Новые методологии разработки программ

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. Дополняющим структурное программирование, создающим основу для разработки современных аудиовизуальных 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.

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.

Декларативный подход в разработке компьютерных программ появился в начале 1970;х гг. Он не получил столь широкого применения как процедурный, поскольку был направлен на относительно узкий круг задач искусственного интеллекта. При его применении программист описывает свойства исходных данных, их взаимосвязи, свойства, которыми должен обладать результат, а не алгоритм получения результата. Разумеется, для получения результата этот алгоритм все равно нужен, но он должен порождаться автоматически той системой, которая поддерживает декларативно-ориентированный язык программирования. При логическом варианте такого подхода — прежде всего это относится к языку Пролог (Prolog) — задача описывается совокупностью фактов и правил в некотором формальном логическом языке, при функциональном варианте — в виде функциональных соотношений между фактами, например язык Лисп (Lisp).

Процедурно-ориентированное программирование развивается и в другом направлении — так называемого параллельного программирования. В привычных алгоритмах и программах действия совершаются последовательно одно за другим. Однако логика решения множества задач вполне допускает одновременное выполнение нескольких операций, что ведет к многократному увеличению эффективности. Реализация параллельных алгоритмов на ЭВМ стала возможной с появлением многопроцессорных компьютеров, в которых специалисты видят будущее вычислительной техники.

Методы разработки алгоритмов

Существует весьма большое количество методов и приемов разработки алгоритмов, среди них можно выделить небольшой набор основных и часто применяемых.

• 1. Метод частных целей. Позволяет свести трудную задачу к последовательности более простых.
• 2. Метод подъема. Его суть заключается в следующей процедуре. Алгоритм начинается с принятия начального предположения или построения начального решения задачи. Затем начинается (насколько возможно) быстрое движение «вверх» от начального условия по направлению к лучшим решениям. Когда алгоритм достигает точки, из которой больше не возможно двигаться «наверх», он останавливается.
• 3. Программирование с отходом назад. Используется совместно с методом перебора, для избегания перебора всех возможных вариантов.
• 4. Алгоритмы ветвей и границ. Как и большая часть алгоритмов применяется для решения переборных задач. Они исследуют древовидную модель пространства решений и ориентированы на поиск в некотором смысле оптимального решения (из конечного множества возможных решений).