2.2. Структурное программирование.

Структурное программирование (СП) возникло как вариант решения проблемы уменьшения СЛОЖНОСТИ разработки программного обеспечения.

В начале эры программирования работа программиста ничем не регламентировалась. Решаемые задачи не отличались размахом и масштабностью, использовались в основном машинно-ориентированные языки и близкие к ним язык типа Ассемблера, разрабатываемые программы редко достигали значительных размеров, не ставились жесткие ограничения на время их разработки.

По мере развития программирования появились задачи, для решения которых определялись ограниченные сроки все более сложных задач с привлечением групп программистов. И как следствие, разработчики столкнулись с тем, что методы, пригодные для разработки небольших задач, не могут быть использованы при разработке больших проектов в силу сложности последних.

Таким образом, цель структурного программирования - повышение надежности программ, обеспечение сопровождения и модификации, облегчение и ускорение разработки.

Методология структурного императивного программирования — подход, заключающийся в задании хорошей топологии императивных программ, в том числе отказе от использования глобальных данных и оператора безусловного перехода, разработке модулей с сильной связностью и обеспечении их независимости от других модулей.

Подход базируется на двух основных принципах:

• Последовательная декомпозиция алгоритма решения задачи сверху вниз.

• Использование структурного кодирования.

Напомним, что данная методология является важнейшим развитием императивной методологии.

Происхождение, история и эволюция. Создателем структурного подхода считается Эдсгер Дейкстра. Ему также принадлежит попытка (к сожалению, совершенно неприменимая для массового программирования) соединить структурное программирование с методами доказательства правильности создаваемых программ. В его разработке участвовали такие известные ученые как Х. Милс, Д.Э. Кнут, С. Хоор.

Методы и концепции, лежащие в основе структурного программирования. Их три

Метод алгоритмической декомпозиции сверху вниз — заключается в пошаговой детализации постановки задачи, начиная с наиболее общей задачи. Данный метод обеспечивает хорошую структурированность. Метод поддерживается концепцией алгоритма.

Метод модульной организации частей программы — заключается в разбиении программы на специальные компоненты, называемые модулями. Метод поддерживается концепцией модуля.

Метод структурного кодирования — заключается в использовании при кодировании трех основных управляющих конструкций. Метки и оператор безусловного перехода являются трудно отслеживаемыми связями, без которых мы хотим обойтись. Метод поддерживается концепцией управления

Структурные языки программирования. Основное отличие от классической методологии императивного программирования заключается в отказе (точнее, той или иной степени отказа) от оператора безусловного перехода.

[Пратт Т., 1979] "Важным для программиста свойством синтаксиса является возможность отразить в структуре программы структуру лежащего в ее основе алгоритма. При использовании для построения программы метода, известного под названием структурное программирование, программа конструируется иерархически - сверху вниз (от главной программы к подпрограммам самого нижнего уровня), с употреблением на каждом уровне только ограниченного набора управляющих структур: простых последовательностей инструкций, циклов и некоторых видов условных разветвлений. При последовательном проведении этого метода структуру результирующих алгоритмов легко понимать, отлаживать и модифицировать. В идеале у нас должна появиться возможность перевести построенную таким образом схему программы прямо в соответствующие программные инструкции, отражающие структуру алгоритма."

Теорема о структурировании (Бёма-Джакопини (Boem-Jacopini)): Всякую правильную программу (т.е. программу с одним входом и одним выходом без зацикливаний и недостижимых веток) можно записать с использованием следующих логических структур - последовательность, выбора и повторение цикла

Следствие 1: Всякую программу можно привести к форме без оператора goto.

Следствие 2: Любой алгоритм можно реализовать в языке, основанном на трех управляющих конструкциях -последовательность, цикл, повторение.

Следствие 3: Сложность структурированных программ ограничена, даже в случае их неограниченного размера.

Структурное программирование- это не самоцель. Его основное назначение- это получение хорошей ("правильной") программы, однако даже в самой хорошей программе операторы перехода goto иногда нужны: например - выход из множества вложенных циклов.

Практически на всех языках, поддерживающих императивную методологию, можно разрабатывать программы и по данной методологии. В ряде языков введены специальные заменители оператора goto, позволяющие облегчить управление циклами (например, Break и Continue в языке C).

Класс задач. Класс задач для данной методологии соответствует классу задач для императивной методологии. Заметим, что при этом удается разрабатывать более сложные программы, поскольку их легко воспринимать и анализировать.

Рекомендации по литературе. Одной из наиболее известных работ в этой области является статья "Заметки по структурному программированию" [Дейкстра 1975]. Методы структурного программирования подробно рассмотрены в книге "Теория и практика структурного прграммирования" [Лингер, Миллс, Уитт 1982]. Практику структурного программирования можно изучать по книге "Алгоритмы + структуры данных = программы" [Вирт 1985]. Философия визуального структурного программирования подробно изложена в работе [Паронджанов 1999].

3. Метод объектно-ориентированного программирования.

Метод структурного программирования оказался эффективен при написании программ «ограниченной сложности». Однако с возрастанием сложности реализуемых программных проектов и, соответственно, объема кода создаваемых программ, возможности метода структурного программирования оказались недостаточными.

Основной причиной возникших проблем можно считать то, что в программе не отражалась непосредственно структура явлений и понятий реального мира и связей межу ними. При попытке анализа и модификации текста программы программист вынужден был оперировать искусственными категориями.

Чтобы писать все более сложные программы, необходим был новый подход к программированию. В итоге были разработаны принципы Объектно-Ориентированного Программирования. OOP аккумулирует лучшие идеи, воплощённые в структурном программировании, и сочетает их с мощными новыми концепциями, которые позволяют по-новому организовывать ваши программы.

