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:
- ПроцедураПорожденные 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.
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.
Для уменьшения сложности программной системы она разбивается на множество небольших, в высокой степени независимых модулей. Модуль - это замкнутая программа, которую можно вызвать из любого другого модуля системы. Это фрагмент программного текста, являющийся строительным блоком для физической структуры системы. Как правило, модуль состоит из интерфейсной части и части-реализации. Модули можно разрабатывать на различных языках программирования и отдельно компилировать. Высокой степени независимости модулей программной системы можно достичь с помощью двух методов оптимизации: усилением внутренних связей в каждом модуле и ослаблением взаимосвязи между ними. Модульное программирование возникло в начале 60-х гг. XX в. . При создании программных систем оно дает следующие преимущества:
- упрощаются разработка и реализация программных систем;
- появляется возможность одновременной (параллельной) работы исполнителей, что позволяет сократить сроки создания ПС;
- упрощается настройка и модификация ПС;
- возникает много естественных контрольных точек для наблюдения за продвижением проекта;
- можно создавать библиотеки наиболее употребительных программ;
- облегчается чтение и понимание программы;
- обеспечивается более полное тестирование;
- становится проще процедура загрузки в оперативную память большой ПС (эффективность распределения программы по страницам при работе в виртуальной памяти зависит от способа ее разбиения на модули).
Наряду с этими преимуществами имеются и некоторые недостатки, которые могут привести к возрастанию стоимости программной системы:
- может увеличиться время исполнения программы;
- может возрасти размер требуемой памяти;
- может увеличиться время компиляции и загрузки;
- проблемы организации межмодульного взаимодействия могут оказаться довольно сложными.
Перечислим основные свойства и требования к модулям .
- 1. Модуль возникает в результате сепаратной компиляции или является частью результата совместной компиляции. Он может активизироваться операционной системой или быть подпрограммой, вызываемой другим модулем.
- 2. На содержимое модуля можно ссылаться с помощью его имени.
- 3. Модуль должен возвращать управление тому, кто его вызвал.
- 4. Модуль может обращаться к другим модулям.
- 5. Модуль должен иметь один вход и один выход. Иногда программа с несколькими входами может оказаться короче и занимать меньше места в памяти. Однако опыт модульного программирования показал, что разработчики предпочитают иметь несколько похожих модулей, но не использовать несколько входов и выходов в одном модуле. Это объясняется тем, что единственность входа и выхода гарантирует замкнутость модуля и упрощает сопровождение программной системы.
- 6. Модуль сравнительно невелик. Размеры модуля влияют на степень независимости элементов программы, легкость ее чтения и тестирования. Обнаружено, что небольшие модули позволяют строить такие программы, которые легче изменять. Такие модули чаще используются, они облегчают оценку и управление разработкой, их можно рекомендовать и достаточно опытным, и неопытным программистам. Можно было бы удовлетворить критериям высокой прочности и минимального сцепления, спроектировав программу как несколько больших модулей, но вряд ли таким образом была бы достигнута высокая степень независимости. Как правило, модуль должен содержать от 10 до 100 операторов языка высокого уровня (в некоторых публикациях - до 200).
С другой стороны, небольшие модули дольше проектируются, медленнее работают. Состоят все вместе из большего числа предложений исходного текста, требуют большей документации, их написание может быть менее приятным для программиста.
- 7. Модуль не должен сохранять историю своих вызовов для управления своим функционированием. Такой модуль называют предсказуемым. Модуль, хранящий следы своих состояний при последовательных вызовах, не является предсказуемым. Все модули ПС должны быть предсказуемыми, т.е. не должны сохранять никакой информации о предыдущем вызове. Хитрые, неуловимые, зависящие от времени ошибки возникают в тех программах, которые пытаются многократно вызвать непредсказуемый модуль.
- 8. Структура принятия решения в модуле должна быть организована таким образом, чтобы те модули, на которые прямо влияет принятое решение, были подчиненными (вызываемыми) по отношению к принимающему решение модулю. Таким образом, обычно удается исключить передачу специальных параметров-индикаторов, представляющих решения, которые должны быть приняты, а также принимать влияющие на управление программой решения на высоком уровне в иерархии программы.
- 9. Минимизация доступа к данным. Объем данных, на которые модуль может ссылаться, должен быть сведен к минимуму. Исключение сцепления по общей области, внешним данным и по формату - хороший шаг в этом направлении. Проектировщик должен попытаться изолировать сведения о любой конкретной структуре данных или записи в базе данных в отдельном модуле (или небольшом подмножестве модулей) -возможно, за счет использования информационно прочных модулей.
