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

Подождите немного. Документ загружается.

8.5. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ

445

зрения оно также целесообразно, поскольку исходные процедуры про-

граммируются совершенно другим способом, с использованием осо-

бенностой конкретного процессора и конкретной реализации. Обойти

данное ограничение легко, построив свою процедуру или функцию с

телом из единственного оператора,вызывающего требуемую программ-

ную единицу.

• Процедуры и функции, которые могут подставляться в качестве фак-

тических параметров для формальных параметров процедурного типа,

должны быть оттранслированы в самом общем режиме (использование

так называемой дальней модели вызова подпрограмм, которое задает-

ся с помощью специального прагматического указания для компилято-

ра). Это ограничение прагматическое, оно существенно прежде всего

для

Turbo Pascal

, поскольку в

Delphi

такой режим трансляции процедур

стал стандартным по умолчанию, но оно также подкрепляется теоре-

тическими рассмотрениями.

• Процедуры и функции,используемые в качестве значений процедурно-

го типа, не могут быть вложенными, т. е. не могут находиться внутри

других подпрограмм (здесь создатели системы обошли серьезнейшую

теоретическую ловушку).

• Процедуры и функции,используемые в качестве значений процедурно-

го типа, не могут иметь прямых обращений к средствам операционной

системы (и здесь никакое решение не было бы теоретически удовле-

творительным, а практически удовлетворительные ослабления данно-

го ограничения пока неизвестны).

Задания для самопроверки

1. Самостоятельно модифицировать алгоритм ввода матриц, предусма-

тривая возможность ошибочного ввода.

2. Продумать другие варианты представлений очередей и алгоритмы функ-

ций и процедур для работы с ними (например, кольцевой буфер).

3. Почему на стр.388 говорится в связи с препроцессором не о программе,

а о программном тексте?

4. Что будет, если из локального контекста функции

MyInpMatr

(см. про-

грамму 8.3.4) удалить описание переменной

446

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

5. Нет никаких реализационных препятствий для обращения к формаль-

ному параметру по его вычисляемому порядковому номеру. Подумайте,

почему в хорошо определенных языках это средство не встречается, а,

скажем, в

, где оно осталось как рудимент, им во всех методиках ре-

шительно рекомендуют не пользоваться?

6. Как Вы думаете, каковы достоинства и недостатки идентификации па-

раметров их номерами?

7. Привести пример, когда при параллельных вычислениях передача па-

раметра-переменной и inout-параметризация приводят к разным ре-

зультатам.

8. Один из авторов книги в студенческие годы попал в ловушку, стоив-

шую ему лишней недели работы над программой. Одна из стандарт-

ных программ системы

Algol-60

принимала параметр по имени, а ав-

тор подставил вместо него 0. В результате в разных местах программы

началась мистика: константа 0 получила другое значение!

Как вы думаете, должен ли транслятор извещать программиста о такой

ошибке? Если да, то какой алгоритм ее обнаружения Вы предложите?

9. На стр. 428 обсуждалсялокальный контекст процедуры

MyOwnInpMatr

и делался вывод о нежелательности вынесения некоторых переменных

в глобальный контекст. Перепроверьте эти рассуждения с помощью по-

нятия операционной обстановки и операционного контекста.

10. Почему не стоит исключать возрождения аппарата параметров-имен?

Для каких языков он привлекателен?

11. Какие эффекты возникают при спецификации параметра как

var N : by need

12. Эквивалентны ли спецификации

name N : by need

name N

13. Сопоставтьте параметры-функции с параметрами, ппередаваемыми по

наименованию. Приведите примеры одинаковых и различных эффек-

тов.

