ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММ
В предыдущем разделе, посвященномязыку Паскаль, приведено немало примеров программ. Однако, при анализе готовой программы чаще всего не ясно, как разработчики к ней пришли. В этом разделе рассказывается об общих моментах в технологии программирования. Конечно, при разработке небольших учебных программ не все элементы этой технологии следует отрабатывать (да это и не всегда возможно по-существу), однако само ее существование должно быть осознано.
Современный подход к проектированию программ основан на декомпозиции задачи, которая в свою очередь основана на использовании абстракций. Целью при декомпозиции является создание модулей, которые представляют собой небольшие, относительно самостоятельные программы, взаимодействующие друг с другом по хорошо определенным и простым правилам. Если эта цель достигнута, то разработка отдельных модулей может осуществляться различными людьми независимо друг от друга, при этом объединенная программа будет функционировать правильно.
Различают абстракцию через параметризацию и через спецификацию. Смысл абстракции через параметризацию в том, что одним алгоритмом можно решать задачи, отличающихся различными исходными данными, задаваемыми как параметры. Смысл абстракции через спецификацию в том, что разными алгоритмами можно получить один и тот же искомый результат. При этом описываются результаты работы программы, смысл обращения к программе становится ясным через анализ ее спецификации, а не самого текста программы.
Разработка любой программы или программной системы начинается с определения требований к ней для конкретного набора пользователей и заканчиваете," эксплуатацией системы этими пользователями.
Существуют различные подходы и технологии разработки алгоритмов и программ. Хотя программирование в значительной степени искусство, тем не менее. можно систематизировать и обобщить накопленный профессиональный опыт. По современным взглядам проектирование и разработку программ целесообразнс разбить на ряд последовательных этапов:
1)постановка задачи;
2) проектирование программы;
3) построение модели;
4) разработка алгоритма;
5) реализация алгоритма;
6) анализ алгоритма и его сложности;
7) тестирование программы;
8)документирование.
Кратко остановимся на каждом из этих этапов.
При постановке задачи для крупных компьютерных программ необходимо провести следующие работы:
• выработать требования (свойства, качества и возможности), необходимые для решения проблемы или достижения цели (как правило, эта деятельность носит экспертный характер);
• разработатьспецификации, включающие:
• цель программы;
• граничные условия;
• описание функций системы;
• спецификации входных и выходных данных;
• верификационные требования (установление тестовых случаев);
• тип и количество документов.
В ходе этой работы выявляются свойства, которыми должна обладать система в конечном виде (замысел), описываются функции системы, характеристики интерфейса.
Чтобы приступить к решению задачи необходимо точно ее сформулировать. В первую очередь, это означает определение исходных и выходных данных, т.е. ответы на вопросы: а) что дано; б) что нужно найти. Дальнейшая детализация постановки задачи представляет собой ответы на серию вопросов такого рода:
• как определить решение;
• каких данных не хватает и все ли они нужны;
• какие сделаны допущения и т.п.
Проектирование программы. Сначала производится проектирование архитектуры программной системы. Это предполагает первичную (общую) стадию проектирования и заканчивается декомпозицией спецификаций в структуру системы. Обычно на модульном уровне по каждому модулю разрабатывается спецификация модуля:
• имя/цель - даетсяимя модулю и предложение о функции модуля с формальными параметрами;
• неформальное описание - обзор действий модуля;
• ссылки - какие модули ссылаются на него и на какие модули ссылается данный модуль;
• вход/выход - формальные и фактические параметры, глобальные, локальные и связанные (общие для ряда модулей) переменные;
• примечания - полезные комментарии общего характера по модулю.
Следующим шагом является детальное проектирование. На этом этапе происходит процедурное описание программы, выбор и оценка алгоритма для реализации каждого модуля. Входной информацией для проектирования являются требования и спецификации системы.
