Автор: Пользователь скрыл имя, 25 Февраля 2013 в 03:35, курсовая работа
Машинно-ориентированное программирование появилось одновременно с созданием электронных вычислительных машин. Сначала это были программы в машинных кодах, затем появился язык программирования Assembler (Автокод), который немного «очеловечил» написание программы в машинном коде. Этот стиль программирования предполагает доскональное знание возможностей конкретной архитектуры ЭВМ и операционной системы и используется до сих пор тогда, когда другие стили бессильны, или нужно получить максимальное быстродействие в рамках той или иной операционной системы с использованием архитектуры данной ЭВМ.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СТАВРОПОЛЬСКИЙ
КАФЕДРА ПРИКЛАДНОЙ МАТЕМАТИКИ И ИНФОРМАТИКИ
Курсовая работа:
Модульное программирование
Выполнил: студент 3-го курса
специальности «Прикладная математика и информатика»
группы «Б» Арустамов В.Н.
Проверил:
к.ф-м.н. Ионисян А.С.
Ставрополь 2005
В основе того или иного языка программирования лежит некая руководящая идея, вызванная потребностями или, чаще всего, кризисом в области программирования и создания программного обеспечения, которая оказывает существенное влияние на стиль программирования и помогает преодолеть указанный кризис [9]. Рассмотрим вкратце историю появления и развития основных стилей программирования и процедурных алгоритмических языков.
Машинно-ориентированное программирование появилось одновременно с созданием электронных вычислительных машин. Сначала это были программы в машинных кодах, затем появился язык программирования Assembler (Автокод), который немного «очеловечил» написание программы в машинном коде. Этот стиль программирования предполагает доскональное знание возможностей конкретной архитектуры ЭВМ и операционной системы и используется до сих пор тогда, когда другие стили бессильны, или нужно получить максимальное быстродействие в рамках той или иной операционной системы с использованием архитектуры данной ЭВМ.
Процедурное программирование. Основная идея этого стиля – алгоритмизация процесса решения задачи и выбор наилучшего алгоритма (по расходу памяти или по быстродействию). Реализация этой идеи началась с 1957 года с появлением алгоритмических языков Fortran и затем Algol-60, когда все большее и большие число специалистов занялось решением достаточно сложных инженерных и научных задач. И нужен был стиль программирования максимально близкий к человеческому (математическому) стилю. При этом знание тонкостей архитектуры ЭВМ не требовалось. Программа на алгоритмическом языке (при наличии соответствующих трансляторов) должна была в идеале работать на ЭВМ любой архитектуры. Но это были программы прикладные. Разработку же системных программ (самих трансляторов, систем ввода-вывода) по-прежнему надо было делать на Ассемблере.
Структурное программирование. Здесь основная идея прекрасно выражена Н. Виртом в его книге "Алгоритмы + структуры данных = программы". Это был ответ на кризис в области программирования, начавшийся в середине 60-х годив, когда объем исходного программного кода перешел рубеж в 1000 строк. В 1971 году появился алгоритмический язык Pascal и немного позже, в 1972 году, язык С. Алгоритмические языки стали более мощными, более "интеллектуальными", на них уже можно было писать элементы трансляторов (компиляторов) и драйверов (подпрограмм обработки ввода-вывода). Компиляторы с языков С и Fortran выдают, например, по требованию программиста и листинг программы на Ассемблере. Знающий Ассемблер программист может его проанализировать, что-то подправить и перекомпилировать, но уже на Ассемблере. В этом случае можно достаточно быстро и эффективно получать системные программы.
Модульное программирование. Здесь основная идея заключалась в том, чтобы "спрятать" данные и процедуры внутри независимых программных единиц - модулей. Эту идею впервые реализовал Н. Вирт в алгоритмическом языке Modula (1975-1979 годы), а затем "подхватили" и остальные, распространенные в то время языки программирования. Например, известные системы программирования Turbo Pascal и Turbo С.
На этом можно было бы остановиться, т.к. я дошел темы моей работы, но я не могу обойти без внимания дальнейшее развитие технологий программирования, поэтому продолжу хронологию развития программирования.