8.6. МОДУЛЬНОСТЬ TURBO PASCAL

447

§ 8.6. РАЗВИТИЕ ЯЗЫКОВЫХ СРЕДСТВ МОДУЛЬНОСТИ В ЯЗЫКАХ ЛИ-

НИИ TURBO PASCAL

Понятие модульности является одним из центральных в программирова-

нии, и мы неоднократно обсуждали и будем обсуждать его различные аспек-

ты. Этот параграф целиком посвящен развитию идеи модуляризации. В ка-

честве базы мы выбрали язык

Pascal

и его диалектов и прямых потомков:

Turbo Pascal

Object Pascal

. Они ярко демонстрируют историческую транс-

формацию и отнюдь не самое худшее воплощение этой идеи. Конечно, один

пример не в состоянии продемонстрировать все грани модуляризации. Но

он дает достаточно наглядное и убедительное представление данного вопро-

са. Выбор иного языка, к примеру

С/С++

, был бы не столь показательным,

поскольку его линия развития находится под еще большим давлением при-

митивно понимаемой прагматики, что стабильно приводит к стратегически

худшим решениям и весьма затушевывает картину. Что же касается мето-

дических положений, развиваемых ниже, и в частности, выбора проектных

решений, то, если оставаться в рамках традиционной модели вычислений,

этот материал совсем не зависит от языка программирования.

8.6.1. Поддержка модульности в стандартном языке Pascal

Ближайшая задача, решаемая ниже, — развитие примера работы с очере-

дями из § 8.1 в направлении реализации операционных подпрограмм некото-

рой специальной библиотеки. Требуется составить следующие подпрограм-

мы:

•

StateQueue

— функция, вырабатывающая значение состояния очере-

ди:

Empty

(пустая),

Full

(заполненная) или

Normal

(нормальная), в за-

висимости от наличия сохраняемых элементов;

•

GetElQueue

— функция, вырабатывающая значение элемента очереди

и извлекающая элемент из очереди, если состояние очереди (значение,

вырабатываемое функцией

StateQueue

) не

Empty

, и специальное, вы-

деленное значения типа элемент очереди

NotEl

в противном случае;

•

PutElQueue

— процедура, помещающая элемент-параметр в очередь

для хране-ния, если это возможно, т.е. когда состояние очереди (значе-

ние, вырабатываемое функцией StateQueue) не Full. Если очередь за-

полнена, то процедура должна выдавать сообщение об ошибке обра-

щения к ней.

448

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

Прежде,чем приступить к реализации подпрограмм необходимо договорить-

ся о том, для хранения каких элементов будет использоваться библиотека.

Ограничиваясь иллюстративными целями, будем считать, что очередь пред-

назначена для хранения целочисленных значений, а значение

NotEl

равно ну-

лю.

Существует довольно много вариантов реализации очередей, приспосо-

бленных для использования в различных режимах. Среди режимов, опреде-

ляющих выбор конкретного решения, можно указать, с одной стороны, на

дисциплину доступа к данным, когда чередование записи и чтения информа-

ции более или менее равномерно, а с другой — на работу большими порци-

ями, при которой чередуются периоды с относительным преобладанием за-

писи с периодами относительно более частого чтения. В первом случае при

достаточно большом объеме памяти, отводимой для хранения элементов, си-

туации с переполнением очереди являются исключительными, во втором —

необходима особая забота об обработке переполнений. На выбор варианта

реализации очереди влияет и то, предусматривается или нет режим работы

с приоритетами: требуется ли обеспечить возможность пропускания элемен-

та “вперед”. Список подобных особенностей использования очередей легко

продолжить. Зачастую трудно заранее предвидеть поведение вычислитель-

ного процесса, а значит и оптимальную реализацию очереди. Именно поэто-

му весьма желательно явно разделять уровни использования и реализации:

если реализация окажется неудачной, смена ее не повлечет изменение ис-

пользующей программы.

В приводимой программе используется следующий подход к реализации

очередей. Хранилище элементов представляется массивом

Container

объема

MaxSize

. Для указания компоненты массива, в которой при очередном обра-

щении к процедуре

PutElQueue

разместится элемент очереди, используется

переменнаяиндекс

.Элемент,который должен быть извлечен из

Container

’а

при обращении к функции

GetElQueue

, указывается переменной-индексом

. Три структуры данных:

Container

являются основой реализацион-

ного представления очереди.

