ФГБОУ ВО «Мордовский государственный

педагогический институт имени М.Е. евсевьева»

 

Физико-математический факультет

Кафедра информатики и вычислительной техники

 

 

 

РЕФЕРАТ

«Принципы структурного программирования. Основные алгоритмические структуры и их суперпозиции»

 

 

 

 

                                                               

 

                                                                       Выполнила: студентка гр. МДМ-212

                                                                                                            Багданова Яна

 

 

 

 

 

 

Саранск  2016

Введение

К началу 70-х годов ХХ века, когда развитие языков программирования достигло достаточно высокого уровня, а создаваемые программные комплексы достигли достаточно внушительных размеров (сотни тысяч – миллионы команд), стало очевидно, что программные проекты стали слишком сложными для успешного проектирования, кодирования и отладки в приемлемые сроки. Программисты, решающие сложные задачи, столкнулись с проблемой роста количества и размера программ до такой степени, что дальнейший процесс разработки становился практически неуправляемым, и никто из разработчиков не мог с уверенностью сказать, что созданный программный продукт всегда выполняет то, что требуется, и что он не выполняет ничего такого, что не требуется. Таким образом, возникла проблема коренного изменения подходов к созданию больших программных комплексов.

Исходя из этих проблем, ведущими программистами 70-х годов (Дейкстра, Вирт, Дал, Xoap, Йордан, Константин, Майерс и др.) были разработаны строгие правила ведения проектов, которые получили название структурной методологии.

Важным этапом в становлении этого подхода стали международные конференции по программированию, проведенные в 1968-69 годах. На второй из них Эдсгер Дейкстра впервые использовал термин «структурное программирование» и предложил принципиально новый способ создания программ. Он рассматривал программу как совокупность иерархических абстрактных уровней, которые позволяли:

1)      четко структурировать программу, что улучшило ее понимание программистами;

2)      выполнять доказательства ее корректности и тем самым повышать надежность функционирования программы;

3)      сокращать сроки разработки программ.

Еще одним толчком к изменению способа программистского мышления стало опубликованное письмо Дейкстры редактору одного из научных издательств, которое было озаглавлено «Оператор GOTO нужно считать вредным». Это письмо вызвало острую полемику среди программистов того времени, но в итоге победило все-таки структурное мышление, которое, кроме Дейкстры, активно поддерживали профессор Цюрихского технического университета Вирт и профессор Оксфордского университета Xoap. Одним из результатов полемики было доказательство того, что любая программа может быть написана, используя только простую последовательность операторов, итеративную конструкцию типа while (пока) и конструкцию выбора case (выбор), а оператор goto (перейти к) не является необходимой управляющей конструкцией в структурном программировании. К сожалению, споры об операторе goto имели один отрицательный «побочный эффект» — довольно часто программирование без goto стало отождествляться со всем структурным программированием. Однако цели структурного программирования намного глобальнее и серьезнее.

1. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СТРУКТУРНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Структурное программирование — методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX в. Э.Дейкстрой, разработана и дополнена Н.Виртом (рис. 1).

Эдсгер Вибе Дейкстра (1930 – 2002) — нидерландский учёный, идеи которого оказали влияние на развитие компьютерной индустрии. Известен как создатель алгоритма поиска кратчайшего пути на графе, один из основателей структурного программирования. В 1972 г. стал лауреатом премии Тьюринга.	Никлаус Вирт (1934) — швейцарский учёный, специалист в области информатики, один из известнейших теоретиков в области разработки языков программирования, профессор компьютерных наук, лауреат премии Тьюринга 1984 г. Ведущий разработчик языков программирования Паскаль, Модула-2, Оберон.

Рис. 1. Пионеры структурного программирования – Э.Дейкстра и Н.Вирт.

Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственного усложнения программного обеспечения: в 70-е годы XX в. объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что «интуитивная» (неструктурированная) разработка программ, которая была нормой в более раннее время, перестала удовлетворять потребностям практики. Программы становились слишком сложными, чтобы их можно было нормально сопровождать, поэтому потребовалась какая-то систематизация процесса разработки и структуры программ.

