Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Структурное программирование
Практика программирования показала необходимость научно обоснованной методологии разработки и документирования алгоритмов и программ. Эта методология должна касаться анализа исходной задачи, разделения ее на достаточно самостоятельные части и программирования этих частей по возможности независимо друг от друга. Такой методологией, зародившейся в начале 70-х годов и получившей в последнее время широкое распространение, является структурное программирование. По своей сути оно воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ.
На всех этапах подготовки к алгоритмизации задачи широко используется структурное представление алгоритма.
Cтруктурное программирование воплощает принципы системного подхода в процессе создания и эксплуатации программного обеспечения ЭВМ. В основу структурного программирования положены следующие достаточно простые положения:
Структурное программирование иногда называют еще "программированием без GO TO". Рекомендуется избегать употребления оператора перехода всюду, где это возможно, но чтобы это не приводило к слишком громоздким структурированным программам.
К полезным случаям использования оператора перехода можно отнести выход из цикла или процедуры по особому условию, "досрочно" прекращающего работу данного цикла или данной процедуры, т.е. завершающего работу некоторой структурной единицы (обобщенного оператора) и тем самым лишь локально нарушающего структурированность программы.
Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании. Эта теорема устанавливает, что, как бы сложна ни была задача, схема соответствующей программы всегда может быть представлена с использованием ограниченного числа элементарных управляющих структур. Базовыми элементарными структурами являются структуры: следование, ветвление и повторение (цикл), любой алгоритм может быть реализован в виде композиции этих трех конструкций.
Рис. 5
Первая (а) структура - тип последовательность (или просто последовательность), вторая (б) – структура выбора (ветвление), третья (в) – структура цикла с предусловием.
При словесной записи алгоритма указанные структуры имеют соответственно следующий смысл:
«выполнить ; выполнить »,
если , то выполнить , иначе выполнить »,
«до тех пор, пока , выполнять »,
где - условие; , , - действия.
Применительно к языку Паскаль, в котором наиболее полно нашли свое отражение идеи структурного программирования, целесообразно при проектировании алгоритмов дополнительно использовать еще четыре элементарные структуры: сокращенную запись разветвления (рис. 16, ); структуру варианта (рис. 16, ); структуру повторения или цикла с параметром (рис. 16, ); структуру цикла с постусловием (рис. 6, ). Каждая из этих структур имеет один вход и один выход.
Рис. 6
Ветвящимся (разветвляющимся) называется вычислительный процесс, в котором происходит выбор одного из возможных вариантов вычислений в зависимости от проверки заданных условий.
В зависимости от типа и числа проверяемых условий различают:
- ветвление с простым условием (условие - выражение отношения);
- ветвление с составным условием (условие - логическое выражение);
- сложное ветвление (несколько условий).
Вариант вычислений, определяемый в результате проверки условия, называется ветвью.
Циклическим называется процесс многократного повторения некоторого участка вычислений при изменении хотя бы одной из входящих в него величин.
Повторяющийся участок вычисления называется циклом. Операции, осуществляемые в цикле, составляют тело цикла.
Величина, изменяющая своё значение от цикла к циклу, называется параметром цикла.
Зависимость, связывающая текущее и предыдущее значения параметра цикла, определяет закон изменения параметра цикла. Зависимость, предписывающая повторение цикла, либо выход из него, называется условием повторения цикла.
Полный однократный проход цикла от начала до конца называется итерацией.
Все циклические процессы по признаку определения количества повторений (М) разделяются на два класса.
Арифметическим называется циклический процесс, число повторений в котором может быть определено заранее, т.е. не зависит от результатов счёта в теле цикла.
Итерационным является циклический процесс, число повторений в котором зависит от результатов вычислений в теле цикла и не может быть определено заранее.
Независимо от того, к какому классу относится вычислительный процесс, каждый из них содержит обязательные элементы:
По своему содержанию эти элементы зависят от класса и особенностей цикла, в котором используются.
