Симонович С.В. Информатика

Подождите немного. Документ загружается.

600 Глава 20. Основы программирования

представляет собой линейную последовательность операторов присваивания,

цикла и условных операторов. Таким способом можно решать не очень сложные

задачи

составлять программы, содержащие несколько сот строк

кода.

После этого

понятность исходного текста резко падает из-за того, что общая структура алго-

ритма теряется за конкретными операторами языка, выполняющими слишком

детальные, эл)ементарные

действия.

Возникают многочисленные вложенные услов-

ные операторы и операторы циклов, логика становится совсем запутанной, при

попытке исправить один ошибочный оператор вносится несколько новых ошибок,

связанных

особенностями работы этого оператора, результаты выполнения кото-

рого нередко учитываются в самых разных местах программы. Поэтому набрать и

отладить длинную линейную последовательность операторов практически невоз-

можно.

При создании средних по размеру приложений (несколько тысяч строк исходного

кода) используется

структурное

программирование,

идея которого заключается в

том,

что структура программы должна отражать структуру решаемой

задачи,

чтобы

алгоритм решения был ясно виден из исходного

текста.

Для этого надо иметь сред-

ства для создания программы не только с помощью трех простых операторов, но и

с помощью

средств,

более точно отражающих конкретную структуру

алгоритма.

С этой

целью в программирование введено понятие

подпрограммы —

набора операторов,

выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода.

Программа разбивается на множество мелких подпрограмм (занимающих до 50

операторов

—

критический порог для быстрого понимания цели подпрограммы),

каждая из которых выполняет

одно из

действий,

предусмотренных исходным зада-

нием. Комбинируя эти подпрограммы, удается формировать итоговый алгоритм

уже не из простых операторов, а из законченных блоков кода, имеющих опреде-

ленную смысловую нагрузку, причем обращаться

таким блокам можно по назва-

ниям. Получается, что подпрограммы

—

это новые операторы или операции языка,

определяемые программистом.

Возможность применения подпрограмм относит язык программирования

классу

процедурных

языков.

Нисходящее проектирование

Наличие подпрограмм позволяет вести проектирование

разработку приложения

сверху вниз

—

такой подход называется

нисходящим

проектированием.

Сначала

выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (напри-

мер,

инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих

модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на

небольшое

число

других подпрограмм,

так происходит

до тех

пор,

пока вся задача

не окажется реализованной.

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предмет-

ном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того,

появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а вре-

менно откладывать, пока

не

будут закончены

другие

части.

Например, если имеется

необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется

20.4.

Структурное программирование 601

отдельная подпрограмма такого вычисления, но реализуется она временно одним

оператором, который просто присваивает заранее выбранное значение (например, 5).

Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реа-

лизации этой функции.

Немаловажно, что небольшие подпрограммы значительно проще отлаживать, что

существенно повышает общую надежность всей программы.

Очень важная характеристика подпрограмм

—

это возможность их

повторного

использования.

интегрированными системами программирования поставляются

большие библиотеки стандартных подпрограмм, которые позволяют значительно

повысить производительность труда за счет использования чужой работы

по

созда-

нию часто применяемых подпрограмм.

Рассмотрим пример, демонстрирующий методику нисходящего проектирования.

Имеется массив Ocenki, состоящий из

(Л^> 2) судейских оценок (каждая оценка

положительна). В некоторых видах спорта принято отбрасывать самую большую

и самую маленькую оценки, чтобы избежать влияния необъективного судейства, а

в зачет спортсмену идет среднее арифметическое из оставшихся оценок. Решим

эту задачу, постепенно детализируя алгоритм (без привязки к конкретному языку

программирования).

Процесс решения наиболее просто описывается подпрограммами:

Ввести_оценки_в_массив;

Удалить__самую_большую_оценку;

Удалить_самую_маленькую_оценку;

Рассчитать__среднее_арифметическое_оставшихся_оценок;

Вывести_результаты;

Теперь можно приступить к детализации каждой их этих подпрограмм.

Удалить__самую__большую__оценку;

Как

удалить

самую

большую оценку

из

статического массива? Вместо

нее

можно

просто записать значение

О,

а при подсчете среднего арифметического нуле-

вые значения не учитывать.

