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.

Введение

При создании средних по размеру приложений (несколько тысяч строк исходного кода) используется структурное программирование, идея которого заключается в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. Для этого надо иметь сред­ства для создания программы не только с помощью трех простых операторов, но и с помощью средств, более точно отражающих конкретную структуру алгоритма. С этой целью в программирование введено понятие подпрограммы - набора операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода. Программа разбивается на множество мелких подпрограмм (занимающих до 50 операторов - критический порог для быстрого понимания цели подпрограммы), каждая из которых выполняет одно из действий, предусмотренных исходным зада­нием. Комбинируя эти подпрограммы, удается формировать итоговый алгоритм уже не из простых операторов, а из законченных блоков кода, имеющих опреде­ленную смысловую нагрузку, причем обращаться к таким блокам можно по назва­ниям. Получается, что подпрограммы - это новые операторы или операции языка, определяемые программистом.

Возможность применения подпрограмм относит язык программирования к классу процедурных языков.

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" 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 программирования подвергся оператор GOTO (оператор безусловного перехода), имеющийся почти во всех языках программирования. Использование произвольных переходов в тексте программы приводит к получению запутанных, плохо структурированных программ, 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 неизбежной ротации кадров.

Методология структурной разработки программного обеспечения была признана "самой сильной формализацией 70-х годов". После этого слово "структурный" стало модным в отрасли, его начали использовать везде, где надо и 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" и "объектно-ориентированный".

Предпосылки и назначение структурного программирования .

Традиционная технология программирования формировалась на заре вычислительной техники, когда в распоряжении пользователей были ограниченные ресурсы ЭВМ, а разработчик программ был в то же время и главным ее пользователем. В этих условиях главное внимание обращалось на получение эффективных программ в смысле оптимального использования ресурсовЭВМ.

В настоящее время, когда сфера применения ЭВМ чрезвычайно расширилась, разработка и эксплуатация программ осуществляется, как правило, разными людьми. Поэтому наряду с эффективностью на первый план выдвигаются и другие важные характеристики программ такие, как понятность, хорошая документированность, надежность, гибкость, удобство сопровождения и т.п.

Проблема разработки программ, обладающих такими качествами, объясняется трудоемкостью процесса программирования и связанным с этим быстрым ростом стоимости программного обеспечения.

Для создания "хорошей" программы появляется необходимость придерживаться определенных принципов или определенной дисциплины программирования. Значительный прогресс в области программирования достигается с использованием так называемого структурного программирования.

Появление новой технологии, или, как еще говорят, дисциплины программирования, основанной на структурном подходе, связано с именем известного голландского ученого Э.Дейкстры (1965 г.). В своих работах он высказал предположение, что оператор GOTO может быть исключен из языков программирования и что квалификация программиста обратно пропорциональна числу операторов GOTO в его программах. Такая дисциплина программирования упрощает и структуризирует программу.

Однако представление о структурном программировании, как о программировании без использования оператора GOTO, является ошибочным.

Например, Хоор определяет структурное программирование как "систематическое использование абстракции для управления массой деталей и способ документирования, который помогает проектировать программу".

Структурное программирование можно толковать как "проектирование, написание и тестирование программы в соответствии с заранее определенной дисциплиной".

Структурный подход к программированию как раз и имеет целью снижение трудоемкости всего процесса создания программного обеспечения от технического задания на разработку до завершения эксплуатации. Он означает необходимость единой дисциплины на всех стадиях разработки программы. В понятие структурного подхода к программированию обычно включают нисходящие методы разработки программ (принцип «сверху вниз»), собственно структурное программирование и так называемый сквозной структурный контроль.

Основной целью структурного программирования является уменьшение трудностей тестирования и доказательства правильности программы. Это особенно важно при разработке больших программных систем. Опыт применения методов структурного программирования при разработке ряда сложных операционных систем показывает, что правильность логической структуры системы поддается доказательству, а сама программа допускает достаточно полное тестирование. В результате в готовой программе встречаются только тривиальные ошибки кодирования, которые легко исправляются.

Структурное программирование улучшает ясность и читабельность программ.

Программы, которые написаны с использованием традиционных методов, особенно те, которые перегружены операторами GOTO, имеют хаотичную структуру.

Структурированные программы имеют последовательную организацию, поэтому возможно читать такую программу сверху донизу без перерыва.

Наконец, структурное программирование призвано улучшить эффективность программ.

Итак, структурное программирование представляет собой некоторые принципы написания программ в соответствии со строгой дисциплиной и имеет целью облегчить процесс тестирования, повысить производительность труда программистов, улучшить ясность и читабельность программы, а также повысить ее эффективность.

