного (текстового) структурного программирования .

Идеи структурного программирования разрабатывались, когда компьютерная графика фактически ещё не существовала и основным инструментом алгоритмиста и программиста был одномерный (линейный или ступенчатый) текст. До появления компьютерной графики методология классического структурного программирования была наилучшим решением .

С появлением компьютерной графики ситуация изменилась. Используя выразительные средства графики, появилась возможность видоизменить, развить и дополнить три типа базовых (текстовых) управляющих структурных конструкций, а также полностью отказаться от ключевых слов , then, else, case , switch, break, while , do, repeat, until, for, foreach, continue, loop, exit, when, last и т. д. и заменить их на управляющую графику, то есть использовать двумерное структурное программирование .

Важной проблемой является сложность современного программирования и поиск путей её преодоления. По мнению кандидата технических наук, доцента Евгения Пышкина, изучение структурного программирования исключительно как инструмента разработки текстов программ, построенных на базе основной «структурной триады» (линейная последовательность, ветвление и цикл), является недостаточным и, по сути дела, сводит на нет анализ преимуществ структурного подхода . В процессе преодоления существенной сложности программного обеспечения важнейшим инструментом является визуализация проектирования и программирования .

См. также

Примечания

1. Мейер Б. Почувствуй класс. Учимся программировать хорошо с объектами и контрактами. - Пер. с англ. - М.: Национальный открытый университет ИНТУИТ: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 775с. - С. 208. - ISBN 978-5-9963-0573-5
2. Э. Дейкстра. Оператор goto считается вредным
3. Dijkstra E. Go To Statement Considered Harmful // Communications of the ACM, Volume 11, No. 3, March 1968, pp. 147-148. - Association for Computing Machinery, Inc.
4. См. также материалы из Архива Дейкстры. E. W. Dijkstra Archive. The manuscripts of Edsger W. Dijkstra. - Department of Computer Science The University of Texas at Austin
5. Рукопись EWD1308 из Архива Дейкстры.
6. Расшифровка рукописи EWD1308 из Архива Дейкстры. What led to «Notes on Structured Programming» - Nuenen, 10 June 2001. - Department of Computer Sciences. The University of Texas at Austin, USA
7. Лингер Р., Миллс Х., Уитт Б. Теория и практика структурного программирования. - Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 406с. - С. 7.
8. John Vlissides, Kyle Brown, Gerard Meszaros AntiPatterns: The Survival Guide. .

Структурная

• Разделение ответственности :

Шаблон: программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков . Предложена в 70-х годах XX века Э. Дейкстрой , разработана и дополнена Н. Виртом .

В соответствии с данной методологией

1. Любая программа представляет собой структуру, построенную из трёх типов базовых конструкций:
   • последовательное исполнение - однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы;
   • ветвление - однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия;
   • цикл - многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие (условие продолжения цикла).
   В программе базовые конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом, но никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.
2. Повторяющиеся фрагменты программы (либо не повторяющиеся, но представляющие собой логически целостные вычислительные блоки) могут оформляться в виде т. н. подпрограмм (процедур или функций). В этом случае в тексте основной программы, вместо помещённого в подпрограмму фрагмента, вставляется инструкция вызова подпрограммы . При выполнении такой инструкции выполняется вызванная подпрограмма, после чего исполнение программы продолжается с инструкции, следующей за командой вызова подпрограммы.
3. Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

Сначала пишется текст основной программы, в котором, вместо каждого связного логического фрагмента текста, вставляется вызов подпрограммы, которая будет выполнять этот фрагмент. Вместо настоящих, работающих подпрограмм, в программу вставляются «заглушки», которые ничего не делают. Полученная программа проверяется и отлаживается. После того, как программист убедится, что подпрограммы вызываются в правильной последовательности (то есть общая структура программы верна), подпрограммы-заглушки последовательно заменяются на реально работающие, причём разработка каждой подпрограммы ведётся тем же методом, что и основной программы. Разработка заканчивается тогда, когда не останется ни одной «затычки», которая не была бы удалена. Такая последовательность гарантирует, что на каждом этапе разработки программист одновременно имеет дело с обозримым и понятным ему множеством фрагментов, и может быть уверен, что общая структура всех более высоких уровней программы верна. При сопровождении и внесении изменений в программу выясняется, в какие именно процедуры нужно внести изменения, и они вносятся, не затрагивая части программы, непосредственно не связанные с ними. Это позволяет гарантировать, что при внесении изменений и исправлении ошибок не выйдет из строя какая-то часть программы, находящаяся в данный момент вне зоны внимания программиста.