В соответствии с видом задания (изменения) параметра цикла арифметические циклы подразделяются на:
Выполнение арифметических циклов, т.е. многократное вычисление значений функции при изменяющихся значениях аргумента, называется табуляцией функции.
Распространены две методики (стратегии) разработки программ, относящиеся к структурному программированию:
– программирование «сверху вниз»;
– программирование «снизу вверх».
Программирование «сверху вниз», или нисходящее программирование – это методика разработки программ, при которой разработка начинается с определения целей решения проблемы, после чего идет последовательная детализация, заканчивающаяся детальной программой.
Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предметном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а временно откладывать, пока не будут закончены другие части.
Программирование «снизу вверх», или восходящее программирование – это методика разработки программ, начинающаяся с разработки подпрограмм (процедур, функций), в то время когда проработка общей схемы не закончилась.
Такая методика является менее предпочтительной по сравнению с нисходящим программированием, так как часто приводит к нежелательным результатам, переделкам и увеличению времени разработки.
Подпрограммы бывают двух видов – процедуры и функции. Процедура просто выполняет группу операторов, а функция вдобавок вычисляет некоторое значение и передает его обратно в главную программу. Это значение имеет определенный тип. Данные передаются подпрограмме в виде параметров или аргументов, которые обычно описываются в ее заголовке так же, как переменные. Подпрограммы вызываются, как правило, путем простой записи их названия с нужными параметрами.
Подпрограммы могут быть вложенными – допускается вызов подпрограммы не только из главной программ, но и из любых других программ.
В некоторых языках программирования допускается вызов подпрограммы из себя самой. Такой прием называется рекурсией и опасен тем, что может привести к зацикливанию – бесконечному самовызову.
Достоинства структурного программирования:
– повышается надежность программ (благодаря хорошему структурированию при проектировании, программа легко поддается тестированию и не создает проблем при отладке);
– повышается эффективность программ (структурирование программы позволяет легко находить и корректировать ошибки, а отдельные подпрограммы можно переделывать (модифицировать) независимо от других);
– уменьшается время и стоимость программной разработки;
– улучшается читабельность программ.
Предпрограммная подготовка задачи
На ЭВМ могут решаться задачи различного характера, например: научно-инженерные; разработки системного программного обеспечения; обучения; управления производственными процессами и т. д. В процессе подготовки и решения на ЭВМ научно-инженерных задач можно выделить следующие этапы:
1. постановка задачи;
2. формирование математической модели задачи;
3. выбор и обоснование метода решения;
4. алгоритмизация вычислительного процесса;
5. программирование;
6. отладка и тестирование программы;
7. решение задачи на ЭВМ и анализ результатов;
8. сопровождение программы.
В задачах другого класса некоторые этапы могут отсутствовать, например, в задачах разработки системного программного обеспечения отсутствует математическое описание. Перечисленные этапы связаны друг с другом. Для уменьшения числа подобных изменений необходимо на каждом этапе по возможности учитывать требования, предъявляемые последующими этапами
Постановка задачи - этап словесной формулировки, определяющий цель решения, исходные данные, основные закономерности, условия и ограничения применения этих закономерностей. Анализируются характер и сущность всех величин, используемых в задаче, и определяются условия, при которых она решается.
Постановка задачи должна отвечать следующим требованиям:
- четкая формулировка цели с указанием вида и характеристик конечных результатов;
- представление значений и размерностей исходных данных;
- определение всех возможных вариантов решения, условий выбора каждого;
- обозначения границы применимости и действия в случае выхода за них.
Формирование математической модели задачи - этап перевода словесной постановки задачи в совокупность математических зависимостей, описывающих исходные данные и вычисления промежуточных и конечных результатов.
Математическая модель формируется с определенной точностью, допущениями и ограничениями. При этом в зависимости от специфики решаемой задачи могут быть использованы различные разделы математики и других дисциплин.
Математическая модель должна удовлетворять по крайней мере двум требованиям: реалистичности и реализуемости. Под реалистичностью понимается правильное отражение моделью наиболее существенных черт исследуемого явления. Реализуемость достигается разумной абстракцией, отвлечением от второстепенных деталей, чтобы свести задачу к проблеме с известным решением. Условием реализуемости является возможность практического выполнения необходимых вычислений за отведенное время при доступных затратах требуемых ресурсов.
