2.2 Конспект лекционных занятий
Лекция 1. Алгоритмические основы программирования. Развитие технологии программирования. Этапы разработки программного обеспечения
Алгоритмические основы программирования.
Целью программирования является описание процессов обработки данных. Формализованное описание процессов обработки данных называется программой.
Обычно программы разрабатываются в расчете на то, чтобы ими могли пользоваться люди, не участвующие в их разработке (их называют пользователями). Для освоения программы пользователем помимо ее текста требуется определенная дополнительная документация. Программа или логически связанная совокупность программ на носителях данных, снабженная программной документацией, называется программным обеспечением ПО. Программа позволяет осуществлять некоторую автоматическую обработку данных на компьютере. Программная документация позволяет понять, какие функции выполняет та или иная программа ПО, как подготовить исходные данные и запустить требуемую программу в процесс ее выполнения, а также: что означают получаемые результаты (или каков эффект выполнения этой программы). Кроме того, программная документация помогает разобраться в самой программе, что необходимо, например, при ее модификации.
Технологией программирования называют совокупность методов и средств, используемых в процессе разработки программного обеспечения. Как любая другая технология, технология программирования представляет собой набор технологических инструкций, включающих:
- указание последовательности выполнения технологических операций;
- перечисление условий, при которых выполняется та или иная операция;
- описания самих операций, где для каждой операции определены исходные данные, результаты, а также инструкции, нормативы, стандарты, критерии и методы оценки и т. п.
Развитие основ программирования.
Структурное программирования. В основе структурного подхода лежит декомпозиция (разбиение на части) сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших подпрограмм. Поддержка принципов структурного программирования была заложена в основу процедурных языков программирования.Среди наиболее известных языков этой группы стоит назвать PL/1, ALGOL-68, Pascal, С.
Модульное программирования. Модульное программирование предполагает выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные, в отдельно компилируемые модули (библиотеки подпрограмм), например, модуль графических ресурсов. Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal и С (C++), языки Ада и Modula.
Объектно-ориентированное программирования. Объектно-ориентированное программирование (ООП) определяется как технология создания сложного программного обеспечения, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного типа (класса), а классы образуют иерархию с наследованием свойств. Взаимодействие программных объектов в такой системе осуществляется путем передачи сообщений.
Основным достоинством объектно-ориентированного программирования по сравнению с модульным программированием является "более естественная" декомпозиция программного обеспечения, которая существенно облегчает его разработку. Кроме этого, объектный подход предлагает новые способы организации программ, основанные на механизмах наследования, полиморфизма, композиции, наполнения. Эти механизмы позволяют конструировать сложные объекты из сравнительно простых. В результате существенно увеличивается показатель повторного использования кодов и появляется возможность создания библиотек классов для различных применений.
Бурное развитие технологий программирования, основанных на объектном подходе, позволило решить многие проблемы. Так были созданы среды, поддерживающие визуальное программирование, например, Delphi, C++ Builder, Visual C++ и т. д. Результатом визуального проектирования является заготовка будущей программы, в которую уже внесены соответствующие коды.
Компонентный подход программирования. Компонентный подход, предполагает построение программного обеспечения из отдельных компонентов — физически отдельно существующих частей программного обеспечения, которые взаимодействуют между собой через стандартизованные двоичные интерфейсы. В отличие от обычных объектов объекты-компоненты можно собрать в динамически вызываемые библиотеки или исполняемые файлы, распространять в двоичном виде (без исходных текстов) и использовать в любом языке программирования, поддерживающем соответствующую технологию. На сегодня рынок объектов стал реальностью. Это позволяет программистам создавать продукты, хотя бы частично состоящие из повторно использованных частей, т.е. использовать технологию, хорошо зарекомендовавшую себя в области проектирования аппаратуры.
Компонентный подход лежит в основе технологий, разработанных на базе COM (Component Object Model — компонентная модель объектов), и технологии создания распределенных приложений CORBA (Common Object Request Broker Architecture — общая архитектура с посредником обработки запросов объектов). Эти технологии используют сходные принципы и различаются лишь особенностями их реализации.
Технология СОМ фирмы Microsoft является развитием технологии OLE (Object Linking and Embedding — связывание и внедрение объектов), которая использовалась в ранних версиях Windows для создания составных документов. Технология СОМ определяет общую парадигму взаимодействия программ любых типов: библиотек, приложений, операционной системы, т. е. позволяет одной части программного обеспечения использовать функции (службы), предоставляемые другой, независимо от того, функционируют ли эти части в пределах одного процесса, в разных процессах на одном компьютере или на разных компьютерах. Модификация СОМ, обеспечивающая передачу вызовов между компьютерами, называется DCOM (Distributed COM — распределенная СОМ).
Этапы разработки программного обеспечения
Процесс разработки программного обеспечения можно разбить на этапы (фазы):
- содержательная постановка задачи;
- разработка модели и выбор метода решения;
- разработка алгоритма решения задачи;
- кодирование алгоритма;
- компиляция программы;
- тестирование программы;
- создание документации;
- сопровождение и эксплуатация.
