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

Подождите немного. Документ загружается.

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

435

• использование специального out-параметра для передачи кода ответа

(наиболее гибкий вариант, но требующий дополнительных описаний

даже тогда, когда проверка кода ответа не требуется).

Все эти варианты дают одно и то же, а какой из них выбрать, диктуется усло-

виями использования процедуры ввода матриц (в сочетании с другими сред-

ствами из соответствующей библиотеки).

В простых случаях тип кода ответа — логический: истинное значение —

все нормально, ложное — ошибка. Когда требуется диагностика ошибок, це-

лесообразно в качестве типа кода ответа использовать перечисление:

type TansCode = (ok, er1, er2, unknown_er);

Это описание требуемого типа на языке

Pascal

. Для

С/С++

оно выглядит сле-

дующим образом:

enum TansCode = {ok, er1, er2, unknown_er};

Использование кодов ответов — это еще один из рекомендуемых приемов

работы с процедурами с регламентацией зависимости их от контекста погру-

жения. При его применении важно четко придерживаться единообразия опе-

рирования с кодами ответов не только при его формировании,но и при после-

дующем распознавании результатов. Только тогда можно будет утверждать,

что этот прием приведет к сокращению мысленных усилий программистов.

Цель проведенного обсуждения вариантов реализации ввода матриц —

дать представление о том, о чем нужно заботиться при разработке своих про-

цедур и функций. Благодаря этому следующие методические рекомендации

приобретают некоторую мотивированность:

• Погружение процедуры в глобальный контекст и переработка данных

этого контекста, вообще говоря, более эффективны по сравнению с па-

раметризацией. В то же время оно делает почти невозможным исполь-

зование процедуры вне контекста погружения.

• Употребление переменной из глобального контекста не оправдано, ко-

гда в процедуре вместо нее может быть использована локальная пере-

менная. За счет этого не только снижается зависимость процедуры от

контекста погружения, но и повышаются ее надежность и понятность:

изменения локальных переменных не изменяют данные, остающиеся

после отработки процедуры, точно известно, что локальный объект не

имеет смысла вне подпрограммы.

436

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

• То же относится и к другим программным объектам:типам, константам

и т. д. Они должны быть локализованы в контексте, в котором исполь-

зуются, а не в охватывающем контексте.

• Если элемент данных предназначен для совместного оперирования не-

скольких подпрограмм, то его можно рассматривать как часть общей

памяти этих подпрограмм, т. е. часть их общего контекста. Скорее все-

го, такой объект не должен передаваться как параметр. Исключение со-

ставляют случаи раздельной обработки нескольких таких объектов, и

тогда их следует передавать подпрограмме в качестве параметров.

• Использование значения, которое задает тот или иной путь вычислений

процедуры, целесообразно оформлять как in-параметр. В большинстве

языков это означает необходимость передавать его как параметр-зна-

чение. Но не следует забывать и о механизмах передачи параметра по

ссылке или как переменной, которые позволяют избежать дублирова-

ния значения фактического параметра в локальном контексте. В част-

ности, в

С/С++

внешняя похожесть передачи массива на механизм па-

раметров-значений не должна вводить в заблуждение на этот счет.

• При необходимости получить результат какого-либо вычисления с по-

мощью процедуры для использования этого результата в качестве опе-

ранда выражения целесообразно оформлять функцию, результат кото-

рой специфицирован типом требуемого результата (или совместимым

с ним типом).

• То же относится и к ситуации, когда результат используется в качестве

фактического параметра другой процедуры. Однако при ориентации на

Pascal

следует помнить, что язык допускает лишь скалярные результа-

ты функций, а потому ограничивает возможности применения данного

средства.

• При необходимости получения нескольких результатов процедуры воз-

можно, что логически выделяется один из них и этот результат требует-

ся использовать в качестве операнда выражения.В таком случае удобно

оформлять процедуру как функцию, специфицированную типом этого

Object Pascal

это ограничение снято.

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

437

операнда (или совместимым с ним типом). Остальные результаты явля-

ются логическими out- или inout-параметрами, которые моделируются

механизмом передачи параметров-переменных или ссылок.