Полученная математическая модель должна отвечать следующим требованиям:
- вначале составляется модель исходных данных, затем - расчетные зависимости;
- в модели исходных данных не изменяются размерности данных и не используются никакие математические операции;
- обозначение всех входящих в зависимости величин именами, определяющими их суть;
- указание размерностей всех используемых величин для контроля и дальнейшей модернизации решения;
Выбор и обоснование метода решения - этап разработки или выбора из уже имеющихся метода решения, в том числе выбор стандартных структур вычислительных процессов (линейной, ветвящейся, циклической). Критерии выбора определяются математической моделью решения (предыдущий этап), требованиями к универсальности метода и точности результата, ограничениями технического и программного обеспечении. При обосновании выбора метода необходимо учитывать различные факторы и условия, точность вычислений, время решения задачи на ЭВМ, требуемый объем памяти и другие. Здесь следует указать альтернативные методы и аргументы сделанного выбора.
Алгоритмизация вычислительного процесса - этап разработки совокупности предписаний, однозначно определяющих последовательность преобразования исходных данных в конечные результаты. На данном этапе составляется алгоритм решения задачи согласно действиям, задаваемым выбранным методом решения. Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, и устанавливается последовательность выполнения блоков. Разрабатывается блок-схема алгоритма.
Программирование. При составлении программы алгоритм решения задачи переводится на конкретный язык программирования. Для программирования обычно используются языки высокого уровня, поэтому составленная программа требует перевода ее на машинный язык ЭВМ. После такого перевода выполняется уже соответствующая машинная программа.
1. Программа должна быть универсальной, то есть не зависящей от конкретного набора данных. Например, если количество обрабатываемых данных может меняться, то следует предусмотреть хранение максимально возможного их количества. Универсальная программа должна уметь обрабатывать ошибки, которые могут возникнуть в процессе обработки информации.
2. Вместо констант1 лучше использовать переменные2. Если в программе используются константы, то при их изменении нужно изменять в исходной программе каждый оператор3, содержащий прежнюю константу. Эта процедура отнимает много времени и часто вызывает ошибки. В программе следует предусмотреть контроль вводимых данных (в частности, программа не должна выполняться, если данные выходят за пределы допустимого диапазона).
3. Некоторые простые приемы позволяют повысить эффективность программы (то есть уменьшить количество выполняемых операций и время работы программы). К таким приемам относится:
- использование операции умножения вместо возведения в степень;
- если некоторое арифметическое выражение встречается в вычислениях несколько раз, то его следует вычислить заранее и хранить в памяти ЭВМ, а по мере необходимости использовать;
- при организации циклов в качестве границ индексов4 использовать переменные, а не выражения, которые вычислялись бы при каждом прохождении цикла;
- особое внимание обратить на организацию циклов, убрав из них все повторяющиеся с одинаковыми данными вычисления и выполняя их до входа в цикл.
4. Программа должна содержать комментарии, позволяющие легко проследить за логической взаимосвязью и функциями отдельных ее частей.
При написании программы следует структурировать ее текст так, чтобы она хорошо читалась. В частности, в программе должно быть хорошо видно, где начинается и где заканчивается цикл.
Отладка программы – процесс выявления и исправления синтаксических и логических ошибок в программе. Суть отладки заключается в том, что выбирается некоторый набор исходных данных, называемый тестовым набором (тестом), и задача с этим набором решается дважды: один раз – исполнением программы, второй раз – каким-либо иным способом, исходя из условия задачи, так сказать, «вручную». При совпадении результатов алгоритм считается верным. В качестве тестового набора можно выбрать любые данные, которые позволяют:
- обеспечить проверку выполнения всех операций алгоритма;
- свести количество вычислений к минимуму.