- 10. Внутренние процедуры. Внутренняя процедура, или подпрограмма, - это замкнутая подпрограмма, физически расположенная в вызывающем ее модуле. Таких процедур следует избегать по нескольким причинам. Внутренние процедуры трудно изолировать для тестирования, и они не могут быть вызваны из модулей, отличных от тех, которые их содержат. Это не соответствует идее повторного использования. Конечно, имеется альтернативный вариант - включить копии внутренней процедуры во все модули, которым она нужна. Однако это часто приводит к ошибкам (копии часто становятся «не совсем точными») и усложняет сопровождение программы, поскольку, когда процедура изменяется, все модули нужно перекомпилировать.
При проектировании достаточно сложного программного обеспечения после определения его общей структуры выполняют декомпозицию компонентов в соответствии с выбранным подходом до получения элементов, которые, по мнению проектировщика, в дальнейшей декомпозиции не нуждаются.
Как уже упоминалось раньше, в настоящее время используют два способа декомпозиции разрабатываемого программного обеспечения, связанные с соответствующим подходом:
Процедурный (или структурный - по названию подхода);
Объектный.
Результатом процедурной декомпозиции является иерархия подпрограмм (процедур), в которой функции, связанные с принятием решения, реализуются подпрограммами верхних уровней, а непосредственно обработка - Подпрограммами нижних уровней. Это согласуется с принципом вертикального управления, который был сформулирован вместе с другими рекомендациями структурного подхода к программированию. Он также ограничивает возможные варианты передачи управления, требуя, чтобы любая подпрограмма возвращала управление той подпрограмме, которая ее вызвала.
Результатом объектной декомпозиции является совокупность объектов, которые затем реализуют как переменные некоторых специально разрабатываемых типов (классов), представляющих собой совокупность полей данных и методов, работающих с этими полями.
Таким образом, при любом способе декомпозиции получают набор связанных с соответствующими данными подпрограмм, которые в процессе реализации организуют в модули.
Модули. Модулем называют автономно компилируемую программную единицу. Термин «модуль» традиционно используется в двух смыслах. Первоначально, когда размер программ был сравнительно невелик, и все подпрограммы компилировались отдельно, под модулем понималась подпрограмма, т. е. последовательность связанных фрагментов программы, обращение к которой выполняется по имени. Со временем, когда размер программ значительно вырос, и появилась возможность создавать библиотеки ресурсов: констант, переменных, описаний типов, классов и подпрограмм, термин «модуль» стал использоваться и в смысле автономно компилируемый набор программных ресурсов.
Данные модуль может получать и/или возвращать через общие области памяти или параметры.
Первоначально к модулям (еще понимаемым как подпрограммы) предъявлялись следующие требования:
Отдельная компиляция;
Одна точка входа;
Одна точка выхода;
Соответствие принципу вертикального управления;
Возможность вызова других модулей;
Небольшой размер (до 50-60 операторов языка);
Независимость от истории вызовов;
Выполнение одной функции.
Требования одной точки входа, одной точки выхода, независимости от истории вызовов и соответствия принципу вертикального управления были вызваны тем, что в то время из-за серьезных ограничений на объем оперативной памяти программисты были вынуждены разрабатывать программы с максимально возможной повторяемостью кодов. В результате подпрограммы, имеющие несколько точек входа и выхода, были не только обычным явлением, но и считались высоким классом программирования. Следствием же было то, что программы было очень сложно не только модифицировать, но и понять, а иногда и просто полностью отладить.
Со временем, когда основные требования структурного подхода стали поддерживаться языками программирования, и под модулем стали понимать
отдельно компилируемую библиотеку ресурсов, требование независимости модулей стало основным.
Практика показала, что чем выше степень независимости модулей, тем:
Легче разобраться в отдельном модуле и всей программе и, соответственно, тестировать, отлаживать и модифицировать ее;
Меньше вероятность появления новых ошибок при исправлении старых или внесении изменений в программу, т. е. вероятность появления «волнового» эффекта;
Проще организовать разработку программного обеспечения группой программистов и легче его сопровождать.
Таким образом, уменьшение зависимости модулей улучшает технологичность проекта. Степень независимости модулей (как подпрограмм, так и библиотек) оценивают двумя критериями: сцеплением и связностью.