Наиболее сильной критике со стороны разработчиков структурного подхода к программированию подвергся оператор GOTO (оператор безусловного перехода). Неправильное и необдуманное использование произвольных переходов в тексте программы приводило к получению запутанных, плохо структурированных программ (т.н. спагетти-кода), по тексту которых практически невозможно было понять порядок исполнения и взаимозависимость фрагментов.

В основе структурного программирования лежат принципы последовательной декомпозиции задачи и целенаправленного ее структурирования на отдельные составляющие. Методы структурного программирования представляют собой комплекс технических и организационных принципов системного проектирования программных продуктов.

Типичными методами структурного программирования являются:

·         нисходящее проектирование (проектирование сверху вниз);

·         модульное (процедурное) программирование;

·         структурное кодирование.

 

В соответствии с методологией структурного программирования:

1. Любая программа представляет собой структуру, построенную из трёх типов базовых конструкций:

·           последовательное исполнение — однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы;

·           ветвление — однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия;

·           цикл — многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие (условие продолжения цикла).

 

В программе базовые конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом, но никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

2. Повторяющиеся фрагменты программы (либо не повторяющиеся, но представляющие собой логически целостные вычислительные блоки) могут оформляться в виде подпрограмм (процедур или функций). В этом случае в тексте основной программы, вместо помещённого в подпрограмму фрагмента, вставляется инструкция вызова подпрограммы. При выполнении такой инструкции выполняется вызванная подпрограмма, после чего исполнение программы продолжается с инструкции, следующей за командой вызова подпрограммы.

3. Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

Сначала пишется текст основной программы, в котором, вместо каждого связного логического фрагмента текста, вставляется вызов подпрограммы, которая будет выполнять этот фрагмент. Вместо настоящих, работающих подпрограмм, в программу вставляются «заглушки», которые ничего не делают. Полученная программа проверяется и отлаживается. После того, как программист убедится, что подпрограммы вызываются в правильной последовательности (т.е. общая структура программы верна), подпрограммы-заглушки последовательно заменяются на реально работающие, причём разработка каждой подпрограммы ведётся тем же методом, что и основной программы. Разработка заканчивается тогда, когда не останется ни одной «заглушки», которая не была бы удалена. Такая последовательность гарантирует, что на каждом этапе разработки программист одновременно имеет дело с обозримым и понятным ему множеством фрагментов, и может быть уверен, что общая структура всех более высоких уровней программы верна. При сопровождении и внесении изменений в программу выясняется, в какие именно процедуры нужно внести изменения, и они вносятся, не затрагивая части программы, непосредственно не связанные с ними. Это позволяет гарантировать, что при внесении изменений и исправлении ошибок не выйдет из строя какая-то часть программы, находящаяся в данный момент вне зоны внимания программиста.

Следование принципам структурного программирования сделало тексты программ, даже довольно крупных, нормально читаемыми. Серьёзно облегчилось понимание программ, появилась возможность разработки программ в нормальном промышленном режиме, когда программу может без особых затруднений понять не только её автор, но и другие программисты. Это позволило разрабатывать достаточно крупные для того времени программные комплексы силами коллективов разработчиков, и сопровождать эти комплексы в течение многих лет, даже в условиях неизбежных изменений в составе персонала.

Методология структурной разработки программного обеспечения была признана «самой сильной формализацией 70-х годов». После этого слово «структурный» стало модным в отрасли, и его начали использовать везде, где надо и где не надо. Появились работы по «структурному проектированию», «структурному тестированию», «структурному дизайну» и т.д.

К достоинствам структурного программирования можно отнести следующее:

1. Структурное программирование позволяет значительно сократить число вариантов построения программы по одной и той же спецификации, что значительно снижает сложность программы и облегчает понимание её другими разработчиками.

