Дайте понятие и охарактеризуйте модульное программирование. «Забытые» парадигмы программирования. Общая структура модуля

Назначение модулей

Стандартный Паскаль не предусматривает механизмов раздельной компиляции частей программы с последующей их сборкой перед выполнением. Вполне понятно стремление разработчиков коммерческих компиляторов Паскаля включать в язык средства, повышающие его модульность.

Модуль – это автономно компилируемая программная единица, включающая в себя различные компоненты раздела описаний (типы, константы, переменные, процедуры и функции) и, возможно, некоторые исполняемые операторы инициирующей части.

Основным принципом модульного программирования является принцип «разделяй и властвуй». Модульное программирование – это организация программы как совокупности небольших независимых блоков, называемых модулями, структура и поведение которых подчиняются определенным правилам.

Использование модульного программирования позволяет упростить тестирование программы и обнаружение ошибок. Аппаратно-зависимые подзадачи могут быть строго отделены от других подзадач, что улучшает мобильность создаваемых программ.

Термин «модуль» в программировании начал использоваться в связи с внедрением модульных принципов при создании программ. В 70-х годах под модулем понимали какую-либо процедуру или функцию, написанную в соответствии с определенными правилами. Например: «Модуль должен быть простым, замкнутым (независимым), обозримым (от 50 до 100 строк), реализующим только одну функцию задачи, имеющим одну входную и одну выходную точку ».

Первым основные свойства программного модуля более-менее четко сформулировал Парнас (Parnas): «Для написания одного модуля должно быть достаточно минимальных знаний о тексте другого ». Таким образом, в соответствии с определением, модулем могла быть любая отдельная процедура (функция) как самого нижнего уровня иерархии (уровня реализации), так и самого верхнего уровня, на котором происходят только вызовы других процедур-модулей.

Таким образом, Парнас первым выдвинул концепцию скрытия информации (information hiding) в программировании. Однако существовавшие в языках 70-х годов только такие синтаксические конструкции, как процедура и функция, не могли обеспечить надежного скрытия информации, поскольку подвержены влиянию глобальных переменных, поведение которых в сложных программах бывает трудно предсказуемым.

Решить эту проблему можно было только разработав новую синтаксическую конструкцию, которая не подвержена влиянию глобальных переменных.

Такая конструкция была создана и названа модулем. Изначально предполагалось, что при реализации сложных программных комплексов модуль должен использоваться наравне с процедурами и функциями как конструкция, объединяющая и надежно скрывающая детали реализации определенной подзадачи.

Таким образом, количество модулей в комплексе должно определяться декомпозицией поставленной задачи на независимые подзадачи. В предельном случае модуль может использоваться даже для заключения в него всего лишь одной процедуры, если необходимо, чтобы выполняемое ею локальное действие было гарантировано независимым от влияния других частей программы при любых изменениях.

Впервые специализированная синтаксическая конструкция модуля была предложена Н. Виртом в 1975 г. и включена в его новый язык Modula. Насколько сильно изменяются свойства языка, при введении механизма модулей, свидетельствует следующее замечание Н.Вирта, сделанное им по поводу более позднего языка Модула-2: «Модули – самая важная черта, отличающая язык Модула-2 от его предшественника Паскаля».

По своей организации и характеру использования в программе модули Турбо Паскаля близки к модулям-пакетам (PACKAGE) языка программирования Ада. В них так же, как и в пакетах Ады, явным образом выделяется некоторая «видимая» интерфейсная часть, в которой сконцентрированы описания глобальных типов, констант, переменных, а также приводятся заголовки процедур и функций. Появление объектов в интерфейсной части делает их доступными для других модулей и основной программы. Тела процедур и функций располагаются в исполняемой части модуля, которая может быть скрыта от пользователя.

Рис.2. Последовательность разработки программного проекта

Значение модулей для технологии разработки программного проекта может быть продемонстрировано диаграммой на рис. 2.

Модули представляют собой прекрасный инструмент для разработки библиотек прикладных программ и мощное средство модульного программирования. Важная особенность модулей заключается в том, что компилятор размещает их программный код в отдельном сегменте памяти. Длина сегмента не может превышать 64 Кбайт, однако количество одновременно используемых модулей ограничивается лишь доступной памятью, что позволяет создавать большие программы.

