-
Структурное и «неструктурное» программирование
Одним из способов обеспечения высокого уровня технологичности разрабатываемого программного обеспечения является структурное программирование.
Различают три вида вычислительного процесса, реализуемого программами: линейный, разветвленный и циклический.
Линейная структура процесса вычислений предполагает, что для получения результата необходимо выполнить некоторые операции в определенной последовательности.
Разветвленная структура процесса вычислений предполагает, что конкретная последовательность операций зависит от значений одной или нескольких переменных.
Циклическая структура процесса вычислений предполагает, что для получения результата некоторые действия необходимо выполнить несколько раз.
Для реализации указанных вычислительных процессов в программах используют соответствующие управляющие операторы. Первые процедурные языки программирования высокого уровня, такие, как FORTRAN, понятием «тип вычислительного процесса» не оперировали. Для изменения линейной последовательности операторов в них, как в языках низкого уровня, использовались команды условной (при выполнении некоторого условия) и безусловной передач управления. Потому и программы, написанные на этих языках, имели запутанную структуру, присущую в настоящее время только низкоуровневым (машинным) языкам.
Именно для изображения схем алгоритмов таких программ в свое время был разработан ГОСТ 19.701-90, согласно которому каждой группе действий ставится в соответствие специальный блок (табл. 2.3). Хотя этот стандарт предусматривает блоки для обозначения циклов, он не запрещает и произвольной передачи управления, т. е. допускает использование команд условной и безусловной передачи управления при реализации алгоритма.
В качестве примера, демонстрирующего особенности использования команд передачи управления для организации требуемого типа вычислительного процесса, рассмотрим программу на языке Ассемблера.
Пример 2.1 (вариант 1). Реализовать на языке Ассемблера подпрограмму поиска минимального элемента массива а(и). На рис. 2.2 приведен пример неудачной реализации этой подпрограммы. Стрелками показаны передачи управления. Даже с комментариями и стрелками понять хорошо известный алгоритм достаточно сложно.
После того, как в 60-х годах XX в. было доказано, что любой сколь угодно сложный алгоритм можно представить с использованием трех основных управляющих конструкций, в языках программирования высокого уровня появились управляющие операторы для реализации соответствующих конструкций. Эти три конструкции принято считать базовыми. К ним относят конструкции:
• следование - обозначает последовательное выполнение действий (рис. 2.3, а);
• ветвление - соответствует выбору одного из двух вариантов действий (рис. 2.3, б);
Помимо базовых, процедурные языки программирования высокого уровня обычно используют еще три конструкции, которые можно составить из базовых:
• выбор - обозначает выбор одного варианта из нескольких в зависимости от значения некоторой величины (рис. 2.4, а);
• цикл-do - обозначает повторение некоторых действий до выполнения заданного условия, проверка которого осуществляется после выполнения действий в цикле (рис. 2.4, б);
• цикл с заданным числом повторений (счетный цикл) - обозначает повторение некоторых действий указанное количество раз (рис. 2.4, в).
Любая из дополнительных конструкций легко реализуется через базовые. Перечисленные шесть конструкций были положены в основу структурного программирования.
Перечисленные шесть конструкций были положены в основу структурного программирования.
Примечание. Слово «структурное» в данном названии подчеркиваем тот факт, что при программировании использованы только перечисленные конструкции (структуры). Отсюда и понятие «программирование без go to».
Программы, написанные с использованием только структурных операторов передачи управления, называют структурными, чтобы подчеркнуть их отличие от программ, при проектировании или реализации которых использовались низкоуровневые способы передачи управления.
Несмотря на то, что Ассемблер не предусматривает соответствующих конструкций, «структурно» можно программировать и на нем. Вернемся к примеру 2.1.
Пример 2.1 (вариант 2). Поскольку реализуемый цикл по типу «счетный» с количеством повторений п-1, используем соответствующую команду Ассемблера. Уберем и усложняющий понимание возврат на метку less, заменив его дубликатом команды сохранения текущего максимального элемента.
Полученный в результате «структурированный» вариант программы поиска максимального элемента массива приведен на рис
2.5. Единственный возврат реализует циклический процесс, а передача управления на следующие команды - ветвление.
Представление алгоритма программы в виде схемы с точки зрения структурного программирования имеет два недостатка:
• предполагает слишком низкий уровень детализации, что часто скрывает суть сложных алгоритмов;
• позволяет использовать неструктурные способы передачи управления, причем часто на схеме алгоритма они выглядят проще, чем эквивалентные структурные.
Классическим примером последнего является организация поискового цикла с использованием неструктурной передачи управления (рис. 2.6, а) и эквивалентный структурный вариант (рис. 2.6, б).
Кроме схем, для описания алгоритмов можно использовать псевдокоды, Flow-формы и диаграммы Насси-Шнейдермана. Все перечисленные нотации с одной стороны базируются на тех же основных структурах, что и структурное программирование, а с другой - допускают разные уровни детализации.
Псевдокоды. Псевдокод - формализованное текстовое описание алгоритма (текстовая нотация). В литературе были предложены несколько вариантов псевдокодов. Один из них приведен в табл. 2.4.
Описать с помощью псевдокодов неструктурный алгоритм невозможно. Использование псевдокодов изначально ориентирует проектировщика только на структурные способы передачи управления, а потому требует более тщательного анализа разрабатываемого алгоритма. В отличие от схем алгоритмов, псевдокоды не ограничивают степень детализации проектируемых операций. Они позволяют соизмерять степень детализации действия с уровнем абстракции, на котором это действие рассматривают, и хорошо согласуются с основным методом структурного программирования - методом пошаговой детализации.
Flow-формы. Flow-формы представляют собой графическую нотацию описания структурных алгоритмов, которая иллюстрирует вложенность структур. Каждый символ Flow-формы соответствует управляющей структуре и изображается в виде прямоугольника. Для демонстрации вложенности структур символ Flow-формы может быть вписан в соответствующую область прямоугольника любого другого символа. В прямоугольниках символов содержится текст на естественном языке или в математической нотации
Размер прямоугольника определяется длиной вписанного в него текста и размерами вложенных прямоугольников. Символы Flow-форм, соответствующие основным и дополнительным управляющим конструкциям, приведены на рис. 2.7.
На рис. 2.8 представлено описание рассмотренного ранее поискового цикла с использованием Flow-формы. Хорошо видны вложенность и следование конструкций, изображенных прямоугольниками.
Диаграммы Насси-Шнейдермана. Диаграммы Насси-Шнейдермана являются развитием Flow-форм. Основное их отличие от Flow-форм заключается в том, что область обозначения условий и вариантов ветвления изображают в виде треугольников (рис. 2.9). Такое обозначение обеспечивает большую наглядность представления алгоритма.
Также, как при использовании псевдокодов, описать неструктурный алгоритм, применяя Flow-формы или диаграммы Насси-Шнейдермана, невозможно (для неструктурных передач управления в этих нотациях просто отсутствуют условные обозначения). В то же время, являясь графическими, эти нотации лучше отображают вложенность конструкций, чем псевдокоды.
Общим недостатком Flow-форм и диаграмм Насси-Шнейдермана является сложность построения изображений символов, что усложняет практическое применение этих нотаций для описания больших алгоритмов.