2. В структурированных программах логически связанные операторы находятся визуально ближе, а слабо связанные — дальше, что позволяет обходиться без блок-схем и других графических форм изображения алгоритмов (по сути, сама программа является собственной блок-схемой).

3. Сильно упрощается процесс тестирования и отладки структурированных программ.

Рассмотрим более подробно основные методы структурного программирования.

1.1. Цели и принципы структурного программирования

Целями структурного программирования являются:

1.    Обеспечение дисциплины программирования в процессе создания программных комплексов*.

2.    Улучшение читабельность программы. Читабельность улучшается, если придерживаться следующих правил:

·      избегать использования языковых конструкций с неочевидной семантикой;

·      стремиться к локализации действия управляющих конструкций и использования структур данных;

·      разрабатывать программу так, чтобы ее можно было читать от начала до конца без управляющих переходов на другую страницу.

3.    Повышение эффективности программ. Этого можно достигнуть, если выполнять структурирование программы, разбивая ее на модули так, чтобы можно было легко находить и корректировать ошибки, а также чтобы текст любого модуля с целью увеличения эффективности можно было переделать независимо от других.

4.    Повышение надежности программ. Этого можно достигнуть, если программа будет легко поддаваться сквозному тестированию и не создаст проблем для организации процесса отладки. Это обеспечивается хорошим структурированием программы при разбивке ее на модули и выполнением правил написания читабельных программ.

5.    Уменьшение времени и стоимости программной разработки. Это происходит в том случае, если каждый программист команды разработчиков становится способным писать и отлаживать большее количество программного кода, чем раньше.

Основные принципы структурного программирования сведены в табл. 1.

                                                     Таблица 1. Принципы структурного программирования

Принцип	Пояснение
Абстракция	Абстракция позволяет программисту вообразить требуемое решение проблемы без сиюминутного учета множества деталей. Программист может рассматривать программу по уровням: верхний уровень показывает большую абстракцию, упрощает взгляд на проект, в то время как нижний уровень показывает мелкие детали реализации.
Формальность	Использование при разработке программы строгого методического подхода, что является базой для превращения программирования из импровизации в инженерную дисциплину. Этот принцип дает основания для доказательства правильности программ, так как позволяет изучать программы (алгоритмы) как математические объекты.
«Разделяй и властвуй»	Разделение программы на отдельные фрагменты (модули), которые просты по управлению и допускают независимую отладку и тестирование.
Иерархическое упорядочение	Структура разбиения на части не менее важна, чем сам факт такого разделения. Этот принцип выдвигает требование иерархического структурирования взаимосвязей между модулями программного комплекса, что облегчает достижение целей структурного программирования.

 

1.2. Нисходящее проектирование

Спецификация задачи служит отправной точкой в создании программы. Нужно понять, какие действия должны быть совершены для решения задачи, описать их на естественном языке и на достаточно высоком уровне абстракции.

Спецификация задачи является ее первичным проектом. От неё мы движемся к программе, постепенно уточняя описание.

Постепенное уточнение проекта называется методом проектирования сверху вниз (пошаговой детализации или нисходящего проектирования).

Пример 1. В качестве примера рассмотрим проект одевания ребенка.

Решение:

1. Первичная цель:

Одеть.

2. Конкретизация цели на первом шаге:

Одеть нижнюю половину.

Одеть верхнюю половину.

2.1. Нижнюю половину можно одеть в два этапа:

Надеть брюки.

Надеть носки и ботинки.

2.2. Верхнюю половину можно также одеть в два этапа:

Надеть рубашку.

Надеть куртку.

3. Окончательный проект выглядит так:

Надеть брюки.

Надеть носки.

Надеть ботинки.

Надеть рубашку.

Надеть куртку.

Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разложение общей функции обработки данных на простые функциональные элементы («сверху-вниз»). В результате строится иерархическая схема – функциональная структура алгоритма (ФСА), отражающая состав и взаимоподчиненность отдельных функций (рис. 2).

