Ильин А.А., Евсюков В.В., Ильин Р.А. Информатика

Подождите немного. Документ загружается.

–

221

–

• иерархического упорядочения, в соответствии с которым составные

части системы (проекта, программы) организуются в иерархические

древовидные структуры с добавлением новых деталей на нижележащих

уровнях, при этом на нижнем уровне находятся элементарные, доступные

компоненты языка программирования;

• минимизации количества связей между частями системы;

• структурированности данных, когда все данные организованы в

конкретные

структуры и иерархически упорядочены;

• каждая часть системы на разных уровнях иерархий должна

инкапсулировать свое содержимое (скрывать его от других частей системы);

• каждая часть системы должна иметь четко определенный интерфейс с

другими частями системы, что позволяет рассматривать каждую часть как

единое целое, игнорируя ее внутреннее устройство.

Современные языки программирования

предлагают в рамках

структурного программирования еще один метод структурирования для

инкапсуляции данных и подпрограмм в более крупные объекты, называемые

модулями и представляющими собой последовательность логически

взаимосвязанных фрагментов (частей), оформленных как отдельные части

программы. Однако использование модулей предполагает решение вопроса

разбиения программной системы на отдельные модули. Поскольку качество

системы непосредственно зависит от качества декомпозиции, компетентность

разработчика программ должна оцениваться по способности анализировать

требования проекта и находить лучшую программную структуру для его

реализации.

Каждый

программный модуль должен обладать рядом обязательных

свойств:

• иметь индивидуальное имя, позволяющее идентифицировать его и

реализовывать возможность обращения к нему;

• модуль должен иметь один вход и один выход;

• после завершения работы модуль должен обеспечить передачу

управления в то место программы (другой модуль), откуда было сделано

обращение к данному

модулю;

• размер модуля не должен усложнять процесс написания его

программного кода.

Как правило, в достаточно сложной программе можно выделить главный

модуль, в котором сосредоточено значительное число обращений к другим,

подчиненным модулям, реализующим функциональную обработку данных и

сервисное обслуживание программы (пакета).

Подпрограмма – это программный сегмент, состоящий из объявлений

данных и исполняемых операторов, которые можно неоднократно вызывать из

различных частей программы. Подпрограммы называются процедурами,

–

222

–

функциями или методами. Принято считать, что каждый сегмент программы,

который реализует некоторую конкретную задачу, следует оформлять как

отдельную подпрограмму. При вызове подпрограммы ей передается

последовательность значений, называемых параметрами. Они используются,

чтобы задать различные варианты выполнения программ. Обычно выполнение

подпрограммы сопровождается формированием конкретных результатов

вычислений.

В целом модульная структура программы позволяют организовать

ее

разработку и отладку, что сокращает время разработки и способствует, при

необходимости, ускорению модернизации программы. Для многих

специалистов понятие “проектирование“ воспринимается как структурное

проектирование по методу “сверху вниз “ на основе функциональной

декомпозиции, позволяющей представить систему в целом как одну большую

функцию, которая разбивается на подфункции, и т.д.

Основной недостаток

структурного подхода заключается в следующем:

процессы и данные существуют отдельно друг от друга, причем

проектирование ведется от процессов к данным.

Другим, широко используемым в настоящее время концептуальным

подходом, является

объектно-ориентированный подход (ООП), опирающийся

на объектную декомпозицию системы. Основное принципиальное различие

между структурным и объектно-ориентированным подходом заключается в

способе декомпозиции системы на отдельные составляющие. Объектно-

ориентированный подход предполагает представление системы в совокупности

объектов и связей между ними. При этом в процессе взаимодействия объекты

обмениваются между собой. Каждый объект системы характеризуется

собственным

поведением, отражающим особенности поведения объекта

реального мира.

Формализованной основой ООП является модель с рядом базовых

категорий:

• абстрагированием;

• инкапсуляцией;

• модульностью;

• иерархией.

ООП предполагает рассмотрение программы не как определенной

последовательности действий (операций), а как особую систему, при создании

которой необходимо дать ответ на многие вопросы. Какими наборами данных

можно описать состояние того или иного программируемого объекта? Чем

отдельные объекты должны отличаться друг от друга, и

чем они должны быть

похожи? Каким образом должны взаимодействовать различные объекты между

собой? Какова должна быть реакция конкретного объекта на запрос

пользователя?

–

223

–

Абстрагирование – процесс выделения наиболее существенных

характеристик некоторого объекта, которые отличают его особенности при

дальнейшем анализе и использовании. При этом абстрагирование

концентрирует внимание на внешних особенностях объекта, позволяя в

значительной степени игнорировать детали реализации этих особенностей.