Объектно-ориентированное программирование. С середины 80-х годов объем исходного программного кода перешел рубеж в 100 000 строк. Нужно было сделать не случайное объединение данных и алгоритмов их обработки в единое целое, а - смысловое. То есть необходимо было создать модульное программирование нового уровня, когда основной акцент делается на смысловую связь структур данных и алгоритмов их обработки. Сейчас практически все основные языки программирования (их более 100, в том числе такие распространенные, как Object Pascal, C++, Smalltalk) базируются на этой идее, а предком их является язык Simula, созданный еще в 1960 году.
Обобщенные технологии разработки приложений. Идеология объектно-ориентированного программирования породила CASE-технологии разработки и сборки программ на основе уже известных программных моделей, содержащих интерфейсы и прототипы (шаблоны — template) данных: COM (Component Object Model), STL (Standard Template Library), ATL (Active Template Library). Все эти новшества поддерживают визуальные среды разработки, например, такие известные, как Visual C++, Borland C++ Builder, Borland Delphi.
Теперь подробно рассмотрим технологию модульного программирования.
Приступая к разработке каждой программы, следует иметь в виду, что она, как правило, является большой системой, поэтому надо принять меры для ее упрощения. Для этого такую программу разрабатывают по частям, которые называются программными модулями [1, 2]. А сам такой метод разработки программ называют модульным программированием [3]. Программный модуль - это любой фрагмент описания процесса, оформляемый как самостоятельный программный продукт, пригодный для использования в описаниях процесса. Это означает, что каждый программный модуль программируется, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы, и тем самым, физически разделен с другими модулями программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программ, если выполнены условия его использования, декларированные в документации по этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство борьбы со сложностью программ, и как средство борьбы с дублированием в программировании (т.е. как средство накопления и многократного использования программистских знаний).
Модульное программирование является воплощением в процессе разработки программ обоих общих методов борьбы со сложностью: и обеспечение независимости компонент системы и использование иерархических структур. Для воплощения первого метода формулируются определенные требования, которым должен удовлетворять программный модуль, т.е. выявляются основные характеристики «хорошего» программного модуля. Для воплощения второго метода используют древовидные модульные структуры программ (включая деревья со сросшимися ветвями).
Не всякий программный модуль способствует упрощению программы [2]. Выделить хороший с этой точки зрения модуль является серьезной творческой задачей. Для оценки приемлемости выделенного модуля используются некоторые критерии. Так, Хольт [4] предложил следующие два общих таких критерия:
Майерс [5] предлагает для оценки приемлемости программного модуля использовать более конструктивные его характеристики:
Размер модуля измеряется числом содержащихся в нем операторов или строк. Модуль не должен быть слишком маленьким или слишком большим. Маленькие модули приводят к громоздкой модульной структуре программы и могут не окупать накладных расходов, связанных с их оформлением. Большие модули неудобны для изучения и изменений, они могут существенно увеличить суммарное время повторных трансляций программы при отладке программы. Обычно рекомендуются программные модули размером от нескольких десятков до нескольких сотен операторов.
Прочность модуля - это мера его внутренних связей. Чем выше прочность модуля, тем больше связей он может спрятать от внешней по отношению к нему части программы и, следовательно, тем больший вклад в упрощение программы он может внести. Для оценки степени прочности модуля Майерс [5] предлагает упорядоченный по степени прочности набор из семи классов модулей. Самой слабой степенью прочности обладает модуль, прочный по совпадению. Это такой модуль, между элементами которого нет осмысленных связей. Такой модуль может быть выделен, например, при обнаружении в разных местах программы повторения одной и той же последовательности операторов, которая и оформляется в отдельный модуль. Необходимость изменения этой последовательности в одном из контекстов может привести к изменению этого модуля, что может сделать его использование в других контекстах ошибочным. Такой класс программных модулей не рекомендуется для использования. Вообще говоря, предложенная Майерсом упорядоченность по степени прочности классов модулей не бесспорна. Однако, это не очень существенно, так как только два высших по прочности класса модулей рекомендуются для использования. Эти классы я рассмотрю подробнее.
Функционально прочный модуль - это модуль, выполняющий (реализующий) одну какую-либо определенную функцию. При реализации этой функции такой модуль может использовать и другие модули. Такой класс программных модулей рекомендуется для использования.
