Технологии создания программного обеспечения

Технология структурного программирования

программное обеспечение Структурный подход к программированию представляет собой как методологию, так и технологию создания программ. В свое время его внедрение обеспечило повышение производительности труда программистов при написании и отладке программ; получение программ, которые состоят из модулей и пригодны для сопровождения; создание программ коллективом разработчиков; окончание создания программы в заданный срок.

Структурное программирование — это подход, при котором для передачи управления в программе используются конструкции, допускающие последовательную, условную и итеративную передачи управления. Безусловная передача управления оператором goto запрещается. В результате каждая сложная команда в программе, являющаяся комбинацией последовательных, условных и циклических операторов, имеет только одну точку входа и выхода, что обеспечивает разбиение программы на относительно самостоятельные фрагменты.

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.

Структура программы — это искусственно выделенные программистом взаимодействующие части программы. Использование рациональной структуры устраняет проблему сложности разработки, делает программу понятной пользователям, повышает надежность работы программы при сокращении срока ее тестирования и сроков разработки.

Очень часто некоторую последовательность инструкций требуется повторить в разных местах программы. Для того чтобы программисту не приходилось тратить время и усилия на копирование этих инструкций, во многих языках программирования предусматриваются средства для организации подпрограмм. Программист получает возможность присвоить последовательности инструкций произвольное имя и использовать это имя в качестве сокращенной записи в тех местах, где встречается соответствующая последовательность инструкций. Итак, подпрограмма — это некоторая последовательность инструкций, которая может вызываться в нескольких местах программы. Подпрограммы принято называть процедурами и функциями.

Описание подпрограммы состоит из двух частей: заголовки и тела. Заголовок содержит идентификатор подпрограммы и переменные используемые в ней. Тело состоит из одной или нескольких инструкций. Идентификатор подпрограммы используется в качестве сокращенной записи в тех местах программы, где встречается соответствующая последовательность инструкций.

Процедуры и функции, называемые подпрограммами, являются одним из тех немногих фундаментальных инструментов в искусстве программирования, которые оказывают решающее влияние на стиль и качество работы программиста.

Процедура — это не только способ сокращения программного текста, но и, средство разложения программы на логически связанные, замкнутые элементы, определяющие ее структуру. Разложение программы на части существенно для понимания программы, особенно если программа сложная и тяжело обозрима из-за большой длины текста. Разложение на подпрограммы необходимо как для документирования, так и для верификации программы. Поэтому желательно оформлять последовательность инструкций в виде подпрограммы, даже если программа используется однократно и, следовательно, отсутствует мотив, связанный с сокращением текста программы.

Информация о переменных или об условия, которым должны удовлетворять аргументы, задается в заголовке процедуры. О полезности процедуры, в частности, о ее роли при структуризации программы, неоспоримо свидетельствуют еще два понятия в программировании. Вспомогательные или локальные переменные, используемые внутри процедуры, не имеют смысла за ее пределами. В программе существо проще разобраться, если явно указаны области действия таких переменных. Процедура выступает как естественная текстовая единица, с помощью которой ограничивается область существования локальных переменных.

Наиболее общая тактика программирования состоит в разложении процесса на отдельные действия:

• — функционального описания на подфункции;
• — соответствующие программы на отдельные инструкции.

На каждом таком шаге декомпозиции нужно удостовериться, что решения частных задач приводят к решению общей задачи, выбранная последовательность отдельных действий разумна и позволяет получить инструкции, в каком-либо смысле более близкие к языку, на котором будет реализована программа. Это требование исключает возможность прямолинейного продвижения от первоначальной постановки задачи к конечной программе, которая должна получиться в конечном итоге. Каждый этап декомпозиции сопровождается формулированием частных подпрограмм. В процессе этой работы может обнаружиться, что выбранная декомпозиция неудачна в том смысле хотя бы потому, что подпрограммы неудобно выражать с помощью имеющихся средств. В этом случае один или несколько предыдущих шагов декомпозиции следует пересмотреть заново.

Если видеть в поэтапной декомпозиции и одновременном развитии и детализации программы постепенное продвижение в глубь, то такой метод при решении задач можно охарактеризовать как нисходящий (сверху вниз). И наоборот, возможен такой подход к решению задачи, когда программист сначала изучает имеющиеся в его распоряжении вычислительную машину или язык программирования, затем собирает некоторые последовательности инструкций в элементарные процедуры, типичные для решаемой задачи. Затем элементарные процедуры используются на следующем уровне иерархии процедур. Такой метод перехода от примитивных машинных команд к требуемой реализации программы называется восходящим (снизу вверх).