Именно выбор эффективного набора абстракций для конкретной предметной

области и представляет собой главную задачу ООП.

Инкапсуляция – процесс разделения всех, составляющих объект

элементов, на две категории, определяющие его внутреннюю организацию и

внешнее поведение. Инкапсуляция позволяет изолировать внешний интерфейс

объекта (доступный для взаимодействия с другими объектами) от внутренней

реализации объекта. При этом инкапсуляция позволяет связать структуры

данных с функциями (методами), предназначенными для манипулирования

этими данными, и скрыть их

от внешней среды. Абстрагирование и

инкапсуляция являются взаимодополняющими операциями: абстрагирование

акцентирует влияние на внешних особенностях объекта, а инкапсуляция (или,

иначе, ограничение доступа) не позволяет объектам-пользователям различать

внутреннее устройство объекта. Такой подход позволяет программисту не знать

частных деталей реализации программной системы и программировать,

используя объекты с закрытой внутренней организацией. Инкапсуляция

предполагает

введение нового механизма структурирования и оптимизации

данных – класса.

Модульность – свойство системы, определяющее возможность ее

декомпозиции на ряд слабо связанных между собой модулей. Совместно с

инкапсуляцией модульность создает барьеры между абстракциями.

Иерархия – расположение (упорядочивание) абстракций по ряду

уровней. В рамках сложных систем основными видами иерархических структур

являются структура классов (иерархия по номенклатуре введенных классов) и

структура объектов (иерархия по составу).

Помимо описанных основных обязательных категорий объектной модели,

в ряде случаев, важное значение имеют три дополнительных элемента:

• типизация;

• параллелизм;

• устойчивость.

Типизация – это ограничение, накладываемое на класс объектов и

препятствующее взаимозаменяемости различных классов (использованию

объектов одного класса вместо другого).

Параллелизм – свойство объектов находиться в активном или пассивном

состоянии и, соответственно, возможность отличать друг от друга активные и

пассивные объекты.

–

224

–

Устойчивость – свойство объекта существовать во времени (вне

зависимости от породившего данный объект процесса) и/или в пространстве

(при перемещении объекта из области, в которой он был создан, в другую

область).

К концептуальным понятиям в ООП относятся объекты и классы.

Объект определяется как осязаемая реальность – предмет или явление,

характеризующаяся определенным поведением. Объект описывается

состоянием, поведением и индивидуальностью. Объекты со схожей структурой

и поведением входят в общий для них класс. Состояние объекта определяется

перечнем всех возможных (статических) свойств этого объекта и текущими

значениями (динамическими) каждого из этих свойств. Поведение объекта

характеризуется его воздействием

на другие объекты и изменениями

собственного состояния в результате воздействий со стороны других объектов.

В ОПП операции, выполняемые над объектом, называют методами; они

являются составной частью определения класса. В общем случае объектом

может быть и константа, и переменная, и процедура, и процесс.

Класс определяется как множество объектов, обладающих внутренними

свойствами, присущими любому объекту класса и проявляющимися в

общности структуры и поведения. При этом спецификация (определение)

класса проводится путем определения его внутренних свойств, играющих роль

классообразующих признаков. Определение классов и объектов является одной

из наиболее сложных задач в объектно-ориентированном проектировании.

Важное значение для

классов имеют свойства наследования и

полиморфизма.

Наследование означает создание новых, производных классов

посредством использования данных и функций от одного или нескольких ранее

определенных классов. Наследование позволяет разрабатывать сложные

классы, продвигаясь от общего к частному.

Полиморфизм (многоформенность) означает возможность

принадлежности класса одновременно более чем одному типу. Однако при

этом предполагается, что в рамках различных типов иерархической структуры

класс имеет возможность несколько различным образом проявлять себя.

Объектно-ориентированный подход, как и другие концептуальные

решения в процессе развития технологии программирования, явился ответом

на поиск путей снижения стоимости разработки

ПО. Практика

программирования последних лет показывает, что удачное применение

механизмов ООП позволяет построить множество объектов различных классов,

которые многократно могут быть использованы без какой-либо доработки при

выполнении многих проектов различной сложности, что снижает затраты на их

реализацию.

–

225

–

В целом объектно-ориентированный подход к разработке программ

интегрирует в себе как методы структуризации управления, так и

структуризации данных.

Объектно-ориентированные языки программирования характеризуются

наличием механизма, реализующего отношение класс-подкласс, связанного с

использованием возможности наследования свойств.

