47. Технологии проектирования. Особенности структурного и объектно-ориентированного программирования.

Разработка программ и программных комплексов должна обеспечить создание в кратчайшие сроки программных изделий, которые могут использоваться без участия разработчиков. Понятие программного изделия включает в себя как программу, ее текст, представляемый на машинном носителе (магнитных дисках), так и сопровождающую ее документацию. Программное обеспечение регистрируется в фондах алгоритмов и программ, в функции которых входит размножение копий программ и документации к ним для пользователей.

Основные требования, предъявляемые к качеству программного изделия, - функциональность, надежность, удобство эксплуатации – обеспечиваются за счет правильного проектирования программного комплекса и создания необходимой документации.

Для сложных программ и программных комплексов этап проектирования программы выполняется параллельно с этапом разработки алгоритма и структуры данных. Проектирование предполагает разбиение задачи на несколько подзадач, для решения каждой из которых создается программный модуль. При этом программа проектируется как многомодульная структура. Существует два основных способа проектирования многомодульных программ – восходящее и нисходящее проектирование.

Восходящее проектирование (или проектирование «снизу вверх») основано на выделении нескольких достаточно крупных модулей, реализующих некоторые функции в общей программе. При выделении модулей опираются на доступность реализуемых функций для понимания, простоту структурирования данных, существование готовых программ и модулей для реализации заданных функций, возможности переделки существующих программ для новых целей; имеет значение и размер будущего модуля. Каждый модуль при восходящем проектировании автономно программируется, тестируется и отлаживается. После этого отдельные модули объединяются в подсистемы с помощью управляющего модуля, в котором определяется последовательность вызовов модулей, ввод-вывод и контроль данных и результатов. В свою очередь, подсистемы затем объединяются в более сложные системы и в общий программный комплекс, который подвергается комплексной отладке с проверкой правильности межмодульных связей.

Рассмотренный подход можно рекомендовать при разработке не очень сложных программ. Если размеры подпрограмм невелики, то целесообразно выделить подпрограммы и начать программирование с их составления.

Основные недостатки восходящего проектирования программы проявляются в сложности объединения модулей в единую систему, в трудности выявления и исправления ошибок, допущенных на ранних стадиях разработки модулей. Кроме того, отдельные модули могут создаваться без общего представления о структуре всей системы, что затрудняет их объединение.

Для создания сложных программ можно рекомендовать нисходящее проектирование, основанное на выделении в решаемой задаче иерархии уровней обобщения. Схема иерархии уровней обобщения позволяет программисту сначала сконцентрировать внимание на том, что нужно сделать, и лишь затем – на том, как это сделать.

Ведущая программа записывается как программа верхнего уровня, управляющая вызовами модулей более низкого уровня. Каждый из модулей более низкого уровня, в свою очередь, управляет вызовами модулей еще более низкого уровня. Такой способ проектирования позволяет создавать сложные и громоздкие программы из небольших простых модулей: размер задачи отражается только в числе модулей и уровней обобщений.

При нисходящем проектировании появляется возможность использовать вертикальное управление в схеме иерархии с использованием таких правил: модуль возвращает управление вызвавшему; модуль вызывает только модули более низкого уровня; принятие основных решений возлагается на модули максимально высокого уровня.

После разработки некоторой верхней части схемы иерархии модулей можно составлять, тестировать и отлаживать соответствующие программные модули, причем вместо каждого из модулей при тестировании могут использоваться так называемые «заглушки», т.е. фиктивные модули, содержащие лишь заголовки и операторы возврата. Нисходящий способ проектирования позволяет начать комплексную отладку и тестирование написанной части программной системы, не дожидаясь окончания написания всех модулей. Вставляя в фиктивные модули операторы печати сообщений о входе в имитируемый заглушкой модуль, получают трассировку программы; в заглушку можно поместить операторы, позволяющие выполнять оценку общих затрат машинного времени и памяти ЭВМ.

Основные достоинства нисходящего проектирования:

проявление логики программы возникает уже при чтении головного модуля, что делает программу боле простой;

возможность контроля хода работы над программой в процессе последовательной детализации программы обеспечивает ее непрерывную корректировку; отсутствие комплексной отладки благодаря сквозному контролю позволяет сэкономить до 30 % общего времени разработки программ;

одновременная параллельная работа нескольких программистов может оказаться эффективной.

