Гурьяшова Р.Н., Шеянов А.В. Информатика: Сегментация программ

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство морского и речного транспорта

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Волжская государственная академия водного транспорта

Кафедра информатики, систем управления

и телекоммуникаций

Серия «Информационные технологии

в системах управления и телекоммуникации»

Выпуск 1

Р.Н. Гурьяшова, А.В. Шеянов

Информатика

Сегментация программ

Учебно-методическое пособие

для студентов очного и заочного обучения

технических специальностей

Рекомендовано государственным образовательным учреждением высшего

профессионального образования "Московский государственный технический университет

имени Н.Э.Баумана" в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению подготовки 180400 "Эксплуатация водного транспорта и

транспортного оборудования", по специальности высшего профессионального образования

180404 "Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики"

Нижний Новгород

Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

2009

УДК 517.2:681.3

Г95

Редакционная коллегия серии «Информационные технологии

в системах управления и телекоммуникаций»:

д. т. н., профессор Ю.С. Федосенко (отв. редактор),

д. т. н., профессор М.М. Чиркова,

к. т. н., доцент В.И. Логинов,

к. т. н., доцент А.В. Преображенский

Гурьяшова, Р.Н.

Информатика : Сегментация программ : учеб.-метод. пособие

для студ. оч. и заоч. обуч. технич. специальностей / Р.Н. Гурьяшо-

ва, А.В. Шеянов. – Н. Новгород : Изд-во ФГОУ ВПО «ВГАВТ»,

2009. – 108 с.

Излагаются сведения по предлагаемой тематике для алгорит-

мических языков высокого уровня – Fortran, Basic. Приводятся

схемы алгоритмов и программы, иллюстрирующие выполнение

лабораторных работ на данных языках. Выполнение заданий на

компьютере позволит студентам приобрести практические навыки

решения задач с использованием подпрограмм и эффективно ис-

пользовать их в учебном процессе.

Предназначено для студентов высших учебных заведений вод-

ного транспорта технических специальностей.

При написании пособия использован многолетний опыт препо-

давания авторами дисциплины «Информатика».

Авторы выражают благодарность за ценные замечания доценту,

к.т.н. Т.И. Гавриловой.

Работа рекомендована к изданию кафедрой информатики, систем

управления и телекоммуникации (протокол № 2 от 10.09.2008 г.).

Введение

Сегментация программ – разбиение программ на подпрограммы

– является одним из средств, позволяющих упростить разработку,

тестирование и сопровождение больших программ.

Использование подпрограмм является логичным шагом разви-

тия навыка программирования – от программ, написанных «по

вдохновению», «одним куском», к программе, разработанной в со-

ответствии с принципом «разделяй и властвуй», принципами раз-

работки программ сверху вниз.

В пособии излагается теоретический материал, связанный с ис-

пользованием подпрограмм.

Приводятся семь лабораторных работ и таблиц заданий к ним

по следующим темам:

• Функция.

o Вычисление значения выражения.

o Вычисление значения величины, заданной в форме ветв-

ления.

o Вычисление значения выражения (обработка массива).

• Процедура.

o Исследование функции одной переменной, зависящей от

параметра.

o Вычисление координат искомой точки.

o Анализ итогов сдачи сессии.

o Анализ итогов работы предприятия.

Для каждой лабораторной работы приводятся программы на ал-

горитмических языках Basic, Fortran, используемых в учебном про-

цессе.

Кроме того, приводится пять таблиц индивидуальных заданий,

предназначенных для самостоятельной работы.

Приведенные программы тестировались в средах QBasic 1.0

(1.1), GNU g95 Fortran compiler и Intel Fortran. Программы легко

могут быть адаптированы для других используемых версий Фор-

трана и Бейсика. Общие сведения по организации подпрограмм

будут полезны при написании программ на любом поддерживаю-

щем их языке.

Цель пособия – научить студентов пользоваться инструмента-

рием подпрограмм при решении возникающих алгоритмических

задач. Предполагается, что приведенные листинги программ с

большим количеством комментариев послужат студентам справкой

для выполнения своих работ.

1. Теоретические сведения

1.1. Определение

Подпрограмма – поименованная часть компьютерной програм-

мы (кода), содержащая описание определённого набора действий.

Подпрограмма может быть многократно вызвана из разных частей

основной (главной) программы и других подпрограмм.

Имя подпрограммы образуется по правилам образования иден-

тификаторов в языке (имена переменных образуются по тем же

правилам).

В некоторых языках различают подпрограммы:

– функции, возвращающие значение (результат) в основную

программу;

– процедуры, не обязательно возвращающие значения.