Структура модулей

Всякий модуль имеет следующую структуру:

Unit <имя_модуля>;

i nterface

<интерфейсная часть>;

implementation

<исполняемая часть>;

<инициирующая часть>;

Здесь UNIT – зарезервированное слово (единица); начинает заголовок модуля;

<имя_модуля> - имя модуля (правильный идентификатор);

INTERFACE – зарезервированное слово (интерфейс); начинает интерфейсную часть модуля;

IMPLEMENTATION – зарезервированное слово (выполнение); начинает исполняемую часть модуля;

BEGIN – зарезервированное слово; начинает инициирующую часть модуля; причем конструкция begin <инициирующая часть> необязательна;

END – зарезервированное слово – признак конца модуля.

Таким образом, модуль состоит из заголовка и трех составных частей, любая из которых может быть пустой.

Ниже показана общая структура модуля, дополненная комментариями, поясняющими смысл и назначение каждого раздела модуля.

Unit ИдентификаторМодуля;

{Интерфейсный раздел }

interface

{В этом разделе описывается взаимодействие данного модуля} {с другими пользовательскими и стандартными модулями, а также} {с главной программой. Другими словами – взаимодействие } {модуля с «внешним миром». }

{Список импорта интерфейсного раздела }

{В этом списке через запятые перечисляются идентификаторы} {модулей, информация интерфейсных частей которых должна }

{быть доступна в данном модуле. Здесь целесообразно описывать} {идентификаторы только тех модулей, информация из которых} {используется в описаниях раздела interface данного модуля.}

{Список экспорта интерфейсного раздела }

const {Список экспорта состоит из подразделов описания констант,} type {типов, переменных, заголовков процедур и функций, которые} var {определены в данном модуле, но использовать которые разре-} procedure {шено во всех других модулях и программах, включающих имя} function {данного модуля в своей строке uses. Для процедур и функций} {здесь описываются только заголовки, но с обязательным} {полным описанием формальных параметров.}

{Раздел реализации }

implementation

{В этом разделе указывается реализационная (личная) часть} {описаний данного модуля, которая недоступна для других } {модулей и программ. Другими словами – «внутренняя кухня»}

{Список импорта раздела реализации }

{В этом списке через запятые перечисляются идентификаторы} {тех модулей, информация интерфейсных частей которых должна} {быть доступна в данном модуле. Здесь целесообразно описывать} {идентификаторы всех необходимых модулей, информация из} {которых не используется в описаниях раздела interface данного} {модуля и об использовании которых не должен знать ни один} {другой модуль. }

{Подразделы внутренних для модуля описаний }

label {В этих подразделах описываются метки, константы, типы,} const {переменные, процедуры и функции, которые описывают} type {алгоритмические действия, выполняемые данным модулем, и} var {которые являются «личной собственностью» исключительно} procedure{только данного модуля. Эти описания недоступны ни одному} function {другому модулю. Заголовки процедур и функций в этом} {подразделе допускается указывать без списка формальных} {параметров. Если заголовки указаны все же с параметрами, то} {их список должен быть идентичен такому же списку для} {соответствующей процедуры (функции) в разделе interface}

{Раздел инициализации }

{В этом разделе указываются операторы начальных установок,} {необходимых для запуска корректной работы модуля. Операторы} {разделов инициализации модулей, используемых в программе,} {выполняются при начальном запуске программы в том же } {порядке, в каком идентификаторы модулей описаны в } {предложении uses. Если операторы инициализации не требуются, } {то слово begin может быть опущено.}

end .

Заголовок модуля и связь модулей друг с другом

Заголовок модуля состоит из зарезервированного слова unit и следующего за ним имени модуля. Для правильной работы среды Турбо Паскаля и возможности подключения средств, облегчающих разработку больших программ, имя модуля должно совпадать с именем дискового файла , в который помещается исходный текст модуля. Если, например, имеем заголовок модуля

Unit primer;

то исходный текст этого модуля должен размещаться на диске в файле primer.pas.

Имя модуля служит для его связи с другими модулями и основной программой. Эта связь устанавливается специальным предложением:

uses <список модулей>

Здесь USES – зарезервированное слово (использует);

<список модулей> - список модулей, с которыми устанавливается связь; элементы списка – имена модулей через запятую.

