Что такое структурное программирование. Структурное программирование

17.04.2024

Парадигмы программирования

Структу́рное программи́рование - методология разработки программного обеспечения , в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков . Предложена в 1970-х годах Э. Дейкстрой и др.

В соответствии с данной методологией любая программа строится без использования оператора goto из трёх базовых управляющих структур: последовательность, ветвление, цикл; кроме того, используются подпрограммы . При этом разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

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.

Методология структурной разработки программного обеспечения была признана «самой сильной формализацией 70-х годов».

По мнению Бертрана Мейера, «Революция во взглядах на программирование, начатая Дейкстрой, привела к движению, известному как структурное программирование, которое предложило систематический, рациональный подход к конструированию программ. Структурное программирование стало основой всего, что сделано в методологии программирования, включая и объектное программирование» .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Структурное программирование. Базовые принципы

✪ Паскаль с нуля [ч1]. Первая программа.

✪ Урок 7. Операторы вывода write/writeln. Простая программа. Программирование на Pascal / Паскаль

✪ Основы Программирования - #5 - Арифметические и логические выражения

✪ 003. Логические алгоритмы классификации - К.В. Воронцов

Субтитры

История

Первоначально идея структурного программирования появилась на свет в связи с оператором goto и сомнениями в целесообразности его применения. Впервые подобные сомнения высказал Хайнц Земанек (Heinz Zemanek) на совещании по языку Алгол в начале 1959 года в Копенгагене. Однако это выступление не привлекло к себе внимания и не имело последствий. Эдсгер Дейкстра (Edsger Dijkstra) вспоминает: «До некоторой степени я виню себя за то, что в то время не смог оценить значимость этой идеи» .

Ситуация коренным образом изменилась через десять лет, когда в марте 1968 года Дейкстра опубликовал своё знаменитое письмо «Оператор Go To считается вредным» (Go To Statement Considered Harmful). Это поистине исторический документ, оказавший заметное влияние на дальнейшее развитие программирования.

Судьба самого документа очень интересна. Дело в том, что Дейкстра дал статье совсем другое название: «Доводы против оператора GO TO» (A Case against the GO TO Statement).

Однако в момент публикации произошло нечто непонятное - статья почему-то загадочным образом превратилась в «Письмо к редактору», причем прежнее название столь же загадочно исчезло. Что произошло на самом деле? Дейкстра объяснил таинственное превращение статьи в письмо лишь много лет спустя, в 2001 году, за год до смерти.

Цель

Цель структурного программирования - повысить производительность труда программистов, в том числе при разработке больших и сложных программных комплексов, сократить число ошибок, упростить отладку, модификацию и сопровождение программного обеспечения.

Такая цель была поставлена в связи с ростом сложности программ и неспособностью разработчиков и руководителей крупных программных проектов справиться с проблемами, возникшими в 1960 – 1970 годы в связи с развитием программных средств .

Спагетти-код

Структурное программирование призвано, в частности, устранить беспорядок и ошибки в программах, вызванные трудностями чтения кода, несистематизированным, неудобным для восприятия и анализа исходным текстом программы. Такой текст нередко характеризуют как «спагетти-код ».

Спагетти-код может быть отлажен и работать правильно и с высокой производительностью, но он крайне сложен в сопровождении и развитии . Доработка спагетти-кода для добавления новой функциональности иногда несет значительный потенциал внесения новых ошибок. По этой причине становится практически неизбежным рефакторинг (code refactoring) - главное лекарство от спагетти.

Оператор goto

Начиная с 1970-х годов оператор безусловного перехода goto оказался в центре систематической и всевозрастающей критики. Неправильное и необдуманное использование оператора goto в исходном тексте программы приводит к получению запутанного, неудобочитаемого «спагетти-кода ». По тексту такого кода практически невозможно понять порядок исполнения и взаимозависимость фрагментов.

Впервые эта точка зрения была отражена в статье Эдсгера Дейкстры «Оператор Go To считается вредным» . Дейкстра заметил, что качество программного кода обратно пропорционально количеству операторов goto в нём. Статья приобрела широкую известность, в результате чего взгляды на использование оператора goto были существенно пересмотрены. В работе «Заметки по структурному программированию» Дейкстра обосновал тот факт, что для кода без goto намного легче проверить формальную корректность .

Код с goto трудно форматировать, так как он может нарушать иерархичность выполнения (парадигму структурного программирования) и потому отступы, призванные отображать структуру программы, не всегда могут быть выставлены правильно. Кроме того, оператор goto мешает оптимизации компиляторами управляющих структур .

Некоторые способы применения goto могут создавать проблемы с логикой исполнения программы:

Если некоторая переменная инициализируется (получает значение) в одном месте и потом используется далее, то переход в точку после инициализации, но до использования, приведёт к тому, что будет выбрано значение, которое находилось в памяти, выделенной под переменную, до момента выделения (и которое, как правило, является произвольным и случайным).
Передача управления внутрь тела цикла приводит к пропуску кода инициализации цикла или первоначальной проверки условия.
Аналогично, передача управления внутрь процедуры или функции приводит к пропуску её начальной части, в которой производится инициализация (выделение памяти под локальные переменные).

Доводы против оператора goto оказались столь серьёзными, что в структурном программировании его стали рассматривать как крайне нежелательный. Это нашло отражение при проектировании новых языков программирования. Например, goto запрещён в Java и Ruby . В ряде современных языков он всё же оставлен из соображений эффективности в тех редких случаях, когда применение goto оправданно. Так, goto сохранился в Аде - одном из наиболее продуманных с точки зрения архитектуры языков за всю историю .

Однако в языках высокого уровня, где этот оператор сохранился, на его использование, как правило, накладываются жёсткие ограничения, препятствующие использованию наиболее опасных методов его применения: например, запрещается передавать управление извне цикла, процедуры или функции внутрь. Стандарт языка C++ запрещает обход инициализации переменной с помощью goto.