В ходе синтаксического контроля программы транслятором выявляются конструкции и сочетания символов, недопустимые с точки зрения правил их построения или написания, принятых в данном языке. Сообщения об ошибках ЭВМ выдает программисту, при этом вид и форма выдачи подобных сообщений зависят от вида языка и версии используемого транслятора.
После устранения синтаксических ошибок проверяется логика работы программы в процессе ее выполнения с конкретными исходными данными. Для этого используются специальные методы, например, в программе выбираются контрольные точки, для которых вручную рассчитываются промежуточные результаты. Эти результаты сверяются со значениями, получаемыми ЭВМ в данных точках при выполнении отлаживаемой программы. Кроме того, для поиска ошибок могут быть использованы отладчики, выполняющие специальные действия на этапе отладки, например, удаление, замена или вставка отдельных операторов или целых фрагментов программы, вывод или изменение значений заданных переменных.
Тестирование - это испытание, проверка правильности работы программы в целом, либо её составных частей.
Отладка и тестирование (англ. test - испытание) - это два четко различимых и непохожих друг на друга этапа:
- при отладке происходит локализация и устранение синтаксических ошибок и явных ошибок кодирования;
- в процессе же тестирования проверяется работоспособность программы, не содержащей явных ошибок.
Тестирование устанавливает факт наличия ошибок, а отладка выясняет ее причину. В современных программных системах (Turbo Basic, Turbo Pascal, Turbo C и др.) отладка осуществляется часто с использованием специальных программных средств, называемых отладчиками. Эти средства позволяют исследовать внутреннее поведение программы.
Программа-отладчик обычно обеспечивает следующие возможности:
- пошаговое исполнение программы с остановкой после каждой команды (оператора);
- просмотр текущего значения любой переменной или нахождение значения любого выражения, в том числе, с использованием стандартных функций; при необходимости можно установить новое значение переменной;
- установку в программе "контрольных точек", т.е. точек, в которых программа временно прекращает свое выполнение, так что можно оценить промежуточные результаты, и др.
При отладке программ важно помнить следующее:
- в начале процесса отладки надо использовать простые тестовые данные;
- возникающие затруднения следует четко разделять и устранять строго поочередно;
- не нужно считать причиной ошибок машину, так как современные машины и трансляторы обладают чрезвычайно высокой надежностью.
Как бы ни была тщательно отлажена программа, решающим этапом, устанавливающим ее пригодность для работы, является контроль программы по результатам ее выполнения на системе тестов.
Программу условно можно считать правильной, если её запуск для выбранной системы тестовых исходных данных во всех случаях дает правильные результаты.
Для реализации метода тестов должны быть изготовлены или заранее известны эталонные результаты. Вычислять эталонные результаты нужно обязательно до, а не после получения машинных результатов. В противном случае имеется опасность невольной подгонки вычисляемых значений под желаемые, полученные ранее на машине.
Тестовые данные должны обеспечить проверку всех возможных условий возникновения ошибок:
- должна быть испытана каждая ветвь алгоритма;
- очередной тестовый прогон должен контролировать то, что еще не было проверено на предыдущих прогонах;
- первый тест должен быть максимально прост, чтобы проверить, работает ли программа вообще;
- арифметические операции в тестах должны предельно упрощаться для уменьшения объема вычислений;
- количества элементов последовательностей, точность для итерационных вычислений, количество проходов цикла в тестовых примерах должны задаваться из соображений сокращения объема вычислений;
- минимизация вычислений не должна снижать надежности контроля;
- тестирование должно быть целенаправленным и систематизированным, так как случайный выбор исходных данных привел бы к трудностям в определении ручным способом ожидаемых результатов; кроме того, при случайном выборе тестовых данных могут оказаться непроверенными многие ситуации;
- усложнение тестовых данных должно происходить постепенно.
Процесс тестирования можно разделить на три этапа.
1. Проверка в нормальных условиях. Предполагает тестирование на основе данных, которые характерны для реальных условий функционирования программы.
2. Проверка в экстремальных условиях. Тестовые данные включают граничные значения области изменения входных переменных, которые должны восприниматься программой как правильные данные. Типичными примерами таких значений являются очень маленькие или очень большие числа и отсутствие данных. Еще один тип экстремальных условий - это граничные объемы данных, когда массивы состоят из слишком малого или слишком большого числа элементов.