Рис. 2. Функциональная структура приложения

Последовательность действий по разработке ФСА приложения следующая:

1)   определяются цели автоматизации предметной области и их иерархия (цель-подцель);

2)   устанавливается состав приложений (задач обработки), обеспечивающих реализацию поставленных целей;

3)   уточняется характер взаимосвязи приложений и их основные характеристики (информация для решения задач, время и периодичность решения, условия выполнения и др.);

4)   определяются необходимые для решения задач функции обработки данных;

5)   выполняется декомпозиция функций обработки до необходимой структурной сложности, реализуемой предполагаемым инструментарием.

Подобная структура приложения отражает наиболее важное – состав и взаимосвязь функций обработки информации для реализации приложения, хотя и не раскрывает логику выполнения каждой отдельной функции, условия или периодичность их вызовов.

1.3. Модульное программирование

Модульное программирование является естественным следствием проектирования сверху вниз и заключается в том, что программа разбивается на части – модули, разрабатываемые по отдельности.

Модуль – это самостоятельная часть программы, имеющая определенное назначение и обеспечивающая заданные функции обработки автономно от других программных модулей. Модуль состоит из логически взаимосвязанной совокупности функциональных элементов.

В программировании под модулем понимается отдельная подпрограмма, а подпрограммы часто называются процедурами или процедурами-функциями. Поэтому модульное программирование еще называется процедурным.

При создании программных продуктов выделяются многократно используемые модули, проводится их типизация и унификация, за счет чего сокращаются сроки и трудозатраты на разработку программного продукта в целом.

Некоторые программные продукты используют модули из готовых библиотек стандартных подпрограмм, процедур, функций, объектов, методов обработки данных.

Среди множества модулей различают:

·      головной модуль – управляет запуском программного продукта (существует в единственном числе);

·      управляющий модуль – обеспечивает вызов других модулей на обработку;

·      рабочие модули – выполняют функции обработки;

·      сервисные модули и библиотеки, утилиты – реализуют обслуживающие функции.

В работе программного продукта активизируются необходимые программные модули. Управляющие модули задают последовательность вызова на выполнение очередного модуля. Информационная связь модулей обеспечивается за счет использования общей базы данных либо межмодульной передачи данных через переменные обмена.

Каждый модуль может оформляться как самостоятельно хранимый файл; для функционирования программного продукта необходимо наличие программных модулей в полном составе.

Модуль должен обладать следующими свойствами:

·      один вход и один выход – на входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет содержательную обработку и возвращает один набор результатных данных, т.е. реализуется стандартный принцип IPO (Input–Process–Output – вход-процесс-выход);

·      функциональная завершенность – модуль выполняет перечень регламентированных операций для реализации каждой отдельной функции в полном составе, достаточных для завершения начатой обработки;

·      логическая независимость – результат работы программного модуля зависит только от исходных данных, но не зависит от работы других модулей;

·      слабые информационные связи с другими программными модулями – обмен информацией между модулями должен быть по возможности минимизирован;

·      обозримый по размеру и сложности программный код.

 

Модули содержат:

·      определение доступных для обработки данных;

·      операции обработки данных;

·      схемы взаимосвязи с другими модулями.

Каждый модуль состоит из спецификации и тела. Спецификации определяют правила использования модуля, а тело – способ реализации процесса обработки.

Однотипные функции реализуются одними и теми же модулями. Функция верхнего уровня обеспечивается главным модулем; он управляет выполнением нижестоящих функций, которым соответствуют подчиненные модули.

При определении набора модулей, реализующих функции конкретного алгоритма, необходимо учитывать следующее:

·      каждый модуль вызывается на выполнение вышестоящим модулем и, закончив работу, возвращает управление вызвавшему его модулю;

·      принятие основных решений в алгоритме выносится на максимально «высокий» по иерархии уровень;

·      для использования одной и той же функции в разных местах алгоритма создается один модуль, который вызывается на выполнение по мере необходимости.