Сцепление модулей. Сцепление является мерой взаимозависимости модулей, которая определяет, насколько хорошо модули отделены друг от друга. Модули независимы, если каждый из них не содержит о другом никакой информации. Чем больше информации о других модулях хранит модуль, тем больше он с ними сцеплен.
Различают пять типов сцепления модулей:
По данным;
По образцу;
По управлению;
По общей области данных;
По содержимому.
Сцепление по данным предполагает, что модули обмениваются данными, представленными скалярными значениями. При небольшом количестве передаваемых параметров, этот тип обеспечивает наилучшие технологические характеристики программного обеспечения.
Например, функция Мах предполагает сцепление по данным через параметры скалярного типа:
Function Max(a, b: integer) : integer;
If a>b then Max:=a else Max: =b;
Сцепление по образцу предполагает, что модули обмениваются данными, объединенными в структуры. Этот тип также обеспечивает неплохие характеристики, но они хуже, чем у предыдущего типа, так как конкретные передаваемые данные «спрятаны» в структуры, и потому уменьшается «прозрачность» связи между модулями. Кроме того, при изменении структуры передаваемых данных Необходимо модифицировать все использующие ее модули.
Так, функция MaxEl, описанная ниже, предполагает сцепление по образцу (параметр а - открытый массив).
Function MaxEl(a:array of integer):integer;
Var i:word;
MaxEl:=a;
for i:=l to High(a) do
if a[i]>MaxEl then MaxEl: =a[i];
При сцеплении по управлению один модуль посылает другому некоторый информационный объект (флаг), предназначенный для управления внутренней логикой модуля. Таким способом часто выполняют настройку режимов работы программного обеспечения. Подобные настройки также снижают наглядность взаимодействия модулей и потому обеспечивают еще худшие характеристики технологичности разрабатываемого программного обеспечения по сравнению с предыдущими типами связей.
Например, функция MinMax предполагает сцепление по управлению, так как значение параметра flag влияет на логику программы: если функция MinMax получает значение параметра flag, равное true, то возвращает максимальное значение из двух, а если false, то минимальное:
Function MinMax(a, b: integer; flag: boolean): integer;
if(a>b) and (flag) then MinMax: =a
else MinMax: =b;
Сцепление по общей области данных предполагает, что модули работают с общей областью данных. Этот тип сцепления считается недопустимым, поскольку:
Программы, использующие данный тип сцепления, очень сложны для понимания при сопровождении программного обеспечения;
Ошибка одного модуля, приводящая к изменению общих данных, может проявиться при выполнении другого модуля, что существенно усложняет локализацию ошибок;
Например, функция МахА, использующая глобальный массив А, сцеплена с основной программой по общей области:
Function MaxA:integer; Var i:word;
MaxA: =a; for i:= Low(a)+l to High(a) do if a[i]>MaxA then MaxA: =a[i];
Следует иметь в виду, что «подпрограммы с памятью», действия которых зависят от истории вызовов, используют сцепление по общей области, что делает их работу в общем случае непредсказуемой. Именно этот вариант используют статические переменные С и C++.
В случае сцепления по содержимому один модуль содержит обращения к внутренним компонентам другого (передает управление внутрь, читает и/или изменяет внутренние данные или сами коды), что полностью противоречит блочно-иерархическому подходу. Отдельный модуль в этом случае уже не является блоком («черным ящиком»): его содержимое должно учитываться в процессе разработки другого модуля. Современные универсальные языки процедурного программирования, например Pascal, данного типа сцепления в явном виде не поддерживают, но для языков низкого уровня, например Ассемблера, такой вид сцепления остается возможным.
В табл. 2.1 приведены характеристики различных типов сцепления по экспертным оценкам . Допустимыми считают первые три типа сцепления, так как использование остальных приводит к резкому ухудшению технологичности программ.
Как правило, модули сцепляются между собой несколькими способами. Учитывая это, качество программного обеспечения принято определять по типу сцепления с худшими характеристиками. Так, если использовано сцепление по данным и сцепление по управлению, то определяющим считают сцепление по управлению.
В некоторых случаях сцепление модулей можно уменьшить, удалив необязательные связи и структурировав необходимые связи. Примером может служить объектно-ориентированное программирование, в котором вместо большого количества параметров метод неявно получает адрес области (структуры), в которой расположены поля объекта, и явно - дополнительные параметры. В результате модули оказываются сцепленными по образцу.
