Непейвода Н.Н., Скопин И.Н. Основания программирования

Подождите немного. Документ загружается.

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

425

предпочтительнее всего сделать путем явного приведения типов: если в про-

грамме описан какой-либо тип

(в процедуре среди локальных ее описаний

или в другом доступном контексте), то для приведенного примера использо-

вание конструкции

T(x)

дает возможность пользоваться памятью, указываемой нетипизированным

параметром-переменной (или нетипизированным указателем), как обычным

объектом типа

. Так, в теле процедуры

procedure Change_any( var X );

type M = array [ 1 .. 5000] of Real;

begin

...

end;

правомерно записать оператор

M(X)[10] := 5.8;

Независимо от того, какого типа фактический параметр поставляется в

вызове

Change_Any( A );

значение 5.8 будет присвоено по адресу, который имел бы элемент массива

действительных чисел с номером 10, размещаемый по адресу

. Это очень

опасная возможность, поскольку контроль правильности вызова полностью

возлагается на программиста.

Другие средства работы с нетипизированными объектами также нена-

дежны, а когда они выносятся на внешне не всегда заметное оперирование с

параметрами, их опасность еще более возрастает.

Что касается языка

С/С++

, то он просто не требует чего-либо дополни-

тельного, чтобы завуалировать работу с нетипизированными указателями,

поскольку в этом языке средства такого рода даются программисту в явном

виде (см., например, обсуждение константных параметров).

Нетипизированные параметры-переменные системы

TURBO Pascal

де-

монстрируют, как происходит диффузия средств одних языков в другие. В

данном случае речь идет о расширении возможностей языка

Pascal

до того

уровня, который предлагается языком

изначально. К сожалению, это рас-

ширение противоречит одной из основных концепций языка

Pascal

: строго-

му статическому контролю типов.

426

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

Задания для самопроверки

1. Предложите схему трансляции вызова по наименованию в вызовы язык-

ка высокого уровня, которым Вы пользуетесь (

С++

Object Pascal

Java

Ada

или др.)

2. (Для тех, кто знает программирование на машинном языке) Предложи-

те способ реализации вызовов по наименованию в языке ассемблера.

8.5.4. Рекомендации по использованию параметров

Погружение процедуры в глобальный контекст и параметризация пре-

доставляют программисту довольно широкие возможности для реализации

связи процедуры с окружением, из-за чего у начинающего могут появиться и,

как показывает опыт, появляются определенные трудности. Обсуждение на-

значения параметризации и, в частности, разграничение видов параметров и

механизмов их передачи в некоторой степени помогают решению вопроса о

том, когда, как и какие применять параметры. Тем не менее, его недостаточ-

но для того, чтобы сделать выбор между параметризацией и погружением в

глобальный контекст. Неоднозначность представления in-, out- и inout-пара-

метров механизмами передачи параметров также затрудняет выбор. Таким

образом, представляется полезным дать общие рекомендации, чтобы сфор-

мировать соответствующие методологические критерии. Этой задаче посвя-

щаются материалы данного раздела.

Разговор об использовании различных возможностей задания данных, пе-

рерабатываемых процедурами, будет обоснованнее, если провести его на фо-

не обсуждения конкретных примеров. В настоящей работе для этого исполь-

зуются процедуры ввода матрицы

MyOwnInpMatr

MyInpMatr

Оправдана или нет в процедуре

MyOwnInpMatr

передача значения размера

матрицы по измерениям через глобальный контекст, как это сделано выше?

С точки зрения минимизации текста программы — да: любой параметр тре-

бует, чтобы его, во-первых, описывали при определении подпрограммы как

формальный параметр, а во-вторых, указывали в списке фактических пара-

метров. Но это близорукая позиция. Более основательный критерий — на-

дежность программы. С этой позиции предпочтительнее включить размер

матрицы в число параметров процедуры

MyOwnInpMatr

— учитывать требо-

вание задания значения переменной

перед вызовом процедуры проще, ко-

гда она упоминается в операторе вызова. Конечно, использование параметра

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

427

несколько снизит эффективность программы, но стоит ли жертвовать надеж-

ностью ради сокращения программы на одну-две команды?

