Технологии создания программного обеспечения. Модульный, структурный и объективный подходы к проектированию и программированию Смотреть что такое "Структурное программирование" в других словарях

Программирование - сравнительно молодая и быстро развивающаяся отрасль науки и техники. Опыт ведения реальных разработок и совершенствования имеющихся программных и технических средств постоянно переосмысливается, в результате чего появляются новые методы, методологии и технологии, которые, в свою очередь, служат основой более современных средств разработки программного обеспечения. Исследовать процессы создания новых технологий и определять их основные тенденции целесообразно, сопоставляя эти технологии с уровнем развития программирования и особенностями имеющихся в распоряжении программистов программных и аппаратных средств.

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.

Кроме набора операций и их последовательности, технология также определяет способ описания проектируемой системы, точнее модели, используемой на конкретном этапе разработки.

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. Это приводит к более полной локализации данных и интегрированию их с подпрограммами обработки, что позволяет вести практически независимую разработку отдельных частей (объектов) программы. 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. При использовании визуальной среды у программиста появляется возможность проектировать некоторую часть, например, интерфейсы будущего продукта, с применением визуальных средств добавления и настройки специальных библиотечных компонентов. Результатом визуального проектирования является заготовка будущей программы, в которую уже внесены соответствующие коды.

Можно дать обобщающее определение: объект ООП - это совокупность переменных состояния и связанных с ними методов (операций). Упомянутые методы определяют, как объект взаимодействует с окружающим миром.

Под методами объекта понимают процедуры и функции, объявление которых включено в описание объекта и которые выполняют действия. Возможность управлять состояниями объекта посредством вызова методов в итоге и определяет поведение объекта. Эту совокупность методов часто называют интерфейсом объекта.

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 .

"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.

Структурное программирование - это определенные общие принципы и правила проектирования, разработки и оформления программ с целью облегчения процессов их создания и тестирования, повышения производительности труда программистов и улучшения читабельности результирующей программы. Структура программы и алгоритм решения задачи должны быть легкими для понимания, простыми для доказательства правильности и удобными для модификации. По своей сути структурный подход есть отказ от беспорядочного стиля в алгоритмизации и программировании (в частности, отказ от оператора goto) и определение ограниченного числа стандартных приемов построения легко читаемых алгоритмов и программ с ясно выраженной структурой, что особенно важно при разработке больших программных систем.

Опыт применения методов структурного программирования при разработке, например, ряда сложных операционных систем показывает, что правильность логической структуры системы в этом случае легко поддается доказательству, а сама система допускает достаточно полное тестирование. Уменьшение трудностей отладки и тестирования программ приводит к увеличению производительности труда программистов, поскольку на тестирование программы тратится от трети до половины времени ее разработки. Производительность труда программиста обычно измеряется числом отлаженных операторов, которые он может написать за день. Приближенные оценки показывают, что применение методов структурного программирования позволяет увеличить это число в 5-6 раз. Также нужно сказать, что структурное программирование предполагает определенную организацию самого процесса программирования и определенную технологию проектирования программ, что также положительно влияет на производительность труда программистов.

Основы структурного программирования. Теоретическим фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании , из которой следует, что алгоритм (программа) решения любой практически вычислимой задачи может быть представлен с использованием трех элементарных базисных управляющих структур: структуры следования (последовательности); структуры ветвления, структуры цикла, изображенных на рис. 6.5-6.7 соответственно, где Р - условие, S - оператор.

Структура следования представляет собой естественный ход выполнения алгоритма - любую последовательность операторов, выполняющихся друг за другом (см. рис. 6.5). В языке программирования это соответствует последовательности операторов ввода, вывода и операторов присваивания.

Представляет фактор принятия решения, включает проверку некоторого логического условия Р и, в зависимости от результатов этой проверки, выполнение оператора S1 либо оператора S2. В языках программирования (например, Pascal) реализуется оператором if Р then SI else S2 (см. рис. 6.6).

Структура цикла (цикла с предусловием) представляет фактор повторяемости вычислений, обеспечивает многократное повторение выполнения оператора S, пока выполняется (истинно) логическое

Рис. 6.5. Структура следования

Рис. 6.6.

условие Р. В языках программирования (например, Pascal) реализуется оператором while Р do S (см. рис. 6.7).

Базисный набор управляющих структур является функционально полным, т.е. с его помощью можно создать любой сколь угодно сложный алгоритм, однако с целью создания более компактных и наглядных алгоритмов и программ используются дополнительные управляющие структуры: структура сокращенного ветвления; структура варианта или многоальтернативного выбора; структура цикла с параметром; структура цикла с постусловием. В разных языках программирования реализация базовых управляющих структур может быть различной, например в языке Pascal реализованы все предлагаемые структуры.

Любая программа может быть построена посредством композиции базисных структур: либо путем их последовательного соединения - образования последовательных конструкций, либо путем их вложения друг в друга - образования вложенных конструкций.

Каждая из структур может рассматриваться как один функциональный блок с одним входом и одним выходом. Блоки S, SI, S2, входящие в состав базисных управляющих структур, сами могут быть одной из них, поэтому возможны вложенные конструкции. Однако, какова бы ни была степень и глубина «вложенности», важно, что любая конструкция в конечном итоге имеет один вход и один выход. Следовательно, любую сложную структуру можно рассматривать как «черный ящик» с одним входом и одним выходом. Таким образом, можно ввести преобразование любой структуры в функциональный блок. Тогда всякий алгоритм, составленный из стандартных структур, поддается последовательному преобразованию к единственному функциональному блоку, и эта последовательность преобразований может быть использована как средство понимания алгоритма и доказательства его правильности. Обратная последовательность преобразований может быть использована в процессе проектирования алгоритма с постепенным раскрытием единственного функционального блока в сложную структуру основных элементов.

Для структурирования и понимания больших по объему программ используются также дополнительные структурные средства, которые поддерживают модульный принцип разработки ПС: это подпрограммы и модули. Использование аппарата подпрограмм (процедур и функций) - это возможность выделять в самостоятельные программные единицы со своими входными и выходными данными отдельные (часто повторяющиеся) участки кода для последующего многократного вызова их из различных точек программы и других подпрограмм. Модуль представляет собой автономно компилируемую библиотеку описаний типов, данных, процедур и функций, что позволяет группировать описания данных и подпрограмм по их функциям и назначению согласно одному из основных принципов структурного программирования - разбиения больших задач на подзадачи.

Методика разработки программ. Распространены две методики (стратегии) разработки программ, относящиеся к структурному программированию: программирование «сверху вниз»; программирование «снизу вверх».