На практике разработку программы никогда не удается провести строго в одном направлении — сверху вниз или снизу вверх. Однако при конструировании новых алгоритмов нисходящей метод обычно доминирует. С другой стороны, при адаптации программы к несколько измененным требованиям предпочтение зачастую отдается восходящему методу.

Оба метода позволяют разрабатывать программы, которым присуща структура — свойство, отличающее их от аморфных линейных последовательностей инструкций или команд машины. Важно, чтобы используемый язык в полной мере отражал эту структуру. Только тогда окончательный вид полученной программы позволит применить систематические методы верификации.

Если программа разбивается на подпрограммы, то для представления результатов и аргументов часто приходится вводить новые переменные и таким образом устанавливать связь между подпрограммами. Такие переменные следует вводить и описывать на том этапе разработки, на котором они потребовались. Более того, детализация описания процесса может сопровождаться детализацией описания структуры используемых переменных. Следовательно, в языке должны быть средства для отражения иерархической структуры данных. Что показывает, какую важную роль играет при пошаговой разработке программы понятие процедуры, локальности процедур и данных, структурирования данных.

Проектирование начинается с фиксации внешних спецификаций. На основании внешних спецификаций составляется описание внутреннего алгоритма программы, обязательно со структурой внутренних данных. Далее крупные функции разбиваются на подфункции до достижения подфункции размера модуля — подпрограммы языка программирования, к которым предъявляются особые дополнительные требования.

Фундаментальным понятием и функциональным элементом технологии структурного программирования является — модуль.

Модуль — это подпрограмма, но оформленная в соответствии со следующими правилами:

• 1. модуль должен иметь один вход и один выход и выполнять строго однозначную функцию, которая описывается простым распространенным предложением естественного (русского) языка или даже предложением без сказуемого;
• 2. модуль должен обеспечивать компиляцию, независимую от других модулей, с «забыванием» всех внутренних значений модулей;
• 3. модуль может вызывать другие модули по их именам;
• 4. хороший модуль не использует глобальные переменные для общения с другим модулем, так как потом трудно отыскать модуль, который портит данные. При использовании глобальных переменных, нужно четко комментировать те модули, которые только читают, и те модули, которые могут менять данные;
• 5. модуль кодируется только стандартными структурами и тщательно комментируется.

В понятие структуры программы включаются состав и описание связей всех модулей, которые реализуют самостоятельные функции программы и описание носителей данных, участвующих в обмене, как между отдельными подпрограммами, так и вводимые и выводимые с внешних устройств.

В случае сложной, большой программы необходимо овладеть специальными приемами получения рациональной структуры программы. Рациональная структура программы обеспечивает почти двукратное сокращение объема программирования и многократное сокращение объемов и сроков тестирования, следовательно, принципиально снижает затраты на разработку.

Подчиненность модулей удобно изображать схемой иерархии. Схема иерархии отражает только подчиненность подпрограмм, но не порядок их вызова или функционирование программы.

До составления схемы иерархии целесообразно составить внешние спецификации программы и составить функциональные описания программы вместе с описанием переменных — носителей данных. Особое внимание надо уделить иерархии типов структурированных данных и их комментированию. Декомпозиция программы на подпрограммы производится по принципу от общего к частному, более детальному. Процесс составления функционального описания и составления схемы иерархии является итерационным. Выбор наилучшего варианта является многокритериальным.

Структурный подход рекомендует соблюдать следующие принципы при создании программного продукта:

• — модульность программ;
• — структурное кодирование модулей программ;
• — нисходящее проектирование рациональной иерархии модулей программ;
• — нисходящая реализация программы с использованием заглушек;
• — осуществление планирования на всех стадиях проекта;
• — сквозной структурный контроль программных комплексов в целом и составляющих их модулей.

Модульность программ характеризуется тем, что вся программа состоит из модулей. Некоторые смысловые группы модулей сосредотачиваются в отдельных файлах. Например, в отдельных файлах (Unit) могут быть сосредоточены модули текстового редактора и модули иерархического меню.

Структурное кодирование модулей программ заключается в особом оформлении их текстов. У модуля должен быть легко различимый заголовок с комментарием, поясняющим функциональное назначение модуля. Имена переменных должны быть мнемоническими. Суть переменных и порядок размещения в них информации должны быть пояснены комментариями, код модуля закодирован с использованием типовых алгоритмических структур с использованием отступов.

Нисходящее проектирование рациональной иерархии модулей программ заключается в выделении первоначальных модулей самого верхнего уровня иерархии, а затем подчиненных модулей.

Нисходящая реализация программы состоит в первичной реализации группы модулей верхних уровней, которые называются ядром программы, и далее постепенно, в соответствии с планом, реализуются модули нижних уровней. Необходимые для линковки программы, недостающие модули имитируются заглушками.