В результате дальнейшей детализации алгоритма создается функционально-модульная схема (ФМС) алгоритма приложения, являющаяся основой для программирования (рис. 2).

Состав и вид программных модулей, их назначение и характер использования в программе в значительной степени определяются инструментальными средствами.

Рис. 3. Функционально-модульная структура алгоритма приложения

Большинство современных программ прикладного характера, ориентированных на конечного пользователя, работают в диалоговом режиме взаимодействия с пользователем таким образом, что ведется обмен сообщениями, влияющими на обработку данных. В диалоговом режиме под воздействием пользователя осуществляются запуск функций обработки, изменение свойств объектов, производится настройка параметров выдачи информации и т.п. Диалоговый процесс управляется согласно созданному сценарию, для которого определяются:

·      точки (момент, условие) начала диалога;

·      инициатор диалога – человек или программный продукт;

·      параметры и содержание диалога – сообщения, состав и структура меню, экранные формы и т.п.;

·      реакция программного продукта на завершение диалога.

Для создания диалоговых процессов и интерфейса конечного пользователя наиболее подходят объектно-ориентированные инструментальные средства разработки программ.

1.4. Структурное кодирование

Практика программирования показала необходимость научно обоснованной методологии разработки и документирования алгоритмов и программ. Эта методология должна касаться анализа исходной задачи, разделения ее на достаточно самостоятельные части и программирования этих частей по возможности независимо друг от друга. Такой методологией является структурное кодирование (программирование).

Структурное кодирование — это метод написания программ, имеющих определенную структуру и за счет этого удобных для понимания, тестирования, модификации и использования.

Данный метод основан на использовании небольшого набора простых управляющих структур (структурных операторов), правильность работы которых легко проанализировать и установить. При этом одни операторы состоят из других, вложенных в них.

Свойство структурности операторов состоит в том, что каждый оператор имеет один вход и один выход. Программа, построенная из структурных операторов, называется структурированной.

Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании, сформулированная итальянскими математиками К.Бомом и Дж.Якопини в 1966 г.

Теорема устанавливает, что как бы сложна ни была задача, схему алгоритм ее решения (и, соответственно, программу) всегда можно представить в виде композиции трех типов вложенных блоков:

·      следования (begin-end – начало-конец),

·      ветвления (if-then-else – если-то-иначе),

·      циклов с предусловием (while – пока).

Другими словами, эти элементарные структуры обладают функциональной полнотой, т.е. любой алгоритм, может быть реализован в виде композиции этих трех структур.

На практике данная теорема позволяет избежать использования операторов перехода goto, что делает алгоритмы и программы наглядными и легко понимаемыми.

Виды основных управляющих структур алгоритма приведены на рис. 4.

1. Структура типа «следование» (рис. 4, а) – образуется последовательностью действий, S1, S2, …, Sn, следующих одно за другим:

выполнить S1;

выполнить S2;

…

выполнить Sn.

В линейном вычислительном процессе все операции выполняются последовательно в порядке их записи. Типовым примером такого процесса является стандартная вычислительная схема, состоящая из трех этапов:

1)   ввод исходных данных;

2)   вычисление по формулам;

3)   вывод результата.

В языке Pascal такая структура заключается в операторные скобки Begin ... End:

Begin

  S1;

  S2;

  ...

  Sn;

End

2. Структура типа «ветвление» (ЕСЛИ – ТО – ИНАЧЕ) (рис. 4, б) – обеспечивает в зависимости от результата проверки условия Р, принимающего одно из двух логических значении Да (True) или Нет (False), выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма:

если Р

   то выполнить S1

   иначе выполнить S2.

Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

If P

  Then S1

  Else S2;

3. Структура типа «цикл с предусловием» (рис. 4, в) – обеспечивает многократное выполнение действия S в зависимости от того, какое значение принимает логическое условие Р:

до тех пор пока Р

   выполнять S.

