Принципы разработки алгоритмов и программ для решения прикладных задач (стр. 2 из 3)

Необходимость ориентироваться на ограниченный набор команд компьютера, на его скромные возможности приводила к огромной трудоемкости, к сложности программ, к проблемам, связанным с ошибками в них. В результате узким местом в развитии вычислительной техники оказалось именно программирование.

2. СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД

С появлением массовых ЭВМ 3-го поколения устаревшая технология программирования оказалась основным фактором, сдерживающим развитие и распространение компьютерных (информационных) технологий, что подтолкнуло ведущие в этой сфере деятельности фирмы, в первую очередь IBM, к разработке новых методологий программирования. Появившийся в начале 1970-х годов новый подход к разработке алгоритмов получил название структурного.

С появлением структурного программирования описанные выше трудности были во многом преодолены. В основе технологических принципов структурного программирования лежит утверждение о том, что логическая структура программы может быть выражена комбинацией трех базовых структур: следования, ветвления и цикла (это содержание теоремы Бема-Якопини).

Следование - самая важная из структур. Она означает, что действия могут быть выполнены друг за другом, рис.1. 19:

Рис.1. Структура «следование»

Эти прямоугольники могут представлять как одну единственную команду, так и множество операторов, необходимых для выполнения сложной обработки данных.

Ветвление - это структура, обеспечивающая выбор между двумя альтернативами. Выполняется проверка, а затем выбирается один из путей (рис.1. 20).

Эта структура называется также «ЕСЛИ - ТО - ИНАЧЕ», или «развилка». Каждый из путей (ТО или ИНАЧЕ) ведет к общей точке слияния, так что выполнение программы продолжается независимо от того, какой путь был выбран.

Рис.1.0. Структура «ветвление»

Может оказаться, что для одного из результатов проверки ничего предпринимать не надо. В этом случае можно применять только один обрабатывающий блок, рис.1.21:

Рис.1.1. Структура «неполное ветвление»

Цикл (или повторение) предусматривает повторное выполнение некоторого Набора команд программы. Если бы циклы не существовали, вряд ли занятие программированием было бы оправданным: циклы позволяют записать длинные последовательности операций обработки данных с помощью небольшого числа повторяющихся команд. Разновидности цикла изображены на рис.1.22 и рис.1.23.

Цикл начинается с проверки логического выражения. Если оно истинно, то выполняется «a», затем все повторяется снова, пока логическое выражение сохраняет значение «истина». Как только оно становится ложным, выполнение операций «а» прекращается и управление передается по программе дальше.

Рис.1.2. Структура цикла «пока»

Рис.1.3. Структура цикла «до»

Рис.1.4. Нахождение суммы трех чисел

Рис.1.5. Нахождение наибольшего из трех чисел.

Эти структуры можно комбинировать одну с другой - как путем организации их следований, так и путем создания суперпозиций (вложений одной структуры в другую) - сколь угодно разнообразно для выражения логики алгоритма решения любой задачи. Используя описанные структуры, можно полностью исключить использование каких-либо еще операторов условного и безусловного перехода, что является важным признаком структурного программирования. Направление выполнения команд часто изображают сверху вниз. На рис.1.24 - 1.26 приведены простейшие примеры структурной реализации алгоритмов работы с величинами.

Рис.1.6. Нахождение суммы 100 чисел.

Умение образовывать из базовых структур их суперпозиции в соответствии с условиями конкретной задачи - одно из важнейших в программировании. Допустим, надо ввести в память компьютера 100 чисел и по дороге отсуммировать те из них, которые положительны. Ясно, что ввод - операция циклическая, а внутри этого цикла находится развилка, в которой проверяется знак числа и производится суммирование. Схематически соответствующая суперпозиция изображена на рис.1.27.

Так как выражение, управляющее циклом, проверяется в самом начале, то в случае, если условие сразу окажется ложным, операторы циклической части «a» могут вообще не выполняться. Операторы циклической части «а» должны изменять переменную (или переменные), влияющие на значение логического выражения, иначе программа «зациклится» - будет выполняться бесконечно. Рассмотренная циклическая конструкция называется также цикл «пока», или «цикл с предусловием».