Теорема о структурном программировании

Теорему сформулировали и доказали итальянские математики Коррадо Бём (Corrado Böhm) и Джузеппе Якопини (Giuseppe Jacopini). Они опубликовали её в 1965 году на итальянском языке и в 1966 году на английском . Наряду с теоремой, в статье Бёма и Якопини описывались методы преобразования неструктурных алгоритмов в структурные на примере созданного Бёмом языка программирования P′′ . Язык P′′ - первый полный по Тьюрингу язык программирования без оператора goto .

Теорема Бёма-Якопини написана сложным языком и в непривычных обозначениях. Если использовать современную терминологию и обозначения, она примет вид:

Любая программа, заданная в виде блок-схемы, может быть представлена с помощью трех управляющих структур:

последовательность - обозначается: f THEN g,

ветвление - обозначается: IF p THEN f ELSE g,

цикл - обозначается: WHILE p DO f,

где f, g - блок-схемы с одним входом и одним выходом,
Р - условие, THEN, IF, ELSE, WHILE, DO - ключевые слова .
Пояснение. Формула f THEN g означает следующее: сначала выполняется программа f, затем выполняется программа g.

Бём и Якопини не употребляли термин «структурное программирование». Тем не менее, доказанную ими теорему (и её последующие вариации у разных авторов) впоследствии стали называть «Теоремой о структурном программировании », «Структурной теоремой» (Structure theorem ), «Теоремой о структурировании» .

Принципы структурного программирования

Становление и развитие структурного программирования связано с именем Эдсгера Дейкстры .

Принцип 1. Следует отказаться от использования оператора безусловного перехода goto.

Принцип 2. Любая программа строится из трёх базовых управляющих конструкций: последовательность, ветвление, цикл.

Принцип 3. В программе базовые управляющие конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом. Никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

Принцип 4. Повторяющиеся фрагменты программы можно оформить в виде подпрограмм (процедур и функций). Таким же образом (в виде подпрограмм) можно оформить логически целостные фрагменты программы, даже если они не повторяются.

Принцип 5. Каждую логически законченную группу инструкций следует оформить как блок (block). Блоки являются основой структурного программирования.

Блок - это логически сгруппированная часть исходного кода, например, набор инструкций, записанных подряд в исходном коде программы. Понятие блок означает, что к блоку инструкций следует обращаться как к единой инструкции. Блоки служат для ограничения области видимости переменных и функций. Блоки могут быть пустыми или вложенными один в другой. Границы блока строго определены. Например, в if-инструкции блок ограничен кодом BEGIN..END (в языке Паскаль) или фигурными скобками {...} (в языке C) или отступами (в языке Питон).

Принцип 6. Все перечисленные конструкции должны иметь один вход и один выход.

Произвольные управляющие конструкции (такие, как в блюде спагетти) могут иметь произвольное число входов и выходов. Ограничив себя управляющими конструкциями с одним входом и одним выходом, мы получаем возможность построения произвольных алгоритмов любой сложности с помощью простых и надежных механизмов .

Принцип 7. Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз» (top–down method) .

Метод «сверху вниз»

Если говорить точнее, заглушка удовлетворяет требованиям интерфейса заменяемого фрагмента (модуля), но не выполняет его функций или выполняет их частично. Затем заглушки заменяются или дорабатываются до настоящих полнофункциональных фрагментов (модулей) в соответствии с планом программирования. На каждой стадии процесса реализации уже созданная программа должна правильно работать по отношению к более низкому уровню. Полученная программа проверяется и отлаживается .

Следует также учесть, что в «Предисловии» к книге «Структурное программирование» Тони Хоар (Tony Hoare) отмечает, что принципы структурного программирования в равной степени могут применяться при разработке программ как «сверху вниз», так и «снизу вверх» .

Подпрограмма

Подпрограмма является важным элементом структурного программирования. Изначально подпрограммы появились как средство оптимизации программ по объёму занимаемой памяти - они позволили не повторять в программе идентичные блоки кода, а описывать их однократно и вызывать по мере необходимости. К настоящему времени данная функция подпрограмм стала вспомогательной, главное их назначение - структуризация программы с целью удобства её понимания и сопровождения.

Выделение набора действий в подпрограмму и вызов её по мере необходимости позволяет логически выделить целостную подзадачу, имеющую типовое решение. Такое действие имеет ещё одно (помимо экономии памяти) преимущество перед повторением однотипных действий. Любое изменение (исправление ошибки, оптимизация, расширение функциональности), сделанное в подпрограмме, автоматически отражается на всех её вызовах, в то время как при дублировании каждое изменение необходимо вносить в каждое вхождение изменяемого кода.

Даже в тех случаях, когда в подпрограмму выделяется однократно производимый набор действий, это оправдано, так как позволяет сократить размеры целостных блоков кода, составляющих программу, то есть сделать программу более понятной и обозримой.

Достоинства структурного программирования

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.

Структурное программирование позволяет значительно сократить число вариантов построения программы по одной и той же спецификации, что значительно снижает сложность программы и, что ещё важнее, облегчает понимание её другими разработчиками.
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).
Сильно упрощается процесс тестирования и отладки структурированных программ.

Ясность и удобочитаемость программ

Структурное программирование значительно повышает ясность и удобочитаемость (readability) программ . Эдвард Йордан (Edward Yourdon) поясняет:

Поведение многих неструктурных программ часто ближе к броуновскому движению, чем к сколько-нибудь организованному процессу. Всякая попытка прочесть листинг приводит человека в отчаяние тем, что в такой программе обычно исполняются несколько операторов, после чего управление передается в точку несколькими страницами ниже. Там исполняются еще несколько операторов и управление снова передается в какую-то случайную точку. Тут исполняются еще какие-то операторы и т. д. После нескольких таких передач читатель забывает, с чего все началось. И теряет ход мысли.
Структурным программам, напротив, свойственна тенденция к последовательным организации и исполнению .