Другая связь процедуры

MyOwnInpMatr

с глобальным контекстом — упо-

требление (глобальной) переменной

Matr

. Как и с переменной

, явное упо-

минание среди параметров имени массива, получение значения которого есть

основная цель процедуры, могло бы увеличить надежность программы. Од-

нако если обсуждаемая процедура предназначена для ввода только одной ма-

трицы, то имя ее массива становится элементом системы понятий, с кото-

рыми оперирует использующая программа. Тогда предположение о том, что

можно “забыть” имя обрабатываемой матрицы в подпрограмме ввода ее зна-

чений становится умозрительным. Вывод: включение имени массива, пред-

ставляющего матрицу в программе, в список параметров процедуры нецеле-

сообразно. Вместе с тем, если процедура используется для ввода нескольких

матриц, то употребление имени представляющего массива как out-параме-

тра разумно для реализации данной возможности. Для языка

С/С++

вопрос

о том, каким механизмом параметризации воспользоваться, не стоит: массив

здесь это просто область памяти, адрес которой есть значение переменной,

описанной как массив (т. е. такой, описание которой содержит квадратные

скобки). Иными словами, язык предписывает считать имена массивов ука-

зателями на них, а потому передача такого имени функции в качестве аргу-

мента по значению дает доступ к указываемой памяти: получается так, что

массив (как область памяти) передается по ссылке (с соответствующим мо-

делированием эффекта выходного параметра). Перенося эти рассуждения на

паскалеподобный язык, становится понятной причина, по которой

Matr

надо

передавать как переменную (т. е. по ссылке).

У процедуры

MyOwnInpMatr

есть еще одна, неявная связь с глобальным

контекстом.Это условие корректной ее работы:размерность матрицы не долж-

на превосходить значения константы

. С точки зрения надежности про-

граммирования неявные связи подпрограмм с контекстом их погружения не-

желательны. В примере процедура

MyOwnInpMatr

не совсем надежна, т. к.

ее можно вызвать с нарушением условия корректности, а ошибка, к которой

приведет такой вызов, не будет своевременно диагностирована.

В языке

Pascal

есть средство для смягчения последствий такой ненадеж-

ности: возможность контроля значения переменной

за счет придания ей

типа

0..NN

(в глобальном контексте). Тем самым при наличии связи процеду-

ры с глобальным контекстом через эту переменную будет контролироваться

именно та величина, которая вызывает ошибку размерности. В случае проце-

дуры с параметром-размерностью этот параметр должен получить тип

0..NN

428

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

(разумеется, путем включения в глобальный контекст описания типа, напри-

мер,

type

Index = 0..NN;

и спецификации параметра как

Index

Такое решение практически исчерпывает проблему, но далеко не всегда

условия корректности работы подпрограммы выразимы с помощью указа-

ния требуемых статических типов переменных и параметров. К сожалению,

задание типовой информации — единственное средство языка

Pascal

, кото-

рое можно использовать для спецификации значений объектов. В некоторых

языках возможности такого рода расширяются. Иногда, к примеру, допус-

кается определение предиката над параметрами, формулирующего условия

корректной работы подпрограммы. Но ни один формальный способ специ-

фикации условий на параметры даже теоретически полон быть не может, а

неформальный чреват и ошибками неправильного истолкования, и многими

другими опасностями.

Ситуация с

С/С++

сложнее,т.к. для него не предусмотрены средства опре-

деления того, какие значения допустимы для описываемой переменной. Бо-

лее того, в этом языке не считается ошибкой выход индекса за пределы мас-

сива. Как следствие, такая некорректность приведет лишь к искажениям па-

мяти, расположенной после размещения массива. Причина тому — ориен-

тация на примитивно понимаемое максимально полное приближение языко-

вых средств к уровню машинного представления. Таким образом, здесь обя-

зательно нужен дополнительный контроль со стороны программиста. Что-

бы такой контроль был ‘съемным’ (включаемым и выключаемым при необ-

ходимости), можно реализовать его с помощью средств препроцессора. Но,

к сожалению, его возможности по теоретически и практически непреодоли-

мым причинам принципиально ограничены.