• Вообще говоря, использование функций с несколькими результатами

вычислений представляется ненадежным средством программирования,

т. к. оно может приводить к нежелательным побочным эффектам. На-

дежнее использовать для этих целей процедуры с выходными параме-

трами. Оформлять результаты процедуры как влияние ее на глобаль-

ный контекст еще более ненадежное средство за исключением тех слу-

чаев, когда в глобальном контексте определяется система понятий как

объект общей обработки нескольких подпрограмм.

• Общая рекомендация по использованию подпрограмм в том, что ис-

пользование той или иной возможности языка всегда должно быть мо-

тивировано.Впрочем,то же можно сказать по отношению любых средств

программирования: принимая какое-либо решение, разработчик про-

граммы должен четко осознавать не только то, что с его помощью до-

стигается требуемое, но и все последствия, к которым приводит и/или

может привести это решение.

8.5.5. Параметры-процедуры и параметры-функции.Процедурный тип

До сих пор обсуждалась параметризация, которая обеспечивает задание

вариантов вычислений посредством предоставления подпрограмме различ-

ных значений параметров (входные параметры), за счет поставки подпро-

граммой значений для внешних переменных (выходные параметры), а также

при совмещении этих двух способов (см. § 8.5.3). Многие языки програм-

мирования допускает еще один вид параметризации, который связывается с

передачей процедуре в качестве фактического параметра (другой) процеду-

ры или функции с тем, чтобы вызывать обозначенный параметром алгоритм

в нужные моменты вычислений, обеспечивая тем самым вариантность вычи-

сления подпрограммы. В этом принципиальное отличие параметра-функции

оть вызова функции в позиции фактического параметра-значения, где функ-

ция вычисляется до перехода к выполнению операторов тела подпрограммы.

Можно считать, что алгоритм, представленный своим именем, есть зна-

чение одного из процедурных типов, и тогда естественно говорить о входном

параметре-процедуре или даже о выходном алгоритме, который порождается

438

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

в результате выполнения процедуры, имеющей соответствующий выходной

параметр. Последнее — это пока что программистская экзотика, поскольку

процедурные типы являются типами более высокого порядка по сравнению

с типами обычных значений, а с ними связано очень много проблем, в том

числе и теоретических. Совмещенные параметры еще экзотичнее, хотя ситу-

ации, когда они были бы полезными, легко себе представить. Скажем, про-

цедура получает в качестве параметра некоторый алгоритм и в результате

своей работы порождает другой алгоритм, который заменяет исходный ва-

риант, например, на основании знания о конкретных условиях его работы.

Таким образом, если считать нормальным оперирование с типами высоко-

го порядка,

то процедурные параметры являются частным случаем ранее

рассмотренных назначений параметризации.

Когда нужно обеспечить возможность вызова алгоритмов-параметров по

ходу вычислений, можно было бы воспользоваться механизмом подстанов-

ки по имени. Это ближе всего к тому, что требуется. Но это слишком силь-

ное средство, т. к. для использования процедурного параметра не требуются

никакие окружающие его вычисления (вроде тех, что задаются реализацией

вызова по имени) и, соответственно, зависимость такого параметра от внеш-

него контекста минимальна. В реализационном плане самым приемлемым

вариантом процедур как входных параметров является передача ссылки на

фактический параметр-алгоритм, т. е. адреса передаваемой процедуры. По-

этому не случайно, что именно так задается процедурная параметризация в

языке

С/С++

, что не требует дополнительных механизмов, поскольку адрес

есть значение указательного типа, которым обладает соответствующий фор-

мальный параметр. Процедуры же как выходные параметры пока что не под-

держаны по сути современными системами программирования, и в лучшем

случае значением такого выходного параметра будет одна из фиксированно-

го конечного множества заранее описанных в программе процедур. Поэтому

и здесь решение

С/С++

достаточно на современном этапе.

Как в принципе и должно было бы быть, поскольку ввиду парадокса изобретателя умение

работать с сущностями высших порядков является единственным путем к снижению объема

программных систем для действительно сложных задач и, соответственно, единственным

путем к кардинальному повышению их надежности. Но на этом пути стоят, помимо чисто

технических, методологические и педагогические трудности: слишком мало людей оказы-

ваются подготовленными к восприятию сущностей высших порядков...