I = Номер__самого_большого_элемента_в_массиве;

Ocenki[ I ] = 0;

3. Удалить_самую_маленькую_оценку;

I = Номер_самого_маленького_элемента_в_масеиве;

Ocenki( I ) = 0;

При реализации подпрограммы Номер_самого_маленького_элемента_в_массиве

надо учесть, что искать придется самое маленькое из

положительных

значе-

ний (больших нуля).

Рассчитать_среднее_арифметическое_остайшихся_оценок;

602 Глава 20. Основы программирования

Здесь потребуется оператор цикла, вычисляющий сумму всех элементов мас-

сива Ocenki.

SUM = о

FOR I = 1 ТО N

SUM = SUM + Ocenki

(

I )

SUM = SUM / (N - 2)

последнем операторе происходит вычисление среднего арифметического всех

оценок. Сумма элементов массива делится на число элементов, уменьшенное

на 2, потому что две оценки, самую большую и самую маленькую, учитывать

не надо.

Если бы эта задача решалась последовательно, то уже на этапе удаления оценок

могли возникнуть определенные проблемы.

Реализацию подпрограмм Номер_самого_большого__элемента_в_массиве и Номер_

самого_маленького_элемента__в_массиве выполните самостоятельно.

Процедуры и функции

Подпрограммы бывают двух видов

— процедуры и

функции.

Отличаются они тем,

что процедура просто выполняет группу операторов, а функция вдобавок вычис-

ляет некоторое значение

передает

его

обратно

главную программу

(возвращает

значение). Это значение имеет определенный тип (говорят, что функция имеет

такой-то тип).

В Си++ понятия «процедура» нет

—

там имеются только функции,

если никакого

значения функция не вычисляет, то считается, что она возвращает значение типа

<^<никакое» (void).

Параметры подпрограмм

Чтобы работа подпрограммы имела смысл, ей надо получить данные из внешней

программы, которая эту подпрограмму

вызывает.

Данные передаются подпрограмме

в виде

параметров

или

аргументову

которые обычно описываются в ее заголовке

так же, как переменные.

Управление последовательностью вызова подпрограмм

Подпрограммы вызываются, как правило, путем простой записи их названия с

нужными параметрами. В Бейсике есть оператор

CALL

для явного указания того,

что происходит вызов подпрограммы.

Подпрограммы активизируются

только

в момент их вызова. Операторы, находя-

щиеся внутри подпрограммы, выполняются, только если эта подпрограмма явно

вызвана. Пока выполнение подпрограммы полностью

не

закончится,

оператор глав-

ной программы, следующий за командой вызова подпрограммы, выполняться не

будет.

20.4.

Структурное программирование

603

Подпрограммы могут быть

вложенными —

допускается вызов подпрограммы не

только из главной программы, но и из любых других подпрограмм.

некоторых языках программирования допускается вызов подпрограммы из себя

самой. Такой прием называется

рекурсией

и потенциально опасен тем, что может

привести к зацикливанию

—

бесконечному самовызову.

Структура подпрограммы

Подпрограмма состоит из нескольких частей: заголовка с параметрами, тела под-

программы (операторов, которые будут выполняться при

ее

вызове)

завершения

подпрограммы.

Локальные переменные, объявленные внутри подпрограммы, имеют областью

дей-

ствия только ее тело.

Функции

Заголовок

функции

Тело

Завершение

Бейсик

FUNCTION имя

(список_^параметров)

Тип возвращаемого

значения

определяется

специальным

символом после

имени функции

Последовательность

операторов

END FUNCTION

Паскаль

function имя

(список_параметров):

тип__функции;

begin

последовательность

операторов

end;

нет

Си++

тип_функции

имя(список_параметров)

{

последовательность

операторов

};

нет

Процедуры

Заголовок

процедуры

Тело

Завершение

Бейсик

SUB имя

(список_параметров)

Последовательность

операторов

END SUB

Паскаль

procedure имя

(список_параметров);

begin

последовательность

операторов

end;

нет

Си++

void имя(список_

параметров)

{

последовательность

операторов

};

нет

Как функция возвращает значение

После того как функция рассчитала нужное значение, ей требуется явно вернуть

его

вызывающую программу. Для этого может использоваться специальный опе-

ратор (return в Си++) или особая форма оператора присваивания, когда в левой

части указывается имя функции, а справа

—

возвращаемое значение.

