Метод пошаговой детализации в программировании

Реферат по теме:

Метод пошаговой детализации в программировании


Принцип нисходящего проектирования алгоритмов и программ (метод проектирования сверху вниз)



Для создания “хороших” программ необходимо придерживаться определенных правил программирования. В связи с этим представляет интерес рассмотреть новый подход к разработке программ, получившей достаточно широкое распространение в последние годы - структурное программирование. 

Идеи структурного программирования были высказаны Э. Дейкстрой еще в 1965 г. Позже им были изложены основные положения структурного программирования в работе “Заметки по структурному программированию”. С тех пор термин “структурное программирование” широко используется, но в разных смыслах и без строгого определения. 

Структурное программирование - метод программирования, использование которого снижает вероятность ошибок в процессе составления программ, повышает их надежность, эффективность, упрощает понимание, обеспечивает создание программ, структура которых ясна и неразрывно связана со структурой решаемых задач. 

Целью структурного программирования является попытка упростить процесс написания правильных программ и обеспечить возможность чтения программы от начала до конца, следуя логике. 

Программы, написанные с использованием традиционных методов, обычно имеют хаотичную структуру, поэтому и чтение, и понимание их затруднено. Структурированные программы можно читать как обычный текст сверху вниз без перерыва, так как они имеют последовательную организацию, т.е. применение метода структурного программирования улучшает ясность и читабельность программ. 

Иначе его еще называют методом пошаговой детализации. 

Нисходящее проектирование программы, когда первоначально программа рассматривается, как совокупность действий, каждое из которых затем детализируется и представляется как последовательность более простых и конкретных действий и т.д. Вплоть до отдельных операторов языка; такой подход позволяет реализовать наличие двух видов подпрограмм в языке – процедур и функций. 

Первоначально продумывается общая структура алгоритма без детальной проработки отдельных его частей. Блоки требующие дальнейшей детализации, обозначаются пунктирной линией. Далее прорабатываются отдельные блоки, не детализированные на предыдущем шаге. 

Таким образом, на каждом шаге разработки уточняется реализация фрагмента алгоритма (или программы), т.е. решается более простая задача. Полностью закончив детализацию всех блоков, получаем решение задачи в целом. 

Если на каждом шаге детализации использовать принципы структурного программирования, то получается хорошая структурированная программа в целом. 

Процесс проектирования сверху вниз блок-схемы алгоритма показан на нижеприведенном примере.

Пример. Вычислить значения функции y=f(x) для x, изменяющегося от x 0 до x n с шагом h: 



, где 





x 0 = –5; x n = 10; h = 1; a = –1; b = 3.5.

Технология нисходящего проектирования с пошаговой детализацией является неотъемлемой частью создания хорошо структурированных программ. Разработка алгоритма методом пошаговой детализации заключается в следующем:

Любой алгоритм можно представить в виде одного предписания - в виде постановки задачи. Но если исполнитель не обучен исполнять заданное предписание, то возникает необходимость представить данное предписание в виде некоторой совокупности более простых предписаний. Если исполнитель не может выполнить и некоторые из них, то такие предписания вновь представляются в виде совокупности еще более простых предписаний. Объединяя так полученные предписания в единую совокупность выполняемых в определенном порядке предписаний получают выполнение исходного задания в целом.

Достоинства метода пошаговой детализации:

1. Сохраняется концептуальная целостность программы: от сложного к простому.

2. Проектирование программы, кодирование, проверку и документирование можно делать параллельно.

3. В каждый момент времени (даже в начале разработки) имеется работающий вариант программы.

4. Фразы естественного языка, будучи закомментированными, служат хорошим путеводителем по программе.

В процессе создания программы особое внимание нужно уделять разработке алгоритмов. Такой подход поможет избежать ошибок, допущенных при проектировании программного продукта. Наличие подобных ошибок потребует массу времени на исправление, возврат на предыдущие этапы разработки с целью их доработки.

При разработке алгоритмов обычно используют метод пошаговой детализации (поэтапно):

1. На первом этапе описываются решения поставленной перед программой задачи, выделяются подзадачи.

2. В последующих этапах описывается решение каждой подзадачи, выделяя при этом новые подзадачи. Так происходит до тех пор, пока решение подзадач не будет очевидным. Рекомендовано решение каждой задачи описывать при помощи 1 - 2 конструкций не более, чтобы более четко представлять структуру программы.

