Структурное программирование (стр. 2 из 2)

Задача разбиения программного обеспечения на модули может быть сформулирована как задача разбиения заданного множества процедур обработки данных на непересекающиеся подмножества, имеющие минимальное число попарно общих информационных элементов. Наиболее наглядно такая постановка иллюстрируется с использованием графа, вершинами которого являются процедуры, а связывающие их дуги различного цвета соответствуют имеющимся информационным элементам. В этом случае в графовой интерпретации данная задача формулируется как задача разбиения раскрашенного графа на подграфы (модули), обеспечивающие минимум суммарного числа дуг различного цвета, связывающих выделенные подграфы, при ограничении на общее число выделяемых подграфов, число вершин и дуг в каждом подграфе, число связей между ними.

Для удобства постановки, описания методов и результатов решения задачи сведем информацию о связи процедур и данных (элементов записей), содержащуюся в графовой модели, в специальную табличную форму. По строкам таблицы расположим выполняемые системой функции или процедуры (запись, сортировка, контроль, обновление, выборка, печать и т.д.), а по столбцам - элементы множества идентификаторов исходных, промежуточных и выходных данных, связанных с выполнением этих процедур. На пересечении столбца и строки таблицы записывается "1" – признак зависимости или связи рассматриваемой функции и информационного элемента, если таковая существует.

Рис. 1

В этом случае критерий оптимального разбиения на модули информационного и программного обеспечения, содержание которого описано в табличной форме, формулируется следующим образом. Найти разбиение множества функций или процедур таблицы на непересекающиеся подмножества, минимизирующее суммарное число информационных связей между модулями при ограничениях: на число выделяемых модулей; на число информационных элементов, входящих в один модуль, определяющее сложность разработки блок-схемы подсистемы; на число процедур каждого модуля, определяющее, в основном, сложность кодирования блок-схемы; на число информационных связей между выделяемыми модулями; на совместимость отдельных процедур.

Введем необходимые обозначения:

D = {d₁, d₂, ..., d_l, ..., d_i}

-множество информационных элементов системы;

- матрица взаимосвязи процедур и информационных элементов, где

Суммарное число S различн. информационных элементов, являющихся попарно общими для различных модулей, равно

При разработке программного обеспечения АСУ требуется минимизировать S при следующих основных технологических ограничениях: на число процедур в модулях

где М_v - мощность множества процедур в v-м модуле;

на число информационных элементов, используемых модулями,

где L_v - максимальное число информационных элементов, используемых v-м модулем;

на интерфейс между отдельным модулем и другими модулями системы

где S_v' - максимально возможное число информационных связей между модулем v' и остальными модулями системы;

на интерфейс между двумя заданными модулями системы

где S_vv' - максимально возможное число информационных связей между модулями v и v';

на разделение отдельных процедур системы по различным модулям

x_ry + x_r'v ≤ 1,

где v = 1, 2, ..., V для заданных r и r'. Поставленная задача является задачей квадратичного целочисленного программирования и может быть сведена к линейной форме путем линеаризации выражений и введением связи между вспомогательными и основными переменными. В этом случае она может быть решена с использованием имеющихся пакетов прикладных программ.

В условиях, когда задано информационное обеспечение, т.е. определено содержание каждого информационного массива и его динамические характеристики, решаются динамические задачи разбиения системы программного обеспечения на модули. В качестве критерия оптимизации используются минимум общего времени обмена с внешней памятью и минимум межмодульного интерфейса.

Исходными данными для постановки и решения динамических задач синтеза системы модулей являются множество информационных массивов системы, для которых определены: входные, выходные и промежуточные данные; множество альтернативных процедур обработки данных, входящих в состав алгоритмов, обеспечивающих решение задач системы; возможные последовательности выполнения процедур в процессе обработки; способы обмена с внешней памятью модульной системы обработки данных; взаимосвязи процедур с информационными массивами; временные характеристики обращения к массивам.

Задачи синтеза систем модулей программного обеспечения СОД сведены к задачам нелинейного целочисленного программирования. Для их решения предложены алгоритмы, использующие схему "ветвей и границ" и особенности функционирования модульных систем обработки данных.

Структурное кодирование. Третьим составным элементом структурного программирования является структурное кодирование, которое представляет собой метод написания хорошо структурированных программных модулей, удобных для тестирования, модификации и использования. Метод предусматривает написание программных модулей произвольного размера и сложности на основе ограниченного множества базисных логических структур. Метод аналогичен принципу, положенному в основу проектирования схем, где любая логическая структура может быть создана из элементарных структур И, ИЛИ и НЕ. Структурное кодирование базируется на строго доказанной теореме о структурировании, которая утверждает, что любую правильную программу (с одним входом и одним выходом, без зацикливаний и недостижимых команд) можно написать с использованием следующих логических структур: последовательности двух или более операторов; выбора одного из двух операторов (IF THEN, ELSE); повторения (или управления циклом) оператора, пока выполняется некоторое условие (DO WHILE).

На рис. 2 показаны основные логические структуры: последовательности (рис. 2, а); выбора (рис. 2, б); повторения (рис. 2, в). Каждая структура имеет один вход и один выход. Комбинации правильных программ, полученные с использованием трех основных логических структур, также являются правильными программами. При использовании только указанных структур отпадает необходимость в безусловных переходах и метках. Применение структурного кодирования в значительной степени уменьшает сложность программ. Существенным моментом является то, что при замене любого функционального блока в схеме правильной программы на любую из трех основных логических структур программа остается в классе правильных программ. При структурном кодировании структура последовательности формализует тот факт, что операторы программы выполняются в порядке их появления, структура выбора - выбор одного из двух действий исходя из выполнения некоторого условия (оператор IF THEN, ELSE), структура повторения – выполнение группы операторов до тех пор, пока выполняется некоторое условие (оператор DO WHILE или итеративный DO).

Рис. 2

Хотя теоретически возможно написать все правильные программы, используя только перечисленные структуры, можно расширить это ограничение добавлением структур, имеющих один вход и один выход и формализующих операторы DO UNTIL и CASE.

Таким образом, чтобы получить структурированную программу, следует избегать операторов GO TO. Каждый программный модуль должен состоять из последовательности операторов IF, THEN, ELSE, циклов или операторов CASE. В случае, если язык не имеет достаточного количества языковых конструкций для структурного программирования (ФОРТРАН, КОБОЛ), рекомендуется применять операторы GO TO только для переходов вперед и там, где возможно заменять их операторами CALL или PERFORM. В языках ПЛ/1 и АЛГОЛ имеется большая часть рекомендованных конструкций, что позволяет легко писать структурированные программы.

Применение принципов структурного программирования позволяет существенно уменьшить сложность проектируемых комплексов программ и облегчить процесс их отладки за счет более детального проектирования. Основным преимуществом структурного программирования является то, что программа может быть проанализирована путем проверки структуры и становится возможным обнаруживать ошибки уже на этапе программирования, что значительно снижает затраты на процесс отладки.