Связность модулей. Связность - мера прочности соединения функциональных и информационных объектов внутри одного модуля. Если сцепление характеризует качество отделения модулей, то связность характеризует степень взаимосвязи элементов, реализуемых одним модулем. Размещение сильно связанных элементов в одном; модуле уменьшает межмодульные связи и, соответственно, взаимовлияние модулей. В то же время помещение сильно связанных элементов в разные модули не только усиливает межмодульные связи, но и усложняет понимание их взаимодействия. Объединение слабо связанных элементов также уменьшает технологичность модулей, так как такими элементами сложнее мысленно манипулировать.
Различают следующие виды связности (в порядке убывания уровня):
Функциональную;
Последовательную;
Информационную (коммуникативную);
Процедурную;
Временную;
Логическую;
Случайную.
При функциональной связности все объекты модуля предназначены для выполнения одной функции (рис. 2.1, а): операции, объединяемые для выполнения одной функции, или.данные, связанные с одной функцией. Модуль, элементы которого связаны функционально, имеет четко определенную цель, при его вызове выполняется одна задача, например, подпрограмма поиска минимального элемента массива. Такой модуль имеет максимальную связность, следствием которой являются его хорошие технологические качества: простота тестирования, модификации и сопровождения. Именно с этим связано одно из требований структурной декомпозиции «один модуль - одна функция».
Из тех же соображений следует избегать неструктурированного распределения функции между модулями - библиотеками ресурсов. Например, если при проектировании текстового редактора предполагается функция редактирования, то лучше организовать модуль - библиотеку функций редактирования, чем поместить часть функций в один модуль, а часть в другой.
При последовательной связности функций выход одной функции служит исходными данными для другой функции (рис. 2.1, б). Как правило, такой модуль имеет одну точку входа, т. е. реализует одну подпрограмму, выполняющую две функции. Считают, что данные, используемые последовательными функциями, также связаны последовательно. Модуль с последовательной связностью функций можно разбить на два или более модулей, как с последовательной, так и с функциональной связностью. Такой модуль выполняет несколько функций, и, следовательно, его технологичность хуже: сложнее организовать тестирование, а при выполнении модификации мысленно приходится разделять функции модуля,
Информационно связанными считают функции, обрабатывающие одни и те же данные (рис. 2.1, в). При использовании структурных языков программирования раздельное выполнение функций можно осуществить только, если каждая функция реализуется своей подпрограммой. Хотя раньше в подобных случаях обычно использовали разные точки входа в модуль, оформленный как одна подпрограмма.
Несмотря на объединение нескольких функций, информационно связанный модуль имеет неплохие показатели технологичности. Это объясняется тем, что все функции, работающие с некоторыми данными, собраны в одно место, что позволяет при изменении формата данных корректировать только один модуль. Информационно связанными также считают данные, которые обрабатываются одной функцией.
Процедурно связаны функции или данные, которые являются частями одного процесса (рис. 2.1, г). Обычно модули с процедурной связностью функций получают, если в модуле объединены функции альтернативных частей программы. При процедурной связности отдельные элементы модуля связаны крайне слабо, так как реализуемые ими действия связаны лишь общим процессом, следовательно, технологичность данного вида связи ниже, чем предыдущего.
Временная связность функций подразумевает, что эти функции выполняются параллельно или в течение некоторого периода времени (рис. 2.1, д). Временная связность данных означает, что они используются в некотором временном интервале. Например, временную связность имеют функции, выполняемые при инициализации некоторого процесса. Отличительной особенностью временной связности является то, что действия, реализуемые такими функциями, обычно могут выполняться в любом порядке. Содержание модуля с временной связностью функций имеет тенденцию меняться: в него могут включаться новые действия и/или исключаться старые. Большая вероятность модификации функции еще больше уменьшает показатели технологичности модулей данного вида по сравнению с предыдущим.
Логическая связь базируется на объединении данных или функций в одну логическую группу (рис. 2.1, е). В качестве примера можно привести функции обработки текстовой информации или данные одного и того же типа. Модуль с логической связностью функций часто реализует альтернативные варианты одной операции, например, сложение целых чисел и сложение вещественных чисел. Из такого модуля всегда будет вызываться одна какая-либо его часть, при этом вызывающий и вызываемый модули будут связаны по управлению. Понять логику работы модулей, содержащих логически связанные компоненты, как правило, сложнее, чем модулей, использующих временную связность, следовательно их показатели технологичности еще ниже.
В том случае, если связь между элементами мала или отсутствует, считают, что они имеют случайную связность. Модуль, элементы которого связаны случайно, имеет самые низкие показатели технологичности, так как элементы, объединенные в нем, вообще не связаны.