Содержательная постановка задачи. Постановка задачи - это точная формулировка решения задачи на компьютере с описанием входной и выходной информации.
В результате выполнения этого этапа работы составляется документ, называемый "Задание на разработку программного обеспечения (техническое задание)". В нем указывается следующее:
- название задачи. Дается краткое определение решаемой задачи, название программного комплекса, указывается система программирования для ее реализации и требования к аппаратному обеспечению;
- описание. Подробно излагается постановка задачи, цель и назначение задачи, ее место и связи с другими задачами, содержание функций обработки входной информации при решении задачи, требования к периодичности решения задачи.
- управление режимами работы программы. Формулируются основные требования к способу взаимодействия пользователя с программой (интерфейс пользователь-компьютер).
- входные данные. Описываются входные данные, указываются пределы, в которых они могут изменяться, значения, которые они не могут принимать, и т. д., а также источник данных, т.е. устройство, с помощью которого они должны быть переданы в программу.
- выходные данные. Описываются выходные данные, указывается, в каком виде они должны быть представлены — в числовом, графическом или текстовом, ограничения по срокам и точности выходной информации, а также указывается устройство отображения этих данных.
- ошибки. Перечисляются возможные ошибки пользователя при работе с программой (например, ошибки при вводе данных и др.). Указываются способы диагностики (в данном случае под диагностикой понимается обнаружение ошибок при работе программного комплекса) и защиты от этих ошибок на этапе проектирования, а также возможная реакция пользователя при совершении им ошибочных действий и реакция программного комплекса (компьютера) на эти действия.
- пример работы программного комплекса. Приводится один или несколько примеров работы программного комплекса, на которых в простейших случаях проводится его отладка и тестирование.
Разработка модели и выбор метода решения. На этом этапе создается математическая или логическая модель исследуемого явления реального мира. При этом нужно уметь сформулировать на языке математики конкретные задачи физики, экономики, технологии и т.д. После того как определена математическая модель задачи, надо выбрать метод ее решения. Если программируемая задача носит вычислительный характер, то приводится вывод всех используемых формул с подробными комментариями. Если же задача невычислительная, то приводится словесное описание логической модели, например, в виде плана действий.
Разработка алгоритма решения задачи.На этом этапе формируется общая структура программного комплекса. Алгоритм – это система точно сформулированных правил, определяющая процесс преобразования допустимых исходных данных (входной информации) в желаемый результат (выходную информацию) за конечное число шагов.
В процессе разработки алгоритма могут быть использованы различные способы его описания: словесная запись, блок-схемы, псевдокод, структурограммы и т.п.
Предложения, не являющееся предложением какого-то языка программирования, хотя и очень напоминает то, что мы пишем на данном языке программирования, называют псевдокодом. Псевдокод очень эффективен при разработке логики программы. После того как логика покажется вам правильной, вы можете обратить особое внимание на детали перевода псевдокода на реальный язык программирования. Преимущество использования псевдокода состоит в том, что он позволяет сконцентрироваться на логике и структуре программы, не заботясь пока о способе перевода этих идей на язык машины. Если мы хотим улучшить программу, нам в первую очередь необходимо улучшить алгоритм!
Кодирование алгоритма. Этап кодирования (программирования) алгоритмов заключается в переводе алгоритмов, разработанных для каждого программного модуля, в программы на конкретном языке программирования. Результатом выполнения этого этапа являются файлы с исходными текстами программ. Эти файлы по своей природе текстовые, только они содержат тексты, написанные на языке программирования (в нашем случае это тексты, написанные на языке Си).
Компиляция программы. После того как закончено кодирование (написание программы на языке программирования) и исходный текст программы введен в память компьютера, производят компилирование программы, т.е. перевод исходного текста в машинный код. Этот процесс осуществляется специальной программой – компилятором. На рисунке 1 представлена схема подготовки исполняемой программы.
Сначала программа передается препроцессору, который выполняет директивы, содержащиеся в ее тексте (например, #include - включение файла в текст программы).
Рисунок 1.1 - Схема подготовки исполняемой программы
Получившийся текст передается на вход компилятора (Compiler), который выделяет лексемы (отдельные слова), а затем на основе грамматики языка распознает выражения и операторы, построенные из этих лексем. При этом компилятор выявляет синтаксические ошибки и в случае их отсутствия строит объектный модуль.
Компоновщик, или редактор связей (Linker), формирует исполняемый модуль программы, подключая к объектному модулю другие объектные модули, в том числе содержащие функции библиотек, обращение к которым содержится в любой программе. При успешном завершении процесса образуется исполняемый файл программы (файл с расширением EXE).
Тестирование программы. Различается два вида тестирования: автономное и комплексное. При автономном тестированию подвергаются отдельные программные модули, из которых состоит программный комплекс. Комплексное тестирование заключается в проверке всего программного комплекса. Для тестирования подбираются такие исходные данные, для которых результат выполнения программы заранее известен.