В качестве преимуществ ОПП отмечают:

• повышение уровня унификации разработки и возможность повторного

использования не

только программ, но и проектов, что ведет к созданию среды

разработки и переходу к сборочному созданию ПО (переход от

непосредственного программирования к проектированию);

• естественность объектной модели, ориентированной на человеческое

восприятие мира, а не на компьютерную реализацию;

• уменьшение риска создания чрезмерно сложных систем ПО,

поскольку изначально подход предполагает эволюционный

путь развития

системы во времени на базе изначально относительно несложных подсистем.

К основным недостаткам ООП относят значительные начальные затраты

и некоторое снижение производительности функционирования ПО. Эффект от

применения ООП начинает сказываться после разработки нескольких проектов

и накопления повторно используемых компонентов. При этом следует иметь

ввиду и значительные психологические трудности, связанные с

переходом к

ООП.

Следует отметить, что интегрированный пакет программ MS Office также

построен на основе объектно-ориентированного программирования, и его

можно рассматривать как семейство классов и объектов.

Наиболее современной концепцией программирования является

визуальное программирование, базирующееся на объектно-ориентированном

подходе. Появление визуального программирования явилось ответом на

стремление программистов найти инструментальные средства, уменьшающие

трудоемкость создания различных элементов управления и контроля за их

работой при разработке графических приложений для выполнения в среде ОС

Windows. Окно типовой программы для среды Windows имеет множество

стандартных элементов управления (окна, кнопки, пункты меню

, списки,

переключатели, ползунки и др.), каждый из которых представляет конкретный

объект. В процессе работы с этими объектами у пользователя имеется свобода

выбора различных манипуляций: он может нажимать кнопки мыши

(существует целый ряд вариантов нажатия, включая неоднократные нажатия с

малым временным интервалом), буксировать выбранный объект в требуемое

место экрана, вводить и

редактировать данные в окне, инициировать

выполнение конкретных операций через нажатие управляющих элементов и др.

–

226

–

При этом последовательность действий пользователя в значительной степени

может быть произвольной.

Каждому объекту ставится в соответствие ряд возможных событий.

Инициировать событие могут либо действия пользователя (нажатие кнопок

мыши или клавиатуры, буксировка объекта и др.), либо другие совершаемые

события (активация кнопок закрытия или свертывания окна, влекущая за собой

изменение состояние окна, изменения

состояния кнопок управления по

результатам завершения предыдущего события и др.). Результатом свершения

события являются определенные действия (реакции), которые можно разделить

на две группы. Для одной группы действия являются следствием свойств

объектов. Во многих случаях инструментальные средства позволяют изменять

особенности действия на событие через изменения свойств объекта (например,

изменить размер и

цвет шрифта в окне, положение элемента на экране и др.).

Другая группа действий полностью определяется программированием

процедуры, выполняющейся при свершении конкретного события (т.е. задается

программистом и может быть любой). Если первая группа действий фактически

направлена на разработку и поддержку пользовательского интерфейса, то

вторая группа действует собственно и реализует решение задачи

обработки

данных.

В целом средства, поддерживающие автоматизированный процесс

создания графических приложений, называют средами быстрого

проектирования (Rapid Application Development - RAD-среды). Термин

“проектирование“ подчеркивает главную особенность создания приложений -

разработка приложений из готовых визуальных компонентов, которые с

помощью мыши буксируются в окно с создаваемым проектом. Свойства и

поведение используемых визуальных компонентов затем настраиваются с

помощью простых

редакторов. При этом текст исходной программы,

обеспечивающий формирование этих компонентов и их работу, генерируется

RAD-средой автоматически, что позволяет программисту основное внимание

сосредоточить на реализации алгоритма решения задачи. Такой подход,

заменяющий во многом программирование проектированием, и есть визуальное

программирование.

К настоящему времени создано значительное число библиотек элементов

оформления и управления для

широко распространенных RAD-сред. Эти

элементы выполняют роль потенциальных “кирпичиков”, из которых можно

создавать различные приложения с множеством реализуемых функций, написав

для этого один или несколько десятков строк исходного кода. Концепция

визуального программирования в наибольшей степени отражает возможности

многократного использования ранее разработанных программных кодов

(элементов оформления и управления) для сокращения временных

затрат и

объема усилий разработчиков при создании приложений и их последующей

–

227

–

модификации. Примерами эффектной реализации RAD-сред является

инструментарий Delphi, Visual C

, Power Builder и др.