Теорема о структурном программировании:

Основная статья: Теорема Бома-Якопини

Любую схему алгоритма можно представить в виде композиции вложенных блоков begin и end, условных операторов if, then, else, циклов с предусловием (while) и может быть дополнительных логических переменных (флагов).
Эта теорема была сформулирована итальянскими математиками К. Бомом и Дж. Якопини в 1966 году и говорит нам о том, как можно избежать использования оператора перехода goto .

История

Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственного усложнения программного обеспечения. В 70-е годы XX века объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что «интуитивная» (неструктурированная, или «рефлекторная») разработка программ, которая была нормой в более раннее время, перестала удовлетворять потребностям практики. Программы становились слишком сложными, чтобы их можно было нормально сопровождать, поэтому потребовалась какая-то систематизация процесса разработки и структуры программ.

Наиболее сильной критике со стороны разработчиков структурного подхода к программированию подвергся оператор GOTO (оператор безусловного перехода), имевшийся тогда почти во всех языках программирования. Неправильное и необдуманное использование произвольных переходов в тексте программы приводит к получению запутанных, плохо структурированных программ (т. н. спагетти-кода), по тексту которых практически невозможно понять порядок исполнения и взаимозависимость фрагментов.

Следование принципам структурного программирования сделало тексты программ, даже довольно крупных, нормально читаемыми. Серьёзно облегчилось понимание программ, появилась возможность разработки программ в нормальном промышленном режиме, когда программу может без особых затруднений понять не только её автор, но и другие программисты. Это позволило разрабатывать достаточно крупные для того времени программные комплексы силами коллективов разработчиков, и сопровождать эти комплексы в течение многих лет, даже в условиях неизбежных изменений в составе персонала.

Методология структурной разработки программного обеспечения была признана «самой сильной формализацией 70-х годов». После этого слово «структурный» стало модным в отрасли, и его начали использовать везде, где надо и где не надо. Появились работы по «структурному проектированию», «структурному тестированию», «структурному дизайну» и так далее. В общем, произошло примерно то же самое, что происходило в 90-х годах и происходит в настоящее время с терминами «объектный», «объектно-ориентированный» и «электронный».

Перечислим некоторые достоинства структурного программирования:

1. Структурное программирование позволяет значительно сократить число вариантов построения программы по одной и той же спецификации, что значительно снижает сложность программы и, что ещё важнее, облегчает понимание её другими разработчиками.
2. В структурированных программах логически связанные операторы находятся визуально ближе, а слабо связанные - дальше, что позволяет обходиться без блок-схем и других графических форм изображения алгоритмов (по сути, сама программа является собственной блок-схемой).
3. Сильно упрощается процесс тестирования и отладки структурированных программ.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation . 2010 .

• Махаджанапады
• Camel

Смотреть что такое "Структурное программирование" в других словарях:

Структурное программирование - методология и технология разработки программных комплексов, основанная на принципах: программирования сверху вниз; модульного программирования. При этом логика алгоритма и программы должны использовать три основные структуры: последовательное… … Финансовый словарь

структурное программирование - struktūrinis programavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. structured coding; structured programming vok. strukturelle Programmierung, f rus. структурированное программирование, n; структурное программирование, n pranc.… … Automatikos terminų žodynas

Структурное программирование - 46. Структурное программирование Structured programming Источник: ГОСТ 19781 90: Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Программирование - Эта статья должна быть полностью переписана. На странице обсуждения могут быть пояснения. У этого термина существуют и другие значения, см. Программи … Википедия

ПРОГРАММИРОВАНИЕ - 1) процесс составления программы, плана действий. 2) Раздел информатики, изучающий методы и приёмы составления программ. С долей условности П. как дисциплина разделяется на: теоретическое, изучающее матем. абстракции программ (как объектов с… … Физическая энциклопедия

Программирование основанное на прототипах - Прототипное программирование стиль объектно ориентированного программирования, при котором отсутствует понятие класса, а повторное использование (наследование) производится путём клонирования существующего экземпляра объекта прототипа.… … Википедия