Основные критерии оценки качества программы для ЭВМ.

Известно, что один и тот же алгоритм может быть реализован на ЭВМ различными способами, т.е. может быть составлено несколько различных программ, решающих одну и ту же задачу.

Таким образом, нужно иметь некоторые критерии оценки программы, с помощью которых можно судить насколько одна программа лучше другой. Анализ и оценка программы носят преимущественно качественный характер.

1. Программа работает и решает поставленную задачу. Понятно, что эта характеристика программы является самой важной.

В связи с этим каждая программа должна быть устроена так, чтобы можно было проверить правильность полученных результатов. Такая проверка проводится в процессе отладки программы, на определенных наборах входных данных, для которых заранее известен ответ. Но отладка может доказать лишь наличие ошибок в программе, но не может доказать правильности программы для всех возможных вычислений, реализуемых с ее помощью. В связи с этим необходима разработка методов аналитической верификации программы.

Для аналитического доказательства правильности программы требуется, чтобы программа легко анализировалась. Это означает, что программа должна быть устроена так, чтобы можно было понять, каким образом с ее помощью получается данный ответ.

2. Минимальное время, затрачиваемое на тестирование и отладку программы. Тестирование и отладка программы – необходимый этап в процессе решения задачи на ЭВМ. Он занимает от трети до половины всего времени разработки программы, поэтому очень важно уменьшить время, затрачиваемое на тестирование и отладку.

Тестирование и отладка программы облегчается, если программа просто анализируется и снабжена необходимыми комментариями, облегчающими ее понимание. Хорошие комментарии могут ускорить процесс отладки.

Понимание и отладка программы облегчается, если она имеет простую и ясную структуру, в частности, если ограничено использование операторов передачи управления (GOTO). Перегруженность программы этими операторами приводит к хаотической структуре и затрудняет отладку.

Еще один важный принцип – использование мнемонических обозначений для переменных. Языки программирования представляют здесь вполне достаточные возможности. Для лучшего понимания программы необходимо использовать мнемонику, отражающую физический (математический, экономический и т.д.) смысл переменной (например, SPEED - скорость).

3. Уменьшение затрат на сопровождение. Разработанная и отлаженная программа предназначена для многократного использования, и ее эксплуатацией, как правило, занимаются не разработчики, а другие программисты, входящие в так называемую группу сопровождения.

Программистам, сопровождающим программу, часто приходится продолжать отладку программы и производить ее модернизацию, в связи с изменением технического задания, введением новых средств программного обеспечения или выявлением новых ошибок и недоработок в программе.

Для уменьшения затрат на сопровождение необходимо, чтобы каждый разработчик учитывал сложность сопровождения. Следует разрабатывать, отлаживать и оформлять программу с учетом того, что ее будут использовать и сопровождать другие программисты.

4. Гибкость программы. Разработанная программа обычно находится в эксплуатации длительное время. За это время могут измениться требования к решаемой задаче, техническое задание, требования к программе. Появляется необходимость внести определенные изменения в программу, что в некоторых случаях бывает трудно сделать, т.к. разработчиком не предусмотрена такая возможность. "Хорошая" программа должна допускать модификацию.

5. Уменьшение затрат на разработку. Программирование является коллективным трудом. Состав группы программистов, работающих над решением данной задачи, может по каким-либо причинам измениться. Поэтому проектирование и разработка программы должны вестись таким образом, чтобы было возможно при необходимости передать ее завершение другому программисту. Несоблюдение этого требования часто приводит к срыву сроков сдачи программ в эксплуатацию.

6. Простота и эффективность. Программа должна быть просто организована.

Это может проявляться и в структуре программы, и в использовании простых и наиболее естественных средств языка программирования, и в предпочтении простых структур данных и т.п.

Эффективность программы считается одной из главных ее характеристик.

Поэтому часто в ущерб другим качествам программы разработчики прибегают к сложным ухищрениям, чтобы уменьшить объем используемой памяти или сократить время выполнения программы. Во многих случаях затрачиваемые на это усилия не оправдывают себя. Разумный подход к повышению эффективности программы состоит в том, чтобы выявить наиболее "узкие" места и постараться их улучшить.