Осуществление планирования на всех стадиях проекта позволяет первоначально спланировать как состав стадий, таки продолжительность всех этапов работ. Такое планирование позволяет завершить разработку в заданный срок при заданных затратах на разработку.

Сквозной структурный контроль заключается в соблюдении заранее намеченного плана тестирования, который охватывает период от разработки внешних спецификаций, далее внутренних спецификаций и их корректировку в периоде реализации вплоть до приемо-сдаточных испытаний. Составляющие программу модули тестируются как во время написания их кода, так и при автономном тестировании, инспекции их исходного кода, при тестировании сразу по подключении к ядру.

При структурном программировании программа в основном реализуется (собирается и тестируется) сверху вниз. Сначала из 20−30 модулей пишется ядро. Чтобы начать тестировать, недостающие модули нижних уровней заменяются заглушками. По окончании тестирования ядра, заглушки заменяются новыми готовыми модулями, но если программа еще не закончена, то для успешной ее линковки понадобятся все новые заглушки недостающих модулей. Затем проводится тестирование собранной части и т. д.

Заглушка — это макет модуля. Самая простая заглушка — это попрограмма или функция без действий. Более сложная заглушка может выводить сообщение о том, что отработал такой-то модуль. Еще более сложные заглушки могут выводить входную информацию в какой-нибудь файл отладки. Наконец, еще более сложные заглушки выдают на выход тестовую информацию, необходимую для проверки уже реализованных модулей. Написание заглушек — лишняя работа, но требуется искусство проектировщика, чтобы максимальное количество заглушек были простыми, а тестирование уже собранной части программы было бы полным.

Проектированию структуры программы предшествует разработка внешних функциональных описаний. Функциональные описания (алгоритмы выполнения программы) для достижения их восприятия должны быть декомпозированы от общего к частному. Также они должны включать описания форм представления и объема внутренних данных.

Для начала имеется первый вариант схемы иерархии, полученный путем простого членения функций программы на подфункции с указанием переменных, необходимых для размещения данных на разных шагах обработки. Скорее этот вариант не является оптимальным, и требуются проектные итерации для улучшения топологии схемы.

Каждый новый вариант сравнивается с предшествующим вариантом по описанным здесь критериям. Генерация вариантов прекращается при невозможности дальнейших улучшений.

Фонд критериев оптимальности схем иерархии является необходимым подспорьем при оптимизации схем иерархии и состоит из следующих критериев:

• — полнота выполнения специфицированных функций;
• — возможность быстрого и дешевого пополнения новыми, ранее не специфицированными функциями;
• — обозримость для проектировщика составных частей программы;
• — максимальная независимость по данным отдельных частей программы;
• — возможность связывания программы с обширной многоуровневой схемой иерархии конкретным редактором связей (линковщиком). Если начинается работа над новой программой, то очень полезно выполнить на эВМ ее модель в виде пустых заглушек модулей, которые не содержат никаких действий;
• — достаточность оперативной памяти. Здесь рассматриваются варианты с описанием особенно структурированных статических и динамических переменных на разных уровнях схемы иерархии. Проверка удовлетворения данного критерия осуществляется расчетами с некоторыми машинными экспериментами;
• — оценка влияния топологии схемы иерархии на скорость выполнения программы при использовании оверлеев (динамической загрузки программы) и механизма подкачки страниц при разработке программы, которая целиком не может быть размещена в оперативной памяти;
• — отсутствие разных модулей, выполняющих похожие действия. В идеале — один и тот же модуль вызывается на разных уровня схемы иерархии;
• — достижение при реализации программы такого сетевого графика работы коллектива программистов, который обеспечивает равномерную загрузку коллектива по ключевым датам проекта;
• — всемерно сокращение затрат на тестирование уже собранного ядра программы по ключевым датам сетевого графика реализации. Характеризуется простотой используемых заглушек и качеством тестирования по всем вычислительным маршрутам модулей. Достигается первичной реализацией сверху вниз модулей ввода и вывода программы с отсрочкой реализации остальных ветвей схемы иерархии. Обычно затраты на тестирование составляют около 60% стоимости всего проекта. Хорошая схема иерархии сокращает затраты на тестирование по сравнению с первоначальным вариантом в 2−5 раз и более;
• — использованием в данном проекте как можно большего числа разработанных в предшествующих проектах модулей и библиотек при минимальном объеме изготавливаемых заново частей;
• — удачное распределение модулей по компилируемым файлам программы и библиотекам;
• — накопление уже готовых модулей и библиотек модулей для использования их во всех новых разработках.

В заключении можно отметить что, структурный подход к программированию воспринял и использует многие методы из области проектирования сложных технических систем. Среди них блочно-иерархический подход к проектированию сложных систем, стадийность создания программ, нисходящее проектирование, методы оценки и планирования.