Программирование «сверху вниз», или нисходящее проектирование программ , - это методика разработки программ, при которой разработка начинается с определения целей решения проблемы, после чего идет последовательная детализация, заканчивающаяся детальной программой. Сначала выделяется несколько самых глобальных задач, решение которых может быть представлено в общей структуре функционально независимыми блоками. Разработку логической структуры каждого такого блока и ее модификацию можно осуществлять независимо от остальных блоков. На этом первом этапе проекта раскрываются наиболее важные и существенные связи, определяется функциональное назначение каждого блока, его входные и выходные данные. На последующих этапах проектирования уточняется (детализируется) логическая структура отдельных функциональных блоков общей схемы, что также может осуществляться в несколько этапов детализации вплоть до простейших инструкций. На каждом этапе проекта выполняются многократные проверки и исправления.

Подобный подход является достаточно рациональным, позволяет значительно ускорить процесс разработки сложных программных проектов и в значительной мере избежать ошибочных решений. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы (модули) не реализовывать сразу, а временно отложить их разработку, пока не будут закончены другие части. Например, если имеется необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, реализуется временно одним оператором, который просто присваивает нужное значение. Когда все приложение будет написано и отлажено, можно приступить к реализации этой сложной функции.

Программирование «снизу вверх», или восходящее проектирование программ, - это методика разработки программ, начинающаяся с разработки подпрограмм (процедур, функций), в то время когда проработка общей схемы не закончилась. Такая методика является менее предпочтительной по сравнению с нисходящим проектированием, так как часто приводит к нежелательным результатам, переписыванию кода и увеличению времени разработки. Ее использование может быть целесообразным, когда новый проект использует известные частные решения.

Общие принципы разработки программных проектов. Использование технологии структурного программирования при разработке серьезных программных проектов основано на следующих принципах:

программирование должно осуществляться «сверху вниз»;
весь проект должен быть разбит на модули/подпрограммы с одним входом и одним выходом;
любая подпрограмма должна допускать только три основные структуры: последовательное выполнение операторов, ветвление и цикл;
недопустим оператор безусловной передачи управления goto;
документация должна создаваться одновременно с программированием, частично в виде комментариев к программе. Применение принципов и методов структурного программирования позволяет повысить надежность программ (благодаря хорошему структурированию при проектировании программа легко поддается тестированию и отладке) и их эффективность (структурирование программы позволяет легко находить и корректировать ошибки, а отдельные подпрограммы можно переделывать/модифицировать независимо от других), уменьшить время и стоимость программной разработки, улучшить читабельность программ.

Начало информационного этапа

Развитие человечества все больше и больше наталкивало величайшие умы на мысли об автоматизации некоторых процессов. Начало этапа программирования приписывается по разным источникам нескольким периодам в промежутке от начала 19 до середины 20 веков. За эти десятилетия появилось множество методик написания исходного кода. Каждая из них кардинально отличается своими принципами и идеями. Рассмотрим структурное программирование, появившееся в 70-х годах прошлого столетия.

Немного истории

До возникновения этой методики весьма распространенным был ассемблер - язык, оперирующий простейшими командами, которые после транслировались в машинный код, понятный непосредственно ЭВМ. Такой подход был использован только для написания сравнительно небольших программ. Кроме того, разобраться в чужом коде было крайне сложно, если не сказать - невозможно. Но с появлением новой методологии процесс разработки пошел куда быстрее.

Основные принципы структурного программирования

Рассмотрим подробно основные моменты структурного подхода.

1. Исходный код имеет модульную структуру. Это значит, что программа фактически разбита на более мелкие единицы - функции и процедуры. Эти подпрограммы могут быть вызваны из любого места разработки. Процедуры - выделенные участки кода, имеющие название и выполняющие конкретные действия, заданные алгоритмом. Функции вдобавок к этим возможностям реализуют вычисление некоторых переменных, а также имеют возвращаемое значение, которое может быть использовано в основной части программы. Кроме того, некоторые языки поддерживают рекурсию - вызов из "самой себя". Для решения задач это может быть эффективным, однако часто приводит к зацикливанию.

2. Сверху-вниз или снизу-вверх. Структурное программирование поддерживает несколько направлений. Последовательное определение целей, задачи и их реализация по ходу исходного кода - подход "сверху-вниз". Такая методика наиболее понятна с точки зрения исследования написанной программы и обнаружения "узких мест". Однако существует и другая сторона - подход "снизу-вверх". Обычно он используется, когда точный алгоритм программы еще не разработан, но уже есть возможность для написания отдельных подпрограмм, реализующих конкретные действия.

3. Управляющие элементы. Структурное программирование избавилось от некоторых "ассемблерных" подходов. В низкоуровневневых языках часто используется безусловный переход (goto), который достаточно сложно отследить и контролировать. Структурный подход к программированию вместо этого использует следующие элементы: цикл, условие и последовательность.

Языки программирования

С разработкой данной методологии стали появляться и развиваться языки программирования. Структурный подход реализуют такие известные из них, как Pascal (Паскаль), C (Си), а также более устаревший - Algol (Алгол).

Эпилог

В свое время структурное программирование имело довольно большое распространение в среде информационных технологий и помогало решать сложнейшие на тот период задачи. Однако жизнь не стоит на месте, и технический прогресс требует свежих идей.

функциональном подходе к программированию.

Прежде всего, обратимся к истории фундаментальных математических исследований, которые привели к появлению функционального подхода к программированию.

Время появления теоретических работ , обосновывающих функциональный подход , относится к 20-м – 30-м годам XX столетия. Как мы убедимся впоследствии, теория часто значительно опережает практику программирования, и важнейшие работы, которые сформировали математическую основу подхода, были написаны задолго до появления компьютеров и языков программирования, которые потенциально могли бы реализовать эту теорию.

Что касается первой реализации, то она появилась в 50-х годах XX столетия в форме языка LISP , о котором речь пойдет далее.

Напомним, что важнейшей характеристикой функционального подхода является то обстоятельство, что всякая программа , разработанная на языке функционального программирования, может рассматриваться как функция , аргументы которой, возможно, также являются функциями .

Функциональный подход породил целое семейство языков, родоначальником которых, как уже отмечалось, стал язык программирования LISP . Позднее, в 70-х годах, был разработан первоначальный вариант языка ML, который впоследствии развился, в частности, в SML , а также ряд других языков. Из них, пожалуй, самым "молодым" является созданный уже совсем недавно, в 90-х годах, язык Haskell.

Важным преимуществом реализации языков функционального программирования является автоматизированное динамическое распределение памяти компьютера для хранения данных. При этом программист избавляется от необходимости контролировать данные, а если потребуется, может запустить функцию "сборки мусора" – очистки памяти от тех данных, которые больше не понадобятся программе.