Парадигма (программирование) - Парадигма программирования это совокупность идей и понятий, определяющая стиль написания программ. Парадигма, в первую очередь, определяется базовой программной единицей и самим принципом достижения модульности программы. В качестве этой единицы … Википедия

Компьютерное программирование - Разработка программного обеспечения Процесс разработки ПО Шаги процесса Анализ | Проектирование | Реализация | Тестирование | Внедрение | Сопровождение Модели / методы Agile | Cleanroom | Итеративная | Scrum | RUP | MSF | Спиральная | … Википедия

Неструктурированное программирование - Структурное программирование методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70 х годах XX века Э. Дейкстрой, разработана и дополнена Н. Виртом. В … Википедия

Компонентно-ориентированное программирование - Парадигмы программирования Агентно ориентированная Компонентно ориентированная Конкатенативная Декларативная (контрастирует с Императивной) Ограничениями Функциональная Потоком данных Таблично ориентированная (электронные таблицы) Реактивная … Википедия

Книги

• Дисциплина программирования , Дейкстра Э. , Книга написана одним из крупнейших зарубежных специалистов в области программирования, известным советскому читателю по переводам его книг на русский язык (например, «Структурное… Категория: Математика и естественные науки Серия: Издатель: ЁЁ Медиа , Купить за 2177 руб
• Программирование. Основы алгоритмизации и программирования. Учебник , А. Н. Пылькин , Б. Г. Трусов , Н. И. Парфилова , Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом по направлению подготовки 230100 `Информатика и вычислительная техника` (квалификация `бакалавр`).… Категория:

КОНСПЕКТ ОБЗОРНОЙ ЛЕКЦИИ

Для студентов специальности
Т1002 «Программное обеспечение информационных технологий»

(А.М.Кадан , к.т.н., доцент)

Вопрос №34.
Характеристика основных методологий разработки программного обеспечения

1. Методология и технология программирования.

2. Императивное программирование.

2.1. Модульное программирование.

2.2. Структурное программирование.

3. Метод объектно-ориентированного программирования.

Методология и технология программирования

Приведем основные определения.

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

Программный продукт - программа, которую любой человек может запус кать, 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 раз решение 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.

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.

Из четырех широко известных в настоящее время методологий программирования – императивного, объектно-ориентированного, логического, функционального - рассмотрим то, чему вас учили - методологии императивного и объектно-ориентированного программирования.

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

Технологии удобно характеризовать в двух измерениях - вертикальном (представляющем процессы) и горизонтальном (представляющем стадии).

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.

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.

Если снова обратиться к рисунку, то в данном случае на каждой стадии выполняется единственный процесс. Конечно, при разработке и создании больших программ такая схема недостаточно корректна (да и просто нереалистична). Однако ее можно взять ее за основу для многих других технологических подходов к ведению жизненного цикла.

Императивное программирование

Императивное программирование - это исторически первая методология программирования, которой пользовался каждый программист, программирующий на любом из «массовых» языков программирования – Basic , Pascal , C .

Она ориентирована на классическую фон Неймановскую модель, остававшуюся долгое время единственной аппаратной архитектурой. Методология императивного программирования характеризуется принципом последовательного изменения состояния вычислителя пошаговым образом . При этом управление изменениями полностью определено и полностью контролируемо.

Методы и концепции

· Метод изменения состояний - заключается в последовательном изменении сос тояний. Метод поддерживается концепцией алгоритма.

· Метод управления потоком исполнения - заключается в пошаговом контроле управления. Метод поддерживается концепцией потока исполнения.

Вычислительная модель. Если под вычислителем понимать современный компьютер, то его состоянием будут значения всех ячеек памяти, состояние процессора (в том числе - указатель текущей команды) и всех сопряженных устройств. Единственная структура данных - последовательность ячеек (пар «адрес» - «значение») с линейно упорядоченными адресами.

В качестве математической модели императивное программирование использует машину Тьюринга-Поста - абстрактное вычислительное устройство, предложенное на заре компьютерной эры для описания алгоритмов.