604 Глава 20. Основы программирования

Далее приведены примеры функции, вычисляющей значение квадрата аргумента.

Бейсик:

FUNCTION SQR% (X AS INTEGER)

SQR% = X*X

END FUNCTION

Паскаль:

function SQR(X: integer): integer;

begin

SQR := X*X

end;

Си++:

int SQR(int x)

{

return x*x;

Формальные и фактические параметры

Во

время создания подпрограммы заранее

не

известно,

какие конкретно параметры

она может

будет

получать.

Поэтому

качестве переменных, выступающих

роли

ее

аргументов

заголовке, могут использоваться произвольные допустимые назва-

ния, даже совпадающие с уже имеющимися. Компилятор все равно поймет, что

это не одно и то же.

Параметры, которые указываются в заголовке подпрограммы, называются фор-

мальными.

Они нужны только для описания тела

подпрограммы.

параметры (кон-

кретные значения), которые указываются в момент вызова подпрограммы, назы-

ваются

фактическими

параметрами. При выполнении операторов подпрограммы

формальные параметры как бы временно заменятся на фактические.

Пример.

int а, у;

а = 5;

у = SQR(a) ;

Программа вызывает функцию SQR()

одним фактическим параметром а. Внутри

подпрограммы формальный параметр

получает значение переменной а и возво-

дится в квадрат. Результат возвращается обратно в программу и присваивается

переменной у.

Событийно-ориентированное программирование

С активным распространением системы

Windows

и появлением визуальных RAD-

сред широкую популярность приобрел событийный подход

созданию программ

—

событийно

-ориентированное

программирование.

20.5.

Объектно-ориентированное программирование 605

Идеология системы

Windows

основана на событиях. Щелкнул человек на кнопке,

выбрал пункт меню, нажал на клавишу или кнопку мыши

—

Windows

генериру-

ется подходящее

сообщение,

которое отсылается окну соответствующей программы.

Структура программы, созданной с помощью событийного программирования,

следующая. Главная часть представляет собой один бесконечный цикл, который

опрашивает

Windows,

следя за

тем,

не

появилось

ли

новое

сообщение.

При

его

обна-

ружении вызывается подпрограмма, ответственная

за обработку

соответствующего

события (обрабатываются не

все

события, их

с(!)тни,

только нужные),

подобный

цикл опроса продолжается, пока

не

будет получено сообщение «Завершить работу».

События могут быть

пользовательскими,

возникшими

результате действий поль-

зователя,

системными,

возникающими

операционной системе (например, сообще-

ния от таймера), и

программными,

генерируемыми самой программой (например,

обнаружена ошибка и ее надо обработать).

Событийное программирование является развитием идей нисходящего проекти-

рования, когда постепенно определяются и детализируются реакции программы

на различные события.

Вопросы для самоконтроля

С какой целью применяют подпрограммы?

Чем характеризуются процедурные языки программирования?

• 3. В чем состоит идея нисходящего проектирования?

Что общего и в чем отличия процедуры и функции?

Определите значение выражения F(1,2) +

10,0.1),

если функция F(a,b) рас-

считывается как а*а

b*b.

чем различие между событийным и структурным программированием?

Как организуется обработка программных событий?

20.5.

Объектно-ориентированное программирование

Понятие объекта

Развитие идей структурного и событийного программирования существенно под-

няло производительность труда программистов и позволило в разумные сроки

(несколько месяцев) создавать приложения объемом в сотни тысяч строк. Однако

такой объем уже приблизился к пределу возможностей человека, и потребовались

новые технологии разработки программ.

начале 80-х годов

програ]у[мировании возникло новое направление, основанное

на

понятии

объекта.

До того времени основные ограничения

на

возможность созда-

ния больших систем накладывала разобщенность в программе данных и методов

их обработки.