Сложные программы при функциональном подходе строятся посредством агрегирования функций . При этом текст программы представляет собой функцию , некоторые аргументы которой можно также рассматривать как функции . Таким образом, повторное использование кода сводится к вызову ранее описанной функции , структура которой, в отличие от процедуры императивного языка , математически прозрачна.

Поскольку функция является естественным формализмом для языков функционального программирования, реализация различных аспектов программирования, связанных с функциями , существенно упрощается. Интуитивно прозрачным становится написание рекурсивных функций , т.е. функций , вызывающих самих себя в качестве аргумента. Естественной становится и реализация обработки рекурсивных структур данных .

Благодаря реализации механизма сопоставления с образцом , такие языки функционального программирования как ML и Haskell хорошо использовать для символьной обработки.

Естественно, языки функционального программирования не лишены и некоторых недостатков.

Часто к ним относят нелинейную структуру программы и относительно невысокую эффективность реализации . Однако первый недостаток достаточно субъективен, а второй успешно преодолен современными реализациями, в частности, рядом последних трансляторов языка SML , включая и компилятор для среды Microsoft . NET .

Для профессиональной разработки программного обеспечения на языках функционального программирования необходимо глубоко понимать природу функции . Исследованию закономерностей и особенностей природы функции в основном и посвящены лекции 2 – 12 данного курса.

Заметим, что под термином " функция " в математической формализации и программной реализации имеются в виду различные понятия.

Так, математической функцией f с областью определения A и областью значений B называется множество упорядоченных пар

таких, что если

b 1 = b 2 .

В свою очередь , функцией в языке программирования называется конструкция этого языка, описывающая правила преобразования аргумента (так называемого фактического параметра) в результат.

Для формализации понятия "

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Модульный, структурный и объективный подходы к проектированию и программированию

Введение

2.1.2 Структурный подход

2.2.2 Модульный подход

Заключение

программирование управление проектирование

Введение

Программирование - сравнительно молодая и быстро развивающаяся отрасль науки и техники. Опыт ведения реальных разработок и совершенствования имеющихся программных и технических средств постоянно переосмысливается, в результате чего появляются новые методы, методологии и технологии, которые, в свою очередь, служат основой более современных средств разработки программного обеспечения. Исследовать процессы создания новых технологий и определять их основные тенденции целесообразно, сопоставляя эти технологии с уровнем развития программирования и особенностями имеющихся в распоряжении программистов программных и аппаратных средств.

Технологии программирования - это апробированные стратегии создания программ, которые излагаются в виде методик с информационными фондами, описаниями проектных процедур и проектных операций. Существуют технология структурного программирования, технология проектирования программ с рациональной структурой данных, технология объектно-ориентированного программирования, технология визуального программирования.

В каждой из этих технологий используется одна или несколько парадигм программирования (концепций, систем взглядов). Последние представляют собой разные подходы к написанию программ. Для каждой из них необходимы: свой тип мышления, особая школа обучения, приемы и способы программирования, определяемые используемым языком.

А между тем эволюция программного обеспечения, эволюция компьютеров, со всей очевидностью свидетельствует о том, что именно в этой сфере наиболее ярко проявляются законы эволюции, законы иерархии. Предшествующее поколение программистов обучалось программированию непосредственно программированием. Программисты мыслили абстрактными категориями (машинными двоичными кодами). Пользователь получал результат, не зная хода (пути) решения задачи. Выход из тупика вначале был найден на пути структурного (модульного) программирования, при котором задача расчленялась на блоки (модули), из которых потом складывалась та или иная программа. Формировались библиотеки стандартных программ, из которых, как из кирпичиков, строились другие программы. Здесь уже начал возникать совершенно новый механизм (в программировании, но не в математике и др. науках), при котором на некоторый стандартный набор кирпичиков отражалось бесконечное число пространственных «образов». Последовательное прохождение дерева конкретного «образа» программы, с использованием некоторого набора конкретных базисных элементов, приводило к получению конкретного результата. В программировании стал развиваться естественный механизм, который по своим возможностям можно сравнить, пожалуй, только с мозгом человека. При этом одни и те же кирпичики могли использоваться многократно, не только в рамках одного образа, но и при создании других компьютерных образов. Сами же кирпичики являлись листьями конкретных «образов». При этом, чем сложнее сеть деревьев с образами, тем сильнее будут возможности находить и определять «аналогичные» образы, тем больше у компьютера будет «интеллектуальных» возможностей.

Таким образом, прогресс в вычислительной технике обязан, прежде всего, тому, что человек, не зная об этом, скопировал у природы самый оптимальный способ организации иерархических систем. Целью работы является рассмотрение различных стратегий создания программ, их методов, преимуществ и недостатков (на примере программирования на языке Pascal). Объектом исследования является стратегия создания программ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Рассмотреть различные подходы программирования и проектирования;

Применить каждый из подходов при реализации прикладной задачи.

1. Технологии и парадигмы программирования

1.1 Эволюция парадигмы программирования

Одним из ярчайших примеров торжества идей законов иерархии может служить эволюция вычислительной техники и, в первую очередь, программного обеспечения компьютеров.

Программное обеспечение компьютеров появилось позднее аппаратного. По мере увеличения сложности аппаратуры возрастали и возможности программного обеспечения. Были созданы ассемблеры, компиляторы, операционные системы и системы управления базами данных. Хотя в основе ряда дисциплин, смежных с вычислительной техникой, например, математической логики, лингвистики, теории автоматов и др., лежит математика, у большинства специалистов до сих пор был и остается подход к разработке программного обеспечения скорее прагматический, нежели теоретический.

Существуют четыре основные парадигмы, которые описывают большинство сегодняшних методов программирования: императивная, аппликативная, основанная на системе правил и объектно-ориентированная.

Императивная парадигма (лежит в основе структурного, модульного подхода). Эта модель вытекает из особенностей аппаратной части стандартного компьютера, выполняющей инструкции (команды) последовательно. Основным видом абстракции, используемым в данной парадигме, являются алгоритмы. На основе ее разработано множество операторно-ориентированных языков программирования. Программа на таком языке состоит из последовательности операторов, выполнение каждого из которых влечет за собой изменение значения в одной или нескольких ячейках памяти. В целом синтаксис такого языка имеет вид:

Оператор_1:

Оператор_2:

Обычно при первом знакомстве с концепциями программирования приходиться сталкиваются именно с этой моделью, и многие широко распространенные языки поддерживают именно ее (например, С, C++, FORTRAN, ALGOL, PL/I, Pascal, Ada, Smalltalk и COBOL).