Информационно прочный модуль - это модуль, выполняющий (реализующий) несколько операций (функций) над одной и той же структурой данных (информационным объектом), которая считается неизвестной вне этого модуля. Для каждой из этих операций в таком модуле имеется свой вход со своей формой обращения к нему. Такой класс следует рассматривать как класс программных модулей с высшей степенью прочности. Информационно прочный модуль может реализовывать, например, абстрактный тип данных.
В модульных языках программирования
как минимум имеются средства
для задания функционально
Сцепление модуля - это мера его зависимости по данным от других модулей. Характеризуется способом передачи данных. Чем слабее сцепление модуля с другими модулями, тем сильнее его независимость от других модулей. Для оценки степени сцепления Майерс предлагает [5] упорядоченный набор из шести видов сцепления модулей. Худшим видом сцепления модулей является сцепление по содержимому. Таким является сцепление двух модулей, когда один из них имеет прямые ссылки на содержимое другого модуля (например, на константу, содержащуюся в другом модуле). Такое сцепление модулей недопустимо. Не рекомендуется использовать также сцепление по общей области - это такое сцепление модулей, когда несколько модулей используют одну и ту же область памяти. Такой вид сцепления модулей реализуется, например, при программировании на языке ФОРТРАН с использованием блоков COMMON. Единственным видом сцепления модулей, который рекомендуется для использования современной технологией программирования, является параметрическое сцепление (сцепление по данным по Майерсу [5]) - это случай, когда данные передаются модулю либо при обращении к нему как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Такой вид сцепления модулей реализуется на языках программирования при использовании обращений к процедурам (функциям).
Рутинность модуля - это его независимость от предыстории обращений к нему. Модуль называется рутинным, если результат (эффект) обращения к нему зависит только от значений его параметров (и не зависит от предыстории обращений к нему). Модуль называется зависящим от предыстории, если результат (эффект) обращения к нему зависит от внутреннего состояния этого модуля, изменяемого в результате предыдущих обращений к нему. Майерс [5] не рекомендует использовать зависящие от предыстории (непредсказуемые) модули, так как они провоцируют появление в программах хитрых (неуловимых) ошибок. Однако такая рекомендация является неконструктивной, так как во многих случаях именно зависящий от предыстории модуль является лучшей реализаций информационно прочного модуля. Поэтому более приемлема следующая (более осторожная) рекомендация:
В связи с последней рекомендацией может быть полезным определение внешнего представления (ориентированного на информирование человека) состояний зависящего от предыстории модуля. В этом случае эффект выполнения каждой функции (операции), реализуемой этим модулем, следует описывать в терминах этого внешнего представления, что существенно упростит прогнозирование поведения данного модуля.
Модульное проектирование относится к процессу расчленения больших проблем на более узкие, более управляемые подпроблемы. Первым шагом проектирования является решение, в каком месте должна быть граница между этими подпроблемами.
Для получения максимальных преимуществ от использования модульного программирования каждая подпроблема или модуль должны иметь один вход и один выход. В этом случае можно легко отслеживать поток управления в программе. В любом месте модуля должна иметься возможность увидеть точку входа в модуль и определить точное значение переменных и регистров в этой точке, а затем проследить функционирование модуля без тревоги об искажении программы. Один вход обеспечивает возврат потока управления в точку вызова. По этой причине, модульные программы почти всегда выполняются как структуры «CALL - RET».
Использование нескольких предложений RET в модуле не должно нарушать правило одного входа, поскольку все инструкции RET возвращают управление в одну и туже точку. Точно также, переход к общему RET в конце модуля, не изменяет его структуру, а добавляет лишь коды и увеличивает его сложность. С другой стороны, вход или выход из модуля не по этому правилу перечеркивает наибольшие преимущества модульного программирования: ясность и удобство сопровождения.
Имеется исключение из правила входа в модуль. Это происходит при использовании таблицы переходов для реализации потока управления внутри программы. Таблица перехода используется путем «проталкивания» адреса возврата в стек, вычисления индекса требуемого адреса перехода в таблице и выполнения перехода в памяти.