ФГБОУ ВО «Мордовский государственный

педагогический институт имени М.Е. евсевьева»

Физико-математический факультет

Кафедра информатики и вычислительной техники

РЕФЕРАТ

«Принципы структурного программирования. Основные алгоритмические структуры и их суперпозиции»

Выполнила: студентка гр. МДМ-212

Багданова Яна

Саранск 2016

Введение

К началу 70-х годов ХХ века, когда развитие языков программирования достигло достаточно высокого уровня, а создаваемые программные комплексы достигли достаточно внушительных размеров (сотни тысяч – миллионы команд), стало очевидно, что программные проекты стали слишком сложными для успешного проектирования, кодирования и отладки в приемлемые сроки. Программисты, решающие сложные задачи, столкнулись с проблемой роста количества и размера программ до такой степени, что дальнейший процесс разработки становился практически неуправляемым, и никто из разработчиков не мог с уверенностью сказать, что созданный программный продукт всегда выполняет то, что требуется, и что он не выполняет ничего такого, что не требуется. Таким образом, возникла проблема коренного изменения подходов к созданию больших программных комплексов.

Исходя из этих проблем, ведущими программистами 70-х годов (Дейкстра , Вирт , Дал , Xoap , Йордан , Константин , Майерс и др.) были разработаны строгие правила ведения проектов, которые получили название структурной методологии .

Важным этапом в становлении этого подхода стали международные конференции по программированию, проведенные в 1968-69 годах. На второй из них Эдсгер Дейкстра впервые использовал термин « структурное программирование » и предложил принципиально новый способ создания программ. Он рассматривал программу как совокупность иерархических абстрактных уровней, которые позволяли:

четко структурировать программу, что улучшило ее понимание программистами;

выполнять доказательства ее корректности и тем самым повышать надежность функционирования программы;

сокращать сроки разработки программ.

Еще одним толчком к изменению способа программистского мышления стало опубликованное письмо Дейкстры редактору одного из научных издательств, которое было озаглавлено « Оператор GOTO нужно считать вредным ». Это письмо вызвало острую полемику среди программистов того времени, но в итоге победило все-таки структурное мышление, которое, кроме Дейкстры , активно поддерживали профессор Цюрихского технического университета Вирт и профессор Оксфордского университета Xoap . Одним из результатов полемики было доказательство того, что любая программа может быть написана, используя только простую последовательность операторов, итеративную конструкцию типа while ( пока ) и конструкцию выбора case ( выбор ), а оператор goto ( перейти к ) не является необходимой управляющей конструкцией в структурном программировании. К сожалению, споры об операторе goto имели один отрицательный «побочный эффект» - довольно часто программирование без goto стало отождествляться со всем структурным программированием. Однако цели структурного программирования намного глобальнее и серьезнее.

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СТРУКТУРНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Структурное программирование - методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX в. Э.Дейкстрой, разработана и дополнена Н.Виртом (рис. 1).

Эдсгер Вибе Дейкстра (1930 – 2002) - нидерландский учёный, идеи которого оказали влияние на развитие компьютерной индустрии. Известен как создатель алгоритма поиска кратчайшего пути на графе, один из основателей структурного программирования. В 1972 г. стал лауреатом премии Тьюринга.

Никлаус Вирт (1934) - швейцарский учёный, специалист в области информатики, один из известнейших теоретиков в области разработки языков программирования, профессор компьютерных наук, лауреат премии Тьюринга 1984 г. Ведущий разработчик языков программирования Паскаль, Модула-2, Оберон.

Рис. 1. Пионеры структурного программирования – Э.Дейкстра и Н.Вирт.

Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственного усложнения программного обеспечения: в 70-е годы XX в. объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что «интуитивная» (неструктурированная) 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 ). Неправильное и необдуманное использование произвольных переходов в тексте программы приводило к получению запутанных, плохо структурированных программ (т.н. спагетти-кода ), по тексту которых практически невозможно было понять порядок исполнения и взаимозависимость фрагментов.

В основе структурного программирования лежат принципы последовательной декомпозиции задачи и целенаправленного ее структурирования на отдельные составляющие. Методы структурного программирования представляют собой комплекс технических и организационных принципов системного проектирования программных продуктов.

Типичными методами структурного программирования являются:

нисходящее проектирование (проектирование сверху вниз);

модульное (процедурное) программирование ;

структурное кодирование .

В соответствии с методологией структурного программирования:

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 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 (т.е. 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 «заглушки», 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.

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 т.д.

К достоинствам структурного программирования можно отнести следующее:

1. Структурное программирование позволяет значительно сократить число вариантов построения программы по одной и той же спецификации, что значительно снижает сложность программы и 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.

Рассмотрим более подробно основные методы структурного программирования.