Аппликативная парадигма. Представляет собой другой взгляд на вычисления, производимые с помощью языка программирования. В основу этой парадигмы положено рассмотрение функции, которую выполняет программа. Здесь не рассматривается последовательность состояний, через которые должна пройти вычислительная машина. Вопрос ставится по-другому: какую функцию необходимо применить к начальному состоянию машины (путем выбора начального набора переменных и комбинирования их определенным образом), чтобы получить желаемый результат?

Языки, в которых акцентирован именно этот взгляд на вычисления, называются аппликативными, или функциональными. Синтаксис такого языка, как правило, выглядит следующим образом:

Функция_n (... функция_2 (функция_1 (данные))...)

Такую модель поддерживают такие языки как ML и LISP.

Парадигма, основанная на системе правил. Языки, основанные на этой парадигме, осуществляют проверку наличия необходимого разрешающего условия и в случае его обнаружения выполняют соответствующее действие. Наиболее известным языком, основанным на системе правил, является Prolog. Он называется также языком логического программирования.

Выполнение программы на подобном языке похоже на выполнение программы, написанной на императивном языке. Однако операторы выполняются не в той последовательности, в которой они определены в программе. Порядок выполнения определяют разрешающие условия. Синтаксис таких языков выглядит следующим образом:

разрешающее условие_1 --> действие_1 разрешающее условие_2 --> действие__2

разрешающее условие_n --> действие _n

Иногда правила записываются в виде «действие if разрешающее условие», когда выполняемое действие записывается слева.

Объектно-ориентированная парадигма (в основе объектного подхода). В этой модели строятся сложные объекты данных. Для операций над ними определяется некоторый ограниченный набор методов. Создаваемые объекты могут наследовать свойства более простых объектов. Благодаря такой возможности объектно-ориентированные программы имеют высокую эффективность, свойственную программам, написанным на императивных языках. Возможность разработки различных классов, которые используют ограниченный набор объектов данных, обусловливает гибкость и надежность, которые свойственны аппликативному языку.

Существуют и другие парадигмы, что объясняется необходимостью решать разные задачи. Нельзя считать какую-либо парадигму наилучшей во всех областях практического применения. Например, для вычислительных задач более пригодна императивная парадигма, а для проектирования интеллектуальных систем применяется парадигма, ориентированная на правила. В последние годы особую популярность приобрела парадигма визуального программирования.

1.2 Структуры управления и подпрограммы

Теория первичных программ была предложена Маддуксом в качестве обобщения методологии структурного программирования для определения однозначной иерархической декомпозиции блок-схем. В этой теории предполагается, что графы программ могут содержать три класса узлов (рисунок 1):

а) функциональные узлы - представляют вычисления, производимые программой, и изображаются прямоугольниками с одной входящей в этот узел дугой и одной выходящей. Функциональные узлы представляют операторы присваивания, выполнение которых вызывает изменение состояния виртуальной машины;

б) узлы принятия решения - изображаются в виде ромбов с одной входящей дутой и двумя выходящими (истина и ложь). Эти узлы представляют предикаты, и управление из узла принятия решения передается дальше либо по ветви истина, либо по ветви ложь;

в) узел соединения - представляется в виде точки, в которой сходятся две дуги графа, чтобы сформировать одну выходную дугу.

Рисунок 1 Узлы на графе программы

Любая блок-схема состоит только из этих трех компонентов.

Правильная программа - блок-схема, являющаяся некоторой формальной моделью структуры управления, которая имеет: одну входящую дугу; одну выходящую дугу; путь от входящей дуги к любому узлу и из любого узла - к выходящей дуге.

Первичная программа является правильной программой, которую нельзя разделить на более мелкие правильные программы. Исключением из этого правила является последовательность функциональных узлов, которая считается одной первичной программой.

2. Эволюция подходов к проектированию и программированию

2.1 Структурный подход к проектированию и программированию

2.1.1 Понятие структурного программирования

Исторически сложилось так, что императивные языки в настоящее время доминируют в программировании. Однако исследования, проведенные в 70-80-х годах XX века, показали, что аппликативная методика обеспечивает более эффективные способы верификации программ и доказательство их корректности. Это видно из блок-схемы, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 Типичная блок-схема программы 60-х годов

60-е годы прошлого столетия характеризуются как период «стихийного» программирования. В этот период отсутствовало понятие структуры программы, типов данных и т.д. Вследствие этого код получался запутанным, противоречивым. Программирование тех лет считалось искусством. Конец 60-х - кризис в программирование.

Выход из этого кризиса - переход к структурной парадигме программирования. На рисунке 2 изображена блок-схема, типичная для программ 60-х годов XX века. В ней нет никакой явной структуры. Такие программы называют про-граммами-спагетти. Из-за большого числа нерациональных передач управления назад и вперед трудно понять, каково состояние программы в каждый момент времени в процессе ее выполнения.

На рисунке 3 приведена более структурированная конструкция. Каждый сегмент данной блок-схемы можно заключить в пунктирный прямоугольник. Каждый из таких прямоугольников на этой схеме будет иметь одну точку входа и одну точку выхода. Эту программу можно рассматривать как композицию четырех функций-подпрограмм, и поведение программы можно определить как функцию, которая получает данное состояние на входе выделенного пунктиром прямоугольника и преобразует его в результирующее состояние на выходе из него. Писать сложные программы в тысячи и десятки тысяч строк без расчленения на самостоятельные фрагменты, т.е. без структурирования, просто невозможно.

Структурное программирование - подход, при котором для передачи управления в программе используются только три конструкции, допускающих последовательную, условную и итеративную передачи управления.

При этом безусловная передача управления, например, оператором goto запрещается.

В результате каждая сложная команда в программе, являющаяся комбинацией последовательных, условных и циклических операторов, имеет только одну точку входа и одну точку выхода, что дает возможность разбиения программы на относительно самостоятельные фрагменты.

Рисунок 3 Блок-схема программы структурированной конструкции

Структурное программирование является результатом применения аппликативных методов к императивным программам. Для этого используются процедурно-ориентированные языки, в которых имеется возможность описания программы как совокупности процедур. Процедуры могут вызывать друг друга, и каждая из них может быть вызвана основной программой, которую также можно рассматривать как процедуру.

2.1.2 Структурный подход

Структурный подход к программированию представляет собой совокупность рекомендуемых технологических приемов, охватывающих выполнение всех этапов разработки программного обеспечения. Его внедрение обеспечивает:

а) повышение производительности труда программистов при написании и контроле программ;

б) получение программ, которые более пригодны для сопровождения, так как состоят из отдельных модулей;

в) создание программ коллективом разработчиков;

г) окончание создания программ в заданный срок.