Создание документации. Документация классифицируется по своему назначению и может быть разбита на несколько групп: описание применения, руководство пользователя, руководство программиста.
Описание применения – общая характеристика программного продукта и сферы его применения, требований к базовому программному обеспечению, комплексу технических средств обработки.
Руководство пользователя – детальное описание функциональных возможностей и технологии работы с программным продуктом для конечного пользователя. Документы данного вида могут оформляться в печатном виде и (или) "встраиваться" в программный комплекс (в последнем случае помощь в виде подсказки вызывается самим пользователем в процессе работы программного комплекса).
Руководство программиста предназначено для разработчиков программного обеспечения и специалистов, которые будут его сопровождать. В это руководство в качестве основных документов включаются:
- задание на разработку программного обеспечения (техническое задание);
- спецификация;
- прокомментированные исходные тексты (листинги) модулей программы и управляющего модуля;
- схема разбиения программного комплекса на программные модули;
- схема потоков данных программного комплекса;
- схема взаимодействия программных модулей;
- планы и данные для тестирования программного комплекса;
- другие материалы, иллюстрирующие проект, например: блок-схемы программного комплекса и программных модулей.
Сопровождение и эксплуатация. После завершения тестирования программного комплекса программное обеспечение сдается в эксплуатацию. В процессе эксплуатации может возникнуть необходимость добавления в программный комплекс новых функций, устранение ошибок, обнаруженных в процессе эксплуатации, и т. д. Данный тип работ с программным комплексом в период его эксплуатации называется сопровождением.
Основная литература: 1[3-12]
Дополнительная литература:1,2
Контрольные вопросы:
1. Что такое технология программирования?
2. Какие технологии программирования существуют?
3.Особенности технологии структурного и модульного
программирования.
4.Особенности компонентной технологии технологии и объектно-ориентированного программирования.
5. Этапы разработки программного обеспечения.
Лекция 2. Язык программирования С. Алфавит языка С. Лексемы языка С.Структура программы на языке С. Типы данных в языке С. Функции ввода и вывода
Алфавит языка С
Алфавит языка включает в себя все символы, представленные в таблице кодов ASCII:
- заглавные и строчные латинские буквы. Очень важно знать и помнить, что язык С различает прописные и строчные буквы. Язык С является чувствительным к регистру (case sensitive). В языке С имена COLOR, Color и color определяют три различных имени переменных;
- десять арабских цифр от 0 до 9 (в идентификаторах цифры могут быть использованы наряду с буквами, начиная со второй позиции);
- управляющие символы (ASCII-коды от 0 до 31) применяются при описании строчных символьных констант;
- управляющие символы с ASCII-кодами: 9 (табуляция), 10 (вниз), 13 (клавиша Enter) используются в качестве разделителей при написании программ;
- специальные символы – символы, выполняющие определенные функции при построении различных конструкций языка:
+ - * / % \ = { } [ ] ( ) < > . , ‘ “ : | ; ^ & # ~ ! ?
- символ подчеркивания (ASCII-код 95).
Лексемы языка С
Из символов алфавита формируются лексемы языка:
- идентификаторы;,
- ключевые (служебные) слова;,
- константы;
- комментарии.
Лексема - единица текста программы, которая при компиляции воспринимается как единое целое и по смыслу не может быть разделена на более мелкие элементы.
Рассмотрим эти лексические элементы языка подробнее.
Идентификаторы в языке программирования используются для обозначения имен переменных, функций и меток, применяемых в программе. Идентификатором может быть произвольная последовательность латинских букв (прописных и строчных), цифр и символа подчеркивания, которая начинается с буквы или символа подчеркивания. В языке С идентификатор может состоять из произвольного числа символов. Прописные и строчные буквы в идентификаторах различаются, т.е. различными считаются имена: Var1, var1 иVAR1.
В языке С некоторые идентификаторы употребляются как ключевые (служебные) слова (keywords), которые имеют специальное значение для компилятора. Их употребление строго определено, и эти слова не могут использоваться иначе. Ключевыми словами стандарта ANSI языка С являются:
auto |
double |
int |
struct |
break |
else |
long |
switch |
case |
enum |
register |
typedef |
char |
extern |
return |
union |
const |
float |
short |
unsigned |
continue |
for |
signed |
void |
default |
goto |
sizeof |
volatile |
do |
if |
static |
while |
Константа – это лексема, представляющая изображение фиксированной величины, которая не может быть изменена в программе.
Константы делятся на пять групп: целые, вещественные (с плавающей точкой), перечислимые, символьные (литеральные) и строковые. Например:
125 целая константа;
123.23, 4.34Е-3 вещественные константы;
‘S’, ‘a’ символьные константы;
“Computer” строковая константа.
Для выполнения каких- либо действий в программе обычно используются именованные константы.
Именованная константа — это имя (идентификатор), которое в программе используется вместо самой константы. Именованную константу в Си можно задавать двумя способами:
а) с помощью директивы #define препроцессора.
б) с помощью модификатора const.
Например, строка