7.4. Блочная структура

Блок — это объект, состоящий из объявлений и выполняемых операторов. Аналогичное определение было дано для тела подпрограммы, и точнее будет сказать, что тело подпрограммы — это блок. Блоки вообще и процедуры в ча­стности могут быть вложены один в другой. В этом разделе будут обсуждаться взаимосвязи вложенных блоков.

Блочная структура была сначала определена в языке Algol, который включает как процедуры, так и неименованные блоки. В языке Pascal есть вложенные процедуры, но нет неименованных блоков; в С есть неимено­ванные блоки, но нет вложенных процедур; a Ada поддерживает и то, и дру­гое.

Неименованные блоки полезны для ограничения области действия пере­менных, так как позволяют объявлять их, когда необходимо, а не только в на­чале подпрограммы. В свете современной тенденции уменьшения размера подпрограмм полезность неименованных блоков падает.

Вложенные процедуры можно использовать для группировки операторов, которые выполняются в нескольких местах внутри подпрограммы, но обра­щаются к локальным переменным и поэтому не могут быть внешними по от­ношению к подпрограмме. До того как были введены модули и объектно-ори­ентированное программирование, для структурирования больших программ использовались вложенные процедуры, но это запутывает программу и поэто­му не рекомендуется.

Ниже приведен пример полной Ada-программы:

procedure Mam is

Global: Integer;

procedure Proc(Parm: in Integer) is

Ada

Local: Integer;

begin

Global := Local + Parm;

end Proc;

begin -- Main

Global := 5;

Proc(7);

Proc(8);

end Main;

Ada-программа — это библиотечная процедура, то есть процедура, которая не включена внутрь никакого другого объекта и, следовательно, может хра­ниться в Ada-библиотеке. Процедура начинается с объявления процедуры Main, которое служит описанием интерфейса процедуры, в данном случае внешним именем программы. Внутри библиотечной процедуры есть два объ­явления: переменной Global и процедуры Ргос. После объявлений располага­ется последовательность исполняемых операторов главной процедуры. Дру­гими словами, процедура Main состоит из объявления процедуры и блока. Точно так же локальная процедура Ргос состоит из объявления процедуры (имени процедуры и параметров) и блока, содержащего объявления перемен­ных и исполняемые операторы. Говорят, что Ргос — процедура локальная для Main или вложенная внутри Main.

С каждым объявлением связаны три свойства.

Область действия. Область действия переменной — это сегмент програм­мы, в котором она определена.

Видимость. Переменная видима внутри некоторого подсегмента области действия, если к ней можно непосредственно обращаться по имени.

Время жизни. Время жизни переменной — это период выполнения про­граммы, в течение которого переменной выделена память.

Обратите внимание, что время жизни — динамическая характеристика по­ведения программы при выполнении, в то время как область действия и види­мость касаются исключительно статического текста программы.

Продемонстрируем эти абстрактные определения на приведенном выше примере. Область действия переменной начинается в точке объявления и за­канчивается в конце блока, в котором она определена. Область действия пе­ременной Global включает всю программу, тогда как область действия пере­менной Local ограничена отдельной процедурой. Формальный параметр Раrm рассматривается как локальная переменная, и его область действия также ог­раничена процедурой.

Видимость каждой переменной в этом примере идентична ее области дей­ствия; к каждой переменной можно непосредственно обращаться во всей ее области действия. Поскольку область действия и видимость переменной Local ограничены локальной процедурой, следующая запись недопустима:

Ada

begin — Main

Global := Local + 5; -- Local здесь вне области действия

end Main;

Однако область действия переменной Global включает локальную проце­дуру, поэтому обращение внутри процедуры корректно:

procedure Proc(Parm: in Integer) is

Local: Integer;

begin

Global := Local + Parm; --Global здесь в области действия

end Proc;

Время жизни переменной — от начала выполнения ее блока до конца выпол­нения этого блока. Блок процедуры Main — вся программа, поэтому перемен­ная Global существует на протяжении выполнения программы. Такая пере­менная называется статической: после того как ей отведена память, она су­ществует до конца программы. Локальная переменная имеет два времени жизни, соответствующие двум вызовам локальной процедуры. Так как эти интервалы не перекрываются, переменной каждый раз можно выделять но­вое место памяти. Локальные переменные называются автоматическими, по­тому что память для них автоматически выделяется при вызове процедуры (при входе в блок) и освобождается при возврате из процедуры (при выходе из блока).