Надо сказать, что теоретические основы ООП были заложены еще в 70-х годах прошлого века, но практическое их воплощение стало возможно лишь в середине 80-х, с появлением соответствующих технических средств.

Методология ООП использует метод объектной декомпозиции, согласно которому структура системы (статическая составляющая) описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы (динамическая составляющая) - в терминах обмена сообщениями между объектами. Сообщения могут быть как реакцией на события, вызываемые как внешними факторами, так и порождаемые самими объектами.

Объектно-ориентированные программы называют «программами, управляемыми от событий», в отличие от традиционных программ, называемых «программам, управляемыми от данных».

Основные методы и концепции ООП

• Метод объектно-ориентированной декомпозиции – заключается в выделении объектов и связей между ними. Метод поддерживается концепциями инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

• Метод абстрактных типов данных – метод, лежащий в основе инкапсуляции. Поддерживается концепцией абстрактных типов данных.

• Метод пересылки сообщений – заключается в описании поведения системы в терминах обмена сообщениями между объектами. Поддерживается концепцией сообщения.

Вычислительная модель чистого ООП поддерживает только одну операцию – посылку сообщения объекту. Сообщения могут иметь параметры, являющиеся объектами. Само сообщение тоже является объектом.

Объект имеет набор обработчиков сообщений (набор методов). У объекта есть поля – персональные переменные данного объекта, значениями которых являются ссылки на другие объекты. В одном из полей объекта хранится ссылка на объект-предок, которому переадресуются все сообщения, не обработанные данным объектом. Структуры, описывающие обработку и переадресацию сообщений, обычно выделяются в отдельный объект, называемый классом данного объекта. Сам объект называется экземпляром указанного класса.

Синтаксис и семантика

В синтаксисе чистых объектно-ориентированных языков все может быть записано в форме посылки сообщений объектам. Класс в объектно-ориентированных языках описывает структуру и функционирование множества объектов с подобными характеристиками, атрибутами и поведением. Объект принадлежит к некоторому классу и обладает своим собственным внутренним состоянием. Методы — функциональные свойства, которые можно активизировать.

В объектно-ориентированном программировании определяют три основных свойства:

Инкапсуляция. Это сокрытие информации и комбинирование данных и функций (методов) внутри объекта.

Наследование. Построение иерархии порожденных объектов с возможностью для каждого такого объекта-наследника доступа к коду и данным всех порождающих объектов-предков. Построение иерархий является достаточно сложным делом, так как при этом приходится выполнять классифицирование.

Большинство окружающих нас объектов относится к категориям, рассмотренным в книге [Шлеер, Меллор 1993]:

• Реальные объекты – абстракции предметов, существующих в физическом мире;

• Роли – абстракции цели или назначения человека, части оборудования или организации;

• Инциденты – абстракции чего-то произошедшего или случившегося;

• Взаимодействия – объекты, получающиеся из отношения между другими объектами.

Полиморфизм (полиморфизм включения) — присваивание действию одного имени, которое затем разделяется вверх и вниз по иерархии объектов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, подходящим именно ему.

У каждого объекта есть ссылка на класс, к которому он относится. При приеме сообщения объект обращается к классу для обработки данного сообщения. Сообщение может быть передано вверх по иерархии наследования, если сам класс не располагает методом для его обработки. Если обработчик событий для сообщения выбирается динамически, то методы, реализующие обработчиков событий, принято называть виртуальными.

Естественным средством структурирования в данной методологии являются классы. Классы определяют, какие поля и методы экземпляра доступны извне, как обрабатывать отдельные сообщения и т. п. В чистых объектно-ориентированных языках извне доступны только методы, а доступ к данным объекта возможен только через его методы.

Взаимодействие задач в данной методологии осуществляется при помощи обмена сообщениями между объектами, реализующими данные задачи.

Пример описания в некотором абстрактном Pascal-подобном объектно

-ориентированном языке класса «точка», являющегося наследником класса «координаты» может выглядеть так:

Type TCoordinates = class (TObject)

x, y : integer;

Constructor Init (_x, _y : integer);

Function GetX : integer;

Function GetY : integer;

Procedure SetX (_x : integer);

Procedure SetY (_y : integer);

Procedure Move (dx, dy : integer);

Destructor Done; virtual;

Constructor Init();

x := _x; y := _y

end;

Function GetX : integer;

begin

GetX := x

end;

. . . . . . . . . . . . .

End;

TPoint = class (TCoordinates)

Color : integer;

Constructor Init (_x, _y, _Color : integer);

Function SetColor (_Color : integer);

Function GetColor : integer;

Constructor Init(_x, _y, _Color : integer);

Inherited Init(_x, _y);

Color := _Color

end;

. . . . . . . . . . . . .

End;

Если мы в дальнейшем хотим использовать экземпляры класса TPoint, их необходимо будет создать, вызвав метод-конструктор.

Var P1 : Point;

P1.Init (0,0, 14); P1.Move (+2, -2);

Для поддержки концепции ООР были разработаны специальные объектно-ориентирован-ные языки программирования. Все языки OOP можно разделить на три группы.

Чистые языки, в наиболее классическом виде поддерживающие объектно-ориентированную методологию. Такие языки содержат небольшую языковую часть и существенную библиотеку, а также набор средств поддержки времени выполнения.

Гибридные языки, которые появились в результате внедрения объектно-ориентированных конструкций в популярные императивные языки программирования.

Урезанные языки, которые появились в результате удаления из гибридных языков наиболее опасных и ненужных с позиций ООП конструкций.