Если же процедуры станут полноправными значениями, то решение языка

C/C++

сразу

станет неудовлетворительным даже для входных параметров, поскольку ими тогда могли бы

быть процедурные выражения, составленные при помощи композиции и частичной параме-

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

439

Если заботиться о надежности, то приходится требовать от системы про-

граммирования сопутствующих действий,способствующих корректности ис-

пользования ссылок на процедуры. В первую очередь здесь речь идет об

обеспечении правильного вызова процедуры, передаваемой в качестве па-

раметра: должно быть соблюдено соответствие типов формальных и факти-

ческих параметров этого вызова, а также типа вырабатываемого результата

требованиям позиции вызова, если параметр-процедура является функцией.

Перед изучением существующих суррогатов средств задания и использо-

вания в подпрограммах параметров-процедур и параметров-функций умест-

но рассмотреть пример, демонстрирующий полезность использования ново-

го вида параметризации подпрограмм. Обсуждение этого примера покажет

способ введения в языках данного средства.

Пусть требуется вычислить следующее выражение:

f(N) =

sin(1) + sin(2) + ··· + sin(N

)

1 +

+ ··· +

Видно, что как в числителе, так и в знаменателе дроби используется сумми-

рование, отличающиеся только видом общего члена. Если описана функция

double cm( double i)

{

return 1/i;

}

то аналогия между выражениями числителя и знаменателя подчеркивается

еще нагляднее:

f(N) =

sin(1) + sin(2) + ··· + sin(N

)

cm(1) + cm(2) + ··· + cm(N)

Уместно потребовать, чтобы язык позволял описать функцию суммирования,

которая умеет “работать”с различными общими членами.В

С/С++

это дости-

гается с помощью использования типа

указатель на функцию с одним пара-

метром

в качестве типа формального параметра:

double sum (int N, double (*f)(double p))

{

double s = (*f)(1);

тризации.

440

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

for ( double i = 2; i <= N ; i++ )

s += (*f)( i );

return s;

}

Нужно обратить внимание на то,как вызывается функция-параметр:

(*f)(i)

При вызове

sum

вторым фактическим параметром должен быть адрес подхо-

дящей функции, и тогда этот адрес станет значением формального параметра

. В свою очередь, значение этого параметр используется как адрес некоторой

функции (косвенно указывает на нее), которая вызывается со своим параме-

тром. При этом проверятся и, если нужно, преобразуются типы вызываемой

функции-параметра и ее параметра. В результате оператор

double c = sum ( N, sin) / sum ( N, cm );

делает именно то, что нужно.

С точки зрения надежного программирования здесь плохо только то, что

не видно различий между косвенным обращением к чему-либо и вызовом

процедуры, задаваемой в качестве параметра. Более строгая форма проце-

дурной параметризации, представленная, например, в языке

Pascal

, позво-

ляет это делать. Так, описание заголовка функции

function sum (N : Integer; function M (X : Real) : Real) : Real;

указывает, что второй параметр является функцией. Это очень похоже на

С/С++

.Но вот вызов этого параметра гораздо проще:

M(<значение типа Real>)

Эта конструкция прямо указывает на обращение к процедуре или функции

без указания каких бы то ни было деталей реализации. То, что при таком вы-

зове никогда не произойдет коллизий со списками параметров, гарантируется

описанием формального параметра-подпрограммы, которое специфицирует

возможные фактические параметры.

В контексте приведенного описания правомерны выражения

sum(N,sin)

sum(N,cm)

, поскольку

sin

являются функциями, вырабатывающими

значения вещественного типа с вещественным или целым (почему?) пара-

метром, как того требует спецификация формального параметра-функции

Следовательно, требуемое вычисление

f(N)

не отличается от того, как оно за-

писывается в

С/С++

По правилам языка

Pascal

формальный параметр-функция задается в спис-

ке параметров с помощью синтаксической конструкции

<заголовок функ-

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

441

ции>

, которая определяет шаблон для всех функций, подходящих для под-

становки в качестве фактического параметра. Совершенно аналогично зада-

ется параметр-процедура, для которого шаблоном служит заголовок проце-

дуры. Употребляемое в таких заголовках имя подпрограммы-параметра обо-

значает ее для использования в конструкции вызова процедуры или функ-

ции. Оно является именем формального параметра. Заголовок процедуры

или функции, используемый для определения формального параметра, на-

зывается спецификацией параметра.