1.1. Цели и принципы структурного программирования

Целями структурного программирования являются:

Обеспечение дисциплины программирования в процессе создания программных комплексов .

Улучшение читабельность программы . Читабельность улучшается, если придерживаться следующих правил:

• избегать использования языковых конструкций с неочевидной семантикой;

  стремиться к локализации действия управляющих конструкций и использования структур данных;

  разрабатывать программу так, чтобы ее можно было читать от начала до конца без управляющих переходов на другую страницу.

Повышение эффективности программ . Этого можно достигнуть, если выполнять структурирование программы, разбивая ее на модули так, чтобы можно было легко находить и корректировать ошибки, а также чтобы текст любого модуля с целью увеличения эффективности можно было переделать независимо от других.

Повышение надежности программ . Этого можно достигнуть, если программа будет легко поддаваться сквозному тестированию и не создаст проблем для организации процесса отладки. Это обеспечивается хорошим структурированием программы при разбивке ее на модули и выполнением правил написания читабельных программ.

Уменьшение времени и стоимости программной разработки . Это происходит в том случае, если каждый программист команды разработчиков становится способным писать и отлаживать большее количество программного кода, чем раньше.

Основные принципы структурного программирования сведены в табл. 1.

Таблица 1. Принципы структурного программирования

Принцип

Пояснение

Абстракция

Абстракция позволяет программисту вообразить требуемое решение проблемы без сиюминутного учета множества деталей. Программист может рассматривать программу по уровням: верхний уровень показывает большую абстракцию, упрощает взгляд на проект, в то время как нижний уровень показывает мелкие детали реализации.

Формальность

Использование при разработке программы строгого методического подхода, что является базой для превращения программирования из импровизации в инженерную дисциплину. Этот принцип дает основания для доказательства правильности программ, так как позволяет изучать программы (алгоритмы) как математические объекты.

«Разделяй и властвуй»

Разделение программы на отдельные фрагменты (модули), которые просты по управлению и допускают независимую отладку и тестирование.

Иерархическое упорядочение

Структура разбиения на части не менее важна, чем сам факт такого разделения. Этот принцип выдвигает требование иерархического структурирования взаимосвязей между модулями программного комплекса, что облегчает достижение целей структурного программирования.

1.2. Нисходящее проектирование

Спецификация задачи служит отправной точкой в создании программы. Нужно понять, какие действия должны быть совершены для решения задачи, описать их на естественном языке и на достаточно высоком уровне абстракции.

Спецификация задачи является ее первичным проектом. От неё мы движемся к программе, постепенно уточняя описание.

Постепенное уточнение проекта называется методом проектирования сверху вниз ( пошаговой детализации или нисходящего проектирования ).

Пример 1. В качестве примера рассмотрим проект одевания ребенка.

Решение:

1. Первичная цель :

Одеть.

2. Конкретизация цели на первом шаге :

Одеть нижнюю половину.

Одеть верхнюю половину.

2.1. Нижнюю половину можно одеть в два этапа:

Надеть брюки.

Надеть носки и ботинки.

2.2. Верхнюю половину можно также одеть в два этапа:

Надеть рубашку.

Надеть куртку.

3. Окончательный проект выглядит так:

Надеть брюки.

Надеть носки.

Надеть ботинки.

Надеть рубашку.

Надеть куртку.

Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разложение общей функции обработки данных на простые функциональные элементы («сверху-вниз»). В результате строится иерархическая схема – функциональная структура алгоритма ( ФСА ), отражающая состав и взаимоподчиненность отдельных функций (рис. 2).

Приложение 1

Приложение n

Функция 1

Функция 2

Функция m

Подф-ция 11

Подф-ция 1 k

Подф-ция m 1

Подф-ция m 2

Подф-ция mp

Цель 1

Подцель 11

Подцель 1 s

Цель 2

Подцель 2 1

Подцель 2 q

Рис. 2. Функциональная структура приложения

Последовательность действий по разработке ФСА приложения следующая:

определяются цели автоматизации предметной области и их иерархия (цель-подцель);

устанавливается состав приложений (задач обработки), обеспечивающих реализацию поставленных целей;

уточняется характер взаимосвязи приложений и их основные характеристики (информация для решения задач, время и периодичность решения, условия выполнения и др.);

определяются необходимые для решения задач функции обработки данных ;

выполняется декомпозиция функций обработки до необходимой структурной сложности, реализуемой предполагаемым инструментарием.

Подобная структура приложения отражает наиболее важное – состав и взаимосвязь функций обработки информации для реализации приложения, хотя и не раскрывает логику выполнения каждой отдельной функции, условия или периодичность их вызовов.