Для оценивания достоинств различных инструментальных средств (сред

проектирования приложений) разработчик должен принять во внимание целый

ряд факторов. Первый и главный из них - среда разработки должна увеличивать

производительность разработчика. Эта цель может достигаться либо просто за

счет облегчения работы в самой среде, либо за счет расширения набора

повторно используемых

компонентов, доступных разработчику. Поскольку

перечисленные инструментальные среды часто используются для разработки

приложений, ориентированных на широкое использование баз данных, то

удобство работы с базами данных должно быть одним из существенных

факторов оценки. Кроме того, для ориентированных на массовый рынок

приложений высокая производительность является ключевым фактором

поддержки конкурентоспособности. Таким образом, для сравнительной оценки

сред разработки важны следующие критерии:

• производительность;

• быстрота разработки приложений;

• возможность многократного использования готовых компонентов;

• масштабируемость базы данных.

С широким распространением распределенных компьютерных систем,

использующих технологию “клиент-сервер”, недостаточная скорость работы

приложений становится более заметной и снижает производительность

системы в целом. Большое значение при этом имеет используемая

технология

трансляции разрабатываемой программы языка высокого уровня в

исполняемый код (компиляция или интерпретация). Кроме того, огромное

значение имеет эффективность работы самого компилятора (характерный

пример высококачественного компилятора - оптимизирующий компилятор

Delphi). Широкое использование имеющихся и дополнительно создаваемых

библиотек DLL (в виде последовательностей исполняемых кодов) значительно

повышает производительность разработки приложений в целом.

На быстроту разработки

приложений влияет ряд факторов: наличие

окон, синхронно отображающих процесс проектирования с использованием

готовых объектов и реализующих их последовательностей исходных кодов,

набор элементов управления и их расположение в соответствующей панели

инструментов, система подсказок и оказания помощи, наличие необходимых

шаблонов и различного рода мастеров, оптимизация размещения объектов в

создаваемых оконных формах (выравнивание,

масштабирование, установка

размеров элементов и др.), развитость средств отладки программ и др.

Одним из наиболее значимых преимуществ методологии быстрой

разработки приложений является создание приложений из компонентов

высокого уровня, а не из строк команд языков программирования. Объединяя

–

228

–

необходимые (ранее подготовленные) блоки, реализующие многооконный

интерфейс приложения, разработчик в минимальной степени применяет языки

программирования, обеспечивая “склейку” используемых объектов и

специфицируя, тем самым, уникальные функциональные возможности

конкретного создаваемого приложения.

Масштабируемость и эффективная поддержка баз данных предполагает

наличие в составе среды разработки встроенных средств поддержки создания

баз данных, генерации различного рода запросов

и формирования отчетов. Как

правило, современные среды разработки имеют мощные генераторы отчетов с

интуитивно понятным интерфейсом, а также развитую службу

специализированных мастеров.

Большинство алгоритмических языков программирования было создано

на рубеже 60 и 70-х годов (Pascal – 1970 г., C - 1972 г.). Их возраст превышает

несколько десятков лет, они старше Internet, Windows и ПК. С течением

времени

регулярно появлялись новые языки, однако редко какие из них

задержались в практике программирования, хотя приносимые с ними идеи

становились достоянием уже известных языков (например, реализация

объектно-ориентированного подхода). В целом в последние годы укрепилось

общее мнение о нецелесообразности попыток создания некоего универсального

языка, способного вобрать в себя все последние достижения в

области

разработки языков (последний подобный проект - создание языка Ada).

Появление ПК и операционных систем с графическим интерфейсом

(прежде всего ОС MacOS и Windows) обусловило перенос внимания

разработчиков программного обеспечения из сферы языков программирования

в более эффективные средства разработки, такие как визуальное и объектно-

ориентированное программирование, сетевые протоколы и модели баз данных.

В настоящее

время программисты используют в качестве инструмента

подготовки не столько язык, сколько конкретную среду программирования

(например, Delphi); при этом тип базового языка программирования не имеет

определяющего значения

Современные языки программирования, вне зависимости от места и

целей создания, в процессе своего практического использования впитывали в

себя от друг друга различные полезные конструкции и

в результате стали

схожими по своим функциональным возможностям. Родственные конструкции

различных языков программирования отличаются, главным образом, “внешним

видом”, проявляющимся в наборе ключевых слов или в порядке следования

компонентов (при этом их содержимое практически идентично).

Следовательно, конструкции современных языков во многом имеют общее

содержание (семантику), но различный порядок следования компонент

(синтаксис

) и различные ключевые слова (лексику).

–

229

–

Синтаксис языка – это набор правил, которые определяют, какие

последовательности символов считаются допустимыми выражениями в языке.