При нисходящем проектировании, однако, возможны и такие ситуации, когда после значительных затрат на программирование выясняется необходимость объединения нескольких подзадач в один модуль, либо обнаруживается невозможность выполнения модулями нижних уровней своих функций при заданных временных ограничениях.

Неструктурные языки (широко использовались 40-е годы)

Преимущества

Оптимизация программы под аппаратную архитектуру.

Как следствие, обеспечение высокой эффективности вычислений.

Недостатки

Для каждого типа вычислительной машины должен был быть написан свой вариант исходного кода.

Применение

Быстрые численные расчеты

Создание драйверов устройств

Примеры языков: Ассемблеры.

Директивные (структурные) языки (появились в 50-е годы)

Преимущества

Повторное использование ранее написанных блоков кода.

Высокая степень независимости программы от типа вычислительной машины.

Повышение эффективности труда разработчиков, в том числе и за счет абстрагирования от конкретных деталей аппаратного обеспечения.

Недостатки

Некоторая потеря в скорости вычислений.

Применение

Создание операционных систем и системных программ.

Разработка небольших пользовательских приложений.

Научные расчеты.

Примеры языков: FORTRAN, C, Pascal.

Декларативные (функциональные и логические) языки (зародились в 60-е годы)

Особенность

Программный код на декларативном языке программирования представляет собой описание действий, которые можно осуществлять, а не последовательный набор команд.

Преимущества

Легче формализуется математическими средствами.

Как следствие, программы проще тестировать, т.е. проверять на наличие ошибок.

Высокая степень абстракции.

Недостатки

Снижение скорости работы программы.

Применение

Доказательство теорем.

Возможность обработки разнородных данных.

a) Функциональные языки

Особенность

Программу на функциональном языке можно представить как функцию с одним или несколькими аргументами.

Преимущества

Автоматическое динамическое распределение памяти компьютера для хранения данных.

Программист получает возможность абстрагироваться от представления данных и других рутинных операциях и сосредоточиться на предметной области.

Недостатки

Нелинейная структура программы, следовательно, такое программирование сложно для понимания.

Относительно невысокая эффективность вычислений.

Применение

Обработка рекурсивных структур данных.

Обработка символьной информации.

Примеры языков: Haskell.

b) Логические языки

Особенность

Программа представляет собой совокупность правил или логических высказываний.

В программе могут быть логические причинно-следственные связи.

Преимущества

Возможность откатов, т.е. возвращения к предыдущей подцели при отрицательном результате одного из вариантов в процессе поиска решения. Это избавляет от необходимости поиска решения путем полного перебора вариантов и увеличивает эффективность реализации.

Недостатки

Узкий класс решаемых задач.

Применение

Эмуляция искусственного интеллекта.

Разработка экспертных систем.

Примеры языков: Prolog.

Объектно-ориентированные языки

Особенности

Программа представляет собой описание объектов, их свойств (или атрибутов), классов и отношений между ними, способов взаимодействия.

Преимущества

Смысловая близость к предметной области любой структуры и назначения. Механизм наследования свойств и методов позволяет строить производные понятия на основе базовых, создавая тем самым модели предметной области.

Использование ранее созданных библиотек классов позволяет сэкономить время при разработке новых программных продуктов.

Полиморфизм, заложенный в ООП, обеспечивает гибкость и универсальность программного обеспечения.

Удобство разработки ПО группой лиц.

Недостатки

Сложность полной формализации реального мира создает в дальнейшем трудности тестирования созданного ПО.

Применение

Разработка больших пользовательских приложений.

Примеры языков (большинство современных языков программирования поддерживают концепцию объектно-ориентированного программирования): C++, Python.

Языки сценариев

Особенности

Программа представляет собой совокупность возможных сценариев обработки данных. Выбор конкретного сценария зависит от наступления того или иного события.

Преимущества

Основные достоинства данного класса языков программирования унаследованы от объектно-ориентированных языков.

Легкость использования с инструментальными средствами автоматизированного проектирования и быстрого создания ПО.

Недостатки

Сложность тестирования.

Большое количество вариантов, которые требуется предусмотреть.

Большая вероятность побочных эффектов.

Применение

Интернет технологии

Примеры языков: JavaScript, Python, PHP.