Для полноты обсуждения процедуры

MyOwnInpMatr

уместно упомянуть

о ее локальном контексте, т. е. о переменных

, которые с формальной

точки зрения допустимо вынести в глобальный контекст. Со всей определен-

ностью можно сказать, что такое решение ничем не оправдано: переменные

имеют содержательный смысл только внутри тела процедуры, а потому

использование их как глобальных объектов только повысило бы зависимость

процедуры

MyOwnInpMatr

от глобального контекста. В результате программа

оказалась бы менее надежной. (С этой же точки зрения неразумно задание

в качестве формальных параметров процедуры — оно потребовало бы ука-

зания соответствующих фактических параметров из глобального контекста,

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

429

для которых и вовсе не удается дать содержательную трактовку).

Таким образом,в языке

Pascal

для процедуры

MyOwnInpMatr

целесообраз-

но определить параметр, имеющий тип

Index

и передающий размер матрицы

алгоритму из глобального контекста. В

С/С++

приходится иметь дело с цело-

численным типом. С иллюстративными целями предполагается, что проце-

дура предназначена для ввода различных матриц. Для обеспечения этой воз-

можности необходимо модифицировать глобальный контекст: внести в него

описания типов, откорректировать описание массива

Matr

и добавить опи-

сание еще одного массива, значения элементов которого можно вводить с

помощью

MyOwnInpMatr

. В результате описание глобального контекста при-

нимает вид:

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

const NN = 100;

typedef ﬂoat Matrix[NN][NN];

Matrix Matr, Matr1;

int N;

Для паскалевского варианта программы нужны следующие описания:

const NN = 100;

type Index = 1..NN;

Matrix = array [ Index, Index ] of Real;

var N : Integer;

Matr, Matr1 : Matrix;

С учетом проведенного обсуждения

-вариант процедуры

MyOwnInpMatr

описывается следующим образом:

Программа 8.5.1

void MyOwnInpMatr( Matrix M, int SizeM )

{

int i, j;

printf("Enter matrix data:\n");

for(i = 0; i < N; i++)

{

printf("Row %3i:",i);

for(j = 0; j < N; j++)

430

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

scanf("%f",& M[i][j]);

printf("\n");

}

Процедура

MyOwnInpMatr

может быть использована, к примеру, для такого

задания матриц, описанных в глобальном контексте:

N = 10;

MyOwnInpMatr (Matr, N);

MyOwnInpMatr (Matr1, 5);

При условии корректности ввода в результате выполнения этих операто-

ров переменная

получит значение размера матрицы

Matr

по измерениям, в

массиве

Matr

будет заполнен левый верхний угол размера 10 на 10, а в масси-

ве

Matr1

— угол размера 5 на 5 (для

Matr1

переменная, фиксирующая размер

матрицы, не предусмотрена). Это логический взгляд на структуру данных.

На уровне модели вычислений языка

С/С++

все выглядит несколько иначе.

Никаких “верхних углов” матрицы не существует. Вместо матрицы рассма-

тривается вектор указателей (например,

Matr[i]

для каждого

), ссылающихся

на векторы вещественных значений. Именно этого требует стандарт языка, и

не случайно, что выражение

M[i][j]

является эквивалентным следующему фрагменту, явно отражающему опери-

рование с указателями:

*(*(M+i)+j)

Следует отметить, что в языке

Pascal

логический взгляд на обсуждаемую

структуру данных вполне правомерно представлять себе и как реализаци-

онный, можно даже не задумываться над представлением матриц в памя-

ти (разумеется, квалифицированный программист это всегда знает, а потому

использует, и именно этим обстоятельством обычно аргументируют адепты

языка

отход от традиций абстрактного рассмотрения представлений струк-

тур данных).