Скрытые имена

Предположим, что имя переменной, которое используется в главной про­грамме, повторяется в объявлении в локальной процедуре:

procedure Mam is

Global: Integer;

V: Integer; -- Объявление в Main

procedure Proc(Parm: in Integer) is

Local: Integer;

V: Integer; -- Объявление в Proc

begin

Global := Local + Parm + V; -- Какое именно V используется?

end Proc;

begin -- Main

Global := Global + V; -- Какое именно V используется?

end Main;

В этом случае говорят, что локальное объявление скрывает (или перекрывает) глобальное объявление. Внутри процедуры любая ссылка на V является ссылкой на локально объявленную переменную. С технической точки зрения область действия глобальной переменной V простирается от точки объявления до конца Main, но она невидима в локальной процедуре Ргос.

Скрытие имен переменных внутренними объявлениями удобно тем, что программист может многократно использовать естественные имена типа Current_Key и не должен изобретать странно звучащие имена. Кроме того, всегда можно добавить глобальную переменную, не беспокоясь о том, что ее имя совпадет с именем какой-нибудь локальной переменной, которое ис­пользуется одним из программистов вашей группы. Недостаток же состоит в том, что имя переменной могло быть случайно перекрыто, особенно если ис­пользуются большие включаемые файлы для централизации глобальных объ­явлений, поэтому, вероятно, лучше избегать перекрытия имен переменных. Однако нет никаких возражений против многократного использования име­ни в разных областях действия, так как нельзя получить доступ к обеим пере­менным одновременно независимо от того, являются имена одинаковыми или разными:

procedure Main is

Ada

procedure Proc_1 is

Index: Integer; -- Одна область действия

…

endProc_1;

procedure Proc_2 is

Index: Integer; -- Неперекрывающаяся область действия

…

end Proc_2;

begin – Main

…

end Main;

Глубина вложения

Принципиальных ограничений на глубину вложения нет, но ее может произ­вольно ограничивать компилятор. Область действия и видимость определя­ются правилами, данными выше: область действия переменной — от точки ее объявления до конца блока, а видимость — такая же, если только не скрыта внутренним объявлением. Например:

procedure Main is

Ada

Global: Integer;

procedure Level_1 is

Local: Integer; -- Внешнее объявление Local

procedure Level_2 is

Local: Integer; --Внутреннее объявление Local

begin -- Level_2

Local := Global; -- Внутренняя Local скрывает внешнюю Local

end Level_2;

begin -- Level_1

Local := Global; -- Только внешняя Local в области действия

Level_2:

end Level_1;

begin -- Main

Level_1;

Level_2; -- Ошибка, процедура вне области действия

end Main;

Область действия переменной Local, определенной в процедуре Level_1, про­стирается до конца процедуры, но она скрыта внутри процедуры Level_2 объ­явлением того же самого имени.

Считается, что сами объявления процедуры имеют область действия и ви­димость, подобную объявлениям переменных. Таким образом, область дейст­вия Level_2 распространяется от ее объявления в Level_1 до конца Level_1. Это означает, что Level_1 может вызывать Level_2, даже если она не может обра­щаться к переменным внутри Level_2. С другой стороны, Main не может не­посредственно вызывать Level_2, так как она не может обращаться к объявле­ниям, которые являются локальными для Level_1.