Бейсик и Фортран имеют такое разделение. Их названия в кон-

кретных языках могут отличаться. Так, на Фортране официально ис-

пользуются термины: процедура-функция и процедура-подпрограмма,

но суть от этого не меняется. В некоторых языках есть только функ-

ции (например, язык С).

1.2. Назначение

Изначально подпрограммы появились как средство оптимиза-

ции программ по объёму занимаемой памяти – они позволили не

повторять в программе идентичные блоки кода, а описывать их од-

нократно и вызывать по мере необходимости.

К настоящему времени данная функция подпрограмм стала

вспомогательной, главное их назначение – структуризация про-

граммы с целью удобства её понимания и сопровождения.

Логичность и обозримость

Выделение набора действий в подпрограмму позволяет логиче-

ски выделить целостную подзадачу, имеющую типовое решение.

Даже при однократном вызове создание подпрограммы оправдано,

так как позволяет сократить размеры целостных блоков кода, со-

ставляющих программу, то есть сделать программу более понятной

и обозримой.

Поддерживаемость

Любое изменение (исправление ошибки, оптимизация, расши-

рение функциональности), сделанное в подпрограмме, автоматиче-

ски отражается на всех её вызовах. В то же время, при копировании

идентичных блоков кода каждое изменение необходимо вносить в

каждый блок.

Параметризация

Оформление кода в виде подпрограммы с параметрами позво-

ляет обобщить решение и, таким образом, использовать его для

решения целого класса задач.

Расширение языка

Подпрограммы позволяют добавлять в язык нужные для реше-

ния задачи инструменты, которых там не было.

Повторное использование

Подпрограммы представляют собой обособленные кусочки ко-

да, которые удобно повторно использовать. Хорошо написанная

подпрограмма может быть использована в нескольких программах.

Библиотеки

Набор таких подпрограмм может быть объединен в библиотеку.

Примером являются стандартные библиотеки, поставляемые с язы-

ками программирования.

Концепция «черного ящика»

Готовую (отлаженную) подпрограмму можно использовать как

«черный ящик» – знать что «подается на вход» и что «получается

на выходе», не вдаваясь в подробности происходящего внутри.

В некоторых случаях большую программу удается составить из

подпрограмм, как из кубиков.

1.3. Параметры

Подпрограмма, не зависящая от входных данных, при каждом

ее вызове выдает один и тот же результат. Стандартный способ пе-

редачи данных в подпрограмму – использование механизма пара-

метров.

Формальные параметры

Формальные параметры используются при описании подпро-

граммы в ее начальной строке (заголовке). Формальными парамет-

рами могут быть переменные, массивы (в зависимости от языка

возможны и другие варианты). Они могут использоваться в под-

программе аналогично другим переменным, описанным в ней.

Фактические параметры

Фактические параметры используются при вызове подпро-

граммы. Они указываются в команде вызова после имени подпро-

граммы. Фактическими параметрами могут быть переменные, эле-

менты массива, массивы, константы, выражения. Имена формаль-

ных и фактических параметров могут совпадать. Значения факти-

ческих параметров подставляются вместо формальных (передача

данных в подпрограмму), и все вычисления выполняются с ними.

Важно!

При вызове подпрограммы должно выполняться соответствие

формальных и фактических параметров по количеству, порядку их

следования в списке параметров, типу данных.

Несоблюдение этих правил приводит к ошибкам.

1.4. Описание и вызов подпрограмм

В языках высокого уровня описание подпрограммы состоит по

меньшей мере из двух частей – заголовка и тела. Заголовок подпро-

граммы описывает её имя и, возможно, параметры, то есть содер-

жит информацию, необходимую для вызова подпрограммы. Тело –

набор операторов, который выполняется при каждом вызове под-

программы. В Фортране и Бейсике имеется специальный оператор,

обозначающий конец подпрограммы.

Можно ли использовать для своей подпрограммы имя, совпа-

дающее с именем стандартной подпрограммы, зависит от языка.

На QBasic это сделать нельзя (подпрограмму не удается запи-

сать). На Фортране подпрограмму записать можно, однако:

• при вызове будет выполняться стандартная подпрограмма;

• для того, чтобы выполнялась своя подпрограмма, ее необ-

ходимо описать с помощью оператора EXTERNAL.

Некоторые языки требуют, чтобы подпрограмма перед исполь-

зованием была объявлена. Обычно объявление подпрограммы –

строка, как правило, идентичная ее заголовку, из которой компиля-

тор «узнает» название подпрограммы, тип входных параметров и

для функции – тип возвращаемого значения. В Фортране похожая

конструкция называется «блок интерфейса»:

INTERFACE

тело_интерф

END INTERFACE

ейса

Здесь тело_интерфейса – это копии заголовков подпро-

грамм, описание параметров и завершающий оператор END.