Выполнение цикла прекращается, когда условие Р не выполняется.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

While P Do

  S;

В расширенный комплект элементарных алгоритмических структур дополнительно входят следующие управляющие конструкции (рис. 5).

4. Структура типа «сокращенное ветвление» (ЕСЛИ – ТО) (рис. 5, а) – если результат проверки условия Р принимает значение Да (True), то выполняется действие S; в противном случае это действие пропускается и управление передается следующей структуре:

если Р

   то выполнить S1.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

If P

  Then S;

5. Структура типа «выбор – иначе» (рис. 5, б) являются расширенным вариантом структуры типа ЕСЛИ – ТО – ИНАЧЕ. Здесь проверяемое условие Р может принимать не два логических значения, а несколько порядковых значений, например, 1, 2, …, n. Если Р = i, то будет выполняться действие Si. Если же значение Р будет выходить из диапазона допустимых значений, то выполняется действие S (в укороченном варианте «выбор» никакого действия не производится и управление передается к следующей структуре. В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

Case P Of

1: S1;

2: S2;

…

n: Sn

Else S

End;

6. Структура типа «цикл с постусловием» (рис. 5, в) – обеспечивает многократное выполнение действия S до тех пор, пока не выполняется условие Р.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

Repeat

S

Until P;

7. Структура типа «цикл с параметром» (рис. 5, г) – обеспечивает заранее определенное многократное выполнение действия S. При этом здесь последовательно выполняются следующие типовые операции:

·      задание начального значения используемого параметра цикла (например, если переменной цикла является i, то ей присваивается значение i1, т.е. i:=i1);

·      выполнение действий S, предусмотренных в теле цикла;

·      изменение параметра цикла, который обеспечивает вычисление результата с новыми начальными данными (например, если параметр цикла i изменяется с шагом i3, i:=i+ i3);

·      проверка текущего значения параметра цикла с заданным конечным значением (i<=i2);

·      переход к повторению тела цикла, если параметр цикла не превысил конечного значения, иначе — выполнение следующих действий или вывод результата.

В языке Pascal такая структура имеет следующий формат:

For Переменная:=i1 To (Downto) i3 Do

  S;

Рассматривая схему программы, можно выделить в ней части (фрагменты), достаточно простые и понятные по структуре. Представление этих фрагментов укрупненными блоками существенно облегчает восприятие алгоритма (а в дальнейшем и программы) в целом.

Структурные операторы обычно применяются уже на ранних стадиях нисходящего проектирования программы.

Таким образом, структурное программирование основано на модульной структуре программного продукта и типовых (базовых) управляющих структурах алгоритмов обработки данных различных программных модулей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОДЫ

1.    Структурное программирование — методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX в. Э.Дейкстрой, разработана и дополнена Н.Виртом. Типичными методами структурного программирования являются: нисходящее проектирование (проектирование сверху вниз); модульное (процедурное) программирование; структурное кодирование.

2.    Целями структурного программирования являются: обеспечение дисциплины программирования, повышение эффективности и надежности программ, уменьшение времени и стоимости программной разработки. Основные принципы структурного программирования: абстракция, формальность, «разделяй и властвуй», иерархическое упорядочение.

3.    Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разложение общей функции обработки данных на простые функциональные элементы («сверху-вниз»). Средства достижения целей на предыдущем уровне превращаются в цели на нижнем.

4.    Структурное кодирование — это метод написания программ, имеющих определенную структуру. Он основан на использовании небольшого набора структурных операторов, правильность которых легко проанализировать и установить. При этом одни операторы состоят из других, вложенных в них.

5.    Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании, сформулированная итальянскими математиками К.Бомом и Дж.Якопини в 1966 г. Теорема устанавливает, что как бы сложна ни была задача, схему алгоритм ее решения (и, соответственно, программу) всегда можно представить в виде композиции трех типов вложенных блоков: следования (begin-end – начало-конец), ветвления (if-then-else – если-то-иначе), циклов с предусловием (while – пока).