Улучшение читабельности структурных программ объясняется тем, что отсутствие оператора goto позволяет читать программу сверху донизу без разрывов, вызванных передачами управления. В итоге можно сразу (одним взглядом) обнаружить условия, необходимые для модификации того или иного фрагмента программы .

Двумерное структурное программирование

Р-технология производства программ, или «технология двумерного программирования» была создана в . Графическая система Р-технологии программирования закреплена в стандартах ГОСТ 19.005-85 , ГОСТ Р ИСО/МЭК 8631-94 и международном стандарте ISО 8631Н.

Автор Р-технологии программирования доктор физико-математических наук профессор Игорь Вельбицкий предложил пересмотреть само понятие «структура программы». По его мнению, «структура - понятие многомерное. Поэтому отображение этого понятия с помощью линейных текстов (последовательности операторов) сводит практически на нет преимущества структурного подхода. Огромные ассоциативные возможности зрительного аппарата и аппарата мышления человека используются практически вхолостую - для распознавания структурных образов в виде единообразной последовательности символов» .

Методология двумерного структурного программирования существенно отличается от классического одномерного (текстового) структурного программирования .

Идеи структурного программирования разрабатывались, когда компьютерная графика фактически ещё не существовала и основным инструментом алгоритмиста и программиста был одномерный (линейный или ступенчатый) текст. До появления компьютерной графики методология классического структурного программирования была наилучшим решением .

С появлением компьютерной графики ситуация изменилась. Используя выразительные средства графики, появилась возможность видоизменить, развить и дополнить три типа базовых (текстовых) управляющих структурных конструкций, а также полностью отказаться от ключевых слов , then, else, case , switch, break, while , do, repeat, until, for, foreach, continue, loop, exit, when, last и т. д. и заменить их на управляющую графику, то есть использовать двумерное структурное программирование .

Важной проблемой является сложность современного программирования и поиск путей её преодоления. По мнению кандидата технических наук, доцента Евгения Пышкина, изучение структурного программирования исключительно как инструмента разработки текстов программ, построенных на базе основной «структурной триады» (линейная последовательность, ветвление и цикл), является недостаточным и, по сути дела, сводит на нет анализ преимуществ структурного подхода . В процессе преодоления существенной сложности программного обеспечения важнейшим инструментом является визуализация проектирования и программирования .

См. также

Примечания

Мейер Б. Почувствуй класс. Учимся программировать хорошо с объектами и контрактами. - Пер. с англ. - М.: Национальный открытый университет ИНТУИТ: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 775с. - С. 208. - ISBN 978-5-9963-0573-5
Э. Дейкстра. Оператор goto считается вредным
Dijkstra E. Go To Statement Considered Harmful // Communications of the ACM, Volume 11, No. 3, March 1968, pp. 147-148. - Association for Computing Machinery, Inc.
См. также материалы из Архива Дейкстры. E. W. Dijkstra Archive. The manuscripts of Edsger W. Dijkstra. - Department of Computer Science The University of Texas at Austin
Рукопись EWD1308 из Архива Дейкстры.
Расшифровка рукописи EWD1308 из Архива Дейкстры. What led to «Notes on Structured Programming» - Nuenen, 10 June 2001. - Department of Computer Sciences. The University of Texas at Austin, USA
Лингер Р., Миллс Х., Уитт Б. Теория и практика структурного программирования. - Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - 406с. - С. 7.
John Vlissides, Kyle Brown, Gerard Meszaros AntiPatterns: The Survival Guide. .

Структурное программирование – методология программирования, направленная на создание логически простых и понятных программ. Структурное программирование основано на предположении, что логичность и понятность программы облегчает разработку, доказательство правильности и последующее сопровождение программы, а также обеспечивает ее надежность.

Характерными принципами структурного программирования являются:

· нисходящее программирование – способ разработки программ, при котором программирование ведется методом «сверху-вниз», от общего к деталям;

· модульное программирование , при котором относительно независимые подзадачи программируются в виде отдельных программных модулей;

· использование при программировании трех структур управления (следование, выбор, повторение). Структура следование предполагает естественную последовательность выполнения операторов. Структура выбор задается схемой «если – то – иначе» (условный оператор if). Структуре повторения сопоставлен оператор цикла;

· отказ от безусловных передач управления и ограниченное использование глобальных переменных.

В основе структурного программирования лежит теорема, которая была строго доказана в теории программирования. Суть ее в том, что алгоритм для решения любой логической задачи можно составить только из структур «следование, ветвление, цикл». Их называют базовыми алгоритмическими структурами. По сути дела, мы и раньше во всех рассматриваемых примерах программ придерживались принципов структурного программирования.

Следование– это линейная последовательность действий (рис. 2.6):

Рис. 2.6. Следование

Каждый блок может содержать в себе как простую команду, так и сложную структуру, но обязательно должен иметь один вход и один выход.

Ветвление – алгоритмическая альтернатива. Управление передается одному из двух блоков в зависимости от истинности или ложности условия. Затем происходит выход на общее продолжение (рис. 2.7):

Рис. 2.7. Ветвление

Цикл – повторение некоторой группы действий по условию. Различаются два типа цикла. Первый – цикл с предусловием (рис. 2.8):

Рис. 2.8. Цикл с предусловием

Пока условие истинно, выполняется серия, образующая тело цикла.

Второй тип циклической структуры – цикл с постусловием (рис. 2.9):

Рис. 2.9. Цикл с постусловием

Здесь тело цикла предшествует условию цикла. Тело цикла повторяет свое выполнение, если условие ложно. Повторение кончается, когда условие станет истинным.