Если в программе модули используются, то предложение uses <список модулей> должно стоять сразу после заголовка программы , т.е. должно открывать раздел описаний основной программы. В модулях могут использоваться другие модули. В модулях предложение uses <список модулей> может стоять сразу после слова interface или сразу после слова implementation. Допускается и два предложения uses, т.е. оно может стоять и там, и там.

Интерфейсная часть

Интерфейсная часть открывается зарезервированным словом INTERFACE . В этой части содержатся объявления всех глобальных объектов модуля (типов, констант, переменных и подпрограмм), которые должны быть доступны основной программе и (или) другим модулям. При объявлении глобальных подпрограмм в интерфейсной части указывается только их заголовок, например:

Procedure AddC(x,y: complex, var z: complex);

Procedure MulC (x,y: complex, var z: complex);

В любой профессии, не только в программировании, вы переживаете разные эмоциональные состояния по ходу выполнения проекта:

• Сначала есть энтузиазм от перспектив и возможностей.
• Затем приходит азарт. Первые ошибки и трудности вас только раззадоривают, заставляя мозг и фантазию работать на полную катушку.
• Следом проседает концентрация. В какой-то момент вы перестаёте обращать внимание на предупреждения и мелкие ошибки, откладывая решение этих проблем на потом.
• В итоге вы теряете мотивацию. Вы исправляете одну ошибку – появляется три. Вы пытаетесь добавить новую функцию, но выкидываете идею в мусорное ведро из-за нежелания тратить на это много времени.

Некоторые думают, что это нормально: стоит смириться и каждый раз проживать этот цикл. На деле же всё немного проще, и решение лежит не в области психологии, а в подходе к созданию кода.

Классическая проблема программирования

В западной литературе существует термин «big ball of mud» для описания архитектуры программы. Давайте переведём его дословно. Графически «большой шар грязи» можно представить в виде точек на окружности, символизирующих функциональные элементы, и прямых – связей между ними:

Похоже на ваши глаза перед сдачей проекта, не так ли?

Это иллюстрация той сложности, с которой вам надо работать, какое количество связей учитывать, если возникает ошибка.

Программирование не уникальная дисциплина: здесь можно и нужно применять опыт из других областей. Возьмём, к примеру, компьютер. Их производители не задумываются над многообразием задач, которые решает пользователь, и уж тем более не выделяют под каждую маленький процессор и память. Компьютер – это просто набор независимых сложных объектов, объединённых в одном корпусе при помощи разъёмов и проводов. Объекты не уникальны, не оптимизированы конкретно под вас, и тем не менее блестяще справляются со своей задачей.

В программировании есть точно такие же решения. Например, библиотеки. Они помогают не тратить драгоценное время на изобретение велосипеда. Однако для частных задач библиотеки не эффективны – создание отнимет уйму времени, а при единичной повторяемости эффективность стремится к нулю.

В этом случае полезнее обратиться к модулям. Модуль – логически завершённый фрагмент кода, имеющий конкретное функциональное назначение. Для взаимодействия модулей используются способы, не позволяющие изменять параметры и функциональность. Плюсы модульного программирования очевидны:

• Ускорение разработки.
• Повышение надёжности.
• Упрощение тестирования.
• Взаимозаменяемость.

Модульное программирование крайне эффективно при групповых разработках, где каждый сотрудник может сконцентрироваться только на своём фронте работ и не оглядываться на решения коллег. Однако и в индивидуальном подходе вы получаете, как минимум, вышеописанные преимущества.

Но не всё так просто.

Проблемы модульного программирования

Сама по себе идея использования модулей не сильно упрощает код, важно минимизировать количество прямых связей между ними. Здесь мы подходим к понятию «инверсия управления» (IoC). Упрощённо – это принцип программирования, при котором отдельные компоненты кода максимально изолированы друг от друга. То есть детали одного модуля не должны влиять на реализацию другого. Достигается это при помощи интерфейсов или других видов представления, не обеспечивающих прямого доступа к модульному коду.

В повседневной жизни таких примеров множество. Чтобы купить билет на самолёт или узнать время вылета, вам не надо звонить пилоту. Чтобы выпить молока, не надо ехать в деревню или на завод и стоять над душой у коровы. Для этого всегда есть посредники.