1.3. Модульное программирование

Модульное программирование является естественным следствием проектирования сверху вниз и заключается в том, что программа разбивается на части – модули , разрабатываемые по отдельности.

Модуль – это самостоятельная часть программы, имеющая определенное назначение и обеспечивающая заданные функции обработки автономно от других программных модулей. Модуль состоит из логически взаимосвязанной совокупности функциональных элементов.

В программировании под модулем понимается отдельная подпрограмма , а подпрограммы часто называются процедурами или процедурами-функциями . Поэтому модульное программирование еще называется процедурным .

При создании программных продуктов выделяются многократно используемые модули , проводится их типизация и унификация, за счет чего сокращаются сроки и трудозатраты на разработку программного продукта в целом.

Некоторые программные продукты используют модули из готовых библиотек стандартных подпрограмм, процедур, функций, объектов, методов обработки данных.

Среди множества модулей различают:

головной модуль – управляет запуском программного продукта (существует в единственном числе);

управляющий модуль – обеспечивает вызов других модулей на обработку;

рабочие модули – выполняют функции обработки;

сервисные модули и библиотеки , утилиты – реализуют обслуживающие функции.

В работе программного продукта активизируются необходимые программные модули. Управляющие модули задают последовательность вызова на выполнение очередного модуля. Информационная связь модулей обеспечивается за счет использования общей базы данных либо межмодульной передачи данных через переменные обмена.

Каждый модуль может оформляться как самостоятельно хранимый файл; для функционирования программного продукта необходимо наличие программных модулей в полном составе.

Модуль должен обладать следующими свойствами :

один вход и один выход – на входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет содержательную обработку и возвращает один набор результатных данных, т.е. реализуется стандартный принцип IPO ( Input–Process–Output – вход-процесс-выход );

функциональная завершенность – модуль выполняет перечень регламентированных операций для реализации каждой отдельной функции в полном составе, достаточных для завершения начатой обработки;

логическая независимость – результат работы программного модуля зависит только от исходных данных, но не зависит от работы других модулей;

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

обозримый по размеру и сложности программный код .

Модули содержат:

определение доступных для обработки данных;

операции обработки данных;

схемы взаимосвязи с другими модулями.

Каждый модуль состоит из спецификации и тела . Спецификации определяют правила использования модуля, а тело – способ реализации процесса обработки.

Однотипные функции реализуются одними и теми же модулями. Функция верхнего уровня обеспечивается главным модулем; он управляет выполнением нижестоящих функций, которым соответствуют подчиненные модули.

При определении набора модулей, реализующих функции конкретного алгоритма, необходимо учитывать следующее:

каждый модуль вызывается на выполнение вышестоящим модулем и, закончив работу, возвращает управление вызвавшему его модулю;

принятие основных решений в алгоритме выносится на максимально «высокий» по иерархии уровень;

для использования одной и той же функции в разных местах алгоритма создается один модуль, который вызывается на выполнение по мере необходимости.

В результате дальнейшей детализации алгоритма создается функционально-модульная схема ( ФМС ) алгоритма приложения, являющаяся основой для программирования (рис. 2).

Состав и вид программных модулей, их назначение и характер использования в программе в значительной степени определяются инструментальными средствами.

Второй уровень иерархии программы

Первый уровень иерархии программы

Головной модуль

(программа-сервер)

Модуль управления 1

(Управл. прогр. 1)

Модуль управления n

(Управл. прогр. n)

Модуль 1A

(подпрогр. 1А)

Модуль 1В

(подпрогр. 1В)

Модуль 1W

(подпрогр. 1 W )

Модуль 0A

(подпрогр. 0А)

Модуль 0B

(подпрогр. 0B)

Модуль nA

(подпрогр. nА)

Модуль nB

(подпрогр. nB)

Модуль nW

(подпрогр. nW)

Третий уровень иерархии программы

Рис. 3. Функционально-модульная структура алгоритма приложения

Большинство современных программ прикладного характера, ориентированных на конечного пользователя, работают в диалоговом режиме взаимодействия с пользователем таким образом, что ведется обмен сообщениями, влияющими на обработку данных. В диалоговом режиме под воздействием пользователя осуществляются запуск функций обработки, изменение свойств объектов, производится настройка параметров выдачи информации и т.п. Диалоговый процесс управляется согласно созданному сценарию, для которого определяются:

точки (момент, условие) начала диалога;

инициатор диалога – человек или программный продукт;

параметры и содержание диалога – сообщения, состав и структура меню, экранные формы и т.п.;

реакция программного продукта на завершение диалога.