В структурированных программах обычно легко прослеживается основной алгоритм, они удобнее в отладке и менее чувствительны к ошибкам программирования. Эти свойства являются следствием важной особенности подпрограмм, каждая из которых представляет собой во многом самостоятельный фрагмент программы, связанный с основной программой лишь с помощью нескольких параметров. Такая самостоятельность подпрограмм позволяет локализовать в них все детали программной реализации того или иного алгоритмического действия, и поэтому изменение этих деталей, например в процессе отладки, обычно не приводит к изменениям основной программы.

Концепция структурного программирования предполагает разбиение программы на отдельные компоненты согласно принципу утаивания информации.

Принцип утаивания информации заключается в том, что идентификаторы локальных объектов (имена констант, типов, переменных, процедур, функций, меток, и полей в записях переменных), то есть тех, которые используются только внутри заданной последовательности инструкций, не должны иметь смысла за пределами этих инструкций.

Процедуры и функции выступают как естественные текстовые единицы, с помощью которых ограничивается область существования локальных идентификаторов.

Идентификатором называется строка символов, используемая для идентификации или именованная (последовательность букв, цифр и знаков подчеркивания, которая начинается с буквы или символа подчеркивания и не содержит пробелов).

Областью видимости (действия) идентификатора называется часть программы, где он может быть использован.

Область видимости идентификаторов определяется местом их объявления. Если идентификаторы допускается использовать только в рамках одной процедуры или функции, то такие идентификаторы называются локальными. Если действие идентификаторов распространяется на несколько вложенных (не менее одной) процедур и/или функций, то такие идентификаторы называются глобальными. Правила определения области видимости для идентификаторов состоят в следующем:

а) действуют все идентификаторы, определенные внутри процедуры/функции;

б) действуют все идентификаторы окружающего контекста, если их имена отличаются от имен, объявленных внутри процедуры/функции;

в) локальные идентификаторы процедуры/функции во внешнем окружении не действуют никогда;

г) в случае совпадения имен глобального и локального идентификаторов действует только внутренний, локальный идентификатор, независимо от того совпадают они по типу, или нет.

2.1.3 Методы структурного проектирования

При проектировании любого изделия, в том числе и алгоритма, на ранних стадиях основное внимание обращается на самые главные проблемы, и искусственно упускаются из виду многие частные детали. Поэтому наиболее общая тактика проектирования состоит в разложении процесса на отдельные действия. В основе структурного подхода лежит декомпозиция (разбиение на части) сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших подпрограмм. С появлением других принципов декомпозиции (объектного, логического и т.д.) данный способ получил название процедурной декомпозиции. На каждом таком шаге декомпозиции нужно удостовериться, что:

а) решения частных задач приводят к решению общей задачи;

б) данная последовательность отдельных действий наиболее рациональна;

в) осуществленная декомпозиция позволяет получить инструкции, по своему смыслу наиболее близкие к языку, на котором впоследствии будет написана программа.

Нисходящий подход к проектированию программных систем. В соответствии с этим методом создание программы начинается сверху, т.е. с разработки самого главного, генерального алгоритма. Так как на верхнем уровне обычно еще не ясны детали реализации той или иной части программы, то эти части следует заменить временными заглушками.

Прогон незаконченной программы (перед заменой заглушек реально работающими процедурами) дает определенную уверенность перед разработкой и реализацией алгоритмов нижнего уровня. Если реализуемый в заглушке алгоритм достаточно сложен, его вновь структурируют, выделяя главный алгоритм и применяя новые заглушки и т.д. (Заглушка - заменяющая компонента, которая временно используется в программе с тем, чтобы можно было продолжать ее разработку, т.е. компилирование или тестирование, до того времени, когда эта компонента будет сделана в надлежащем виде). Процесс продолжается вниз до тех пор, пока не будет создан полностью работоспособный вариант программы.

На практике «чистую» нисходящую разработку осуществить невозможно. На одной из более поздних стадий часто обнаруживается, что некоторый выбор, сделанный ранее, был неадекватным и это приводит к необходимости итеративной разработки.

Восходящий подход к разработке программ. В этом случае осуществляется последовательное построение программы из уже имеющихся элементов, начиная с примитивов, предоставляемых выбранным языком программирования. Этот процесс заканчивается получением требуемой готовой программы. На каждом этапе из имеющихся элементов строятся более мощные элементы. Эти элементы будут использоваться на следующем этапе для построения еще более мощных элементов, и так далее до тех пор, пока не будут получены элементы, из которых можно непосредственно составить требуемую программу.

На практике восходящая разработка в чистом виде также как и нисходящая невозможна. Построение каждого нового элемента должно сопровождаться просмотром вперед с целью проверки, удовлетворяет ли он требованиям к разрабатываемой программе; но даже и при таком подходе на более позднем этапе часто обнаруживается, что использованная ранее последовательность построения была выбрана неправильно и требуется новая итерация.

При конструировании новых алгоритмов обычно доминирует нисходящий метод. При адаптации программ к несколько измененным требованиям предпочтение зачастую отдается восходящему методу. Оба этих метода позволяют разрабатывать структурированные программы.

Поддержка принципов структурного проектирования была заложена в основу так называемых процедурных языков программирования. Как правило, они включали основные «структурные» операторы передачи управления, поддерживали вложение подпрограмм, локализацию и ограничение области «видимости» данных. Среди наиболее известных языков этой группы стоит назвать PL/1, ALGOL-68, Pascal, С.

Дальнейший рост сложности и размеров разрабатываемого программного обеспечения потребовал развития структурирования данных. Как следствие этого в языках появляется возможность определения пользовательских типов данных. Одновременно усилилось стремление разграничить доступ к глобальным данным программы, чтобы уменьшить количество ошибок, возникающих при работе с глобальными данными. В результате появилась и стала развиваться технология модульного программирования.

2.2 Модульный подход к проектированию и программированию

2.2.1 Понятие модульного программирования

Модульное программирование - это организация программы как совокупности небольших независимых блоков (модулей), структура и поведение которых подчиняется определенным заранее правилам.

Модулем (в модульном программировании) называется множество взаимосвязанных подпрограмм (процедур) вместе с данными, которые эти подпрограммы обрабатывают.