В модульном программировании существует три основные реализации:

• Внедрение зависимостей. Способ, при котором каждый элемент имеет свой интерфейс, взаимодействие модулей происходит через интерфейсы.
• Фабричный метод. Основывается на существовании некого объекта, предназначенного для создания других объектов. Иначе говоря, введение в программу прототипа, объединяющего общие черты для большинства объектов. Прямого взаимодействия между модулями нет, все параметры наследуются от «завода».
• Сервисный метод. Создаётся один общий интерфейс, являющийся буфером для взаимодействия объектов. Похожую функцию в реальной жизни выполняют колл-центры, магазины, площадки для объявлений и т.д.

Несмотря на то, что первая реализация IoC используется чаще всего, для первых шагов в модульном программировании лучше использовать другие два. Причина – простое создание интерфейсов лишь ограничивает доступ к модулям, а для снижения сложности кода необходимо также уменьшить количество связей. Интерфейсы, хаотично ссылающиеся на другие интерфейсы, код только усложняют.

Для решения этой проблемы необходимо разработать архитектуру кода. Как правило, она схожа с файловой структурой любого приложения:

Таким образом, поддержка принципов модульного программирования, инверсии управления и четкой архитектуры приложения поможет убить сразу трёх зайцев:

1. Обеспечить чёткое функциональное разделение кода. При возникновении ошибок можно быстро определить источник, а исправления не приведут к появлению новых сбоев.
2. Минимизировать количество связей. Это позволит упростить разработку, отдав на откуп нескольким разработчикам разные модули. Или вы сможете самостоятельно разрабатывать каждый блок без оглядки на другие, что тоже экономит время и силы.
3. Создать иерархию с чёткой вертикалью наследования. Это повышает надёжность кода, так как тестирование провести проще, а результаты информативнее.

Соблюдение принципа модульности в больших проектах позволит сэкономить время и не расплескать стартовый задор. Более того, у вас получится наконец сосредоточиться на самом интересном – реализации оригинальных задумок в коде. А ведь это именно то, что каждый из нас ищет в программировании.

Получилось так, что те парадигмы, которые раньше потом и кровью пробивались в свет через орды приверженцев традиционных методов постепенно забываются. Эти парадигмы возникли на заре программирования и то, почему они возникали, какие преимущества они давали и почему используются до сих пор полезно знать любому разработчику.

Ладно. Введение это очень весело, но вы его все равно не читаете, так что кому интересно - добро пожаловать под кат!

Императивное программирование

Исторически сложилось так, что подавляющее большинство вычислительной техники, которую мы программируем имеет состояние и программируется инструкциями, поэтому первые языки программирования в основном были чисто императивными, т.е. не поддерживали никаких парадигм кроме императивной.

Это были машинные коды, языки ассемблера и ранние высокоуровневые языки, вроде Fortran.

Ключевые моменты:

В этой парадигме вычисления описываются в виде инструкций, шаг за шагом изменяющих состояние программы.

В низкоуровневых языках (таких как язык ассемблера) состоянием могут быть память, регистры и флаги, а инструкциями - те команды, что поддерживает целевой процессор.

В более высокоуровневых (таких как Си) состояние - это только память, инструкции могут быть сложнее и вызывать выделение и освобождение памяти в процессе своей работы.

В совсем высокоуровневых (таких как Python, если на нем программировать императивно) состояние ограничивается лишь переменными, а команды могут представлять собой комплексные операции, которые на ассемблере занимали бы сотни строк.

Основные понятия:

- Инструкция
- Состояние

Порожденные понятия:

- Присваивание
- Переход
- Память
- Указатель

Как основную:

- Языки ассемблера
- Fortran
- Algol
- Cobol
- Pascal
- C
- C++
- Ada

Как вспомогательную:

- Python
- Ruby
- Java
- C#
- PHP
- Haskell (через монады)

Стоит заметить, что большая часть современных языков в той или иной степени поддерживает императивное программирование. Даже на чистом функциональном языке Haskell можно писать императивно.

Структурное программирование

Структурное программирование - парадигма программирования (также часто встречающееся определение - методология разработки), которая была первым большим шагом в развитии программирования.

Основоположниками структурного программирования были такие знаменитые люди как Э. Дейкстра и Н. Вирт.

Языками-первопроходцами в этой парадигме были Fortran, Algol и B, позже их приемниками стали Pascal и C.

Ключевые моменты:

Эта парадигма вводит новые понятия, объединяющие часто используемые шаблоны написания императивного кода.