Синтаксис и семантика. Языки, поддерживающие данную вычислительную модель, являются как бы средством описания функции переходов между состояниями вычислителя. Основным их синтаксическим понятием является оператор . Первая группа - простые операторы, у которых никакая их часть не является самостоятельным оператором (например, оператор присваивания, оператор безусловного перехода, вызова процедуры и т. п.). Вторая группа - структурные операторы, объединяющие другие операторы в новый , более крупный оператор (например, составной оператор, операторы выбора, цикла и т. п.).

Традиционное средство структурирования - подпрограмма (процедура или функция). Подпрограммы имеют параметры и локальные определения и могут быть вызваны рекурсивно. Функции возвращают значения как результат своей работы.

Если в данной методологии требуется решить некоторую задачу для того, чтобы использовать ее результаты при решении следующей задачи, то типичный подход будет таким. Сначала исполняется алгоритм, решающий первую задачу. Результаты его работы сохраняются в специальном месте памяти, которое известно следующему алгоритму, и используются им.

Императивные языки программирования. Императивные языки программирования манипулируют данными в пошаговом режиме, используя последовательные инструкции и применяя их к разнообразным данным. Считается, что первым алгоритмическим языком программирования был язык Plankalkuel (от plan calculus), разработанный в 1945-1946 годах Конрадом Цузе (Konrad Zuse ).

Наиболее известные и распространенные императивные языки программирования, большинство из которых было создано в конце 50-х - середине 70-х годов XX века, представлены на рисунке. Обратите внимание на пустое место на рисунке, соответствующее 80-м и 90-м годам прошлого века. Это период увлечения новыми парадигмами, и императивных языков в это время практически не появлялось.

Класс задач. Императивное программирование наиболее пригодно для решения задач, в которых последовательное исполнение каких-либо команд является естественным. Примером здесь может служить управление современными аппаратными средствами. Поскольку практически все современные компьютеры императивны, эта методология позволяет порождать достаточно эффективный исполняемый код. С ростом сложности задачи императивные программы становятся все менее и менее читаемыми.

Программирование и отладка действительно больших программ (например, компиляторов), написанных исключительно на основе методологии императивного программирования, может затянуться на долгие годы.

Рекомендации по литературе. Особенности императивного программирования изложены в огромном количестве книг. Наиболее систематично они приведены в работе "Универсальные языки программирования. Семантический подход" [Калинин, Мацкевич 1991].

Модульное программирование

Модульное программирование - это такой способ программирования, при котором вся программа разбивается на группу компонентов, называемых модулями, причем каждый из них имеет свой контролируемый размер, чет кое назначение и детально проработанный интерфейс с внешней средой. Единственная альтернатива модульности - монолитная программа, что, ко нечно, неудобно. Таким образом, наиболее интересный вопрос при изуче нии модульности - определение критерия разбиения на модули.

Концепции модульного программирования. В основе модульного программирования лежат три основных концепции:

Принцип утаивания информации Парнаса. Всякий компонент утаивает единственное проектное решение, т. е. модуль служит для утаивания ин формации. Подход к разработке программ заключается в том, что сначала формируется список проектных решений, которые особенно трудно принять или которые, скорее всего, будут меняться. Затем определяются от дельные модули, каждый из которых реализует одно из указанных ре шений.

Аксиома модульности Коуэна. Модуль - независимая программная еди ница, служащая для выполнения некоторой определенной функции программы и для связи с остальной частью программы. Программная единица должна удовлетворять следующим условиям:

блочность организации, т. е. возможность вызвать программную едини цу из блоков любой степени вложенности;

синтаксическая обособленность, т. е. выделение модуля в тексте син таксическими элементами;

семантическая независимость, т. е. независимость от места, где про граммная единица вызвана;

общность данных, т. е. наличие собственных данных, сохраняющихся при каждом обращении;

полнота определения, т. е. самостоятельность программной единицы.

Сборочное программирование Цейтина . Модули - это программные кирпичи, из которых строится программа. Существуют три основные пред посылки к модульному программированию:

стремление к выделению независимой единицы программного знания. В идеальном случае всякая идея (алгоритм) должна быть оформлена в виде модуля;

потребность организационного расчленения крупных разработок;

возможность параллельного исполнения модулей (в контексте парал лельного программирования).

Определения модуля и его примеры. Приведем несколько дополнительных определений модуля.

• Модуль - это совокупность команд, к которым можно обратиться по имени.

· Модуль - это совокупность операторов программы, имеющая граничные элементы и идентификатор (возможно агрегатный).