Как видно из примера, правило задания спецификации параметров-функ-

ций и процедур избыточно: оно требует указания имен формальных пара-

метров специфицируемого параметра-подпрограммы (в примере —

), то-

гда как необходимой и достаточной информацией являются лишь их типы (в

примере —

Real

). При выборе изображения для таких спецификаций автор

языка

Pascal

стремился к минимизации синтаксических понятий языка, а по-

тому отдал предпочтение указанному виду. В этой связи стоит отметить, что

многие другие системы программирования в подобных случаях не требуют

указания избыточных имен.

При трансляции заголовка процедуры, имеющей формальный параметр-

процедуру, для такого параметра отводится элемент памяти, который пред-

ставляет формальный параметр в теле процедуры. Ему при вызове обеспе-

чивается присваивание адреса фактического параметра-процедуры, и это по-

зволяет осуществлять вызов формального параметра с помощью тех же ко-

манд, которые задаются при обычном вызове процедуры. Таким образом,

этот механизм в точности соответствует механизму передачи параметра по

ссылке, который, как было указано на стр. 419, специальным образом оформ-

ляется синтаксически с той целью, чтобы изображение вызова обычной про-

цедуры ничем не отличалось от вызова формального параметра. В результате

при написании тела процедуры можно не замечать их различий и абстрагиро-

ваться от того, какие фактические параметры-процедуры будут подставлять-

ся вместо используемого формального параметра.

В языке

Pascal

передача процедуре алгоритма в качестве параметра под-

чиняется существенному ограничению: все параметры процедур, которые

используются в качестве фактических параметров, подставляемых вместо

формальных параметров-процедур, должны быть параметрами-значениями.

В частности, невозможно, чтобы у таких параметров были бы свои параме-

тры-процедуры. Введение такого ограничение разумно, поскольку без него

442

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

возможности контроля параметризации неоправданно сужаются

(об этом

речь пойдет ниже). Понятно, что в

С/С++

просто нет места для этого ограни-

чения.

При спецификации как параметров-значений и параметров-переменных,

так параметров-процедур задается информация о типах, которая использует-

ся при контроле соответствия фактических и формальных параметров. Тем

не менее, в синтаксисе стандартного языка

Pascal

представлено явное раз-

граничение между этими двумя видами описания параметров. Разработчики

Turbo Pascal

Delphi

предпочли отойти от указанного разграничения и при-

близить оформление параметров-процедур к виду других параметров. При-

чины тому связаны со стремлением к более гибким по сравнению со стан-

дартным языком

Pascal

средствам манипулирования операционными сущ-

ностями программ. В результате описанные выше средства параметризации

изобразительно отличаются от тех, которые предлагаются в

Delphi

, в языке

Object Pascal

Следует,однако, заметить,что на уровне семантики передачи процедурам

алгоритмов в качестве параметров модели вычислений стандартного и

Object

Pascal

почти совпадают. Их различия не касаются назначения и механизмов

передачи параметров-процедур, они связаны лишь с тем, что в

Turbo Pascal

Object Pascal

процедурам и функциям пытаются придать смысл значений

так называемых процедурных типов. Язык допускает определение перемен-

ных таких типов и, следовательно, присваивание им ‘алгоритмических’ зна-

чений: тел процедур и функций, и уже, как следствие, он избавляется от спе-

циального определения таких конструкций, как формальный параметр-про-

цедура, спецификация формальных параметров-процедур и формальных па-

раметров-функций.

