Структурное программирование

 

Структурное программирование – подход к программированию, в котором для передачи управления в программе используется три конструкции: следование, выбора и цикл.

 Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственно, усложнения программного обеспечения. В 1970-е годы объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что традиционная (неструктурированная) разработка программ перестала удовлетворять потребностям практики. Программы становились слишком сложными, чтобы их можно было нормально сопровождать. Поэтому потребовалась систематизация процесса разработки и структуры программ.

Классическая теорема Боэма и Джакопини о структурном программировании утверждает, что всякую правильную программу (т. е. программу с одним входом и одним выходом, без зацикливаний и недостижимых веток) можно записать с использованием следующих логических структур:

• последовательности двух или более операторов;

• дихотомического выбора;

• повторения.

Дейкстра предложил отказаться от оператора безусловного перехода и ограничиться тремя конструкциями – последовательностью, выбором и циклом;

Дональд Кнут продемонстрировал случаи, в которых оператор безусловного перехода оказывался полезным (например, выход из нескольких вложенных циклов) и подверг критике утверждение Дейкстры.

В 1965 году академик Глушков обратил внимание на то, что структурированные программы можно рассматривать как формулы в некоторой алгебре. Зная правила преобразования выражений в такой алгебре, можно осуществлять глубокие формальные (и, следовательно, автоматизированные) преобразования программ.

Структурное программирование – не самоцель, его основное назначение – получение хорошей программы. Однако даже в самой хорошей программе операторы перехода требуются, например при выходе из множества вложенных циклов.

 

Модульное программирование

 

Модульное программирование – это такой способ программирования, при котором вся программа разбивается на группу компонентов, называемых модулями, причем каждый из них имеет свой контролируемый размер, четкое назначение и детально проработанный интерфейс с внешней средой. Единственная альтернатива модульности – монолитная программа, что, конечно, неудобно. Таким образом, наиболее интересный вопрос при изучении модульности – определение критерия разбиения на модули. В основе модульного программирования лежат три основные концепции.

Принцип утаивания информации. Всякий компонент утаивает единственное проектное решение, т. е. модуль служит для утаивания информации. Подход к разработке программ заключается в том, что сначала формируется список проектных решений, которые особенно трудно принять или которые, скорее всего, будут меняться. Затем определяются отдельные модули, каждый из которых реализует одно из указанных решений.

Аксиома модульности. Модуль – независимая программная единица, служащая для выполнения некоторой определенной функции программы и для связи с остальной частью программы. Программная единица должна удовлетворять следующим условиям:

– блочность организации, т. е. возможность вызвать программную единицу из блоков любой степени вложенности;

– синтаксическая обособленность, т. е. выделение модуля в тексте синтаксическими элементами;

– семантическая независимость, т. е. независимость от места, где программная единица вызвана;

– общность данных, т. е. наличие собственных данных, сохраняющихся при каждом обращении;

– полнота определения, т. е. самостоятельность программной единицы.

Сборочное программирование. Модули – это программные кирпичи, из которых строится программа.

Сцепление модулей – мера относительной независимости модуля от других модулей. Независимые модули могут быть модифицированы без переделки других модулей. Чем слабее сцепление модуля, тем лучше. Рассмотрим различные типы сцепления.

– независимые модули – это идеальный случай. Модули ничего не знают друг о друге. Организовать взаимодействие таких модулей можно, зная их интерфейс и соответствующим образом перенаправив выходные данные одного модуля на вход другого.

– сцепление по данным (параметрическое) - это сцепление, когда данные передаются модулю, как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Этот вид сцепления реализуется в языках программирования при обращении к функциям (процедурам).

Рутинность модуля – это независимость модуля от предыдущих обращений к нему (от предыстории). Модуль является рутинным, если результат его работы зависит только от количества переданных параметров (а не от количества обращений). Модуль должен быть рутинным в большинстве случаев, но есть и случаи, когда модуль должен сохранять историю. В выборе степени рутинности модуля пользуются тремя рекомендациями:

– в большинстве случаев делаем модуль рутинным;

– зависящие от предыстории модули следует использовать только в тех случаях, когда это необходимо для сцепления по данным;

– в спецификации зависящего от предыстории модуля должна быть четко сформулирована эта зависимость, чтобы пользователи имели возможность прогнозировать поведение такого модуля.

Преимущество модульного программирования:

1. Так как вспомогательные модули – это отдельные файлы программ, в них обычно выносятся процедуры и функции  которые используются одновременно в нескольких программах; т.о., программа собирается из готовых блоков.

2. Если некая процедура или функция исправляется (во вспомогательном модуле), то все исправления автоматически становятся доступны всем программам, которые эти модули используют;

3. Сосредоточение вспомогательных модулей в одном месте облегчает поиск нужного фрагмента исходного текста, и позволяет избежать ситуации, когда одна и та же процедура существует в нескольких вариантах в каждой программе.

 

Объектно-ориентированное программирование

 

Объе́ктно-ориенти́рованное программи́рование (ООП) — парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов и классов.

ООП возникло в результате развития идеологии процедурного программирования, где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны.

Взаимодействие объектов происходит посредством сообщений.

Языковые конструкции, конструктивно не относящиеся непосредственно к объектам, но сопутствующие им для их безопасной и эффективной работы, инкапсулируются от них в аспекты.