Функциональная спецификация модуля должна включать:

• синтаксическую спецификацию его входов, которая должна позволять построить на используемом языке программирования синтаксически правильное обращение к нему;

· описание семантики функций, выполняемых модулем по каждому из его входов.

Разновидности модулей. Существуют три основные разновидности модулей:

1) "Маленькие" (функциональные) модули, реализующие, как правило, одну какую-либо определенную функцию. Основным и простейшим модулем практически во всех языках программирования является процедура или функция.

2) "Средние" (информационные) модули, реализующие, как правило, несколь ко 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 .

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

a) модуль в языке программирования Modula-2;

b) пакеты в языках программирования Ada и Java .

Набор характеристик модуля предложен Майерсом [Майерс 1980]. Он состоит из следую щих конструктивных характеристик:

1) размера модуля;

В модуле должно быть 7 (+/-2) конструкций (например, операторов для функций или функций для пакета). Это число берется на основе представлений психологов о среднем оператив ном буфере памяти человека. Символьные образы в человеческом мозгу объединяются в "чанки " - наборы фактов и связей между ними, запоминаемые и извлекаемые как единое целое. В каждый момент времени человек может обр абатывать не более 7 чанков .

Модуль (функция) не должен превышать 60 строк. В результате его мож но поместить на одну страницу распечатки или легко просмотреть на экране монитора.

2) прочности (связности) модуля;

Существует гипотеза о глобальных данных, утверждающая, что глобальные данные вредны и опасны. Идея глобальных данных дискредитирует себя так же, как и идея оператора безусловного перехода goto . Локальность данных дает возможность легко читать и понимать модули, а также легко удалять их из программы.

Связность (прочность) модуля (cohesion ) - мера независимости его частей. Чем выше связность модуля - тем лучше, тем больше связей по отношению к оставшейся части программы он упрятывает в себе. Можно выделить типы связности, приведенные ниже.

Функциональная связность. Модуль с функциональной связностью реализует одну какую-либо определенную функцию и не может быть разбит на 2 модуля с теми же типами связностей.

Последовательная связность. Модуль с такой связностью может быть разбит на последовательные части, выполняющие независимые функции, но совместно реализующие единственную функцию. Например, один и тот же модуль может быть использован сначала для оценки, а затем для об работки данных.

Информационная (коммуникативная) связность. Модуль с информационной связностью - это модуль, который выполняет несколько операций или функций над одной и той же структурой данных (информационным объектом), которая считается неизвестной вне этого модуля. Эта инфор мационная связность применяется для реализации абстрактных типов данных.

Обратим внимание на то, что средства для задания информационно прочных модулей отсутствовали в ранних языках программирования (например, FORTRAN и даже в оригинальной версии языка Pascal ). И только позже, в языке програм мирования Ada , появился пакет - средство задания информационно прочного модуля.

3) сцепления модуля с другими модулями;

Сцепление (coupling ) - мера относительной независимости модуля от других модулей. Независимые модули могут быть модифицированы без переделки других модулей. Чем слабее сцепление модуля, тем лучше. Рассмотрим раз личные типы сцепления.

Независимые модули - это идеальный случай. Модули ничего не знают друг о друге. Организовать взаимодействие таких модулей можно, зная их интерфейс и соответствующим образом перенаправив выходные данные одного модуля на вход другого. Достичь такого сцепления сложно, да и не нужно, поскольку сцепление по данным (параметрическое сцепление) является достаточно хорошим.

Сцепление по данным (параметрическое) - это сцепление, когда данные передаются модулю, как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Этот вид сцепления реализуется в языках программирования при обращении к функциям (процедурам). Две разновидности этого сцепления опреде ляются характером данным.

· Сцепление по простым элементам данных.

· Сцепление по структуре данных. В этом случае оба модуля должны знать о внутренней структуре данных.

4) рутинности (идемпотентность, независимость от предыдущих обраще ний) модуля.

Рутинность - это независимость модуля от предыдущих обращений к нему (от предыстории). Будем называть модуль рутинным, если результат его работы зависит только от количества переданных параметров (а не от количества обращений).

Модуль должен быть рутинным в большинстве случаев, но есть и случаи, когда модуль должен сохранять историю. В выборе степени рутинности модуля пользуются тремя рекомендациями.