В общем случае блок интерфейса необязателен, но его необхо-

димо использовать, в частности, для передачи в функцию частей

массива.

Вызов подпрограммы выполняется с помощью команды вызо-

ва, включающей в себя имя подпрограммы. В большинстве языков

команда вызова представляет собой просто имя подпрограммы, за

которым могут следовать фактические параметры.

Как уже было сказано, в Фортране и Бейсике различаются под-

программы и функции.

Процедура (подпрограмма, процедура-подпрограмма)

Процедура вызывается отдельным оператором. В зависимости

от языка программирования, это может быть просто имя процеду-

ры, и возможно – параметры.

При вызове процедуры выполняются следующие действия:

• вычисление фактических параметров (если они являются вы-

ражениями);

• формальные параметры заменяются на значения соответст-

вующих фактических параметров;

• выполняются операторы тела процедуры;

• управление передается оператору основной программы сле-

дующему за оператором вызова.

Описание на Бейсике

Общеупотребительные названия – подпрограмма, процедура,

процедура SUB.

SUB имя_процедуры [(параметр[, параметр, ...])]

[операторы описания]

[исполняемые операторы]

END SUB

Примечание. Текст, приведенный в квадратных скобках, не является

обязательным. В данном случае это означает, что процедура может быть как во-

обще без параметров (в этом случае не нужны и скобки), так и с одним парамет-

ром (в скобках) или несколькими (в скобках, через запятую).

Бейсик поддерживает две формы вызова:

• с помощью ключевого слова CALL:

CALL имя_процедуры [(параметр[, параметр, ...])]

• и без ключевого слова. В этом случае скобки не ставятся:

имя_процедуры [параметр[, параметр, ...]]

Оболочка QBasic «прячет» подпрограммы. Вывод списка имен

подпрограмм и переключение между ними осуществляется по кла-

више F2. На самом деле подпрограммы находятся в одном файле с

основной программой, после нее.

Пример

Создадим две подпрограммы с именами:

• SAYHELLO – без параметров;

• TEST(N, K) – с параметрами N, K.

Вызовем их различными способами.

CALL SAYHELLO

SAYHELLO

CALL TEST(1, 2)

TEST 3, 4

END

SUB SAYHELLO

PRINT "HELLO"

END SUB

SUB TEST (N, K)

PRINT "N + K = "; N + K

END SUB

Результаты работы:

HELLO

N + K = 3

N + K = 7

Описание на Фортране

Общеупотребительные названия – подпрограмма, процедура-

подпрограмма, процедура SUBROUTINE.

Фортран поддерживает несколько типов подпрограмм, мы рас-

смотрим только так называемые внешние подпрограммы. Они рас-

полагаются после головной программы (после оператора END) в

том же файле (или в отдельном программном файле).

SUBROUTINE имя_процедуры ([парам1[, парам2, ...]])

[операторы описания]

[исполняемые о

END [SUBROUTINE]

ператоры]

Использование скобок обязательно даже при пустом списке па-

раметров (аналогично и при вызове процедуры).

Поддерживается только одна форма вызова – с помощью клю-

чевого слова CALL:

CALL имя_процедуры ([параметр[, параметр, ...]])

Пример

Создадим и вызовем две подпрограммы с именами:

• SAYHELLO( ) – без параметров;

• TEST(N, K) – с параметрами N, K.

CALL SAYHELLO()

CALL TEST(1, 2)

END

SUBROUTINE SAYHELLO()

PRINT *,'HELLO'

END

SUBROUTINE TEST (N, K)

PRINT *,'N + K =', N + K

END SUBROUTINE

Результаты работы:

HELLO

N + K = 3

Функция (процедура-функция)

Подпрограмма оформляется в виде функции, если в результате

ее выполнения получается одно значение.

Функция вызывается по имени и возвращает значение, которое

можно использовать в выражении, например:

y = sin(x)

(возвращаемое значение присваивается переменной y);

y = 1 – sin

(x)

(возвращаемое значение используется в выражении).

В случае функции дополнительно нужно выполнить передачу

результата в вызывающую программу. На Фортране и Бейсике это

делается присвоением вычисленного значения переменной, имя

которой совпадает с именем функции. Если этого не сделать, то

результатом функции будет неопределенное значение (в исполь-

зуемых реализациях на Бейсике получается 0, а на Фортране – про-

извольное значение).

Вызов функции является выражением, он может использовать-

ся в других выражениях или в качестве правой части оператора

присваивания.

При вызове функции выполняются следующие действия:

• вычисление фактических параметров (если они являются вы-

ражениями);