Для проектирования программ существуют различные подходы и методы. Современный подход к проектированию основан на декомпозиции, которая, в свою очередь, основана на использовании абстракции. Целью при декомпозиции является создание модулей, которые взаимодействуют друг с другом по определенным и простым правилам. Декомпозиция используется для разбиения программы на компоненты, которые затем могут быть объединены.
Методы проектирования архитектуры делятся на две группы:
1) ориентированные на обработку и
2) ориентированные на данные.
Методы, ориентированные на обработку, включают следующие общие идеи.
а) Модульное программирование. Основные концепции:
• каждый модуль реализует единственную независимую функцию;
• имеет единственную точку входа/выхода;
• размер модуля минимизируется;
• каждый модуль разрабатывается независимо от других модулей;
• система в целом построена из модулей. Исходя из этих принципов каждый модуль тестируется отдельно, затем после кодирования и тестирования происходит их интеграция и тестируется вся система.
б) Функциональная декомпозиция.
Подобна стратегии «разделяй и управляй». Практически является декомпозицией в форме пошаговой детализации и концепции скрытия информации. Каждый модуль характеризуется субъективным решением проектировщика, связь осуществляется с помощью хорошо организованных интерфейсов.
в) Проектирование с использованием потока данных.
Использует поток данных как генеральную линию проектирования программы. Содержит элементы структурного проектирования сверху-вниз с пошаговой детализацией:
• экспертиза потоков данных и отображение графа потока данных;
• анализ входных, центральных и выходных преобразующих поток данных элементов;
• формирование иерархической структуры программы;
• детализация и оптимизация структуры программы.
г) Технология структурного анализа проекта.
Основана на структурном анализе с использованием специальных графических средств построения иерархических функциональных связей между объектами системы. Эффективна на ранних стадиях создания системы, когда диаграммы просты и читаемы.
Методы проектирования, основанные на использовании структур данных, описаны ниже.
а) Методология Джексона.
Здесь структура данных - ключевой элемент в построении проекта. Структура программы определяется структурой данных, подлежащих обработке. Программа представляется как механизм, с помощью которого входные данные преобразуются в выходные. В методе предусматривается:
• разработка и изображение структуры входных и выходных данных;
• изображение структуры программы путем соединения изображений этих структурных элементов:
• определение дискретных операций над структурами данных;
• построение алгоритмов обработки структур данных.
б) Методология Уорнера.
Подобна предыдущей, но процедура проектирования более детализирована. Используются следующие виды представления проекта:
• диаграммы организации данных (описывают входные и выходные данные);
• диаграммы логического следования (логический поток этих данных);
• список инструкций (команды, используемые в проекте);
• псевдокод (описание проекта);
• определение входных данных системы;
• организация входных данных в иерархическую структуру;
• детальное определение формата элементов входного файла;
• то же самое для выходных данных;
•спецификация программы: чтение, ветвление, вычисление, выходы, вызови подпрограмм;
• составление диаграммы (по типу блок-схем) указывающие логическую последовательность инструкций.
в) Метод иерархических диаграмм.
В этом методе определяется связь между входными, выходными данными и процессом обработки с помощью иерархической декомпозиции системы (без детализации). По сути используются три элемента: вход, обработка, выход.
Алгоритм проектирования по этому методу заключается в следующих шагах:
• начать с наивысшего уровня абстракции, определив вход, выход, обработку;
• соединить каждый элемент входа и выхода с соответствующей обработкой;
• документировать каждый элемент системы, используя диаграммы;
• детализировать диаграммы, используя шаги 1 - 3.
г) Объектно-ориентированная методология проектирования.
Основана на концепции упрятывания информации и абстрактных типов данных. Рассматриваются данные, модули и системы в качестве объектов. Каждый объект содержит некоторую структуру данных с набором процедур, знающих как работать с этими данными. По этой методологии создаются абстракции по заданной проблемной области:
· определение проблемы;
· развитие неформальной стратегии, удовлетворяющей требованиям к системе;
· формализация стратегии;
· создание объектов и их атрибутов;
· определение операций над объектами;
· установка интерфейсов;
· реализация операций.