· В большинстве случаев делаем модуль рутинным, т. е. независимым от предыдущих обращений.

· Зависящие от предыстории модули следует использовать только в тех случаях, когда это необходимо для сцепления по данным.

· В спецификации зависящего от предыстории модуля должна быть четко сформулирована эта зависимость, чтобы пользователи имели возмож ность прогнозировать поведение такого модуля.

Структурное программирование.

Структурное программирование (СП) возникло как вариант решения проблемы уменьшения СЛОЖНОСТИ разработки программного обеспечения .

В начале эры программирования работа программиста ничем не регламентировалась. Решаемые задачи не отличались размахом и масштабностью, использовались в основном машинно-ориентированные языки и близкие к ним язык типа Ассемблера, разрабатываемые программы редко достигали значительных размеров, не ставились жесткие ограничения на время их разработки.

По мере развития программирования появились задачи, для решения которых определялись ограниченные сроки все более сложных задач с привлечением групп программистов. И как следствие, разработчики столкнулись с тем, что методы, пригодные для разработки небольших задач, не могут быть использованы при разработке больших проектов в силу сложности последних.

Таким образом, цель структурного программирования - повышение надежности программ, обеспечение сопровождения и модификации , облегчение и ускорение разработки.

Методология структурного императивного программирования - подход, за ключающийся в задании хорошей топологии императивных программ, в том числе отказе от использования глобальных данных и оператора безусловного перехода, разработке модулей с сильной связностью и обеспечении их неза висимости от других модулей.

Подход базируется на двух основных принци пах:

• Последовательная декомпозиция алгоритма решения задачи сверху вниз.
• Использование структурного кодирования.

Напомним, что данная методология является важнейшим развитием импе ративной методологии.

Происхождение, история и эволюция. Создателем структурного подхода считается Эдсгер Дейкстра . Ему также принадлежит попытка (к сожалению, совершенно неприменимая для массового программирования) соединить структурное программирование с методами доказательства правильности создаваемых программ. В его разработке участвовали такие известные ученые как Х. Милс , Д.Э. Кнут, С. Хоор .

Методы и концепции, лежащие в основе структурного программирования. Их три

Метод алгоритмической декомпозиции сверху вниз - заключается в пошаговой детализации постановки задачи, начиная с наиболее общей задачи. Данный метод обеспечивает хорошую структурированность. Метод поддерживается концепцией алгоритма.

Метод модульной организации частей программы - заключается в разбиении программы на специальные компоненты, называемые модулями. Метод поддерживается концепцией модуля.

Метод структурного кодирования - заключается в использовании при коди ровании трех основных управляющих конструкций. Метки и оператор без условного перехода являются трудно отслеживаемыми связями, без которых мы хотим обойтись. Метод поддерживается концепцией управления

Структурные языки программирования. Основное отличие от классической методологии императивного программирования заключается в отказе (точнее, той или иной степени отказа) от оператора безусловного перехода.

[Пратт Т., 1979] "Важным для программиста свойством синтаксиса является возможность отразить в структуре программы структуру лежащего в ее основе алгоритма . При использовании для построения программы метода, известного под названием структурное программирование , программа конструируется иерархически - сверху вниз (от главной программы к подпрограммам самого нижнего уровня), с употреблением на каждом уровне только ограниченного набора управляющих структур: простых последовательностей инструкций, циклов и некоторых видов условных разветвлений. При последовательном проведении этого метода структуру результирующих алгоритмов легко понимать, отлаживать и модифицировать. В идеале у нас должна появиться возможность перевести построенную таким образом схему программы прямо в соответствующие программные инструкции, отражающие структуру алгоритма."

Теорема о структурировании (Бёма-Джакопини ( Boem - Jacopini )): Всякую правильную программу (т.е. программу с одним входом и одним выходом без зацикливаний и недостижимых веток) можно записать с использованием следующих логических структур ‑ последовательность, выбора и повторение цикла

Следствие 1: Всякую программу можно привести к форме без оператора goto .

Следствие 2: Любой алгоритм можно реализовать в языке, основанном на трех управляющих конструкциях-п оследовательность, цикл, повторение.

Следствие 3: Сложность структурированных программ ограничена, даже в случае их неограниченного размера.