Семантика – это смысл высказывания в языке. В целом семантическое

описание любой конструкции языка (оператора, типа данных, процедуры и др.)

состоит из не менее трех обязательных частей:

• списка компонент, из которых состоит конструкция;

• описания каждой компоненты;

• описания каждой конструкции в целом

При первом знакомстве с языком программирования обычно проявляется

тенденция сосредотачивать внимание на действиях: операторах или командах.

Обычно после этого мы обращаемся к изучению поддержки, которую

обеспечивает язык для структурирования данных. В современных взглядах на

программирование, особенно на объектно-ориентированное

программирование, операторы считаются средствами манипулирования

данными, использующимися для представления некоторого объекта. Таким

образом, следует изучать аспекты структурирования данных до изучения

действий.

Одним из концептуальных понятий программирования является

тип,

определяющий множество значений и множество операций над этими

значениями. Контроль соответствия типов – это проверка того, что тип

выражения совместим с типом адресуемой переменной при присваивании.

Существует очевидный компромисс между гибкостью и надежностью: чем

строже контроль соответствия типов, тем надежнее будет программа, но

потребуется больше усилий при программировании для определения

подходящего

набора типов.

В большинстве широко используемых универсальных языков

программирования используются следующие конструкции:

• операторы: присваивания, вызова процедуры, условия (if) и выбора

(casе и switch), циклы с параметром (for), с преусловием (while) или с

постусловием (repeat и do-while);

• типы данных: логический тип, массив, структура (запись), скалярный

тип, указатель, строка символов;

• механизм процедур: класс параметров (в C

и Java), вызов функции как

процедуры, рекурсия;

• механизмы раздельной компиляции: произвольные структуры модулей,

директива импорта модуля; ограничение видимости (допустимости)

идентификатора и др.;

• объектно-ориентированное программирование: инкапсуляция,

наследования, конструкторы и деструкторы.

Среда программирования – набор инструментов, используемых для

преобразования символов в выполнимые вычисления. Среда программирования

–

230

–

включает в себя: редактор, компилятор, библиотекарь, компоновщик (редактор

связей), загрузчик, отладчик, средства тестирования, средства

конфигурирования (автоматизируют создание программ и прослеживают

изменения до уровня исходных файлов) и интерпретатор. Библиотека – это

структурированная совокупность типов и подпрограмм, содержащих новых

языковых конструкций. В языках программирования очевидна тенденция

сокращения “размеров” языка за счет расширения функциональности

библиотек

Еще со времени создания первых языков программирования появилась

надежда, что в скором времени можно будет создавать программы на

естественном, например, английском языке (характерно для языка Cobol).

Однако до настоящего времени попытки научить компьютер понимать

человеческий язык не дали эффективных решений.

Большинство программ до последнего времени создавались на основе

процедурно-ориентированных (императивных) языков, в которых общей

чертой является использование в качестве базового оператора – оператора

присваивания, который заставляет компьютер переместить данные из одного

места в другое. В действительности это относительно низкий уровень

абстракции по сравнению с уровнем проблем, решаемых с помощью

компьютера. Эту наиболее многочисленную группу универсальных языков

образуют ранние и современные языки, такие

как Fortran, Cobol, PL/1, Algol,

Pascal, Modula, Basic, C, Ada и др.

Первым языком программирования, который значительно превзошел

уровень языка ассемблера, стал

Fortran (FORmula TRANslation – транслятор

для формул). Он был разработан в 1950-х годах группой специалистов IBM во

главе с Дж. Бекусом и предназначался для абстрактного описания

вычислительных задач научного и инженерно-технического характера. Вначале

язык встретил сопротивление со стороны многих программистов, полагающих,

что сгенерированный компьютером программный код не может быть лучше

написанного на языке ассемблера.

Подобно большинству первых языков

программирования Fortran имел серьезные недостатки в деталях самого языка,

и, что важнее, в нем отсутствовала поддержка современных концепций

структурирования модулей и данных. Однако преимущества абстракции

покорили большинство программистов: разработка программ стала более

быстрой и надежной, а их машинная зависимость уменьшилась из-за

абстрагирования от регистров процессора и машинных

команд. Поскольку

самыми первыми на компьютерах рассчитывались научные задачи, Fortran стал

стандартным языком в науке и технике, и только в последнем десятилетии ему

на смену приходят другие языки. Fortran был неоднократно модернизирован

(1966, 1977, 1990) с тем, чтобы адаптировать его к требованиям современного

уровня в программных разработках.