3. Проверка в исключительных ситуациях. Проводится с использованием данных, значения которых лежат за пределами допустимой области изменений. Известно, что все программы разрабатываются в расчете на обработку какого-то ограниченного набора данных. Поэтому важно получить ответ на следующие вопросы:
Что произойдет, если программе, не рассчитанной на обработку отрицательных и нулевых значений переменных, в результате какой-либо ошибки придется иметь дело как раз с такими данными?
Как будет вести себя программа, работающая с массивами, если количество их элементов превысит величину, указанную в объявлении массива?
Что произойдет, если числа будут слишком малыми или слишком большими?
Наихудшая ситуация складывается тогда, когда программа воспринимает неверные данные как правильные и выдает неверный, но правдоподобный результат.
Программа должна сама отвергать любые данные, которые она не в состоянии обрабатывать правильно.
Решение задачи на ЭВМ и анализ результатов. После отладки программы ее можно использовать для решения прикладной задачи. При этом обычно выполняется многократное решение задачи на ЭВМ для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты интерпретируются и анализируются специалистом или пользователем, поставившим задачу.
Сопровождение программы:
Разработанная программа длительного использования устанавливается на ЭВМ, как правило, в виде готовой к выполнению машинной программы. К программе прилагается документация, включая инструкцию для пользователя. Так как при установке программы на диск для ее последующего использования помимо файлов с исполняемым кодом устанавливаются различные вспомогательные программы (утилиты, справочники, настройщики и т. д.), а также необходимые для работы программ разного рода файлы с текстовой, графической, звуковой и другой информацией.
А также:
- доработка программы для решения конкретных задач;
- составление документации к решенной задаче, математической модели, алгоритму, программе по их использованию.
1Конста́нта в программировании — способ адресования данных, изменение которых рассматриваемой программой не предполагается или запрещается.
2 Переме́нная в императивном программировании — поименованная, либо адресуемая иным способом область памяти, адрес которой можно использовать для осуществления доступа к данным. Данные, находящиеся в переменной (то есть по данному адресу памяти), называются значением этой переменной.
В других парадигмах программирования, например, в функциональной и логической, понятие переменной оказывается несколько иным. В таких языках переменная определяется как имя, с которым может быть связано значение, или даже как место (location) для хранения значения.
3 Инструкция или оператор (англ. statement) — наименьшая автономная часть языка программирования; команда. Программа обычно представляет собой последовательность инструкций.
Многие языки (например, Си) различают инструкцию и определение. Различие в том, что инструкция исполняет код, а определение создаёт идентификатор (то есть можно рассматривать определение как инструкцию присваивания).
Ниже приведены основные общие инструкции императивных языков программирования.
4 Индекс в языках программирования — элемент перечислимого множества, который указывает на конкретный элемент массива, обычно является неотрицательным скалярным целым числом.
Есть три способа, как элементы массива могут быть проиндексированы целыми неотрицательными числами[1]:
0 («индекс с началом с нуля»)
первый элемент массива имеет индекс 0;
1 («индекс с началом с единицы»)
первый элемент массива имеет индекс 1;
n («индекс началом с n»)
базисный индекс массива может быть свободно выбран. Обычно языки программирования, позволяющие «индекс началом с n», разрешают также в качестве индекса массива выбирать отрицательные значения, а также и другие скалярные типы данных, как перечисления или символы.
Массив может иметь несколько измерений, таким образом обычная практика обращаться к массиву, используя несколько индексов. Например к двумерному массиву с тремя строками и четырьмя столбцами можно было бы обратиться к элементу в 2-ом ряду и 4-ой столбце с помощью выражения: [1,3] (в языке в котором приоритет у строки) и [3,1] (в языке в котором приоритет у столбца) в случае индексом с началом с нуля. Таким образом два индекса используются для двумерных массивов, три — для трехмерного массива, и n — для n-мерного массива.