Структурное программирование- это не самоцель. Его основное назначение- это получение хорошей ("правильной") программы, однако даже в самой хорошей программе операторы перехода goto иногда нужны: например - выход из множества вложенных циклов.

Практически на всех языках, поддерживающих императивную методологию, можно разрабатывать программы и по данной методологии. В ряде языков введены специальные заменители оператора goto , позволяющие облегчить управление циклами (например, Break и Continue в языке C).

Класс задач. Класс задач для данной методологии соответствует классу задач для импера тивной методологии. Заметим, что при этом удается разрабатывать более сложные программы, поскольку их легко воспринимать и анализировать.

Рекомендации по литературе. Одной из наиболее известных работ в этой области является статья "Заметки по структурному программированию" [Дейкстра 1975]. Методы структурного программирования подробно рассмотрены в книге "Теория и практика структурного прграммирования " [Лингер , Миллс, Уитт 1982]. Практику структурного программирования можно изучать по книге "Алгоритмы + структуры данных = программы" [Вирт 1985]. Философия визуального структурного программирования подробно изложена в работе [Паронджанов 1999].

Метод объектно-ориентированного программирования.

Метод структурного программирования оказался эффективен при написании программ «ограниченной сложности». Однако с возрастанием сложности реализуемых программных проектов и, соответственно, объема кода создаваемых программ, возможности метода структурного программирования оказались недостаточными.

Основной причиной возникших проблем можно считать то, что в программе не отражалась непосредственно структура явлений и понятий реального мира и связей межу ними. При попытке анализа и модификации текста программы программист вынужден был оперировать искусственными категориями.

Чтобы писать все более сложные программы, необходим был новый подход к программированию. В итоге были разработаны принципы Объектно-Ориентированного Программирования. OOP аккумулирует лучшие идеи, воплощённые в структурном программировании, и сочетает их с мощными новыми концепциями, которые позволяют по-новому организовывать ваши программы.

Надо сказать, что теоретические основы ООП были заложены еще в 70-х годах прошлого века, но практическое их воплощение стало возможно лишь в середине 80-х, с появлением соответствующих технических средств.

Методология ООП использует метод объектной декомпозиции , согласно которому структура системы (статическая составляющая) описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы (динамическая составляющая) - в терминах обмена сообщениями между объектами. Сообщения могут быть как реакцией на события, вызываемые как внешними факторами, так и порождаемые самими объектами.

Объектно-ориентированные программы называют «программами, управляемыми от событий», в отличие от традиционных программ, называемых «программам, управляемыми от данных».

Основные методы и концепции ООП

· Метод объектно-ориентированной декомпозиции – заключается в выделении объектов и связей между ними. Метод поддерживается концепциями инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

· Метод абстрактных типов данных – метод, лежащий в основе инкапсуляции. Поддерживается концепцией абстрактных типов данных.

· Метод пересылки сообщений – заключается в описании поведения системы в терминах обмена сообщениями между объектами. Поддерживается концепцией сообщения.

Вычислительная модель чистого ООП поддерживает только одну операцию – посылку сообщения объекту . Сообщения могут иметь параметры, являющиеся объектами. Само сообщение тоже является объектом.

Объект имеет набор обработчиков сообщений (набор методов). У объекта есть поля – персональные переменные данного объекта, значениями которых являются ссылки на другие объекты. О одном из полей объекта хранится ссылка на объект-предок, которому переадресуются все сообщения, не обработанные данным объектом. Структуры, описывающие обработку и переадресацию сообщений, обычно выделяются в отдельный объект, называемый классом данного объекта. Сам объект называется экземпляром указанного класса.

Синтаксис и семантика

В синтаксисе чистых объектно-ориентированных языков все может быть записано в форме посылки сообщений объектам. Класс в объектно-ориентир ованных языках описывает структуру и функционирование множества объектов с подобными характеристиками, атрибутами и поведением. Объект принадлежит к некоторому классу и обладает своим собственным внутренним состоянием. Методы - функциональные свойст ва, которые можно активизировать.

В объектно-ориентированном программировании определяют три основных свойства:

Инкапсуляция. Это сокрытие информации и комбинирование данных и функций (методов) внутри объекта.

Наследование. Построение ие рархии порожденных объектов с возможностью для каждого такого объекта-наследника доступа к коду и данным всех порождающих объектов-предков. Построение ие рархий является достаточно сложным делом, так как при этом приходится выполнять классифицирование.