В структурном программировании мы по прежнему оперируем состоянием и инструкциями, однако вводится понятие составной инструкции (блока), инструкций ветвления и цикла.

Благодаря этим простым изменениям возможно отказаться от оператора goto в большинстве случаев, что упрощает код.

Иногда goto все-же делает код читабельнее, благодаря чему он до сих пор широко используется, несмотря на все заявления его противников.

Основные понятия:

- Блок
- Цикл
- Ветвление

Языки поддерживающие данную парадигму:

Как основную:

- C
- Pascal
- Basic

Как вспомогательную:

- C#
- Java
- Python
- Ruby
- JavaScript

Поддерживают частично:
- Некоторые макроассемблеры (через макросы)

Опять-же большая часть современных языков поддерживают структурную парадигму.

Процедурное программирование

Опять-же возрастающая сложность программного обеспечения заставила программистов искать другие способы описывать вычисления.

Собственно еще раз были введены дополнительные понятия, которые позволили по-новому взглянуть на программирование.

Этим понятием на этот раз была процедура.

В результате возникла новая методология написания программ, которая приветствуется и по сей день - исходная задача разбивается на меньшие (с помощью процедур) и это происходит до тех пор, пока решение всех конкретных процедур не окажется тривиальным.

Ключевые моменты:

Процедура - самостоятельный участок кода, который можно выполнить как одну инструкцию.

В современном программировании процедура может иметь несколько точек выхода (return в C-подобных языках), несколько точек входа (с помощью yield в Python или статических локальных переменных в C++), иметь аргументы, возвращать значение как результат своего выполнения, быть перегруженной по количеству или типу параметров и много чего еще.

Основные понятия:

- Процедура

Порожденные понятия:

- Вызов
- Аргументы
- Возврат
- Рекурсия
- Перегрузка

Языки поддерживающие данную парадигму:

Как основную:

- C
- C++
- Pascal
- Object Pascal

Как вспомогательную:

- C#
- Java
- Ruby
- Python
- JavaScript

Поддерживают частично:
- Ранний Basic

Стоит отметить, что несколько точек входа из всех этих языков поддерживаются только в Python.

Модульное программирование

Который раз увеличивающаяся сложность программ заставила разработчиков разделять свой код. На этот раз процедур было недостаточно и в этот раз было введено новое понятие - модуль.

Забегая вперед скажу, что модули тоже оказались неспособны сдержать с невероятной скоростью растущую сложность ПО и в последствии появились пакеты (это тоже модульное программирование), классы (это уже ООП), шаблоны (обобщенное программирование).

Программа описанная в стиле модульного программирования - это набор модулей. Что внутри, классы, императивный код или чистые функции - не важно.

Благодаря модулям впервые в программировании появилась серьезная инкапсуляция - возможно использовать какие-либо сущности внутри модуля, но не показывать их внешнему миру.

Ключевые моменты:

Модуль - это отдельная именованная сущность программы, которая объединяет в себе другие программные единицы, близкие по функциональности.

Например файл List.mod включающий в себя класс List
и функции для работы с ним - модуль.

Папка Geometry, содержащая модули Shape, Rectangle и Triangle - тоже модуль, хоть и некоторые языки разделяют понятие модуля и пакета (в таких языках пакет - набор модулей и/или набор других пакетов).

Модули можно импортировать (подключать), для того, чтобы использовать объявленные в них сущности.

Основные понятия:

- Модуль
- Импортирование

Порожденные понятия:

- Пакет
- Инкапсуляция

Языки поддерживающие данную парадигму:

Как основную:

- Haskell
- Pascal
- Python

Как вспомогательную:

- Java
- C#
- ActionScript 3

Поддерживают частично:
- C/C++

В некоторых языках для модулей введены отдельные абстракции, в других же для реализации модулей можно использовать заголовочные файлы (в C/C++), пространства имен, статические классы и/или динамически подключаемые библиотеки.

Вместо заключения

В данной статье я не описал популярные сейчас объектно-ориентированное, обобщенное и функциональное программирование. Просто потому, что у меня есть свое, довольно радикальное мнение на этот счет и я не хотел разводить холивар. По крайней мере сейчас. Если тема окажется полезной для сообщества я планирую написать несколько статей, изложив основы каждой из этих парадигм подробно.