Теоретически необходимым и достаточным является лишь первый тип цикла – цикл с предусловием. Любой циклический алгоритм можно построить с его помощью. Это более общий вариант цикла, чем цикл-до. В самом деле, тело цикла-до хотя бы один раз обязательно выполнится, так как проверка условия происходит после завершения его выполнения. А для цикла-пока возможен такой вариант, когда тело цикла не выполнится ни разу. Поэтому в любом языке программирования можно было бы ограничиться только циклом-пока. Однако в ряде случаев применение цикла-до оказывается более удобным, и поэтому он используется.

Иногда в литературе структурное программирование называют программированием без goto. Действительно, при таком подходе нет места безусловному переходу. Неоправданное использование в программах оператора goto лишает ее структурности, а значит, всех связанных с этим положительных свойств: прозрачности и надежности алгоритма. Хотя во всех процедурных языках программирования этот оператор присутствует, однако, придерживаясь структурного подхода, его употребления следует избегать.

Сложный алгоритм состоит из соединенных между собой базовых структур. Соединяться эти структуры могут двумя способами: последовательным и вложенным. Эта ситуация аналогична тому, что мы наблюдаем в электротехнике, где любая сколь угодно сложная электрическая цепь может быть разложена на последовательно и параллельно соединенные участки.

Вложенные алгоритмические структуры не являются аналогом параллельно соединенных проводников. Здесь больше подходит аналогия с матрешками, помещенными друг в друга. Если блок, составляющий тело цикла, сам является циклической структурой, то, значит, имеют место вложенные циклы. В свою очередь, внутренний цикл может иметь внутри себя еще один цикл и т.д. В связи с этим вводится представление о глубине вложенности циклов. Точно так же и ветвления могут быть вложенными друг в друга.

Структурный подход требует соблюдения стандарта в изображении блок-схем алгоритмов. Чертить их нужно так, как это делалось во всех приведенных примерах. Каждая базовая структура должна иметь один вход и один выход. Нестандартно изображенная блок-схема плохо читается, теряется наглядность алгоритма.

Языки программирования Паскаль и Си называют языками структурного программирования. В них есть все необходимые управляющие конструкции для структурного построения программы. Наглядность такому построению придает структуризация внешнего вида текста программы. Основной используемый для этого прием – сдвиги строк, которые должны подчиняться следующим правилам:

Конструкции одного уровня вложенности записываются на одном вертикальном уровне (начинаются с одной позиции в строке);

Вложенная конструкция записывается смещенной по строке на несколько позиций вправо относительно внешней для нее конструкции.

Структурная методика алгоритмизации – это не только форма описания алгоритма, но это еще и способ мышления программиста. Создавая алгоритм, нужно стремиться составлять его из стандартных структур. Если использовать строительную аналогию, можно сказать, что структурная методика построения алгоритма подобна сборке здания из стандартных секций в отличие от складывания по кирпичику.

Еще одним важнейшим технологическим приемом структурного программирования является декомпозиция решаемой задачи на подзадачи – более простые с точки зрения программирования части исходной задачи. Алгоритмы решения таких подзадач называются вспомогательными алгоритмами. В связи с этим возможны два пути в построении алгоритма:

«сверху вниз»: сначала строится основной алгоритм, затем вспомогательные алгоритмы;

«снизу вверх»: сначала составляются вспомогательные алгоритмы, затем основной.

Первый подход еще называют методом последовательной детализации, второй – сборочным методом.

Сборочный метод предполагает накопление и использование библиотек вспомогательных алгоритмов, реализованных в языках программирования в виде подпрограмм, процедур, функций. При последовательной детализации сначала строится основной алгоритм, а затем в него вносятся обращения к вспомогательным алгоритмам первого уровня. После этого составляются вспомогательные алгоритмы первого уровня, в которых могут присутствовать обращения к вспомогательным алгоритмам второго уровня, и т.д. Вспомогательные алгоритмы самого нижнего уровня состоят только из простых команд.

Метод последовательной детализации применяется в любом конструировании сложных объектов. Это естественная логическая последовательность мышления конструктора: постепенное углубление в детали. В нашем случае речь идет тоже о конструировании, но только не технических устройств, а алгоритмов. Достаточно сложный алгоритм другим способом построить практически невозможно.

В методе последовательной детализации сначала анализируется исходная задача. В ней выделяются подзадачи. Строится иерархия таких подзадач. Затем составляются алгоритмы (или программы), начиная с основного алгоритма (основной программы), далее – вспомогательные алгоритмы (подпрограммы) с последовательным углублением уровня, пока не получим алгоритмы, состоящие из простых команд.

Первый шаг детализации. Сначала наметим все необходимые подпрограммы, указав лишь их заголовки (спецификации). На месте тела подпрограмм запишем поясняющие комментарии (такой вид подпрограммы называется «заглушкой»). Напишем основную часть программы. А потом вернемся к детальному программированию процедур и функций. На первом этапе программирования вместо тела подпрограммы опишем ее назначение в форме комментария.

Становление и развитие структурного программирования связано с именем Эдсгера Дейкстры .

Принцип 1 . Следует отказаться от использования оператора безусловного перехода GoTo.

Принцип 2 . Любая программа строится из трёх базовых управляющих конструкций: последовательность, ветвление, цикл.

Последовательность - однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы. Бертран Мейер поясняет: «Последовательное соединение: используйте выход одного элемента как вход к другому, подобно тому, как электрики соединяют выход сопротивления со входом конденсатора» .
Ветвление - однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения заданного условия.
Цикл - многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется заданное условие (условие продолжения цикла).

Принцип 3 . В программе базовые управляющие конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом. Никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

Принцип 4 . Повторяющиеся фрагменты программы можно оформить в виде подпрограмм (процедур и функций). Таким же образом (в виде подпрограмм) можно оформить логически целостные фрагменты программы, даже если они не повторяются.