В языке

Pascal

заголовок процедуры

MyOwnInpMatr

может быть предста-

влен следующим образом:

procedure

MyOwnInpMatr (

var

M : Matrix; SizeM : Index );

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

431

Здесь явно обозначены различные механизмы, использованные для первого

и второго параметров. Это становится возможным из-за того, что описание

массива в языке

Pascal

не привязывается к реализации доступа к его элемен-

там, имя переменной типа массив действительно обозначает совокупность

‘переменных с индексами’, и не требуется прибегать к понятию памяти для

уточнения семантики данных понятий. В результате в языке

Pascal Matr

Matr1

обозначают значения массивов, тогда как в

С/С++/C#

— адреса памя-

ти для размещения значений. Именно поэтому внешне схожие изображения

двух указанных формальных параметров в

С/С++/C#

на логическом уровне

рассмотрения приводят к двум разным механизмам параметризации. В дей-

ствительности здесь нет противоречий, поскольку первый аргумент функции

передается по значению (именно так, как и второй аргумент), но передава-

емое значение есть ссылка в данном случае на массив и все оказывается в

точности так, как в

Pascal

Иное дело, что

Pascal

предлагает возможность передачи параметра-мас-

сива как значения. Сделать это очень просто: удалить var из заголовка. Но к

чему это приведет?Как уже отмечалось, параметр-значение приводит к обра-

зованию локальной переменной, инициированной фактическим параметром.

Применительно к массивам оказывается, что копируется весь массив, что ча-

ще всего само по себе нерационально. Но, кроме того, любые модификации

параметра не приведут к изменению фактического массива. И, если это при-

менить к обсуждаемым алгоритмам, становится понятным, что переменные

Matr

Matr1

своих (незаданных!) значений не изменят!

Все, сказанное выше по поводу процедуры

MyOwnInpMatr

, с точностью

до различий в алгоритмах применимо и к функции

MyInpMatr

. Поэтому но-

вый текст подпрограммы не требует подробного обсуждения:

Программа 8.5.2

int MyInpMatr ( Matrix M )

{

int i,j, SizeM = 0;

char c; // Переменная используется для

// определения окончания

// ввода первой строки матрицы

printf("Enter matrix data:\n");

432

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

printf("Row 0:");

scanf("%f%c",&Matr[0][SizeM++],&c);

while (c!=’\n’);

for(i=1; i < SizeM; i++)

{

printf("Row %2i:",i);

for(j=0; j < N; j++)

scanf("%f",& Matr [i][j]);

scanf("%c",&c);

while(c!=’\n’);

}

return SizeM;

}

Для полноты картины ниже представлен заголовок функции

MyInpMatr

на

языке

Pascal

function

MyInpMatr (

var

M : Matrix ) : Integer;

Понятно, что здесь параметр

SizeM

не имеет смысла — значение, которое он

получает в результате выполнения процедуры, есть результат работы функ-

ции. Этот результат является основным, поскольку необходимость его по-

лучения специфицирована в заголовке функции. Все другие результаты, в

частности, определение значений массива, называются побочным эффектом

функции.

Рассматриваемый пример, скорее всего, нетипичен, т. к. отходит от обще-

принятых и оправданных традиций. Почему это так, видно из следующего

примера. Какие значения имеют выражения

A[0][0] + MyInpMatr(A)

MyInpMatr(A) + A[0][0]

Быть может, последний термин и противоречит содержательному представлению о том,

что цель функции — ввод матрицы, но в большинстве случаев дисциплинированного про-

граммирования результат, специфицированный в заголовке функции, можно и должно счи-

тать целью ее работы (основным результатом).

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

433

если к моменту их выполнения

A[0][0]

равно единице, а первое вводимое при

работе функции число есть ноль? В большинстве языков и систем програм-

мирования, в том числе в

С/С++

Pascal

специфицируется совместность вы-

числения операндов выражения (см. п. 1.2.2), а значит, порядок, в котором

выполнятся

MyInpMatr(A)

A[0][0]

не определен.