Например: Требуется разработать программу, которая с определенной точностью eps находит значение аргумента x по заданному значению функции y при известном значении n







Где: n>1, x>0

При n>1 функция является монотонно возрастающей, значение аргумента x можно определить с помощью метода половинного деления. В чем заключается это метод?

1. Находим отрезок [x1, x2], который удовлетворяет условию: f(x1)<=y<=f(x2).

2. Делим полученный отрезок пополам: xt=(x1+x2)/2 и определеяем в какой половине отрезка находится x. Для этого сравниваем два значения: f(x1) и y.

3. Полученный отрезок вновь делим пополам, процесс повторяется до тех пор, пока разность x1 и x2 не станет меньше заданного значения eps.

При разработке алгоритма данной программы используем метод пошаговой детализации.

1 этап. Общая структура программы:

Программа:

Ввести y, n, eps

Определить x

Вывести x, y

Конец.

2 этап. Детализируем операцию определения x:

Определить x

Определить x1 такое, что f(x1)<=y

Определить x2 такое, что f(x2)>=y

Определить x на интервале [x1, x2]

Все.

3 этап. Детализируем операцию определения x1. Значение x1 подбираем таким образом, чтобы выполнялось условие f(x1)<=y. Известно, что x>0, следовательно, берем любое значение x, например x1=1 и будем его пследовательно уменьшать, допустим в 2 раза. Таким образом определим значение x1, удовлетворяющее данному условию:

Определить x1:

x1:=1

цикл - пока f(x1)>y

x1:=x1/2

Все - цикл

Все

4 этап. Детализируем операцию определения x2. Значение x2 определяем аналогично x1, но исходное значение будем последовательно увеличивать в 2 раза.

Определить x2:

x2:=1

цикл - пока f(x2)< y

x2:=x2*2

Все - цикл

Все.

5 этап. Детализируем операцию определения x. Определение x выполняется последовательным сокращением отрезка [x1, x2].

Определить x:

цикл - пока x2-x1>eps

сократить отрезок [x1, x2]

все - цикл

Все.

6 этап. Детализируем операцию сокращения отрезка [x1, x2]. Интервал определения x сокращаем делением пополам и отбрасываем половину, которая не удовлетворяет условию f(x1)<=y<=f(x2):

Сократить интервал определения x:

xt=(x1+x2)/2

если f(xt)>y

то x2:=xt

иначе x1:=xt

все - если

Все.

Таким образом, за 6 этапов разработан следующий алгоритм:

Программа:

Ввести y, n, eps

x1:=1

цикл - пока f(x1)>y

x1:=x1/2

все - цикл

x2:=1

цикл - пока f(x2)< y

x2:=x2*2

все - цикл

цикл - пока x2-x1>eps

xt:=(x1+x2)/2

если f(xt)>y

то x2:=xt

иначе x1:=xt

все - если

все - цикл

Вывести xt, y

Конец.

Таким образом, на каждом этапе решается простая задача, что облегчает разработку алгоритма. Для решения данной задачи был использован псевдокод, но можно использовать и блок - схемы алгоритмов



Плюсы и минусы методик программирования



После того, как мы разобрались в сущности обеих методик, давайте рассмотрим, какие удобства мы получаем от их использования, и с какими проблемами сталкиваемся.



Программирование снизу вверх

Программирование сверху вниз

Преимущества

Можно объединить одновременно несколько подпрограмм или модулей, так как часто одна подпрограмма более высокого уровня в проекте заменяет сразу несколько драйверов.

Серьезные ошибки с большой вероятностью отыскиваются уже на ранних стадиях проекта.

Подпрограммы, разрабатываемые на ранней стадии работы над проектом, часто оказываются чрезвычайно полезными и в других случаях. Обычно такие низкоуровневые подпрограммы объединяют в собственные библиотеки.

На любом этапе мы можем работать всего с одной подпрограммой, а это позволяет легче отлаживать и изменять код.

Зависимость от машинных ресурсов в целом получается меньше, так как только на поздних этапах проекта мы работаем с большим объемом кода.

Проще придерживаться единых правил при создании различных версий программы. При этом создавать полезные частные подверсии также оказывается удобно.



Тестирование оказывается более систематичным.