Первым языком программирования, в котором были предложены принципы объектной ориентированности, была Симула. В момент его появления в 1967 году в нём были предложены революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Тем не менее, большинство концепций были развиты Аланом Кэем и Дэном Ингаллсом в языке Smalltalk. Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования.

В настоящее время количество прикладных языков программирования, реализующих объектно-ориентированную парадигму, является наибольшим по отношению к другим парадигмам. В области системного программирования до сих пор применяется парадигма процедурного программирования, и общепринятым языком программирования является Cи. При взаимодействии системного и прикладного уровней операционных систем заметное влияние стали оказывать языки объектно-ориентированного программирования. Например, одной из наиболее распространённых библиотек мультиплатформенного программирования является объектно-ориентированная библиотека Qt, написанная на языке C++.

Методология объектно-ориентированного программирования – подход, использующий объектную декомпозицию, при которой статическая структура системы описывается в терминах объектов и связей между ними, а поведение системы описывается в терминах обмена сообщениями между объектами.

С точки зрения объектно-ориентированного программирования все "действующие лица" программы представляют собой объекты, каждый из которых является элементом (экземпляром) какого-либо класса. Параметры объекта (радиус, цвет и т.п.) называются его свойствами, а процедуры или функции, которые он выполняет в ответ на какой-либо запрос (поменять цвет, переместиться и т.п.), называются методами. При этом метод, который должен вызываться в ответ на запрос, определяется классом, экземпляром которого является данный объект. И наоборот, если объекты принадлежат одному и тому же классу, то они должны вызывать одинаковые методы в ответ на один и тот же запрос.

ООП поддерживается концепциями инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Инкапсуляция – представление свойств и методов как неотъемлемых частей любого объекта. В этом случае объект можно представить как своеобразную оболочку (капсулу), которая "окружает" программный код (методы) и данные (свойства).

Наследование – построение иерархии порожденных объектов с возможностью для каждого такого объекта, относящегося к иерархии, доступа к коду и данным всех порождающих объектов. Наследованием называется возможность доступа объектов, принадлежащих классу-потомку, к методам и свойствам класса-предка.

Полиморфизм – присваивание действию одного имени, которое затем разделяется вверх и вниз по иерархии объектов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, подходящим именно ему.

Полиморфизм при вызове метода Draw объемами классов Rect и Round

Метод абстрактных типов данных – метод, лежащий в основе инкапсуляции. Метод поддерживается концепцией абстрагирования. Абстрагирование – принцип игнорирования второстепенных аспектов предмета с целью выделения главных. Абстрагирование в информатике – моделирование возможных реализаций. Модели подавляют детали, но оставляют существенные особенности. Отличие от математики еще и в том, что мы рассматриваем абстракции одновременно как по отношению к решаемой проблеме, так и по отношению к физической машине. Абстрактным типом данных будем называть модуль, внутренняя часть которого скрыта от пользователя, и работа с модулем разрешается только при помощи операций. Применение концепции абстрактных типов данных в практике программирования следующее. Некоторая программа, работающая с данными типа Т и содержащая последовательность операторов, реализующих операции с этим типом, может быть преобразована в функционально-эквивалентную программу. В результирующей программе каждая операция с типом Т может быть описана в виде функции, а все явно запрограммированные действия с этим типом могут быть заменены вызовами соответствующих функций.

Метод пересылки сообщений – заключается в описании поведения системы в терминах обмена сообщениями между объектами. Метод поддерживается концепцией сообщения.

Вычислительная модель чистого объектно-ориентированного программирования поддерживает явно только одну операцию, которой является посылка объекту сообщения. Сообщения могут иметь параметры, являющиеся объектами. Само сообщение также является объектом.

Объект имеет набор обработчиков сообщений (набор методов). У объекта есть поля – персональные переменные для данного объекта, значениями которых являются ссылки на другие объекты. В одном из полей объекта хранится ссылка на объект-предок, которому переадресуются все сообщения, не обрабатываемые данным объектом. Структуры, описывающие обработку и переадресацию сообщений, обычно выделяют в отдельный объект, называемый классом данного объекта. Сам объект называют экземпляром указанного класса.

В синтаксисе чистых объектно-ориентированных языков все может быть записано в форме посылки сообщений объектам. Класс в объектно-ориентированных языках описывает структуру и функционирование множества объектов с подобными характеристиками, атрибутами и поведением. Объект естественным образом принадлежит к некоторому классу и обладает своим собственным внутренним состоянием. Методы - функциональные свойства, которые можно активизировать.

У каждого объекта есть ссылка на класс, к которому он относится. При приеме сообщения объект обращается к классу для обработки данного сообщения. Сообщение может быть передано вверх по иерархии наследования, если сам класс не располагает методом для его обработки. Если обработчик событий для сообщения выбирается динамически, то методы, реализующие обработчиков событий, принято называть виртуальными.

Естественным средством структурирования в данной методологии являются классы. Классы определяют, какие поля и методы экземпляра доступны извне, как обрабатывать отдельные сообщения и т. п. В чистых объектно-ориентированных языках извне доступны только методы.

Взаимодействие задач в данной методологии осуществляется при помощи обмена сообщениями между объектами, реализующими данные задачи.