Существует и иная конструкция цикла, которая предусматривает проверку условия, по которому, наоборот, выполнение команд циклической части прекращается, после команд циклической части (см. рис.1.23).

Рис 1.7. Алгоритм типа развилка, вложенная в цикл, для нахождения суммы положительных чисел из 100 возможных.

Схематические изображения нескольких суперпозиций базовых алгоритмических структур представлены ниже на рис.1.28-1.31.

Еще одним важным компонентом структурного подхода к разработке алгоритмов является модульность. Модуль - это последовательность логически связанных операций, оформленных как отдельная часть программы. Использование модулей имеет следующие преимущества:

1) возможность создания программы несколькими программистами;

2) простота проектирования и последующих модификаций программы;

3) упрощение отладки программы - поиска и устранения в ней ошибок;

4) возможность использования готовых библиотек наиболее употребительных модулей.

Но, пожалуй, самым важным достижением структурного подхода к разработке алгоритмов является нисходящее проектирование программ, основанное на идее уровней абстракции, которые становятся уровнями модулей в разрабатываемой программе. На этапе проектирования строится схема иерархии, изображающая эти уровни. Схема иерархии позволяет программисту сначала сконцентрировать внимание на определении того, что надо сделать в программе, а лишь затем решать, как это надо делать. При нисходящем проектировании исходная, подлежащая решению задача разбивается на ряд подзадач, подчиненных по своему содержанию главной задаче. Такое разбиение называется детализацией или декомпозицией.

Рис. 1.8. Алгоритм типа «цикл, вложенный в неполную развилку»	Рис. 1.9. Алгоритм типа «цикл в цикле»

Рис.1.10. Алгоритм типа «развилка в развилке»	Рис. 1.11. Иллюстрация трехкратного вложения одной базовой структуры в другую

На следующем этапе эти задачи, в свою очередь, разбиваются на более мелкие подчиненные подзадачи и так далее, до уровня относительно небольших подзадач, вторые требуют для решения небольших модулей в 3 - 5 строк. Такой метод роектирования программ позволяет преодолевать проблему сложности разработки программы (и ее последующей отладки и сопровождения).

3. НОВЕЙШИЕ МЕТОДОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММ ДЛЯ ЭВМ

Структурный подход сыграл огромную роль в программировании и вычислительной технике. С его использованием создан большой запас программного обеспечения, решено множество практически значимых задач. Однако, развитие программирования на этом не остановилось. Сегодня дополняющим структурное программирование, создающим основу для разработки современных аудиовизуаль-программных комплексов стало объектное (иногда говорят объектно-ориентированное) программирование, а противостоящим ему при решении определенных классов задач является декларативное программирование, выраженное двумя разными подходами - функциональным и логическим.

Здесь мы ограничимся кратчайшей характеристикой этих направлений, более детально описанных в гл.3.

Само структурное программирование, наиболее отчетливо выраженное в языке Паскаль (PASCAL), возникло в ходе развития процедурно-ориентированного подхода, заложенного в исторически первом из языков программирования - Фортране (FORTRAN). Во всех языках этого направления разработчик алгоритма (он же, как правило, и программист) описывает, какими действиями следует реализовать процесс. В основе языков этой группы лежат понятия команд (операторов) и данных. Отдельные группы операторов могут объединяться во вспомогательные алгоритмы (процедуры, подпрограммы).

Объект - основное понятие объектного программирования - в первом приближении похож на процедуру. Однако, процедура (подпрограмма)"оживает» лишь внутри той программы, к которой она относится, а объект может вести себя вполне независимо. Он может относиться к иной предметной области нежели основная программа, быть исполненным в ином стиле. Объекты достаточно причудливо связываются друг с другом, могут перенимать свойства друг у друга («наследование»). В объектно-ориентированном подходе исходная задача представляется как совокупность взаимодействующих объектов. Наиболее популярные реализации объектного программирования созданы на основе языков Паскаль, Бейсик (BASIC).