Для создания диалоговых процессов и интерфейса конечного пользователя наиболее подходят объектно-ориентированные инструментальные средства разработки программ .

1.4. Структурное кодирование

Практика программирования показала необходимость научно обоснованной методологии разработки и документирования алгоритмов и программ. Эта методология должна касаться анализа исходной задачи, разделения ее на достаточно самостоятельные части и программирования этих частей по возможности независимо друг от друга. Такой методологией является структурное кодирование ( программирование ).

Структурное кодирование - это метод написания программ, имеющих определенную структуру и за счет этого удобных для понимания, тестирования, модификации и использования.

Данный метод основан на использовании небольшого набора простых управляющих структур (структурных операторов ), правильность работы которых легко проанализировать и установить. При этом одни операторы состоят из других, вложенных в них.

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

Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании , сформулированная итальянскими математиками К.Бомом и Дж.Якопини в 1966 г.

Теорема устанавливает, что как бы сложна ни была задача, схему алгоритм ее решения (и, соответственно, программу) всегда можно представить в виде композиции трех типов вложенных блоков:

следования (begin-end – начало-конец ),

ветвления (if - then - else – если-то-иначе ),

циклов с предусловием (while – пока ).

Другими словами, эти элементарные структуры обладают функциональной полнотой , т.е. любой алгоритм, может быть реализован в виде композиции этих трех структур.

На практике данная теорема позволяет избежать использования операторов перехода goto , что делает алгоритмы и программы наглядными и легко понимаемыми.

Виды основных управляющих структур алгоритма приведены на рис. 4.

1. Структура типа « следование » (рис. 4, а ) – образуется последовательностью действий, S 1, S 2, …, Sn , следующих одно за другим:

выполнить S 1;

выполнить S 2;

выполнить Sn .

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

ввод исходных данных;

вычисление по формулам;

вывод результата.

В языке Pascal такая структура заключается в операторные скобки Begin ... End :

Begin

S 1;

S 2;

...

Sn ;

End

Рис. 4. Базовые алгоритмические структуры:

а) следование (Begin – End ); б) ветвление (If – Then – Else ); в) цикл с предусловием (While – Do )

2. Структура типа « ветвление » (ЕСЛИ – ТО – ИНАЧЕ ) (рис. 4, б ) – обеспечивает в зависимости от результата проверки условия Р , принимающего одно из двух логических значении Да (True ) или Нет (False ), выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма:

если Р

то выполнить S 1

иначе выполнить S 2 .

Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран.

В языке Pascal

If P

Then S 1

Else S 2;

3. Структура типа « цикл с предусловием » (рис. 4, в ) – обеспечивает многократное выполнение действия S в зависимости от того, какое значение принимает логическое условие Р :

до тех пор пока Р

выполнять S .

Выполнение цикла прекращается, когда условие Р не выполняется.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

While P Do

S ;

В расширенный комплект элементарных алгоритмических структур дополнительно входят следующие управляющие конструкции (рис. 5).

4. Структура типа « сокращенное ветвление » (ЕСЛИ – ТО ) (рис. 5, а ) – если результат проверки условия Р принимает значение Да (True ), то выполняется действие S ; в противном случае это действие пропускается и управление передается следующей структуре:

если Р

то выполнить S 1 .

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

If P

Then S ;

5 . Структура типа « выбор – иначе » (рис. 5, б ) являются расширенным вариантом структуры типа ЕСЛИ – ТО – ИНАЧЕ . Здесь проверяемое условие Р может принимать не два логических значения, а несколько порядковых значений, например, 1, 2, …, n . Если Р = i , то будет выполняться действие Si . Если же значение Р будет выходить из диапазона допустимых значений, то выполняется действие S (в укороченном варианте « выбор » никакого действия не производится и управление передается к следующей структуре. В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

Case P Of

1: S1;

2: S2;

…

n: Sn

Else S

End;

Рис. 5. Дополнительные элементарные алгоритмические структуры:

а) сокращенное ветвление (If – Then ); б) выбор – иначе (Case – Of – Else );
в) цикл с постусловием (Repeat – Until ); г) цикл с параметром (For – To ( Downto ) – Do )

6. Структура типа « цикл с постусловием » (рис. 5, в ) – обеспечивает многократное выполнение действия S до тех пор, пока не выполняется условие Р .