Недостатки

Уже реализованные, отлаженные и протестированные модули иногда приходится отбрасывать, если в вызывающих частях программы обнаружились неустранимые ошибки, и необходимо переделывать целый блок.

Если оказывается, что модуль низкого уровня невозможно реализовать, как задумывалось, иногда приходится переделывать весь проект.



При отладке поглощается больше машинных ресурсов



Ни один практикующий программист, конечно, не будет жестко придерживаться одной из показанных методик. В настоящей работе мы всегда используем и те, и другие приемы.

Другие проблемы структурного программирования

Текст программы должен быть удобочитаем и понятен человеку. Существует несколько хитростей, которые помогают сделать код читабельным: 

Писать надо просто. Начинающие программисты частенько перетяжеляют код, используя "красивые" замысловатые конструкции. Однако, этим они получают сразу две головные боли: во-первых, такой код сложнее читать, а во-вторых, в мудреные участки легко внести ошибку. Конечно, в любом вопросе нужно придерживаться золотой середины. Алгоритм пузырьковой сортировки, скажем, запомнить легче всего, но на практике лучше использовать более эффективные методы.

Использовать синтаксические соглашения. Прежде всего, к ним относится система синтаксических отступов. Каждый следующий вложенный блок отодвигается относительно предыдущего на несколько позиций (обычно 2-3). В текстовом редакторе среды этот отступ удобно указать как ширину поля табуляции. 

Еще более неправы те, кто стремится "упаковать" максимум информации в одну строку. Другое соглашение относится к именам переменных и называется "венгерской нотацией". 

Вы улучшите читабельность, если будете следовать взаимному порядку операторов, описанному в исходной версии языка. Скажем, считается, что в Паскале блок описания констант const должен стоять перед блоком описания типов type. Среда программирования, скорее всего не посчитает ошибкой, если вы поменяете эти разделы местами, но из соображений читабельности лучше этого не делать.

Создавать "говорящие" идентификаторы. Если вы используете только однобуквенные переменные "a", "x", "n", как в простейших версиях Бейсика, или идентификаторы-аббревиатуры "nklm", "prs", как писали на старом Fortranе, ждите неприятностей. Вам придется по крайней мере тащить через весь проект длинные таблицы, объясняющие назначение параметров. Name всегда лучше х, а OldValue - понятнее a.

Не лениться вставлять комментарии. Особенно сложные алгоритмы, оригинальные приемы нужно комментировать как можно подробнее, иначе, вернувшись через пару месяцев к своему старому тексту, вы будете несколько часов заново проходить тот же путь. Удобно давать комментарий-спецификацию к подпрограмме сразу после или сразу до ее заголовка. 

Наконец, по возможности делать подпрограммы небольшими, оптимально - не более одной печатной страницы.

Необходимо снижать трудоемкость тестирования и отладки программы (Стоимость разработки - на 80% состоит из стоимости тестирования и отладки. Поэтому, к сожалению, именно на них и начинают экономить многие нынешние разработчики). Здесь существует только один путь: аккуратней составлять код и тщательнее планировать тестирование. В серьезных компаниях формируют отдельный отдел бета-тестирования, который занимается вылавливанием ошибок - как интерфейсных, так и внутренних.

Проблема верификации - автоматического доказательства правильности работы программы. Если программа отработала правильно на десяти тестах, это, в принципе, не значит, что на одиннадцатом она не "упадет". Но ведь нельзя проверить все возможные комбинации параметров, поэтому приходится где-то остановиться. С теоретической точки зрения вопрос о верификации чрезвычайно сложен. На практике обычно ограничиваются выбранным для данной задачи набором тестов.

Упрощение модификации программы. Любая полезная программа сейчас требует постоянного обновления, расширения функций, выпуска новых версий: на этом и живут серьезные софтверные корпорации. Лучше всего, если создавая первую версию, вы уже будете думать о следующей. Легкости изменений служат и отдельные приемы программирование: использование объектов (а сейчас компонентов), модульная структура, использование динамически подключаемых библиотек, заготовок под будущие функции и т.д.

Эффективность программы. Оптимально программа занимает минимум памяти и выполняется за минимум времени. В последнее время частенько эффективность программ подменяется "необходимыми системными требованиями" - пользователя вынуждают постоянно наращивать мощность оборудования. Но если у конкурента требования к системе окажутся ниже, а процессы станут выполняться быстрее, пользователь непременно отвернется от вашей программы.