Реальные объекты окружающего мира обладают тремя базовыми характеристиками:

они имеют набор свойств, способны разными методами изменять эти свойства и

реагировать

на

события,

возникающие как

окружающем

мире,

так

внутри самого

606 Глава 20. Основы программирования

объекта. Именно

таком виде

языках программирования и реализовано понятие

объекта

как совокупности

свойств

(струюур

данных,

характерных

для

этого объекта),

методов

их обработки (подпрограмм изменения свойств) и

событий,

на которые

данный объект может реагировать и которые приводят, как правило, к изменению

свойств объекта.

Появление возможности создания объектов в программах качественно повлияло

на производительность труда программистов. Максимальный объем приложений,

которые стали доступны для создания группой программистов из 10 человек, за

несколько лет увеличился

до

миллионов строк

кода,

при

этом

одновременно удалось

добиться высокой надежности программ и, что немаловажно, повторно использо-

вать ранее созданные объекты в других задачах.

Класс

Объекты могут иметь идентичную структуру и отличаться только значениями

свойств.

таких случаях

программе создается новый

тип,

основанный на единой

структуре объекта (по аналогии с тем, как создаются новые типы для структур

данных). Он называется

классом,

а каждый конкретный объект, имеющий струк-

туру этого класса, называется

экземпляром

класса.

Описание нового класса

Описание нового класса похоже на описание новой структуры данных, только к

полям (свойствам) добавляются методы

—

подпрограммы.

В Си++ и Паскале для описания класса используется ключевое слово class.

Паскаль:

class TMyClass

Iteml: integer;

Item2:

string;

function GetSum(n: integer): integer;

procedure Initialize;

end;

Си++:

class TMyClass

{

int Iteml;

int Item2;

int GetSum(int n);

void Initialize 0;

};

При определении подпрограмм, принадлежащих конкретному

классу,

его

методов,

в заголовке подпрограммы перед ее названием явно указывается, к какому классу

20.5.

Объектно-ориентированное программирование 607

она принадлежит. Название класса

от

названия метода отделяют специальные сим-

волы (точка в Паскале или два двоеточия в Си++).

Паскаль:

procedure TMyClass.Initialize;

begin

Iteml := 1;

Item2 := «»;

end;

Си++:

void TMyClass::Initialize 0

{

Iteml = 1;

Item2 = 0;

}

Класс

—

это тип данных, такой же, как любой другой базовый или сложный тип.

На его основе можно описывать конкретные объекты (экземпляры классов).

Паскаль:

var С1, С2: TMyClass;

Си++:

TMyClass CI, С2;

Доступ к свойствам объектов и к их методам осуществляется так же, как к полям

записей, через точку:

С1.Iteml := 5;

С2.Initialize;

X := Cl.GetSum(21);

Объектно-ориентированное программирование базируется на трех ключевых кон-

цепциях

—

инкапсуляции, наследовании и полиморфизме. Объединение данных с

методами

одном типе (классе) называется

инкапсуляцией.

Помимо объединения,

инкапсуляция позволяет ограничивать доступ к данным объектов и реализации

чМетодов классов. В результате у программистов появляется возможность исполь-

зования готовых классов в своих приложениях на основе только описаний этих

классов.

Наследование

Важнейшая характеристика класса

—

возможность создания на его основе новых

классов с

наследованием

всех его свойств и методов и добавлением собственных.

Класс, не имеющий предшественника, называется

базовым.

Например, класс «животное» имеет свойства «название», «размер», методы «идти»

и «размножаться». Созданный

на его

основе класс «кошка» наследует

все

эти свойства

методы,

которым дополнительно добавляется свойство «окраска»

и метод

«пить».

608 Глава 20. Основы программирования

Наследование позволяет создавать новые классы, повторно используя уже гото-

вый исходный код и не тратя времени на его переписывание.

Полиморфизм

в большинстве случаев методы базового класса

классов-наследников приходится

переопределять

—

объект класса «кошка» выполняет метод «идти» совсем не так,

как объект класса «амеба». Все переопределяемые методы по написанию (назва-

нию) будут совпадать с методами базового объекта, однако компилятор по типу

объекта (его классу) распознает, какой конкретно метод надо использовать, и не

вызовет для объекта класса «кошка» метод «идти» класса «животное». Такое свой-

ство объектов переопределять методы наследуемого класса

корректно их исполь-

зовать называется

полиморфизмом.