Обратите внимание на возможность запутаться из-за того, что обращение к переменной Local в теле процедуры Level_1 отстоит от объявления этой переменной дальше по тексту программы, чем объявление Local, заключенной внутри процедуры Level_2. В случае многочисленных локальных процедур найти правильное объявление бывает трудно. Чтобы избежать путаницы, луч­ше всего ограничить глубину вложения двумя или тремя уровнями от уровня главной программы.

Преимущества и недостатки блочной структуры

Преимущество блочной структуры в том, что она обеспечивает простой и эф­фективный метод декомпозиции процедуры. Если вы избегаете чрезмерной вложенности и скрытых переменных, блочную структуру можно использовать для написания надежных программ, так как связанные локальные процедуры можно хранить и обслуживать вместе. Особенно важно блочное структуриро­вание при выполнении сложных вычислений:

procedure Proc(...) is

-- Большое количество объявлений

begin

-- Длинное вычисление 1

Ada

if N < 0 then

-- Длинное вычисление 2, вариант 1

elsif N = 0 then

-- Длинное вычисление 2, вариант 2

else

-- Длинное вычисление 2, вариант 3

end if;

-- Длинное вычисление 3

end Proc;

В этом примере мы хотели бы не записывать три раза Длинное вычисление 2, а оформить его как дополнительную процедуру с одним параметром:

procedure Proc(...) is

-- Большое количество объявлений

procedure Long_2(l: in Integer) is

begin

-- Здесь действуют объявления Proc

Ada

end Long_2;

begin

-- Длинное вычисление 1

if N<0thenl_ong_2(1);

elsif N = 0 then Long_2(2);

else Long_2(3);

end if;

-- Длинное вычисление З

end Proc;

Однако было бы чрезвычайно трудно сделать Long_2 независимой процеду­рой, потому что пришлось бы передавать десятки параметров, чтобы она мог­ла обращаться к локальным переменным. Если Long_2 — вложенная процеду­ра, то нужен только один параметр, а к другим объявлениям можно непосред­ственно обращаться в соответствии с обычными правилами для области дей­ствия и видимости.

Недостатки блочной структуры становятся очевидными, когда вы пыта­етесь запрограммировать большую систему на таком языке, как стандарт Pascal, в котором нет других средств декомпозиции программы.

• Небольшие процедуры получают чрезмерную «поддержку». Предполо­жим, что процедура, преобразующая десятичные цифры в шестнадцате-ричные, используется во многих глубоко вложенных процедурах. Такаясервисная процедура должна быть определена в некотором общем пред­шествующем элементе. На практике в больших программах с блочной структурой проявляется тенденция появления большого числа неболь­ших сервисных процедур, описанных на самом высоком уровне объявле­ний. Это делает текст программы неудобным для работы, потому что нужную программу бывает просто трудно разыскать.

• Защита данных скомпрометирована. Любая процедура, даже та, объявле­ние которой в структуре глубоко вложено, может иметь доступ к глобаль­ным переменным. В большой программе, разрабатываемой группой про­граммистов, это приводит к тому, что ошибки, сделанные младшим чле­ном группы, могут привести к скрытым ошибкам. Эту ситуацию можно сравнить с компанией, где каждый служащий может свободно обследо­вать сейф в офисе начальника, а начальник не имеет права проверять картотеки младших служащих!

Эти проблемы настолько серьезны, что каждая коммерческая реализация Pascal определяет (нестандартную) структуру модуля, чтобы иметь возмож­ность создавать большие проекты. В главе 13 мы подробно обсудим конструк­ции, которые применяются для декомпозиции программы в таких современ­ных языках, как Ada и C++. Однако блочная структура остается важным инс­трументом детализированного программирования отдельных модулей.

Понимать блочную структуру важно также и потому, что языки програм­мирования реализованы с использованием стековой архитектуры, которая непосредственно поддерживает блочную структуру (см. раздел 7.6).