В этом случае в тексте основной программы, вместо помещённого в подпрограмму фрагмента, вставляется инструкция «Вызов подпрограммы». При выполнении такой инструкции работает вызванная подпрограмма. После этого продолжается исполнение основной программы, начиная с инструкции, следующей за командой «Вызов подпрограммы».

Бертран Мейер поясняет: «Преобразуйте элемент, возможно, с внутренними элементами, в подпрограмму, характеризуемую одним входом и одним выходом в потоке управления».

Принцип 5 . Каждую логически законченную группу инструкций следует оформить как блок (block). Блоки являются основой структурного программирования.

Блок - это логически сгруппированная часть исходного кода, например, набор инструкций, записанных подряд в исходном коде программы. Понятие блок означает, что к блоку инструкций следует обращаться как к единой инструкции. Блоки служат для ограничения области видимости переменных и функций. Блоки могут быть пустыми или вложенными один в другой. Границы блока строго определены. Например, в if-инструкции блок ограничен кодом BEGIN..END (в языке Паскаль) или фигурными скобками {...} (в языке C) или отступами (в языке Питон).

Принцип 6 . Все перечисленные конструкции должны иметь один вход и один выход.

Принцип 7 . Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз» (top-down method) .

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:

четко структурировать программу, что улучшило ее понимание программистами;

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

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.

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:

Обеспечение дисциплины программирования в процессе создания программных комплексов .

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.

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.

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.

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).

Приложение 1

Приложение n

Функция 1

Функция 2

Функция m

Подф-ция 11

Подф-ция 1 k

Подф-ция m 1

Подф-ция m 2

Подф-ция mp

Цель 1

Подцель 11

Подцель 1 s

Цель 2

Подцель 2 1

Подцель 2 q

Рис. 2. Функциональная структура приложения

Последовательность действий по разработке ФСА приложения следующая:

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

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

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

определяются необходимые для решения задач функции обработки данных ;

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.

Второй уровень иерархии программы

Первый уровень иерархии программы

Головной модуль

(программа-сервер)

Модуль управления 1

(Управл. прогр. 1)

Модуль управления n

(Управл. прогр. n)

Модуль 1A

(подпрогр. 1А)

Модуль 1В

(подпрогр. 1В)

Модуль 1W

(подпрогр. 1 W )

Модуль 0A

(подпрогр. 0А)

Модуль 0B

(подпрогр. 0B)

Модуль nA

(подпрогр. nА)

Модуль nB

(подпрогр. nB)

Модуль nW

(подпрогр. nW)

Третий уровень иерархии программы

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

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, S 1, S 2, …, Sn , следующих одно за другим:

выполнить S 1;

выполнить S 2;

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:

ввод исходных данных;

вычисление по формулам;

вывод результата.

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

Begin

S 1;

S 2;

...

Sn ;

End

Рис. 4. Базовые алгоритмические структуры:

а) следование (Begin – End ); б) ветвление (If – Then – Else ); в) цикл с предусловием (While – Do )

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 S 1

иначе выполнить S 2 .

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

В языке Pascal

If P

Then S 1

Else S 2;

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 S 1 .

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;

Рис. 5. Дополнительные элементарные алгоритмические структуры:

а) сокращенное ветвление (If – Then ); б) выбор – иначе (Case – Of – Else );
в) цикл с постусловием (Repeat – Until ); г) цикл с параметром (For – To ( Downto ) – Do )

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

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 i 1, т.е. i :=i 1);

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 i 3, i :=i  i 3);

проверка текущего значения параметра цикла с заданным конечным значением (i <=i 2);

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 := i 1 To (Downto) i 3 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

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.

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.

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.

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.

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).

* Э.Дейкстра дал следующее определение: «Структурное программирование – это дисциплина, которую программист навязывает сам себе ».

Структурное программирование

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, зародившейся в начале 70-х годов и получившей в последнее время широкое распространение, является структурное программирование. По своей сути оно воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ.

На всех этапах подготовки к алгоритмизации задачи широко используется структурное представление алгоритма.

C труктурное программирование воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ. В основу структурного программирования положены следующие достаточно простые положения:

алгоритм и программа должны составляться поэтапно (по шагам).

сложная задача должна разбиваться на достаточно простые части, каждая из которых имеет один вход и один выход.

логика алгоритма и программы должна опираться на минимальное число достаточно простых базовых управляющих структур.

Структурное программирование иногда называют еще "программированием без GO TO". Рекомендуется избегать употребления оператора перехода всюду, где это возможно, но чтобы это не приводило к слишком громоздким структурированным программам.

К полезным случаям использования оператора перехода можно отнести выход из цикла или процедуры по особому условию, "досрочно" прекращающего работу данного цикла или данной процедуры, т.е. завершающего работу некоторой структурной единицы (обобщенного оператора) и тем самым лишь локально нарушающего структурированность программы.

Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании . Эта теорема устанавливает, что, как бы сложна ни была задача, схема соответствующей программы всегда может быть представлена с использованием ограниченного числа элементарных управляющих структур. Базовыми элементарными структурами являются структуры: следование, ветвление и повторение (цикл), любой алгоритм может быть реализован в виде композиции этих трех конструкций.

Первая (а ) структура - тип последовательность (или просто последовательность), вторая (б ) – структура выбора (ветвление), третья (в ) – структура цикла с предусловием.

При словесной записи алгоритма указанные структуры имеют соответственно следующий смысл:

«выполнить ; выполнить
»,

если , то выполнить , иначе выполнить
»,

«до тех пор, пока , выполнять »,

где - условие; , ,
- действия.

Применительно к языку Паскаль, в котором наиболее полно нашли свое отражение идеи структурного программирования, целесообразно при проектировании алгоритмов дополнительно использовать еще четыре элементарные структуры: сокращенную запись разветвления (рис. 16, ); структуру варианта (рис. 16, ); структуру повторения или цикла с параметром (рис. 16, ); структуру цикла с постусловием (рис. 6, ). Каждая из этих структур имеет один вход и один выход.