Обратите внимание, что в трех предпоследних случаях связь между несколькими подпрограммами в модуле обусловлена внешними причинами. А в последнем - вообще отсутствует. Это соответствующим образом проецируется на технологические характеристики модулей. В табл. 2.2 представлены характеристики различных видов связности по экспертным оценкам .
Анализ табл. 2.2 показывает, что на практике целесообразно использовать функциональную, последовательную и информационную связности.
Как правило, при хорошо продуманной декомпозиции модули верхних уровней иерархии имеют функциональную или последовательную связность функций и данных. Для модулей обслуживания данных характерна информационная связность функций. Данные таких модулей могут быть связаны по-разному. Так, модули, содержащие описание классов при объектно-ориентированном подходе, характеризуются информационной связностью методов и функциональной связностью данных. Получение в процессе декомпозиции модулей с другими видами связности, скорее всего, означает недостаточно продуманное проектирование. Исключением являются лишь библиотеки ресурсов.
Библиотеки ресурсов. Различают библиотеки ресурсов двух типов: библиотеки Подпрограмм и библиотеки классов.
Библиотеки подпрограмм реализуют функции, близкие по назначению, например, библиотека графического вывода информации. Связность подпрограмм между собой в такой библиотеке -логическая, а связность самих подпрограмм - функциональная, так как каждая из них обычно реализует одну функцию.
Библиотеки классов реализуют близкие по назначению.классы. Связность элементов класса - информационная, связность классов между собой может быть функциональной - для родственных или ассоциированных классов и логической - для остальных.
В качестве средства улучшения технологических характеристик библиотек ресурсов в настоящее время широко используют разделение тела модуля на интерфейсную часть и область реализации (секции Interface и Implementation - в Pascal, h и срр-файлы в C++ и в Java).
Интерфейсная часть в данном случае содержит совокупность объявлений ресурсов (заголовков подпрограмм, имен переменных, типов, классов и т. п.), которые данная библиотека предоставляет другим модулям. Ресурсы, объявление которых в интерфейсной части отсутствует, извне не доступны.
Область реализации содержит тела подпрограмм и, возможно, внутренние ресурсы (подпрограммы, переменные, типы), используемые этими подпрограммами. При такой организации любые изменения реализации библиотеки, не затрагивающие ее интерфейс, не требуют пересмотра модулей, связанных с библиотекой, что улучшает технологические характеристики модулей-библиотек. Кроме того, подобные библиотеки, как правило, хорошо отлажены и продуманы, так как часто используются разными программами.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Реферат
«Модульное программирование»
Введение
В основе того или иного языка программирования лежит некая руководящая идея, вызванная потребностями или, чаще всего, кризисом в области программирования и создания программного обеспечения, которая оказывает существенное влияние на стиль программирования и помогает преодолеть указанный кризис.
Машинно-ориентированное программирование появилось одновременно с созданием электронных вычислительных машин. Сначала это были программы в машинных кодах, затем появился язык программирования Assembler (Автокод), который немного «очеловечил» написание программы в машинном коде.
Процедурное программирование. Основная идея этого стиля - алгоритмизация процесса решения задачи и выбор наилучшего алгоритма (по расходу памяти или по быстродействию.
Структурное программирование. Здесь основная идея прекрасно выражена Н. Виртом в его книге "Алгоритмы + структуры данных = программы". Это был ответ на кризис в области программирования, начавшийся в середине 60-х годив, когда объем исходного программного кода перешел рубеж в 1000 строк. В 1971 году появился алгоритмический язык Pascal и немного позже, в 1972 году, язык С..
Модульное программирование. Здесь основная идея заключалась в том, чтобы "спрятать" данные и процедуры внутри независимых программных единиц - модулей. Эту идею впервые реализовал Н. Вирт в алгоритмическом языке Modula (1975-1979 годы), а затем "подхватили" и остальные, распространенные в то время языки программирования. Например, известные системы программирования Turbo Pascal и Turbo С.
Объектно-ориентированное программирование. С середины 80-х годов объем исходного программного кода перешел рубеж в 100 000 строк. Нужно было сделать не случайное объединение данных и алгоритмов их обработки в единое целое, а - смысловое. То есть необходимо было создать модульное программирование нового уровня, когда основной акцент делается на смысловую связь структур данных и алгоритмов их обработки
модуль программирование проектирование декомпозиция
1. Цель модульного программирования
При разработке больших программ целесообразно часть подпрограмм и других ресурсов, таких, как переменные, константы, описания типов, собирать вместе и компилировать отдельно от основной программы в виде библиотек ресурсов или модулей.