Дисциплинированный программист вместо неконтролируемого формаль-

ными правилами языка ограничения на использование функции

MyInpMatr

(запрета выражений, вроде только что приведенных) определил бы для этой

цели процедуру со свойством функции

MyInpMatr

,которая вырабатывает фак-

тический размер матрицы в качестве значения специального out-параметра.

Здесь требуется именно out-параметр, а не inout, т. к. входное значение па-

раметра для обсуждаемого алгоритма безразлично.

Однако, как уже отмечалось,языки

С/С++

Pascal

в определении параме-

тризации ориентируются не на потребности, а на механизмы передачи пара-

метров. Поэтому приходится выбирать тот механизм, который обеспечивает

указанное свойство. Таким механизмом для языка

Pascal

является вид пере-

дачи параметра как переменной:

procedure

MyBestInpMatr (

var

M : Matrix;

var

SizeM : Index);

Для

С/С++

заголовок

MyBestInpMatr

представляется следующим образом (обра-

тить внимание на описание второго параметра как ссылки):

void

MyBestInpMatr (Matrix M,

int

*Index)

Окончательную подпрограмму предлагается составить самостоятельно пу-

тем переделки функции

MyInpMatr

в процедуру. Предлагается встроить в эту

процедуру проверку того, что при вводе строк матрицы пользователь задал

лишние числа. В таких случаях полезно выводить соответствующее преду-

преждение.

По-видимому, это лучшая из приведенных подпрограмм, решающих за-

дачу ввода матриц с определением их размера. Ее использование для ввода

матрицы

Matr

в языке

Pascal

имеет вид

MyBestInpMatr (Matr, N);

С/С++

тот факт, что процедура определяет значение второго параметра,

подчеркивается символом &, смысл которого — указать, что используется

адрес, а не значение

MyBestInpMatr (Matr, &N);

434

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

Хорошо ли то, что логически единообразные действия — присвоить значе-

ния переменной-массиву и простой переменной —изображаются по-разному?

Скорее всего, это следствие чрезмерной “заботы” о прозрачности (т. е. абсо-

лютной понятности) реализации для программиста.

При употреблении данной процедуры невозможно задать матрицу, не опре-

деляя специальной переменной, в которой фиксируется ее размер, подобно

тому, как это делалось оператором

MyOwnInpMatr (Matr1, 5);

Вообще говоря, это не недостаток, а достоинство подпрограммы: процедура

MyBestInpMatr

дисциплинирует работу с данными.

Если развивать заботу о надежности процедуры ввода матриц, то стоит

предусмотреть еще один вид контроля: отслеживание того, что происходит

при вводе.Уже отмечалась возможность сопровождать ввод предупредитель-

ными сообщениями, но утверждать, что именно это всегда полезно, было бы

опрометчиво. При некорректном вводе (попытка ввода недопустимого зна-

чения и др.) целесообразно перенести реакцию на ошибку в использующую

программу, оставив процедуре лишь передаче сообщения об этом в контекст

вызова процедуры (анализ того, что произошло, и что можно предпринять

при ошибке, — задача вызывающей программы). Стандартный прием реали-

зации таких сообщений — формирование кода ответа в качестве результата

работы процедуры. Одно и только одно значение такого кода говорит, что все

в порядке; все другие значения указывают на ошибку и ее причину. Пользо-

ватель, проверяя код ответа, может запланировать различные действия при

разных ошибках.

Варианты формирования кода ответа сводятся к следующему:

• выработка возвращаемого значения (тогда процедура

MyBestInpMatr

сно-

ва превращается в функцию);

• присваивание значения специальной переменной из глобального кон-

текста (тогда процедуру

MyBestInpMatr

вместе с этой переменной це-

лесообразно рассматривать в качестве специального модуля ввода, раз-

решающего доступ к этой переменной по чтению);

По количеству “медвежьих услуг” на каждую реальную услугу программирование, ви-

димо, находится вне конкуренции во всех областях человеческой практики.