Попытка переноса спецификации параметров-процедур и параметров-функ-

ций на уровень типовой информации наиболее последовательно проводится

в языке

Алгол 68

, где декларируется, что подпрограмма есть (исполняемое)

значение процедурного или функционального типов (видов — в термино-

логии языка). В развитии

Pascal

подобное средство, представленное в

Turbo

Pascal

Delphi

,связывается с возможностью использования описаний такого

Более того,есть исключительно тонкие теоретические результаты,показывающие,что па-

раметр-процедура, в свою очередь принимающий параметры-процедуры, ведет себя прин-

ципиально по-другому, чем привычные программистам объекты низших типов. В частности,

структурный переход из тела такой процедуры может привести к неустранимым и исключи-

тельно трудно диагностируемым некорректностям.

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

443

рода:

type

Prt =

procedure

( X : Integer; Y : Real );

Fut =

function

( С : Integer ) : Real;

определяющих шаблоны:

• процедуры с двумя параметрами указанных типов и

• функции с одним параметром, вырабатывающей вещественное значе-

ние

(как и спецификации параметров-процедур стандартного

Pascal

, такие ша-

блоны имеют избыточные имена параметров:

Такие описания вводят имена так называемых процедурных типов (в при-

мере —

Prt

Fut

). Их можно использовать для определения процедурных и

функциональных переменных:

var p : Prt;

f : Fut;

с которыми допускается естественное оперирование: присваивание ‘проце-

дурных’ значений (если источник значения имеет тип, соответствующий ша-

блону процедуры или функции), использование для вызова подпрограммы.

Следует заметить, что в качестве литеральных изображений значений про-

цедурных типов можно рассматривать описания процедур и функций, но с

одной оговоркой: такие литеральные изображения значений нельзя исполь-

зовать в качестве выражений (т. е. их нельзя присваивать процедурным и

функциональным переменным, они могут быть только описаниями обычных

процедур). Это кажется на первый взгляд чисто технической недоработкой,

связанной с тем, что в данной реализации информация о процедуре при при-

сваивании не дублируется. Но на самом деле такое присваивание ввело бы

авторов системы в плохо знакомый им мир значений высших типов, который

они и в страшно усеченной-то форме никогда не могли корректно реализо-

вать.

Один из авторов книги, который всегда интересовался проблемой значений высших ти-

пов, пытался работать с ними в доступных ему версиях трансляторов. И трансляторы с

Ал-

гола 68

, и все версии расширений языка

Pascal

, с которыми ему приходилось иметь дело,

содержали в данном месте ошибки реализации.

444

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

В реализационном плане процедурные и функциональные переменные в

первом приближении представляются как указательные переменные, кото-

рые в состоянии хранить в качестве значений адреса процедур и функций.

Поэтому не удивительно, что для

С/С++

средства такого рода определены

естественно, т. е. как описание указателя (примеры см. в программе 10.2.8

в п. 10.2.5, где, в частности, показана одна из возможностей использования

указателей на процедуры). Но для данного языка также естественно, что кон-

троль использования подобных указателей лежит на программисте.

Синтаксис описания и использования процедурных параметров

Object

Turbo Pascal

иллюстрируется следующим примером:

procedure PP (T : Prt);

...

begin

...

T (5, 5.5);

...

end; {PP}

и, соответственно, правомерны операторы

PP(RP)

PP(p)

, если

удовле-

творяет шаблону, определенному в описании

Prt

, а процедурное значение

(некорректное значение с точки зрения вызова

PP(p)

переменной

присвое-

но быть не может).

По своей природе реализованные в нынешних общедоступных системах

программирования процедурные значения являются ссылочными — ника-

кой переписи программного кода при присваивании таких значений не про-

исходит. Поэтому параметр-процедура и параметр-функция передаются как

значения, а присваивание соответствующим формальным параметрам этих

значений оказывается присваиванием ссылок.

С процедурными типами расширений

Pascal

связан ряд технических огра-

ничений, которые стоит признать достаточно разумными, поскольку они по-

зволяют до некоторой степени отгородиться от теоретических опасностей, о

которых, судя по всему, авторы системы умом даже не подозревали, но кото-

рые они нутром чуяли.

Для программирования наиболее существенными из них являются:

• Недопустимость использования в качестве значений процедурного ти-

па стандартных процедур и функций. Чисто прагматически это ограни-

чение связано с другим форматом библиотек, но с теоретической точки