Приступая к разработке каждой программы, следует иметь в виду, что она, как правило, является большой системой, поэтому надо принять меры для ее упрощения. Для этого такую программу разрабатывают по частям, которые называются программными модулями. А сам такой метод разработки программ называют модульным программированием. Программный модуль - это любой фрагмент описания процесса, оформляемый как самостоятельный программный продукт, пригодный для использования в описаниях процесса. Это означает, что каждый программный модуль программируется, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы, и тем самым, физически разделен с другими модулями программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программ, если выполнены условия его использования, декларированные в документации по этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство борьбы со сложностью программ, и как средство борьбы с дублированием в программировании (т.е. как средство накопления и многократного использования программистских знаний).
Модульное программирование является воплощением в процессе разработки программ обоих общих методов борьбы со сложностью: и обеспечение независимости компонент системы и использование иерархических структур. Для воплощения первого метода формулируются определенные требования, которым должен удовлетворять программный модуль, т.е. выявляются основные характеристики «хорошего» программного модуля. Для воплощения второго метода используют древовидные модульные структуры программ (включая деревья со сросшимися ветвями).
2. Основные характеристики программного модуля
Размер модуля измеряется числом содержащихся в нем операторов или строк. Модуль не должен быть слишком маленьким или слишком большим. Маленькие модули приводят к громоздкой модульной структуре программы и могут не окупать накладных расходов, связанных с их оформлением. Большие модули неудобны для изучения и изменений, они могут существенно увеличить суммарное время повторных трансляций программы при отладке программы. Обычно рекомендуются программные модули размером от нескольких десятков до нескольких сотен операторов.
Прочность модуля - это мера его внутренних связей. Чем выше прочность модуля, тем больше связей он может спрятать от внешней по отношению к нему части программы и, следовательно, тем больший вклад в упрощение программы он может внести. Для оценки степени прочности модуля Майерс предлагает упорядоченный по степени прочности набор из семи классов модулей. Самой слабой степенью прочности обладает модуль, прочный по совпадению . Это такой модуль, между элементами которого нет осмысленных связей. Такой модуль может быть выделен, например, при обнаружении в разных местах программы повторения одной и той же последовательности операторов, которая и оформляется в отдельный модуль. Необходимость изменения этой последовательности в одном из контекстов может привести к изменению этого модуля, что может сделать его использование в других контекстах ошибочным. Такой класс программных модулей не рекомендуется для использования.
Функционально прочный модуль - это модуль, выполняющий (реализующий) одну какую-либо определенную функцию. При реализации этой функции такой модуль может использовать и другие модули. Такой класс программных модулей рекомендуется для использования.
Информационно прочный модуль - это модуль, выполняющий (реализующий) несколько операций (функций) над одной и той же структурой данных (информационным объектом), которая считается неизвестной вне этого модуля. Для каждой из этих операций в таком модуле имеется свой вход со своей формой обращения к нему. Такой класс следует рассматривать как класс программных модулей с высшей степенью прочности. Информационно прочный модуль может реализовывать, например, абстрактный тип данных.
Сцепление модуля - это мера его зависимости по данным от других модулей. Характеризуется способом передачи данных. Чем слабее сцепление модуля с другими модулями, тем сильнее его независимость от других модулей. Для оценки степени сцепления Майерс предлагает упорядоченный набор из шести видов сцепления модулей. Худшим видом сцепления модулей является сцепление по содержимому . Таким является сцепление двух модулей, когда один из них имеет прямые ссылки на содержимое другого модуля (например, на константу, содержащуюся в другом модуле). Такое сцепление модулей недопустимо. Не рекомендуется использовать также сцепление по общей области - это такое сцепление модулей, когда несколько модулей используют одну и ту же область памяти. Единственным видом сцепления модулей, который рекомендуется для использования современной технологией программирования, является параметрическое сцепление (сцепление по данным по Майерсу) - это случай, когда данные передаются модулю либо при обращении к нему как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Такой вид сцепления модулей реализуется на языках программирования при использовании обращений к процедурам (функциям).