Все хранимые элементы очереди размещаются между компонентами, ин-

дексируемыми

(см. рис. 8.9a). Запись элемента влечет увеличение ин-

декса

, а чтение —

. Если после чтения элемента

оказывается равным

, то это означает, что все элементы очереди прочитаны (состояние очере-

ди —

Empty

). Когда в результате записи элемента значения индекса

дости-

гает своего максимума (

MaxSize

), то за счет произошедших ранее чтений из

очереди в массиве

Container

может оказаться свободное место в его начале,

8.6. МОДУЛЬНОСТЬ TURBO PASCAL

449

Свободный участок

Container

Занятый участок

Свободные участки

(а) Конфигурация с одним занятым и двумя свободными участками

Container

Занятые участки

(б) Конфигурация с одним свободным и двумя занятыми участками

Рис. 8.9. Представление очереди массивом и двумя индексами

450

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

которое целесообразно переиспользовать. Это достигается сбрасыванием

в минимально возможное значение (в примере:

IB := 1

). Теперь заполнение

очереди возможно до тех пор, пока

не станет равным

(см. рис. 8.9б), и,

таким образом, состояние заполненности очереди (

Full

) есть равенство ин-

дексов

после записи элемента.

При чтении очередного элемента возможно, что

указывает на послед-

ний элемент массива. Это означает, что после чтения он должен быть уста-

новлен на начало

Container

’а. В результате конфигурация занятости массива

снова принимает вид, изображенный на рис. 8.9а.

Нагляднее всего описанный процесс можно представить при помощи изо-

бражения массива

Container

в виде кольца, т. е. склеивая его начало с кон-

цом, благодаря чему особые случаи работы с индексами исключаются (см.

рис. 8.10). Следует обратить внимание на равенство

IE = IB

, которое дости-

Container

Рис. 8.10. Наглядное представление очереди как массива-кольца

гается в двух крайних случаях: когда очередь опустошается и когда она ста-

новится заполненной. Это равенство говорит, что очередь находится в одном

из состояний:

Empty

или

Full

. Какое из них фактически установилось, ясно,

если проанализировать, какая из операций

GetElQueue

или

PutElQueue

вы-

полнялась последней. Информация об этом сохраняется в переменных

BFull

BEmpty

логического типа, которые должны рассматриваться в качестве со-

ставляющих представления очереди

Заметим, что можно было не вводить две этих переменных, а вызывать соответствующую

реакцию на крайнее состояние в конце каждой из подпрограмм

GetElQueue

PutElQueue

Такое использование структурных переходов и реакций формально не противоречит струк-

турному программированию, но затрудняет модификацию программы.

8.6. МОДУЛЬНОСТЬ TURBO PASCAL

451

С учетом приведенного обсуждения реализация набора операционных

подпрограмм работы с очередью в их общем контексте на стандартном языке

Pascal

описывается следующим образом. Кроме упомянутых выше подпро-

грамм в наборе представлена еще две процедуры.Первая из них —

InitQueue

—

задает начальные значения переменных, а вторая —

IncI

— предназначена

для изменения значения индексов с учетом сбрасывания (изменяемый ин-

декс передается в качестве параметра).

Программа 8.6.1 Очередь на чистом языке

Pascal

const

MaxSize = 100; { public !!!}

NotEl = 0; { public !!!}

type

States = ( Full, Empty, Normal ); { public !!!}

var

Container : array [ 1..MaxSize ] of Integer; { private }

IB, IE : Integer; { private }

BFull, BEmpty : Boolean; { private }

procedure InitQueue; { public }

begin

IB := 1; IE := 1;

BFull := False; BEmpty := True;

end;

procedure IncI ( var I : Integer ); { private }

begin

if I = MaxSize

then I := 1

else I := I + 1

end;

procedure PutElQueue ( X : Integer ); { public }

begin

if not BFull

then

452

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

begin

Container [ IB ] := X;

IncI ( IB );

BEmpty := False;

BFull := IB = IE

end

else Write (’Ошибка: переполнение’)

end;

function GetElQueue : Integer; { public }

begin

if not BEmpty

then

begin

GetElQueue := Container [ IE ];

IncI ( IE );

BEmpty := IB = IE;

BFull := False

end

else

begin

Write (’Ошибка: чтение из пустой очереди’);

