26. Основные стратегии проектирования алгоритмов, их сравнительная характеристика.

Существуют две основные стратегии проектирования алгоритмов: восходящее ("снизу-вверх") и нисходящее ("сверху-вниз") проектирование.

Стратегия "снизу-вверх" основана на принципе наименьших усилий и кажется более естественной. Смысл ее заключается в следующем.

Выделяются те части алгоритма, которые уже можно программировать, и о которых известно, что они точно "понадобятся". Эти части программируются как отдельные модули и отлаживаются. Потом из них, как из строительных блоков, собираются программы-блоки более высокого уровня проектирования, и, наконец, вся программа. Число таких уровней зависит от размера и сложности задачи.

Привлекательность восходящего проектирования заключается в том, что не нужно думать обо всей программной системе и соединении модулей до тех пор, пока этого не протребуется. Наиболее существенный недостаток такой стратегии известен как "проблема интерфейса": при сборке модули системы могут оказаться несогласованными по ряду крупных или мелких деталей. Например, запрограммированный (и локально отлаженный) математический метод не удовлетворяет некоторым требованиям задачи (точности, времени выполнения и т.д.). Несогласование модулей обнаруживается к концу работы над системой, когда она практически завершена. Это откладывает завершение работы на неопределенный срок и препятствует плановой работе над системой.

Альтернативной стратегией является стратегия проектирования алгоритмов "сверху-вниз". Еще на заре программирования эта стратегия использовалась интуитивно суперпрограммистами, являясь залогом их успешной работы. В стратегии заключена идея постепенного раскрытия деталей проектируемой программы по мере движения от общей цели, сформулированной на самом высоком уровне в условии задачи, к уровню объектов, выраженных в терминах "понятных машине".

- Преимущества нисходящей стратегии:

1. Дает лучшее понимание объектов проектирования, так как на каждом шаге выделяются основные понятия, а детали "упрятываются".

2. Делает более простым процесс модификации программы и сокращает

время отладки.

3. Упрощает доказательство корректности программы.

- Трудности нисходящей стратегии.

1. На ранних стадиях должна быть проделана интеллектуальная работа главным программистом, прежде чем программа будет распараллеливаться для всех программистов проекта.

2. Имеется специфика в отладке "сверху-вниз", когда приходится отлаживать программные модули, полностью не завершенные.

Реально процесс проектирования не является простой схемой "сверху-вниз". Иногда приходится вернуться к предыдущему уровню и произвести коррекцию проекта. Умелое сочетание обеих стратегий и составляет искусство проектирования.

27. Основные декомпозиционные структуры программ. Сегменты-блоки и сегменты-процедуры, их спецификация.

В основе операции декомпозиции задачи на подзадачи лежит принцип рас­крытия абстракции.

Абстрактной инструкцией, или просто абстракцией, назовем инструкцию, описывающую действие, выполнить которое процессор не может на данном уров­не проектирования. Другими словами, абстракция есть инструкция обращения к алгоритму, которого еще не существует. Этим абстрактная инструкция отличается от элементарной инструкции вызова процедуры, которая обращается к реаль­ной процедуре.

Абстрактная инструкция не может быть выполнена, так как ссылается на абстрактный алгоритм, который еще не разработан и который, в свою очередь, может тоже содержать абстракции.

Сегмент - это алгоритм, содержащий абстракции. Именно наличием абстракции объясняется свойство сегмента порождать другой сегмент.

Раскрытие абстракции состоит в разделении действия на композицию дру­гих, более простых действий с использованием введенных выше правил декомпо­зиции. Таким образом, нисходящее проектирование - это процесс раскрытия аб­стракций. Этот процесс можно свести к последовательности элементарных шагов, если связать каждый шаг с одной управляющей структурой : следование, выбор или повторение.

На каждом следующем уровне детализации логика работы модуля будет описываться все точнее и ближе к реальному алгоритму. Когда получим алго­ритм, у которого все абстракции раскрыты в элементарные инструкции языка проектирования, можно считать, что процесс разработки алгоритма завершен.

Общие принципы, ко­торых следует придерживаться на каждом шаге декомпозиции в процессе разра­ботки.

1. Концентрируйте внимание прежде всего на самом существенном, отвле­каясь от мелочей.

2. Прежде чем раскрыть абстракцию, оцените принятое решение, сравните с другими возможными вариантами декомпозиции.

3. Проведите тщательную спецификацию данных, требуемых на очередном уровне детализации алгоритма, это поможет принять вам правильное решение.

4. Если на каком-либо шаге встретились непредвиденные проблемы, поста­райтесь еще раз пересмотреть решения, принятые на предыдущих шагах, и, если требуется, заменить их на другие варианты.

Элементами декомпозиции задачи на подзадачи являются сегменты. Каж­дый сегмент является результатом раскрытия некоторой абстракции, заключенной в сегменте более высокого уровня.

На языке Паскаль будем описывать абстрактное действие в виде коммента­рия, обрамленного рамкой.

При раскрытии абстракции используются две формы сегмента: форму блока (сегмент - блок) и форму процедуры (сегмент - процедура).

Сегмент описывается в виде блока, если он не реализует типовой алгоритм, а выделен с целью облегчения анализа и разработки алгоритма. На языке Паскаль он может быть закодирован либо в виде фрагмента программы, который в даль­нейшем будет подставлен после порождающей его абстракции, либо в виде про­цедуры без параметров.

Сегмент описывается в виде процедуры, если он реализует типовой алго­ритм, который может носить универсальный характер. На языке Паскаль он реа­лизуется в виде процедуры с параметрами.