Также я ничего не написал про экзотические парадигмы, вроде автоматного, аппликативного, аспект/агент/компонент-ориентированного программирования. Я не хотел делать статью сильно большой и опять-же если тема будет востребована, я напишу и об этих парадигмах, возможно более подробно и с примерами кода.

Структурное программирование

Самое общеизвестное определение структурного программирования – подход к программированию, в котором для передачи управления в программе используется три конструкции: следование, выбора и цикл.

Классическая теорема Боэма и Джакопини о структурном программировании утверждает, что всякую правильную программу (т. е. программу с одним входом и одним выходом, без зацикливаний и недостижимых веток) можно записать с использованием следующих логических структур:

последовательности двух или более операторов;

дихотомического выбора;

повторения;

Дейкстра предложил отказаться от оператора безусловного перехода и ограничиться тремя конструкциями – последовательностью, выбором и циклом;

Дональд Кнут продемонстрировал случаи, в которых оператор безусловного перехода оказывался полезным (например, выход из нескольких вложенных циклов) и подверг критике утверждение Дейкстры.

В 1965 году академик Глушков обратил внимание на то, что структурированные программы можно рассматривать как формулы в некоторой алгебре. Зная правила преобразования выражений в такой алгебре, можно осуществлять глубокие формальные (и, следовательно, автоматизированные) преобразования программ.

Структурное программирование – не самоцель, его основное назначение – получение хорошей программы. Однако даже в самой хорошей программе операторы перехода требуются, например при выходе из множества вложенных циклов.

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, четкое назначение и детально проработанный интерфейс с внешней средой. Единственная альтернатива модульности – монолитная программа, что, конечно, неудобно. Таким образом, наиболее интересный вопрос при изучении модульности – определение критерия разбиения на модули. В основе модульного программирования лежат три основные концепции.

Принцип утаивания информации . Всякий компонент утаивает единственное проектное решение, т. е. модуль служит для утаивания информации. 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 отдельные модули, каждый из которых реализует одно из указанных решений.

Аксиома модульности . Модуль – независимая программная единица, 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 единицу из блоков любой степени вложенности;

– синтаксическая обособленность, т. е. выделение модуля в тексте синтаксическими элементами;

– семантическая независимость, т. е. независимость от места, где программная единица вызвана;

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

– полнота определения, т. е. самостоятельность программной единицы.

Сборочное программирование . Модули – это программные кирпичи, из которых строится программа.

Сцепление модулей – мера относительной независимости модуля от других модулей. Независимые модули могут быть модифицированы без переделки других модулей. Чем слабее сцепление модуля, тем лучше. Рассмотрим различные 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.

– 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).

Рутинность модуля – это независимость модуля от предыдущих обращений к нему (от предыстории). Модуль является 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;

– 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 возможность прогнозировать поведение такого модуля.

Модуль – это последовательность логически связанных фрагментов, оформленных как отдельная часть программы.

К модулю предъявляются следующие требования:

1) модуль должен реализовывать единственную функцию, т.е. при построении модуля используется концепция: «один модуль – одна функция». Таким образом, модуль – это элемент программы, выполняющий самостоятельную задачу. На его входе он может получать определенный набор исходных данных, обрабатывать их в соответствии с заданным алгоритмом и возвращать результат обработки, т.е. реализуется стандартный принцип IPO (Input – Process – Output) – вход-процесс-выход;

2) на модуль нужно ссылаться с помощью его имени. Он должен иметь один вход и один выход, что гарантирует замкнутость модуля и упрощает сопровождение программ;

3) модуль должен иметь функциональную завершенность, т.е. выполнять перечень регламентированных операций для реализации каждой отдельной функции в полном составе, достаточных для завершения начатой обработки;

4) модуль должен возвращать управление в точку его вызова, в свою очередь, он должен иметь возможность сам вызывать другие модули;

5) модуль не должен сохранять историю своих вызовов и использовать ее при своем функционировании;

6) модуль должен иметь логическую независимость, т.е. результат работы программного модуля зависит только от исходных данных, но не зависит от работы других модулей;

7) модуль должен иметь слабые информационные связи с другими программными модулями – обмен информацией между модулями должен быть по возможности минимизирован;

8) модуль должен быть сравнительно невелик, т.е. быть обозримым по размеру и сложности. Опытные программисты рекомендуют его размер не более двух страниц распечатки на принтере.