Рутинность модуля - это его независимость от предыстории обращений к нему. Модуль называется рутинным , если результат (эффект) обращения к нему зависит только от значений его параметров (и не зависит от предыстории обращений к нему). Модуль называется зависящим от предыстории , если результат (эффект) обращения к нему зависит от внутреннего состояния этого модуля, изменяемого в результате предыдущих обращений к нему. Майерс не рекомендует использовать зависящие от предыстории (непредсказуемые) модули, так как они провоцируют появление в программах хитрых (неуловимых) ошибок. Однако такая рекомендация является неконструктивной, так как во многих случаях именно зависящий от предыстории модуль является лучшей реализаций информационно прочного модуля. Поэтому более приемлема следующая (более осторожная) рекомендация:
o всегда следует использовать рутинный модуль, если это не приводит к плохим (не рекомендуемым) сцеплениям модулей;
o зависящие от предыстории модули следует использовать только в случае, когда это необходимо для обеспечения параметрического сцепления;
o в спецификации зависящего от предыстории модуля должна быть четко сформулирована эта зависимость таким образом, чтобы было возможно прогнозировать поведение (эффект выполнения) данного модуля при разных последующих обращениях к нему.
В связи с последней рекомендацией может быть полезным определение внешнего представления (ориентированного на информирование человека) состояний зависящего от предыстории модуля. В этом случае эффект выполнения каждой функции (операции), реализуемой этим модулем, следует описывать в терминах этого внешнего представления, что существенно упростит прогнозирование поведения данного модуля.
3. Проектирование модуля
Модульное проектирование относится к процессу расчленения больших проблем на более узкие, более управляемые подпроблемы. Первым шагом проектирования является решение, в каком месте должна быть граница между этими подпроблемами.
Для получения максимальных преимуществ от использования модульного программирования каждая подпроблема или модуль должны иметь один вход и один выход. В этом случае можно легко отслеживать поток управления в программе.
3. 1 Функциональная декомпозиция
При обращении к проблеме на стадии проектирования первым альтернативным выбором должна быть функциональная декомпозиция, т.е. разбиение проблемы на более узкие, вполне поддающиеся управлению функциональные единицы, где каждая единица выполняет завершенную, легко идентифицируемую задачу. Имеется множество путей определения содержания задачи. Вот лишь некоторые примеры подобных единиц, которые выполняют определенные функции: получение квадратного корня некоторого числа; выполнение всех операций относительно указанного устройства таких, как операции в/в диска, операции в/в клавиатуры; выполняющие общую группу действий в указанное время такие, как инициализация областей данных; и единицы, которые взаимодействуют последовательно или используют общие элементы данных такие, как считывание данных с клавиатуры и преобразование их в целые значения.
В настоящее время в области программирования на языках высокого уровня чаще всего принимаются такие решения, которые представляют собой наилучший способ по использованию сегментации программ. Часто обнаруживается, что некоторые модули связываются с помощью одного набора критериев, а другие модули - с помощью другого. Каждый модуль должен включать легко понимаемые программные секции.
3.2 Минимизации количества передаваемых параметров
Иногда обнаруживается, что после определения модулей программы создано нечто громоздкое и неуклюжее. Это часто случается тогда, когда модули при выполнении возложенных на них задач требуют доступа к обширному количеству данных. Чаще всего это легко может произойти, если на модуль возложено выполнение нескольких опций. Чтобы знать состояние программы в данное время, модуль должен принимать очень много различных переменных. Если это так, и выявлено, что модуль принимает большое количество параметров, необходимо ответить на следующие две группы вопросов:
o В этом модуле предпринята попытка выполнения нескольких функций? Требует ли модуль параметры, используемые в не относящихся к данному модулю секциях? Если ответы на эти вопросы положительные, то необходимо снова обратиться к дальнейшей сегментации этого модуля.
o Модуль представляет собой функциональный разрез? Являются ли на самом деле вызывающий и вызываемый модули частью одной и той же функции? Если это так, то поместите их вместе в один модуль, даже если результирующий модуль окажется слишком большим. Затем попробуйте выполнить сегментацию модуля снова различными способами.
Сегментация модулей через функциональный разрез часто происходит тогда, когда программист обнаруживает, что две программные секции идентичны или сильно похожи друг на друга. Программист затем пытается создать из них один модуль. Это не модульное программирование, поскольку результирующий модуль имеет не функциональное соединение.
Если в процессе проектирования будет обнаружено, что ничего сделать нельзя, чтобы избежать использования большого числа ссылок на данные или передачи меток параметров, надо вернуться обратно в начало проектирования и проверить корректность поставленной проблемы.