Модульное программирование предназначено для разработки больших программ. Разработкой больших программ занимается коллектив программистов. Каждому программисту поручается разработка некоторой самостоятельной части программы. И он в таком случае отвечает за конструирование всех необходимых процедур и данных для этих процедур. Сокрытие данных (запрет доступа к данным из-за пределов модуля) предотвращает их случайное изменение и соответственно нарушение работы программы. Для взаимодействия отдельных частей (модулей) программы коллективу программистов необходимо продумать только интерфейс (взаимодействие) сконструированных модулей в основной программе.

Структура модуля в терминах языка Pascal.

Модуль (unit) - программная единица, текст которой компилируется независимо (автономно).

Модуль содержит 4 раздела: заголовок, интерфейсная часть (раздел объявлений), раздел реализации и раздел инициализации.

UNIT <имя модуля>; {заголовок}

INTERFACE {интерфейсная часть}

Uses <используемые модули>;

Const <объявления глобальных констант>;

Type <объявления глобальных типов>;

Var <описание глобальных переменных>;

Procedure <заголовки(!) доступных процедур>;

Function <заголовки(!) доступных функций>;

IMPLEMENTATION {раздел реализации}

Uses <используемые при реализации модули>;

Const <объявления скрытых (локальных) констант>;

Type <объявления скрытых (локальных) типов>;

Var <описание скрытых (локальных) переменных>;

Procedure <тела(!) скрытых (локальных) процедур>;

Function <тела(!) скрытых (локальных) функций>;

<основной блок модуля = раздел инициализации>

2.2.2 Модульный подход

Концепцию модульного подхода можно сформулировать в виде нескольких понятий и положений:

а) большие задачи разбиваются на ряд более мелких, функционально самостоятельных подзадач - модулей, которые связаны между собой только по входным и выходным данным;

б) модуль представляет собой «черный ящик» с одним входом и одним выходом. Это позволяет безболезненно производить модернизацию программы в процессе ее эксплуатации, облегчает ее сопровождение, а также позволяет разрабатывать части программного проекта на разных языках программирования;

в) в каждом модуле должны осуществляться ясные задачи. Если назначение модуля непонятно, то это означает, что декомпозиция на модули была проведена недостаточно качественно. Процесс декомпозиции нужно продолжать до тех пор, пока не будет ясного понимания назначения всех модулей и их оптимального сочетания;

г) исходный текст модуля должен иметь заголовок и интерфейсную часть, где отражаются назначение модуля и все его внешние связи;

д) в ходе разработки модулей программы следует предусматривать специальные блоки операций, учитывающие реакцию на возможные ошибки в данных или в действиях пользователя.

Большое значение в концепции модульного подхода придается организации управляющих и информационных связей между модулями программы, совместно решающими одну или несколько больших задач.

При работе с модулями нужно помнить их основное отличие от процедур и функций. Традиционные правила сферы действия глобальных и локальных переменных для модулей не работают. Эта языковая конструкция разработана так, чтобы исключить влияние глобальных переменных, объявленных в главной программе, на внутренние описания модуля. Поэтому, если возникает необходимость ввести доступные для всех блоков программы глобальные описания, то следует создать модуль глобальных объявлений и включить его в список импорта всех модулей, где нужны его описания.

Модульное проектирование предполагает выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные, в отдельно компилируемые модули (библиотеки подпрограмм), например, модуль графических ресурсов. Связи между модулями при использовании данной технологии осуществляются через специальный интерфейс, в то время как доступ к реализации модуля (телам подпрограмм и некоторым «внутренним» переменным) запрещен. Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal и С (C++), языки Ада и Modula.

2.3 Объектный подход к проектированию и программированию

2.3.1 Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование определяется как технология создания сложного программного обеспечения, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов (объект - это совокупность переменных состояния и связанных с ними методов; методы определяют, как объект взаимодействует с окружающим миром; под методами объекта понимают процедуры и функции, объявление которых включено в описание объекта), каждый из которых является экземпляром определенного класса (типа), 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. Это приводит к более полной локализации данных и интегрированию их с подпрограммами обработки, что позволяет вести практически независимую разработку отдельных частей (объектов) программы.

Объект, как логическая единица, содержит следующие данные и операции (методы с кодом алгоритма) в отдельном участке памяти:

а) поля объекта (или атрибуты исходных данных), значения которых определяют текущее состояние объекта;

б) методы объекта, которые реализуют действия (выполнение алгоритмов) в ответ на их вызов в виде преданного сообщения;

в) свойства - часть методов, которые определят поведение объекта, то есть его реакцию на внешние воздействия.

При объявлении классов определяются описанные выше три характеристики объектов: поля, методы и свойства, а также указывается предок данного класса.

Объекты в программах воспроизводят все оттенки явлений реального мира: «рождаются» и «умирают»; меняют свое состояние; запускают и останавливают процессы; «убивают» и «возрождают» другие объекты.

2.3.2 Объектно-ориентированное проектирование

Объектно-ориентированное проектирование - это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления моделей, отражающих логическую (классы и объекты) и физическую структуру системы (процессы и деление на компоненты, файлы или модули), а также ее статические и динамические аспекты.

Объектно-ориентированная парадигма становится парадигмой высокого уровня, и главенствует над принципами парадигмы структурного программирования, так как занимается моделированием реальности, строит модели предметных областей на языке специалистов этих областей. Если пренебречь этим ради написания хорошей программы, которую станет легко модифицировать, расширять, в которой будут четкие интерфейсы и независимые модули, то это будет означать возврат на уровень парадигмы структурного программирования. Программа будет всем хороша, но её нельзя будет понять, так как она не будет соответствовать реальности, она будет объяснена в терминах только известных программисту, а специалист знающий предметную область не сможет без помощи разобраться в программе. В конце концов, сложность будет понижаться в очень узком диапазоне, хотя и организована хорошая программа, но не модель. Отсутствие модели, или лишь её поверхностное представление, «взорвет» хорошую программу изнутри, и не даст дальше развивать и сопровождать её в дальнейшем.

Когда вводятся классы, абстракций которых не существует, когда эти классы чисто системные и не имеют ничего общего с предметной областью, когда они введены лишь для упрощения потоков взаимодействия других классов - программное обеспечение становится «с бородой», и если путем рефакторинга не следить за такими участками в один прекрасный момент развитие программного обеспечения остановится, и станет невозможным.

Проектирование программных и технических систем при объектно-ориентированном подходе базируется на том условии, что никакая подсистема данного уровня не должна зависеть от устройства любой другой подсистемы этого уровня. Такая независимость внутреннего устройства одного объекта от внутреннего устройства другого называется инкапсуляцией.

Принцип инкапсуляции использовался в технологии модульного программирования. В модуле в явной форме введена инкапсуляция путем разделения его на секции интерфейса и реализации.