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

Repeat

S

Until P ;

7. Структура типа « цикл с параметром » (рис. 5, г ) – обеспечивает заранее определенное многократное выполнение действия S . При этом здесь последовательно выполняются следующие типовые операции:

задание начального значения используемого параметра цикла (например, если переменной цикла является i , то ей присваивается значение i 1, т.е. i :=i 1);

выполнение действий S , предусмотренных в теле цикла;

изменение параметра цикла, который обеспечивает вычисление результата с новыми начальными данными (например, если параметр цикла i изменяется с шагом i 3, i :=i  i 3);

проверка текущего значения параметра цикла с заданным конечным значением (i <=i 2);

переход к повторению тела цикла, если параметр цикла не превысил конечного значения, иначе - выполнение следующих действий или вывод результата.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

For Переменная := i 1 To (Downto) i 3 Do

S ;

Рассматривая схему программы, можно выделить в ней части (фрагменты), достаточно простые и понятные по структуре. Представление этих фрагментов укрупненными блоками существенно облегчает восприятие алгоритма (а в дальнейшем и программы) в целом.

Структурные операторы обычно применяются уже на ранних стадиях нисходящего проектирования программы.

Таким образом, структурное программирование основано на модульной структуре программного продукта и типовых (базовых ) управляющих структурах алгоритмов обработки данных различных программных модулей.

ВЫВОДЫ

Структурное программирование - методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX в. Э.Дейкстрой, разработана и дополнена Н.Виртом. Типичными методами структурного программирования являются: нисходящее проектирование (проектирование сверху вниз); модульное (процедурное) программирование; структурное кодирование.

Целями структурного программирования являются: обеспечение дисциплины программирования, повышение эффективности и надежности программ, уменьшение времени и стоимости программной разработки. Основные принципы структурного программирования: абстракция, формальность, «разделяй и властвуй», иерархическое упорядочение.

Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разложение общей функции обработки данных на простые функциональные элементы («сверху-вниз»). Средства достижения целей на предыдущем уровне превращаются в цели на нижнем.

Структурное кодирование - это метод написания программ, имеющих определенную структуру. Он основан на использовании небольшого набора структурных операторов, правильность которых легко проанализировать и установить. При этом одни операторы состоят из других, вложенных в них.

Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании, сформулированная итальянскими математиками К.Бомом и Дж.Якопини в 1966 г. Теорема устанавливает, что как бы сложна ни была задача, схему алгоритм ее решения (и, соответственно, программу) всегда можно представить в виде композиции трех типов вложенных блоков: следования (begin-end – начало-конец), ветвления (if-then-else – если-то-иначе), циклов с предусловием (while – пока).

* Э.Дейкстра дал следующее определение: «Структурное программирование – это дисциплина, которую программист навязывает сам себе ».

Структурное программирование представляет собой наиболее крупное достижение в этой области на данный момент. При том, что почти все имеют общее понятие о нем, почти никто не может дать конкретного и четкого определения данному термину. Структурное программирование ставит основной целью писать программы наименьшей сложности, заставляя программиста ясно мыслить, облегчая восприятие программы. Текст ее необходимо делать таким, чтобы он был читаем сверху-вниз. Это условие нарушается, если в программном коде встречаются операторы go to, так как они нарушают структуру всего отрезка программы. При том, что этот показатель нельзя считать самым удобным, все же можно сказать, что наличие в программном коде данного оператора является самым бросающимся в глаза типом нарушения структуры. Тела модулей и применяемые базовые конструкции должны обладать устойчивостью к аппаратным сбоям, ошибкам в программах и искажениям исходных данных.

Основные принципы структурного программирования заключаются в следующем. Любая программа может быть легко синтезирована на базе элементарных конструкций трех основных типов:

Простой последовательности;

Условий или альтернатив;

Повторений, то есть циклов и итераций.

Использоваться может один или два любых вида одновременно. Каждой структуре присуща единая черта - единственная точка передачи управления в структуру и единственная точка входа в структуру. Такой вид конструкции имеет дисциплинирующее и систематизирующее значение.

Простота первоначальных конструкций в структурном программировании предотвращает возникновение информационных связей, а также запутанных передач управления. Сложность программ заметно снижается при повышении структурированности модулей, возрастает их наглядность, а это способствует сокращению количества ошибок. Однако у структурирования имеется и недостаток - за красоту и наглядность программного кода приходится расплачиваться дополнительной памятью, а также временем, необходимым на их реализацию на ЭВМ.