Ветвящимся (разветвляющимся) называется вычислительный процесс, в котором происходит выбор одного из возможных вариантов вычислений в зависимости от проверки заданных условий.

В зависимости от типа и числа проверяемых условий различают:

Ветвление с простым условием (условие - выражение отношения);

Ветвление с составным условием (условие - логическое выражение);

Сложное ветвление (несколько условий).

Вариант вычислений, определяемый в результате проверки условия, называется ветвью .

Циклическим называется процесс многократного повторения некоторого участка вычислений при изменении хотя бы одной из входящих в него величин.

Повторяющийся участок вычисления называется циклом . Операции, осуществляемые в цикле, составляют тело цикла.

Величина, изменяющая своё значение от цикла к циклу, называется параметром цикла.

Зависимость, связывающая текущее и предыдущее значения параметра цикла, определяет закон изменения параметра цикла. Зависимость, предписывающая повторение цикла, либо выход из него, называется условием повторения цикла.

Полный однократный проход цикла от начала до конца называется итерацией.

Все циклические процессы по признаку определения количества повторений (М) разделяются на два класса.

Арифметическим называется циклический процесс, число повторений в котором может быть определено заранее, т.е. не зависит от результатов счёта в теле цикла.

Итерационным является циклический процесс, число повторений в котором зависит от результатов вычислений в теле цикла и не может быть определено заранее.

Независимо от того, к какому классу относится вычислительный процесс, каждый из них содержит обязательные элементы:

вход в цикл (формирование начального значения параметра цикла);

вычисления в теле цикла (расчёт текущего значения функций, формирования нового значения параметра цикла, а также вспомогательные операции);

выход из цикла (проверка условия, определяющего повторение вычислений, либо их прекращение).

В соответствии с видом задания (изменения) параметра цикла арифметические циклы подразделяются на:

циклы с аналитическим изменением параметра;

циклы с табличным заданием параметра.

Выполнение арифметических циклов, т.е. многократное вычисление значений функции при изменяющихся значениях аргумента, называется табуляцией функции .

Распространены две методики (стратегии) разработки программ , относящиеся к структурному программированию:

– программирование «сверху вниз»;

– программирование «снизу вверх».

Программирование «сверху вниз», или нисходящее программирование – это методика разработки программ, при которой разработка начинается с определения целей решения проблемы, после чего идет последовательная детализация, заканчивающаяся детальной программой.

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предметном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а временно откладывать, пока не будут закончены другие части.

Программирование «снизу вверх», или восходящее программирование – это методика разработки программ, начинающаяся с разработки подпрограмм (процедур, функций), в то время когда проработка общей схемы не закончилась.

Такая методика является менее предпочтительной по сравнению с нисходящим программированием, так как часто приводит к нежелательным результатам, переделкам и увеличению времени разработки.

Подпрограммы бывают двух видов – процедуры и функции. Процедура просто выполняет группу операторов, а функция вдобавок вычисляет некоторое значение и передает его обратно в главную программу. Это значение имеет определенный тип. Данные передаются подпрограмме в виде параметров или аргументов, которые обычно описываются в ее заголовке так же, как переменные. Подпрограммы вызываются, как правило, путем простой записи их названия с нужными параметрами.

Подпрограммы могут быть вложенными – допускается вызов подпрограммы не только из главной программ, но и из любых других программ.

В некоторых языках программирования допускается вызов подпрограммы из себя самой. Такой прием называется рекурсией и опасен тем, что может привести к зацикливанию – бесконечному самовызову.

Достоинства структурного программирования:

– повышается надежность программ (благодаря хорошему структурированию при проектировании, программа легко поддается тестированию и не создает проблем при отладке);

– повышается эффективность программ (структурирование программы позволяет легко находить и корректировать ошибки, а отдельные подпрограммы можно переделывать (модифицировать) независимо от других);

– уменьшается время и стоимость программной разработки;

– улучшается читабельность программ.

Предпрограммная подготовка задачи

На ЭВМ могут решаться задачи различного характера, например: научно-инженерные; разработки системного программного обеспечения; обучения; управления производственными процессами и т. д. В процессе подготовки и решения на ЭВМ научно-инженерных задач можно выделить следующие этапы:

1. постановка задачи;

2. формирование математической модели задачи;

3. выбор и обоснование метода решения;

4. алгоритмизация вычислительного процесса;

5. программирование;

6. отладка и тестирование программы;

7. решение задачи на ЭВМ и анализ результатов;

8. сопровождение программы.

В задачах другого класса некоторые этапы могут отсутствовать, например, в задачах разработки системного программного обеспечения отсутствует математическое описание. Перечисленные этапы связаны друг с другом. Для уменьшения числа подобных изменений необходимо на каждом этапе по возможности учитывать требования, предъявляемые последующими этапами

Постановка задачи - этап словесной формулировки, определяющий цель решения, исходные данные, основные закономерности, условия и ограничения применения этих закономерностей. Анализируются характер и сущность всех величин, используемых в задаче, и определяются условия, при которых она решается.

Постановка задачи должна отвечать следующим требованиям:

Четкая формулировка цели с указанием вида и характеристик конечных результатов;

Представление значений и размерностей исходных данных;

Определение всех возможных вариантов решения, условий выбора каждого;

Обозначения границы применимости и действия в случае выхода за них.

Формирование математической модели задачи - этап перевода словесной постановки задачи в совокупность математических зависимостей, описывающих исходные данные и вычисления промежуточных и конечных результатов.

Математическая модель формируется с определенной точностью, допущениями и ограничениями. При этом в зависимости от специфики решаемой задачи могут быть использованы различные разделы математики и других дисциплин.