3.3 Минимизации количества необходимых вызовов
Одним из существенных преимуществ модульного программирования является то, что программа основного уровня очень часто может быть сконструирована для чтения как последовательность вызываемых процедур. Этот факт существенно повышает «понимаемость» программы, поскольку читатель может познакомиться с ее основным потоком и функционированием после прочтения только одной - двух страниц программного кода. Однако эта особенность может также иметь и недостатки. Одна из многих верхних статистических оценок программирования говорит о том, что 90% времени выполнения типовых программ расходуется в 10 % кода программы. При этом подразумевается, что если эти 10 % содержат большое количество цепочечных вызовов процедур, то суммарное время, затрачиваемое на управление выполнением программы, может стать непреодолимым препятствием на пути использования этого подхода.
Дополнительное время, расходуемое на вычисление действительного адреса в теле модуля, может привести к замедлению выполнения конкретного модуля, чем узко закодированная конкретная программа.
Заключение
Большие программы обычно разрабатывают и отлаживают по частям. Целесообразно при этом, каждая такая часть, называемая подпрограммой, была оформлена так, чтобы ее можно было использовать при решении аналогичной подзадачи в той же программе или даже при решении других задач. В Borland Pascal реализованы два типа подпрограмм: процедуры и функции.
Модуль - это автономно компилируемая коллекция программных ресурсов, предназначенная для использования другими модулями и программами.
Все ресурсы модуля делятся на две группы: внешние - предназначенные для использования другими программными единицами, и внутренние - рабочие ресурсы данного модуля.
Современная технология разработки программных продуктов, в том числе и операционной системы Windows, базируется на концепции объектно-ориентированного программирования, в которой выдерживается единый подход к данным и программам. В основе всего лежит понятие объекта, который объединяет в себе как алгоритмы, так и данные, обрабатываемые этими алгоритмами. В результате упрощается не только разработка программ, но и технология работы пользователя, которому представляется возможность при работе в интерактивном (диалоговом) режиме применять наглядные графические инструменты и различные подсказки.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Основные преимущества модульного программирования. Выделение процедуры: ввода массива с консоли, вывода на экран массива, информации об авторе и условии решенной задачи до обработки и после обработки. Иерархия процедур, характеристика назначения модулей.
реферат , добавлен 29.01.2016
Характеристика модульного программирования: процедуры и функции, модули и их структура, открытые массивы и строки, нетипизированные параметры. Способы передачи параметров в подпрограммы в Borland Pascal. Объектно-ориентированное программирование.
контрольная работа , добавлен 28.04.2009
Сущность программирования с использованием среды Delphi 7 и ее основные графические возможности. Структура автономно компилируемого программного модуля и его принципы. Основные приемы работы с графическими процедурами, построение дуги, круга и эллипса.
курсовая работа , добавлен 16.12.2011
Появление первых вычислительных машин и возникновение "стихийного" программирования. Структурный подход к декомпозиции сложных систем. Развитие модульного и объектно-ориентированного программирования. Особенности компонентного подхода и CASE-технологий.
презентация , добавлен 14.10.2013
История формирования традиционной технологии программирования. Задачи и предмет структурного программирования, как одного из крупнейших достижений в технологии программирования. Подпрограмма, типы управляющих структур. Понятие модульного программирования.
презентация , добавлен 05.11.2016
Предмет исследования – современные методы разработки программ таких, как объектно-ориентированное программирование и визуальное проектирование, а также структурное и модульное программирование. C++ - универсальный язык программирования. Ключевые понятия.
курсовая работа , добавлен 10.01.2009
Почему C++. Возникновение и эволюция языка C++. Сравнение языков С++ и С. Эффективность и структура. Процедурное программирование. Модульное программирование. Абстракция данных. Объектно-ориентированное программирование. Улучшенный С.
реферат , добавлен 03.06.2004
Обзор технологий и систем геоинформационных систем. Системное и функциональное проектирование программного модуля, его разработка с использованием сред программирования Visual C++ 6.0, Qt 3.3.3. Технико-экономическое обоснование данного процесса.
дипломная работа , добавлен 13.03.2011
Проектирование программного модуля в среде программирования Borland Delphi 7.0. Схемы алгоритмов решения задач по темам "Символьные переменные и строки", "Массивы", "Работа с файлами", "Создание анимации". Реализация программного модуля, код программы.
отчет по практике , добавлен 21.04.2012
Проектирование информационной системы. Анализ языков программирования и существующих решений для администрирования системы управления базами данных. Разработка модуля взаимодействия и структуры программы. Модули авторизации и соединения с базой данных.