Структурное программирование, то есть структурность самих программных текстов, всецело зависит от того, какой для этого используется язык. Конечно, возникает вопрос, а какой же из них подходит лучше всего. Современные средства программной разработки считаются самыми лучшими языками, реализующими структурный подход к программированию. Среди наиболее распространенных можно выделить Basic, Паскаль и FoxBASE. К примеру, на практически невозможно реализовать принципы, заложенные в концепцию структурного программирования. Этот язык ориентирован на написание программного кода на низком уровне.

Структурное программирование в своей основе ориентировано на общение с людьми, а не с машинами, поэтому способствует написанию программ, которые представляют собой ясное и простое решение поставленной задачи. Программист должен мыслить в терминах базовых структурных конструкций.

Если говорить о позиции относительно ранее упомянутого оператора go to, то его стоит избегать использовать везде, где только возможно, однако это никак не должно отражаться на ясности программы. Иногда использование данного оператора оказывается просто необходимым для выхода из какого-то отрезка программы или цикла, а также для того, чтобы избежать появления слишком углубленных развилок, тем более, что переход связан с более нижними уровнями программ. При этом структура программы так и остается легко читаемой сверху вниз. Самый худший данного оператора связан с переходом снизу вверх.

Для облегчения чтения программы часто добавляют пустые строки между разделами. Стоит писать текст программы со сдвигами, чтобы можно было прочитать последовательность действий и количество вложений.

Быстрая навигация:
1.31 Списки - массивы. Первое знакомство. 1.30 Функции которые возвращают результат - return 1.29 Подпрограммы: функции и процедуры в Питоне 1.28 Преобразование типов данных - int() 1.27 Ввод данных с клавиатуры - input() 1.26 Типы и размеры данных 1.25 Цикл с предусловием - while. Числа Фибоначчи 1.24 Измерение длины строки, списки 1.23 Срезы строк - вывод определенного количества символов из имеющегося текста 1.22 Строки и управляющие символы 1.21 Системные ошибки в процессе отладки программы 1.20 Оператор ветвления - if, комментарии 1.19 Вывод на печать - print(), быстрый ввод данных, округление, комментарии 1.18 Типы программирования. Часть 2. Объектно-ориентированное программирование 1.17 Типы программирования. Часть 1. Структурное программирование. Циклы 1.16 Представление символьной информации - ASCII 1.15 Деление двоичных чисел 1.14 Математические операции с двоичными числами 1.13 Как хранится и записывается информация. Биты и байты 1.12 Перевод целых чисел десятичной системы счисления в другую систему 1.11 Перевод целых чисел из шестнадцатеричной системы счисления в десятичную 1.10 Перевод целого двоичного числа в шестнадцатеричное 1.9 Перевод целого двоичного числа в другую систему счисления 1.8 Системы счисления 1.7 Булевая алгебра. Логические выражения 1.6 Базовые понятия. Часть 3 - Числа, выражения, операнды, знаки операций 1.5 Базовые понятия. Часть 2 - Программа, данные 1.4 Базовые понятия. Часть 1 - Задача и алгоритм 1.3 Среда разработки СИ 1.2 История языков программирования 1.1 Введение

Любой язык программирования - это формальный язык , поскольку он придуман людьми для решения каких либо специфических задач. Например, набор специальных знаков и правил записи формул, используемых математиками для записи формул и доказательств теорем, является формальным языком.

Языки программирования – формальные языки, предназначенные для описания .

Формальные языки характерны тем, что имеют четкие синтаксические правила.
Например запись 2x2=4 является синтаксически правильной математической записью, а 2=+4 – нет.

Когда вы читаете предложение на русском языке или выражение на формальном языке, вы определяете его структуру, часто неосознанно. Этот процесс называется синтаксическим анализом или синтаксическим разбором. Эквивалентный англоязычный термин – parsing (парсинг)

Отсюда мы подходим к тому, что называется парадигмой программирования.

Парадигма программирования - это некий набор правил, который определяет стиль написания программ.

Существует несколько таких правил, которые можно распределить по специфике методологии программирования:
- структурное программирование
- объектно-ориентированное программирование
- логическое программирование и прочие...

Следует отметить, что парадигма программирования не определяется однозначно языком программирования; практически все современные языки программирования в той или иной мере допускают использование различных парадигм.

Вот интересная вводная лекция
по парадигмам программирования
на русском языке:

Перевод осуществлён Kovalev Filipp

Это обзорная лекция профессора Джери Кейн с факультета Computer Sciense университета Стэнфорд.
Парадигмы программирования представляют несколько языков, включая C, Ассемблер, C++, Параллельное программирование, Sheme и Python.
Цели данного курса - научить слушателей как писать код на каждом из этих языков и понимать парадигмы программирования, представляемые этими языками.