В объектно-ориентированном программировании принцип инкапсуляции используется для изоляции класса от остальных частей программы, чтобы сделать его самодостаточным для решения конкретной задачи. Например, класс TForm в среде Delphi содержит (инкапсулирует в себе) все необходимое для создания Windows-окна, класс TMemo представляет собой полнофункциональный текстовый редактор, класс TTimer обеспечивает работу программы с таймером и т.д.

Инкапсуляция достигается путем совмещения в одной записи языка программирования структур данных с процедурами и функциями, которые манипулируют полями данных этой записи, для получения нового типа данных ~ класса. Инкапсуляция позволяет защитить по интерфейсу доступ к полям и методам. Доступ разрешается лишь к открытым методам и полям. Полная совокупность методов и тонкости их реализаций являются скрытыми.

TMyClass = class

IntField: Integer;

function MyFunc(a: Integer): Integer;

procedure MyProc; end;

Путем использования принципа инкапсуляции появляется возможность осуществлять обмен готовыми к работе программными заготовками. Например, библиотека классов Delphi - это, фактически, набор кирпичиков для построения прикладных программ.

Применяя инкапсуляцию, мы защищаем данные, принадлежащие объекту, от возможных ошибок, которые могут возникнуть при прямом доступе к этим данным. Кроме того, применение этого принципа очень часто помогает локализовать возможные ошибки в коде программы. А это намного упрощает процесс поиска и исправления этих ошибок. Однако применение инкапсуляции ведет к снижению эффективности доступа к элементам объекта. Это обусловлено необходимостью вызова методов для изменения внутренних элементов (переменных) объекта. Но при современном уровне развития вычислительной техники эти потери в эффективности не играют существенной роли.

Значительное упрощение понимания сложных задач достигается за счет усложнения иерархии. Под иерархией здесь понимается упорядочение абстракций, расположение их по уровням. Усложнение иерархии от уровня к уровню достигается за счет наследования.

Принцип наследования оперирует с понятиями «предок - потомок» и предусматривает расширение набора свойств наследника за счет принятия всех свойств предка.

Любой класс может быть порожден от другого класса. Для этого при его объявлении указывается имя класса-родителя:

TChildCIass = class (TParentClass)

Порожденный класс автоматически наследует поля, методы и свойства своего родителя и может добавлять их новыми. Таким образом, принцип наследования обеспечивает поэтапное создание сложных классов и разработку собственных библиотек классов. Смысл и универсальность наследования заключается в том, что не надо каждый раз заново («с нуля») описывать новый объект, а можно указать «родителя» (базовый класс) и описать отличительные особенности нового класса. В результате новый объект будет обладать всеми свойствами родительского класса плюс своими собственными отличительными особенностями.

Все классы в Object Pascal порождены от единственного родителя - класса TObject. Этот класс не имеет полей и свойств, но включает в себя методы самого общего назначения, обеспечивающие весь жизненный цикл любых объектов - от их создания до уничтожения. Поэтому программист не может создать класс, который не был бы дочерним классом TObject. Следующие два объявления идентичны.

TaClass = class(TObject) <==> TaClass = class

Принцип наследования приводит к созданию ветвящегося дерева классов. Каждый потомок дополняет возможности своего родителя новыми и передает их своим потомкам. Например, класс TPersistent обогащает возможности своего родителя TObject тем, что он умеет сохранять данные в файле и получать их из него, в результате это умеют делать и все его потомки. Класс TComponent, в свою очередь, умеет взаимодействовать со средой разработчика и передает это умение своим потомкам. TControl не только способен работать с файлами и средой разработчика, но он еще умеет создавать и обслуживать видимые на экране изображения, а его потомок TWinControl может создавать Windows-окна и т.д.

В Object Pascal возможно только так называемое одиночное наследование, но в реальном мире у потомка два родителя, поэтому в ряде языков (например, в C++) предусмотрен механизм множественного наследования. Множественное наследование более логично с точки зрения моделирования реального мира, однако, оно усложняет реализацию языков программирования.

Полиморфизм - это средство для придания различных значений одному и тому же событию в зависимости от типа обрабатываемых данных. Этот принцип определяет различные формы реализации одноименного действия.

Целью полиморфизма является использование одного имени для задания общих для класса действий, причем каждый объект или класс иерархии имеет возможность по-своему реализовать это действие своим собственным, подходящим для него, кодом. Таким образом, полиморфизм является свойством классов решать схожие по смыслу проблемы разными способами.

В рамках Object Pascal поведенческие свойства класса определяются набором входящих в него методов. Этот принцип используется, когда требуется расширить свойства класса не путем добавления новых методов, а путем достраивания одного из методов или набора методов. Изменяя алгоритм того или иного метода в потомках класса, программист может придавать этим потомкам отсутствующие у родителя специфические свойства.

Для изменения метода необходимо перекрыть его в потомке, т.е. объявить в потомке одноименный метод и реализовать в нем нужные действия. В результате в объекте-родителе и объекте-потомке будут действовать два одноименных метода, имеющие различную алгоритмическую основу и придающие объектам разные свойства. В этом сущность полиморфизма объектов.

Кроме этого, в Object Pascal полиморфизм достигается не только механизмом наследования и перекрытия методов родителя, но и их виртуализацией, позволяющей родительским методам обращаться к методам своих потомков

Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает снижать сложность программ, разрешая использование одного интерфейса для единого класса действий. Выбор конкретного действия, в зависимости от ситуации, возлагается на компилятор.

Структура программ при объектно-ориентированном подходе представляется графом взаимодействия объектов, а не деревом иерархии, как это имеет место в структурном проектировании. 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.

3. Применение различных подходов при решении задач

Рассмотрим, как будет выглядеть программная реализация с использованием различных подходов при решении задачи: Поменять первую и последнюю цифру в натуральном числе. Язык реализации Pascal.

Структурный подход. Программный код выглядит следующим образом:

program Perestanovka;

N, copy_N, number, copy_number, first, last, stepen, new_N: integer;

{тело программы}

{ввод числа}

write("input N=");

{подсчет количества цифр в числе}

number:=number+1;

copy_N:=copy_N div 10;

if copy_N<>0 then

if number=0 then

{вычисление степени числа 10^(number-1)}

copy_number:=number;

{выделение первой и последней цифры}

copy_N:=copy_N div 10;

copy_number:=copy_number-1;

if copy_number<>1 then

copy_number:=number;

{перестановка цифр}

stepen:=stepen*10;

copy_number:=copy_number-1;

if copy_number>1 then

new_N:=N-first*stepen+last*stepen-last+first;

{вывод результата}

Код линейный, все действия выполняются последовательно, передача управления осуществляется за счет использования оператора перехода goto.