Построение модели в большинстве случаев является непростой задачей. Чтобы приобрести опыт в моделировании, необходимо изучить как можно больше известных и удачных моделей.
При построении моделей,как правило, используют два принципа: дедуктивный (от общего к частному) и индуктивный (от частного к общему).
Рис. 3.3. Схема построения модели при дедуктивном способе
При дедуктивном подходе (рис.3.3) рассматривается частный случай общеизвестной фундаментальной модели. Здесь при заданных предположениях известная модель приспосабливается к условиям моделируемого объекта. Например, можно построить модель свободно падающего тела на основе известного закона Ньютона та = mg - Fcoпp и в качестве допустимого приближения принять модель равноускоренного движения для малого промежутка времени.
Рис. 3.4. Схема построения модели при индуктивном способе
Индуктивный способ (рис.3.4) предполагает выдвижение гипотез, декомпозицию сложного объекта, анализ, затем синтез. Здесь широко используется подобие, аналогичное моделирование, умозаключение с целью формирования каких-либо закономерностей в виде предположений о поведении системы.
Технология построения модели при индуктивном способе:
1) эмпирический этап
• умозаключение;
• интуиция;
• предположение;
• гипотеза.
2) постановка задачи длямоделирования;
3) оценки; количественное и качественное описание;
4) построение модели.
Разработка алгоритма - самый сложный и трудоемкий процесс,но и самый интересный в творческом отношении. Выбор метода разработки зависит от постановки задачи, ее модели. (О некоторых приемах и методах разработки алгоритмов говорилось ранее в гл. 1 и будет сказано в следующих разделах данной главы.) На этом этапе необходимо провести анализ правильности алгоритма, что очень непросто и трудоемко. Наиболее распространенная процедура доказательства правильности алгоритма - это прогон его на множестве различных тестов. Однако, это не гарантирует того. что не может существовать случая, в котором программа «не сработает». В общей методике доказательства правильности алгоритма предполагают, что алгоритм описан в виде последовательности шагов. Для каждого шага предлагается некое обоснование его правильности для всех подходящих входных (условиях до данного шага) и выходных данных (условиях после этого шага). Затем предлагается доказательство конечности алгоритма с окончательными исходными входными и выходными данными.
На этапе реализации алгоритма происходит конструирование и реализация алгоритма, включая:
• кодирование;
• интеграцию;
• тестирование (сертификацию).
По сути проводится перевод проекта в форму программы для конкретного компьютера, сборка системы и ее прогон при тестовых и нормальных условиях для подтверждения ее работы в соответствии со спецификациями системы. Этот этап зависит от того, какой язык программирования выбран, на каком компьютере алгоритм будет реализован. С этим связаны выбор типов данных, вводимых структур данных, связь с окружающей средой и т.п. Важно осознавать интерактивность, вид транслятора (компилятор или интерпретатор), наличие библиотек подпрограмм, модулей и объектов.
Анализ алгоритма и его сложности необходим для оценки ресурсов компьютеров, на которых он будет работать, времени обработки конкретных данных, приспособления в работе в локальных сетях и телекоммуникациях. Хотелось бы также иметь для данной задачи количественный критерий для сравнения нескольких алгоритмов с целью выбора более простого и эффективного среди них.
Перед началом эксплуатации программы необходим этап ее отладки и тестирования.
Тестирование - это процесс исполнения программ с целью выявления (обнаружения) ошибок. Тестирование - процесс деструктивный, поэтому считается, чти тест удачный, если обнаружена ошибка. Хорошим считается тест, который имеет большую вероятность обнаружения еще не выявленной ошибки. Удачным считается тест, который обнаруживает еще не выявленную ошибку.
Существуют различные способы тестирования программ.