Математическая модель должна удовлетворять по крайней мере двум требованиям: реалистичности и реализуемости. Под реалистичностью понимается правильное отражение моделью наиболее существенных черт исследуемого явления. Реализуемость достигается разумной абстракцией, отвлечением от второстепенных деталей, чтобы свести задачу к проблеме с известным решением. Условием реализуемости является возможность практического выполнения необходимых вычислений за отведенное время при доступных затратах требуемых ресурсов.

Полученная математическая модель должна отвечать следующим требованиям:

Вначале составляется модель исходных данных, затем - расчетные зависимости;

В модели исходных данных не изменяются размерности данных и не используются никакие математические операции;

Обозначение всех входящих в зависимости величин именами, определяющими их суть;

Указание размерностей всех используемых величин для контроля и дальнейшей модернизации решения;

Выбор и обоснование метода решения - этап разработки или выбора из уже имеющихся метода решения, в том числе выбор стандартных структур вычислительных процессов (линейной, ветвящейся, циклической). Критерии выбора определяются математической моделью решения (предыдущий этап), требованиями к универсальности метода и точности результата, ограничениями технического и программного обеспечении. При обосновании выбора метода необходимо учитывать различные факторы и условия, точность вычислений, время решения задачи на ЭВМ, требуемый объем памяти и другие. Здесь следует указать альтернативные методы и аргументы сделанного выбора.

Алгоритмизация вычислительного процесса - этап разработки совокупности предписаний, однозначно определяющих последовательность преобразования исходных данных в конечные результаты. На данном этапе составляется алгоритм решения задачи согласно действиям, задаваемым выбранным методом решения. Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, и устанавливается последовательность выполнения блоков. Разрабатывается блок-схема алгоритма.

Программирование. При составлении программы алгоритм решения задачи переводится на конкретный язык программирования. Для программирования обычно используются языки высокого уровня, поэтому составленная программа требует перевода ее на машинный язык ЭВМ. После такого перевода выполняется уже соответствующая машинная программа.

1. Программа должна быть универсальной, то есть не зависящей от конкретного набора данных. Например, если количество обрабатываемых данных может меняться, то следует предусмотреть хранение максимально возможного их количества. Универсальная программа должна уметь обрабатывать ошибки, которые могут возникнуть в процессе обработки информации.

2. Вместо констант 1 лучше использовать переменные 2 . Если в программе используются константы, то при их изменении нужно изменять в исходной программе каждый оператор 3 , содержащий прежнюю константу. Эта процедура отнимает много времени и часто вызывает ошибки. В программе следует предусмотреть контроль вводимых данных (в частности, программа не должна выполняться, если данные выходят за пределы допустимого диапазона).

3. Некоторые простые приемы позволяют повысить эффективность программы (то есть уменьшить количество выполняемых операций и время работы программы). К таким приемам относится:

Использование операции умножения вместо возведения в степень;

Если некоторое арифметическое выражение встречается в вычислениях несколько раз, то его следует вычислить заранее и хранить в памяти ЭВМ, а по мере необходимости использовать;

При организации циклов в качестве границ индексов 4 использовать переменные, а не выражения, которые вычислялись бы при каждом прохождении цикла;

Особое внимание обратить на организацию циклов, убрав из них все повторяющиеся с одинаковыми данными вычисления и выполняя их до входа в цикл.

4. Программа должна содержать комментарии, позволяющие легко проследить за логической взаимосвязью и функциями отдельных ее частей.

При написании программы следует структурировать ее текст так, чтобы она хорошо читалась. В частности, в программе должно быть хорошо видно, где начинается и где заканчивается цикл.

Отладка программы – процесс выявления и исправления синтаксических и логических ошибок в программе. Суть отладки заключается в том, что выбирается некоторый набор исходных данных, называемый тестовым набором (тестом), и задача с этим набором решается дважды: один раз – исполнением программы, второй раз – каким-либо иным способом, исходя из условия задачи, так сказать, «вручную». При совпадении результатов алгоритм считается верным. В качестве тестового набора можно выбрать любые данные, которые позволяют:

Обеспечить проверку выполнения всех операций алгоритма;

Свести количество вычислений к минимуму.

В ходе синтаксического контроля программы транслятором выявляются конструкции и сочетания символов, недопустимые с точки зрения правил их построения или написания, принятых в данном языке. Сообщения об ошибках ЭВМ выдает программисту, при этом вид и форма выдачи подобных сообщений зависят от вида языка и версии используемого транслятора.

После устранения синтаксических ошибок проверяется логика работы программы в процессе ее выполнения с конкретными исходными данными. Для этого используются специальные методы, например, в программе выбираются контрольные точки, для которых вручную рассчитываются промежуточные результаты. Эти результаты сверяются со значениями, получаемыми ЭВМ в данных точках при выполнении отлаживаемой программы. Кроме того, для поиска ошибок могут быть использованы отладчики, выполняющие специальные действия на этапе отладки, например, удаление, замена или вставка отдельных операторов или целых фрагментов программы, вывод или изменение значений заданных переменных.

Тестирование - это испытание, проверка правильности работы программы в целом, либо её составных частей.

Отладка и тестирование (англ. test - испытание) - это два четко различимых и непохожих друг на друга этапа:

При отладке происходит локализация и устранение синтаксических ошибок и явных ошибок кодирования;

В процессе же тестирования проверяется работоспособность программы, не содержащей явных ошибок.

Тестирование устанавливает факт наличия ошибок, а отладка выясняет ее причину. В современных программных системах (Turbo Basic, Turbo Pascal, Turbo C и др.) отладка осуществляется часто с использованием специальных программных средств, называемых отладчиками. Эти средства позволяют исследовать внутреннее поведение программы.

Программа-отладчик обычно обеспечивает следующие возможности:

Пошаговое исполнение программы с остановкой после каждой команды (оператора);

Просмотр текущего значения любой переменной или нахождение значения любого выражения, в том числе, с использованием стандартных функций; при необходимости можно установить новое значение переменной;

Установку в программе "контрольных точек", т.е. точек, в которых программа временно прекращает свое выполнение, так что можно оценить промежуточные результаты, и др.