Визуальное программирование

Технологии объектного, событийного и структурного программирования сегодня

объединены

/М1)-системах, которые содержат множество готовых

классов,

пред-

ставленных в виде визуальных

компонентов,

которые добавляются в программу

одним щелчком мыши. Программисту надо только спроектировать внешний вид

окон своего приложения

определить обработку основных событий

—

какие опера-

торы

будут

выполняться

при

нажатии на

кнопки,

при выборе пунктов меню или

щелч-

ках мышкой. Весь вспомогательный исходный код среда сгенерирует сама, позво-

ляя программисту полностью сосредоточиться только на реализации алгоритма.

Вопросы для самоконтроля

Для чего в языки программирования было введено понятие класса?

чем различие между классом и объектом?

Поясните понятие инкапсуляции на бытовых примерах.

Для чего применяется механизм наследования?

Как полиморфизм модифицирует принцип наследования?

6. Опишите использование принципов объектно-ориентированного програм-

мирования в средах быстрого проектирования.

20.6.

Проектирование программ

Программирование как вид деятельности

Появление первых компьютеров породило программирование как

науку.

Разраба-

тывались первые математические теории обработки информации, средства дока-

зательства правильности программ, оптимизации кода, создания эффективных

компиляторов, формального тестирования

и т.

д.

Затем,

появлением универсаль-

ных

языков программирования третьего поколения, эти аспекты стали менее акту-

альными

—

исследования шли

идут

основном

области автоматической генера-

ции исходных текстов

повышения эффехсгивности

компиляторов.

Программирование

превратилось в

искусство —

миллионы людей, не имевших специального образо-

вания, получили возможности применять компьютеры для решения собственных

20.6.

Проектирование программ

609

прикладных задач, что потребовало от них мастерства создавать правильно рабо-

тающие программы. Искусством программирование остается и сегодня для про-

фессиональных разработчиков и любителей, создающих программы в одиночку

или в небольших компаниях, где все решает индивидуальное мастерство.

Вместе с тем, при росте спроса со стороны государственных и частных организа-

ций на все более и более сложные системы автоматизации предприятий, надеж-

ные

операционные

среды,

комплексы глобального телекоммуникационного управ-

ления, возникла необходимость в постановке процесса разработки программного

обеспечения (ПО) на

поток,

превращения программирования в

ремесло.

Было раз-

работано несколько методологий

стандартов, позволивших эффективно органи-

зовывать труд сотен программистов средней квалификации, точно укладываться

в отпущенные сроки и средства и

не

зависеть от настроения нескольких талантли-

вых ведущих специалистов. Отрицательная сторона подобных методологий

—

отсутствие творческого элемента в работе и своеобразная конвейерная «потогон-

ная» система промышленного производства программ, которая, будучи внедрен-

ной в организации, в условиях жесточайшего дефицита программистов во всем

мире может только отпугнуть сотрудников.

Потенциальные возможности человека

Объем

проекта,

строк

исходного

кода

100

1000

000

100 000

[1 млн

10 млн

Тип программы

Утилиты для временных

нужд

Небольшие приложения и

дополнения, вносимые в

готовые системы

Типичная средняя

программа,

разрабатываемая на заказ

Большинство современных

коммерческих автономных

и небольших клиент-

серверных приложений

Крупные системы

автоматизации

Операционные системы

(Microsoft

Windows,

IBM

VMS), большие военные

комплексы. Предел

сегодняшних

возможностей. Стоимость

подобной разработки

может равняты:я стоимости

большого стадиона или

крупного корабля

Время

со;эдания

1 день

Д0 1

месяца

до 6

месяцев

1 год

1,5-5 лет

5-8 лет

Вероятность

успешного

завершения

100%

85%

для групп,

35%

для одиночки

50%

для группы,

0% для одиночки

35%

Число

программистов

1(предел 1

возможностей

среднего

программиста) |

100

до тысячи