GetElQueue := NotEl

end

end;

function StateQueue : States; { public }

begin

if BEmpty

then StateQueue := Empty

else if BFull

then StateQueue := Full

else StateQueue := Normal

end;

Как можно воспользоваться представленными только что средствами? Для

стандартного

Pascal

’я нет другой возможности, кроме размещения приве-

денного текста среди описаний использующей программы. Конечно, систе-

8.6. МОДУЛЬНОСТЬ TURBO PASCAL

453

мы программирования обычно позволяют строить пользовательские библио-

теки, и если это так, то в использующую программу достаточно встроить

заголовки процедур, а вместо тел их указать служебное слово

external

. Но

и тогда пользователь стандартного

Pascal

’я не сможет применять у себя в

программе непроцедурные описания (в приведенном тексте они помечены

символами

!!!

). Все это — следствие первоначальной концепции модульно-

сти, исходящей из определения библиотек как разрозненных наборов под-

программ.

Использование данного набора подпрограмм полностью автономно: оно

не требует знания того, какими структурами данных представлена очередь,

какие алгоритмы задействованы в ее реализации и т. д. Тем не менее, если

представленный выше текст встраивается в программу явно,то стандарт-

ный

Pascal

не запрещает обращаться в программе к данным и подпрограм-

мам, не предназначенным для общего использования. В приведенном тексте

строки, где описываются такие объекты, отмечены комментарием

{ private }

а строки, в которых вводятся объекты общего пользования — комментарием

{ public }

Стандартный

Pascal

не в состоянии запретить обращение к реализации,

а значит, не поддерживается скрытие ее особенностей на уровне использо-

вания библиотеки. Этот недостаток оборачивается некоторым плюсом: для

описания того, что делает библиотека, можно не прибегать к призракам. Но

считать этот плюс достоинством нет никаких оснований.Во-первых,для слож-

но устроенных библиотек программный уровень изложения решительно не

удовлетворит пользователя, тем более, если он не хочет вникать в особенно-

сти реализации. Во-вторых, определение программного средства его реали-

зацией совершенно неудовлетворительно как с точки зрения использования

и сопровождения, так и в плане будущего развития (об этом мы уже гово-

рили, когда обсуждали возможность определения языка программирования

транслятором — см.§ 2.1). Так что пользовательская документация все равно

необходима.

8.6.2. Модули в TURBO-системах программирования

Недостатки стандартного

Pascal

’я и других языков, являющихся прямы-

ми потомками

Algol 60

, в части модульности вполне очевидны: жесткая блоч-

ная структура препятствует явному выделению частей программы, предна-

значенных и не предназначенных для пользователя. В более поздних языках

вводятся специальные средства модуляризации. Ниже они рассматриваются

454

ГЛАВА 8. ПОДПРОГРАММЫ

для диалектов

Pascal

’я в системах программирования

TURBO

. Вполне сло-

жившимися эти средства можно считать для

TURBO-Pascal

’я версий 5.0 и

выше. С 5.5 версии язык включает в себя средства поддержки объектно-ори-

ентированного программирования, которое в настоящее время является наи-

более распространенным инструментом профессионального конструирова-

ния программ. В последующих версиях эти средства дополнены многими

полезными в прагматическом плане возможностями.

Ближайшая цель — показать, как можно разрозненную коллекцию опера-

ционных подпрограмм и их общего контекста превратить в модуль с четким

разделением уровней использования и реализации. Обсуждение ведется при-

менительно к языку

TURBO-Pascal

версии 6.0. Указываются дополнитель-

ные возможности, предоставляемые в версии 7.0.

Общая структура конструкции модуля в этих языках представляется сле-

дующей схемой:

unit <имя модуля>;

interface

<описания видимых объектов>

implementation

<описания скрытых объектов>

begin

<инициализация: описание действий, которые

необходимо выполнить перед использованием

основных средств модуля>

end.

В версии 7.0 эта схема, исходя из практических потребностей программи-

рования, расширена: появился дополнительный раздел модуля ﬁnalization:

unit <имя модуля>;

interface

<описания видимых объектов>

implementation

<описания скрытых объектов>

begin

<инициализация: описание действий, которые

необходимо выполнить перед использованием

основных средств модуля>