Тестирование программы как «черного ящика» (стратегия «черного ящика» определяет тестирование с анализом входных данных и результатов работы программы). Критерием исчерпывающего входного тестирования является использование всех возможных наборов входных данных.
Тестирование программы как «белого ящика» заключается в стратегии управления логикой программы, позволяет использовать ее внутреннюю структуру. Критерием выступает исчерпывающее тестирование всех маршрутов и управляющих структур программы.
Разумная и реальная стратегия тестирования - сочетание моделей «черного» и «белого ящиков».
Принципы тестирования:
• описание предполагаемых значении выходных данных или результатов должно быть необходимой частью тестового набора;
• тесты для неправильных и непредусмотренных входных данных следует разрабатывать так же тщательно, как для правильных и предусмотренных;
• необходимо проверять не только делает ли программа то, длячего она предназначена, но и не делает ли она то, что не должна делать;
• нельзя планировать тестирование в предположении, что ошибки не будут обнаружены;
• вероятность наличия необнаруженных ошибок в части программы пропорциональна числу ошибок, уже обнаруженных в этой части;
• тестирование - процесс творческий.
При разработке программ очень полезным бывает метод «ручного тестирования» без компьютера на основе инспекции и сквозного просмотра (тестирование «всухую»).
Инспекция и сквозной просмотр - это набор процедур и приемов обнаружения ошибок при чтении текста.
Основные типы ошибок, встречающихся при программировании:
• обращения к переменным, значения которым не присвоены или не инициализированы;
• выход индексов за границы массивов;
• несоответствие типов или атрибутов переменных величин;
• явные или неявные проблемы адресации памяти;
• ошибочные передачи управления;
• логические ошибки.
При проектировании процедуры тестирования предусматривают серии тестов, имеющих наивысшую вероятность обнаружения большинства ошибок. Для целей исчерпывающего тестирования создают эквивалентные разбиения входных параметров. причем предусмативают два класса: правильные входные данные и неправильные (ошибочные входные значения). Для каждого класса эквивалентности строят свой тест. Классом эквивалентности тестов можно назвать такое множество тестов, что выполнение алгоритма на одном из них гарантирует аналогичный результат прогона для других.
Особое внимание необходимо уделять тестам на граничных условиях. Граничные условия - это ситуации, возникающие непосредственно на, выше или ниже границ входных и выходных классов эквивалентности (т.е. вблизи границ эквивалентных разбиений). В частности, примерами классов эквивалентных тестов для алгоритма решения квадратного уравнения могут служить следующие классы: множество действительных, отличных от нуля, чисел а, b, с, таких, что b∙b - 4 ∙ а ∙ с < 0; множество чисел а = 0, b и с не равны нулю; b = 0, а и с не равны нулю, и т.п.
Сам процесс тестирования может быть пошаговым и/или монолитным. В том и в другом случае используют стратегии нисходящего тестирования, - начиная с верхнего, головного модуля, и затем подключая последовательно другие модули (аппарат заглушек), и восходящего тестирования, начиная с тестирования отдельных модулей.
В процессе отладки программы используют метод грубой силы - использование выводов промежуточных данных по всей программе (трассировка) или использование автоматических средств. Например, в Турбо-Паскале имеется в наличии мощный аппарат автоматической отладки программ (режим DEBUG).
Есть золотое правило программистов - оформляй свои программы в том виде, в каком бы ты хотел видеть программы, написанные другими. К каждому конечному программному продукту необходимо документированное сопровождение в виде помощи (help), файлового текста (readme.txt).
Контрольные вопросы и задания
1. Каковы основные этапы проектирования и разработки программы?
2. Что означает хорошо сформулированная постановка задачи?
3. Назовите методологии проектирования и разработки программ.
4. Как выбрать модель задачи?
5. Что такое тестирование программы?
6. Постройте группу тестов для алгоритма решения системы линейных уравнений.