Для достижения независимости модулей часто используется принцип информационной локализованности , который состоит в том, что вся информация о структуре данных, о прототипах функций, констант и т.д. сосредотачивается («упрятывается») в отдельном модуле. Доступ к этой информации осуществляется только через этот модуль (в алгоритмическом языке С/С++ такие модули имеют расширение *.h).

Программирование с использованием модулей называется модульным программированием. Оно возникло еще в начале 60-х годов XX в. Модульное программирование основано на идее использования уровней абстракции, когда вся проблема или комплекс задач разбивается на задачи, подзадачи, абстрагируется и представляется в виде иерархического дерева связанных между собой модулей, в совокупности представляющих создаваемое программное обеспечение (ПО).

Достоинствами модульного программирования является следующее:

· большую программу могут писать одновременно несколько программистов, что позволяет раньше закончить задачу;

· можно создавать библиотеки наиболее употребительных модулей;

· упрощается процедура загрузки в оперативную память большой программы, требующей сегментации;

· появляется много естественных контрольных точек для отладки проекта;

· проще проектировать и в дальнейшем модифицировать программы.

Недостатки модульного программирования заключаеются в следующем:

· возрастает размер требуемой оперативной памяти;

· увеличивается время компиляции и загрузки;

· увеличивается время выполнения программы;

· довольно сложными становятся межмодульные интерфейсы.

Модульное программирование реализуется через модули – функции. Функция – это область памяти, выделяемая для сохранения программного кода, предназначенного для выполнения конкретной задачи. Другими словами, функция – минимальный исполняемый модуль программы на языке С/С++. По умолчанию функция имеет тип external, и доступ к ней возможен из любого файла программы. Но она может быть ограничена спецификатором класса памяти static.

Функция характеризуется типом, областью действия связанного с функцией имени, видимостью имени функции, типом связывания.

Тип имя_функции (спецификация_параметров) тело_функции

Тип – это тип возвращаемого функцией значения, в том числе void (кроме типов массива или функции). Умолчанием является тип int. Если тип возврата функции не void, то тело функции должно содержать как минимум один оператор return.

Имя_функции – идентификатор, с помощью которого можно обратиться к функции. Он выбирается программистом произвольно и не должен совпадать со служебными словами и с именами других объектов программы. Однако любая программа на языке С/С++ должна иметь хотя бы одну функцию с именем main – главную функцию, содержащую точку входа в программу.

Спецификация_параметров – список формальных параметров, т.е. переменных, принимающих значения, передаваемые функции при ее вызове. Список формальных параметров перечисляется через запятую. Каждый формальный параметр должен иметь следующий формат:

Тип имя_формального_параметра

Тип может быть встроенным (int, long, float, double и т.д.), структурой (struct), объединением (union), перечислением (enum), указателями на них или на функции или классы (class). Имя_формального_параметра представляет собой имя используемой в теле функции переменной. Идентификаторы формальных параметров не могут совпадать с именами локальных переменных, объявленных внутри тела функции.

Объявление формального параметра может содержать инициализатор, то есть выражение, которое должно обеспечить параметру присвоение начального значения. Инициализатор параметра не является константным выражением. Начальная инициализация параметров происходит не на стадии компиляции (как, например, выделение памяти под массивы), а непосредственно в ходе выполнения программы.

В языке С/C++ допустимы функции, количество параметров у которых при компиляции функции не фиксировано, следовательно, остаются неизвестными и их типы. Количество и типы параметров таких функций становятся известными только при их вызове, когда явно задан список фактических параметров. При определении и описании таких функций со списками параметров неопределенной длины спецификацию формальных параметров следует закончить запятой и многоточием.

Каждая функция с переменным количеством параметров должна иметь хотя бы один обязательный параметр. После списка обязательных параметров ставится запятая, а затем многоточие, извещающее компилятор, что дальнейший контроль соответствия количества и типов параметров при обработке вызова функции проводить не нужно.

Спецификация_параметровможет отсутствовать, то есть скобки могут быть пустыми, но в этом случае рекомендуется указывать тип void.

Тело_функции – часть определения функции, ограниченная фигурными скобками и непосредственно размещенная вслед за заголовком функции. Тело_функцииможет быть либо составным оператором, либо блоком. Например.