Большинство окружающих нас объектов относится к категориям, рассмотренным в книге [Шлеер , Меллор 1993]:

· Реальные объекты – абстракции предметов, существующих в физическом мире;

· Роли – абстракции цели или назначения человека, части оборудования или организации;

· Инциденты – абстракции чего-то произошедшего или случившегося;

· Взаимодействия – объекты, получающиеся из отношения между другими объектами.

Полиморфизм (полиморфизм включения) - присваивание действию одного имени, которое затем разделяется вверх и вниз по иерархии объек тов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, подходящим именно ему.

У каждого объекта есть ссылка на класс, к которому он относится. При приеме сообщения объект обращается к классу для обработки данного со общения. Сообщение может быть передано вверх по иерархии наследова ния, если сам класс не располагает методом для его обработки. Если обработчик событий для сообщения выбирается динамически, то методы, реали зующие обработчиков событий, принято называть виртуальными.

Естественным средством структурирования в данной методологии являются классы. Классы определяют, какие поля и методы экземпляра доступны извне, как обрабатывать отдельные сообщения и т. п. В чистых объектно- ориентированных языках извне доступны только методы, а д оступ к данным объекта возможен только через его методы.

Взаимодействие задач в данной методологии осуществляется при помощи обмена сообщениями между объектами, реализующими данные задачи.

Пример описания в некотором абстрактном Pascal -подобном объектно-ориентированном языке класса «точка», являющегося наследником класса «координаты» может выглядеть так:

Type TCoordinates = class (TObject )

x, y: integer;
Constructor Init (_x, _y: integer);
Function GetX : integer;
Function GetY : integer;
Procedure SetX (_x: integer);
Procedure SetY (_y: integer);
Procedure Move (dx , dy : integer);
Destructor Done; virtual;

Constructor Init();
x:= _x; y:= _y
end;
Function GetX : integer;
begin
GetX := x
end;
. . . . . . . . . . . . .
End;

TPoint = class (TCoordinates )
Color: integer;
Constructor Init (_x, _y, _Color: integer);
Function SetColor (_Color: integer);
Function GetColor : integer;

Constructor Init(_x, _y, _Color: integer);
Inherited Init(_x, _y);
Color:= _Color
end;
. . . . . . . . . . . . .

End ;

Если мы в дальнейшем хотим использовать экземпляры класса TPoint , их необходимо будет создать, вызвав метод-конструктор.

Var P1: Point;

P 1. Init (0,0 , 14); P 1. Move (+2, -2);

Для поддержки концепции ООР были разработаны специальные объектно-ориентирован-ные языки программирования. Все языки OOP можно разделить на три группы.

Чистые языки , в наиболее классическом виде поддерживающие объектно-ориентированную методологию. Такие языки содержат небольшую языковую часть и существенную библиотеку, а также набор средств поддержки времени выполнения.

Гибридные языки , которые появились в результате внедрения объектно-ориентированных конструкций в популярные императивные языки программирования.

Урезанные языки , которые появились в результате удаления из гибридных языков наиболее опасных и ненужных с позиций ООП конструкций.

Литература

ISO/IEC 12207:1995 Information Technology – Software Life Cycle Processes.

[Вирт 1985] – Вирт Н. Алгоритмы + структуры данных = программы. – М.: Мир, 1985

[Дейкстра 1975] – Дейкстра Э. Заметки по структурному программированию // Дал У., Дейкстра Э., Хоар К. Структурное программирование. – М.: Мир, 1975

[Калинин, Мацкевич 1991] – Калинин А.Г., Мацкевич И.В. Универсальные языки программирования. Семантический подход. – М.: Радио и связь, 1991

[Лингер , Миллс, Уитт 1982] – Лингер Р., Миллс Х., Уитт Б. Теория и практика структурного программирования. – М.: Наука, 1990

[Майерс 1980] – Майерс Г. Надежность программного обеспечения. – М.: Мир, 1980

[Паронджанов 1999]- Параноджанов В.Д. Как улучшить работу ума. – М.: Радио и связь, 1999

[Пратт Т., 1979] - Пратт Т. Языки программирования: разработка и реализация. -М .:Мир , 1979

[Шлеер , Меллор 1993] - Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. – Киев: Диалектика, 1993.