При отладке программ важно помнить следующее:

В начале процесса отладки надо использовать простые тестовые данные;

Возникающие затруднения следует четко разделять и устранять строго поочередно;

Как бы ни была тщательно отлажена программа, решающим этапом, устанавливающим ее пригодность для работы, является контроль программы по результатам ее выполнения на системе тестов.

Для реализации метода тестов должны быть изготовлены или заранее известны эталонные результаты. Вычислять эталонные результаты нужно обязательно до, а не после получения машинных результатов. В противном случае имеется опасность невольной подгонки вычисляемых значений под желаемые, полученные ранее на машине.

Тестовые данные должны обеспечить проверку всех возможных условий возникновения ошибок:

Должна быть испытана каждая ветвь алгоритма;

Очередной тестовый прогон должен контролировать то, что еще не было проверено на предыдущих прогонах;

Первый тест должен быть максимально прост, чтобы проверить, работает ли программа вообще;

Арифметические операции в тестах должны предельно упрощаться для уменьшения объема вычислений;

Количества элементов последовательностей, точность для итерационных вычислений, количество проходов цикла в тестовых примерах должны задаваться из соображений сокращения объема вычислений;

Минимизация вычислений не должна снижать надежности контроля;

Тестирование должно быть целенаправленным и систематизированным, так как случайный выбор исходных данных привел бы к трудностям в определении ручным способом ожидаемых результатов; кроме того, при случайном выборе тестовых данных могут оказаться непроверенными многие ситуации;

Усложнение тестовых данных должно происходить постепенно.

Процесс тестирования можно разделить на три этапа.

1. Проверка в нормальных условиях. Предполагает тестирование на основе данных, которые характерны для реальных условий функционирования программы.

2. Проверка в экстремальных условиях. Тестовые данные включают граничные значения области изменения входных переменных, которые должны восприниматься программой как правильные данные. Типичными примерами таких значений являются очень маленькие или очень большие числа и отсутствие данных. Еще один тип экстремальных условий - это граничные объемы данных, когда массивы состоят из слишком малого или слишком большого числа элементов.

3. Проверка в исключительных ситуациях. Проводится с использованием данных, значения которых лежат за пределами допустимой области изменений. Известно, что все программы разрабатываются в расчете на обработку какого-то ограниченного набора данных. Поэтому важно получить ответ на следующие вопросы:

Что произойдет, если программе, не рассчитанной на обработку отрицательных и нулевых значений переменных, в результате какой-либо ошибки придется иметь дело как раз с такими данными?

Как будет вести себя программа, работающая с массивами, если количество их элементов превысит величину, указанную в объявлении массива?

Что произойдет, если числа будут слишком малыми или слишком большими?

Наихудшая ситуация складывается тогда, когда программа воспринимает неверные данные как правильные и выдает неверный, но правдоподобный результат.

Программа должна сама отвергать любые данные, которые она не в состоянии обрабатывать правильно.

Решение задачи на ЭВМ и анализ результатов. После отладки программы ее можно использовать для решения прикладной задачи. При этом обычно выполняется многократное решение задачи на ЭВМ для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты интерпретируются и анализируются специалистом или пользователем, поставившим задачу.

Сопровождение программы:

Разработанная программа длительного использования устанавливается на ЭВМ, как правило, в виде готовой к выполнению машинной программы. К программе прилагается документация, включая инструкцию для пользователя. Так как при установке программы на диск для ее последующего использования помимо файлов с исполняемым кодом устанавливаются различные вспомогательные программы (утилиты, справочники, настройщики и т. д.), а также необходимые для работы программ разного рода файлы с текстовой, графической, звуковой и другой информацией.

Доработка программы для решения конкретных задач;

Составление документации к решенной задаче, математической модели, алгоритму, программе по их использованию.

1Конста́нта в программировании - способ адресования данных, изменение которых рассматриваемой программой не предполагается или запрещается.

2 Переме́нная в императивном программировании - поименованная, либо адресуемая иным способом область памяти, адрес которой можно использовать для осуществления доступа к данным. Данные, находящиеся в переменной (то есть по данному адресу памяти), называются значением этой переменной.

В других парадигмах программирования, например, в функциональной и логической, понятие переменной оказывается несколько иным. В таких языках переменная определяется как имя, с которым может быть связано значение, или даже как место (location) для хранения значения.

3 Инструкция или оператор (англ. statement) - наименьшая автономная часть языка программирования; команда. Программа обычно представляет собой последовательность инструкций.

Многие языки (например, Си) различают инструкцию и определение. Различие в том, что инструкция исполняет код, а определение создаёт идентификатор (то есть можно рассматривать определение как инструкцию присваивания).

Ниже приведены основные общие инструкции императивных языков программирования.

4 Индекс в языках программирования - элемент перечислимого множества, который указывает на конкретный элемент массива, обычно является неотрицательным скалярным целым числом.

Есть три способа, как элементы массива могут быть проиндексированы целыми неотрицательными числами:

первый элемент массива имеет индекс 0;

первый элемент массива имеет индекс 1;

n («индекс началом с n»)

базисный индекс массива может быть свободно выбран. Обычно языки программирования, позволяющие «индекс началом с n», разрешают также в качестве индекса массива выбирать отрицательные значения, а также и другие скалярные типы данных, как перечисления или символы.

Массив может иметь несколько измерений, таким образом обычная практика обращаться к массиву, используя несколько индексов. Например к двумерному массиву с тремя строками и четырьмя столбцами можно было бы обратиться к элементу в 2-ом ряду и 4-ой столбце с помощью выражения: (в языке в котором приоритет у строки) и (в языке в котором приоритет у столбца) в случае индексом с началом с нуля. Таким образом два индекса используются для двумерных массивов, три - для трехмерного массива, и n - для n-мерного массива.