От общего к частному
Технология структурного программирования в самой краткой формулировке есть нисходящее проектирование, т.е. выстраивание текста программы, точнее алгоритмической компоненты, от общего к частному, от внешней конструкции к внутренней. Естественно, что надо знать, из чего выстраивать. В идеале, у опытного программиста действительно очередная нужная конструкция появляется «из головы». Но это не значит, что он не имеет общего плана действий и обобщенного представления процесса, который реализуется проектируемой программой.
Именно поэтому в 3.1 технология программирования была обозначена как заключительный этап выстраивания программы из имеющегося набора фрагментов. Перед этим необходимо пройти другие этапы:
формулировка целей (результатов) работы программы;
образное представление процессы ее работы (образная модель);
выделение из образной модели фрагментов: определение переменных и их смыслового наполнения, стандартных программных контекстов.
Попробуем теперь встроить в общую схему процесса проектирования самое трудное направление «движения» при построении программы – от общего к частному. И тогда получим примерно такую картину.
Рис. 33.1. Этапы структурного проектирования
1. Исходным состоянием процесса проектирования является более или менее точная формулировка цели алгоритма, или результата, который должен быть получен при его выполнении. Формулировка, само собой, производится на естественном языке.
2. Создается образная модель происходящего процесса, используются графические и какие угодно способы представления, образные «картинки», позволяющие лучше понять выполнение алгоритма в динамике;
3. Выполняется сбор фактов, касающихся любых характеристик алгоритма, и попытка их представления средствами языка. Такими фактами является наличие определенных переменных и их «смысл», а также соответствующих им программных контекстов. Понятно, что не все факты удастся сразу выразить в виде фрагментов программы, но они должны быть сформулированы хотя бы на естественном языке;
4. В образной модели выделяется наиболее существенная часть – «главное звено», для которой подбирается наиболее точная словесная формулировка;
5. Производится определение переменных, необходимых для формального представления данного шага алгоритма и формулируется их «смысл»;
6. Выбирается одна из конструкций - простая последовательность действий, условная конструкция или цикл. Составные части выбранной формальной конструкции (например, условие, заголовок цикла) должны быть переписаны в словесной формулировке в виде цели или результата, которые должны давать эти части алгоритма.
7. Для оставшихся неформализованных частей алгоритма (в словесной формулировке) - перечисленная последовательность действий повторяется. Обычно разработка образного представления программы опережает ее «выстраивание», поэтому следующим этапом для неформализованной части алгоритма может быть п.4 (в лучшем случае, при его проработке в образной модели) или п.1-3. В любом случае для вложенных конструкций мы возвращаемся на предыдущие этапы проектирования.
Нисходящее пошаговое структурное проектирование. В структурном программировании достаточно сложно отделить друг от друга принципы нисходящего, пошагового и структурного проектирования, поскольку каждый из них по отдельности является достаточно тривиальным, а весь эффект состоит в их совместном использовании в рамках процесса проектирования:
нисходящее проектирование программы состоит в процессе формализации от самой внешней синтаксической конструкции алгоритма к самой внутренней, в движении от общей формулировки алгоритма к частной формулировке составляющего его действия;
структурное проектирование заключается в замене словесной формулировки алгоритма на одну из синтаксических конструкций - последовательность, условие или цикл. При этом синтаксическая вложенность конструкций соответствует последовательности их проектирования и выполнения. Использование оператора перехода goto запрещается из принципиальных соображений;
пошаговое проектирование состоит в том, что на каждом этапе проектирования в текст программы вносится только одна конструкция языка, а составляющие ее компоненты остаются в неформальном, словесном описании, что предполагает аналогичные шаги в их проектировании.
Нисходящее пошаговое структурное проектирование алгоритма состоит в движении «от общего к частному» в процессе формулировки действий, выполняемых программой. В записи алгоритма это соответствует движению от внешней (объемлющей) конструкции к внутренней (вложенной). Конкретно в структурном программировании это выражается в том, что любая словесная формулировка действий (алгоритма) может быть заменена на одну из трех формальных конструкций языка программирования:
простая последовательности действий (блок);
конструкция выбора (выбора) (условный оператор);
конструкция повторения (оператор цикла).
Выбранная формальная конструкция представляет собой часть процесса перевода словесного описания алгоритма на формальный язык. Естественно, что эта конструкция не определяет полностью всего содержания алгоритма. Поэтому составными ее частями остаются словесные формулировки более конкретных (вложенных) действий. В результате проектирования получается программа, в которой принципиально отсутствует оператор перехода goto, поэтому структурное программирование иначе называется как программирование без goto.
Другое достоинство нисходящего проектирования: при обнаружении «тупика», то есть ошибки в логических рассуждениях можно вернуться на несколько уровней вверх и продолжить процесс проектирования в другом направлении.
Одновременное проектирование алгоритма и структур данных. При нисходящей пошаговой детализации программы необходимые для работы структуры данных и переменные появляются по мере перехода от неформальных определений к конструкциям языка, то есть процессы детализации алгоритма и данных идут параллельно. Однако это касается, прежде всего, отдельных локальных переменных и внутренних параметров. С самой общей точки зрения предмет (в нашем случае - данные) всегда первичен по отношению к выполняемым с ним действиям (в нашем случае -алгоритм). Поэтому способ организации данных в программе более существенно влияет на ее структуру алгоритма, чем что-либо другое, и процесс проектирования структур данных должен опережать процесс проектирования алгоритма их обработки.
Нисходящее пошаговое модульное тестирование. Кажется очевидным, что отлаживать можно только написанную программу. Но это далеко не так. Разработка программы по технологии структурного программирования может быть произведена не до конца. На нижних уровнях можно поставить «заглушки», воспроизводящие один и тот же требуемый результат, можно обойти в процессе отладки еще не написанные части, используя ограничения во входных данных. То же самое касается модульного программирования. Можно проверить уже разработанные функции на тестовых данных. Сказанное означает, что отладка программы может производиться в некоторой степени параллельно с ее детализацией.