Модульный подход. Программный код выглядит следующим образом.

program Perestanovka;

{раздел объявления переменных}

N, number, new_N: integer;

{раздел объявления процедур и функций}

{процедура подсчета количества цифр в числе}

while NN<>0 do

{функция определения первой цифры числа}

while kol<>1 do

first_cifra:=NN;

{функция определения последней цифры числа}

last_cifra:=NN mod 10;

{функция возведения целого числа в целую степень}

while pokaz<>0 do

{тело программы}

write("input N=");

kol_cifr(number,N);

if number<>0 then

new_N:=N-first_cifra(N,number)*stepen(10,number-1)+

last_cifra(N)*stepen(10,number-1)-

last_cifra(N)+first_cifra(N,number)

Код программы более читабельный, однотипные действия объединены в процедуры и функции, уменьшилось количество объявленных переменных в программе, следовательно, выделяемая память. Для оптимизации следует объединить все процедуры и функции в модуль и подключать его к программе. Организация модуля позволит использовать разработанные процедуры и функции многократно, что облегчит процесс программирования, сократит коды программ.

Объектный подход. Программный код выглядит следующим образом.

Program perestanovka;

number: integer;

procedure input;

procedure output;

procedure kol_cifr(var kol: integer; NN: integer);

procedure perestavka(var NN: integer; cf, cl: integer);

function first_cifra(NN: integer; kol: integer): integer;

function last_cifra(NN: integer): integer;

function stepen(bas: integer; pokaz: integer): integer;

while pokaz<>0 do

procedure tN.input;

write(`input N=");

readln(N.znach);

procedure tN.kol_cifr(var kol: integer; NN: integer);

while NN<>0 do

function tN.first_cifra(NN: integer; kol: integer): integer;

while kol<>1 do

first_cifra:=NN;

function tN.last_cifra(NN: integer): integer;

last_cifra:=NN mod 10;

procedure tN.perestanovka(var NN: integer; cf, cl: integer);

NN:=NN-cf*stepen(10,number-1)+cl*stepen(10,number-1)-cl+cf;

procedure tN.output;

Form1.Edit1.Clear;

Form1.Edit1.Text:=inttostr(N.znach);

N.kol_cifr(N.number,N.znach);

if N.number<>0 then

N.perestanovka(N.znach,N.first_cifra(N.znach,N.number),N.last_cifra(N.znach));

Код программы очень похож на код программы при модульном подходе, но теперь можно использовать все возможности объектного подхода: наследование, полиморфизм, создавая дочерние классы, расширяя их свойства по сравнению с родительским классом и т.д.

Заключение

В ходе работы были рассмотрены различные виды подходов к проектированию и программированию в разрезе развития, указаны их характерные черты, преимущества и недостатки.

Показаны на примерах, как происходит программная реализации при применении того или иного подхода.

Можно сделать вывод, что эволюция в технологии программирования позволила сделать программирование более понятным, разделять сложные программы на отдельные части и вести проектирование и программирование каждой из них самостоятельно, несмотря на усложнение программных продуктов появляются средства сокращать и ресурсные затраты.

Развитие не стоит на месте - появляются новые подходы, дающие большие возможности программистам, облегчающие их работу использованием готовых программных блоков, делающие процесс проектирования программных продуктов независимым, понятным не только программисту, но и заказчику, пользователю. Программа превращается в модель реального мира.

Список использованных источников

1. Буч, Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами на С++ / Г. Буч, перевод с англ. под ред. И. Романовского и Ф. Андреева. - М.: Вильямс, 2008. - 721 с.

2. Архангельский, А.Я. Программирование в Delphi 7 / А.Я. Архангельский. М.: ООО «Бином-Пресс», 2003. - 1152 с.

3. Программирование. Лекции по программированию. - Режим доступа www.studifi.ru

4. Технология программирования. Структурное и объектно-ориентированное. - Режим доступа www.sgm.forumssity.ru

5. Технология структурного программирования. . - Режим доступа www.razlib.ru

6. On-line Информатика. Модульное программирование. - Режим доступа www.online-ane.ru.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Рассмотрение существующего подхода к проектированию упаковочной продукции. Методы разработки с использованием средств автоматизированного проектирования. Обзор рынка конструкций для размещения рекламных буклетов. Выполнение эскизов в графике и в объеме.

дипломная работа , добавлен 28.08.2014

Разработка принципов создания систем агрегатно-модульного инструмента для тяжелых станков с целью повышения эффективности. Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния модульного инструмента с учетом особенностей тяжелых токарных станков.

дипломная работа , добавлен 04.06.2009

Требования, предъявляемые к тепловому оборудованию предприятий общественного питания. Назначение и классификация пищеварочных котлов, их современные конструкции. Описание модернизированной конструкции котла газового секционного модульного КПГСМ-60.

курсовая работа , добавлен 27.11.2012

Главный подход к исследованию сложных объектов - системный анализ. Практическая реализация системного анализа - структурный системный анализ, его принципы и методы. Истоки структурного моделирования. Классы моделей структурного системного анализа.

реферат , добавлен 18.02.2009

Описание САПР "Ассоль" - модульного программного комплекса, который позволяет по эскизу, фотографии или образцу быстро и точно разработать лекала моделей любой сложности. Комбинаторный синтез технического эскиза. Сфера применения "Ассоль-Дизайн".

учебное пособие , добавлен 07.02.2016

Склад атмосферной сушки. Техническая характеристика сушильной камеры "Интер–Урал". Основные требования к проектированию цеха. Технологический процесс изготовления изделий из пиломатериалов. Производственная программа деревоперерабатывающего цеха.

курсовая работа , добавлен 13.07.2015

Оптимизация решения на моделях нелинейного программирования. Решение задачи линейного программирования графическим методом. Разработка раскроя древесно-стружечных плит на заготовки. Затраты времени на обработку деталей. Обоснование решений на моделях СПУ.

курсовая работа , добавлен 17.05.2012

Организационная подготовка, проведение предпроектного обследования системы и разработка технического задания. Проведение экспертизы и утверждение комплекта документации по техническому проектированию организации производства, труда и управления.

презентация , добавлен 09.12.2015

Методология структурного анализа и проектирования. Описание системы с помощью данной методологии - модель. Использование естественных и графический языков. Функциональное, информационное и динамическое моделирование. Основные средства методологии.

реферат , добавлен 18.02.2009

Описание технических характеристик основных узлов гидроэлектростанции. Особенности разработки алгоритма программы управления маслонапорной установкой, специфики программирования микроконтроллеров Siemens. Правила техники безопасности при обслуживании.