Тема 3. Этапы создания программ

В последнее время резко возрос интерес к программированию. Это связано с развитием и внедрением в повседневную жизнь информационно-коммуникационных технологий. Если человек имеет дело с компьютером, то рано или поздно у него возникает желание, а иногда и необходимость программировать.

Программирование представляет собой сферу действий, направленную на создание программ. Программирование может рассматриваться как наука и как искусство.

Программы предназначены для машинной реализации задач. Программа – это последовательность команд компьютера, приводящая к решению задачи. Программа является результатом интеллектуального труда, для которого характерно творчество.

В настоящее время при создании программных продуктов возникает ряд проблем, основными из которых являются следующие:

1. Быстрая смена вычислительной техники и алгоритмических языков;

2. Нестыковка ЭВМ друг с другом (VAX и IBM);

3. Отсутствие полного взаимопонимания между заказчиком и исполнителем к разработанному программному продукту.

Рассмотрим общие моменты в технологии программирования. Конечно, при разработке небольших учебных программ не все элементы этой технологии следует отрабатывать (да это и не всегда возможно no-существу), однако само ее существование должно быть осознано.

Разработка любой программы или программной системы начинается с определения требований к ней для конкретного набора пользователей и заканчивается 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. Проектирование и разработку программ целесообразно разбить на ряд последовательных этапов:

1) постановка задачи;

2) проектирование программы;

3) построение модели;

4) разработка алгоритма;

5) написание программы;

6) отладка программы;

7) тестирование программы;

8) документирование.

Кратко остановимся на каждом из этих этапов.

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.

Таким образом, кратко можно сказать, что на этапе постановки задачи необходимо:

- описание исходных данных и результата;

- формализация задачи;

- описание поведения программы в особых случаях (если таковые есть).

В ходе этой работы выявляются свойства, которыми должна обладать система в конечном виде (замысел), описываются функции системы, характеристики интерфейса.

Проектирование программы. Сначала производится проектирование архитектуры программной системы. 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

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.

в) Проектирование с использованием потока данных.

Использует поток данных как генеральную линию проектирования
программы.

Содержит элементы структурного проектирования сверху-вниз с пошаговой детализацией.

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.

б) Методология Уорнера.

Подобна предыдущей, но процедура проектирования более детализирована.

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.

г) Объектно-ориентированная методология проектирования.

Основана на концепции упрятывания информации и абстрактных типов данных. Ключевое понятие – объект. Каждый объект содержит некоторую структуру данных с набором процедур, предназначенных для работы с этими данными. По этой методологии создаются абстракции по заданной проблемной области.

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).

При дедуктивном подходе (рис. 3.1) 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 ma = mg – F_сопр и в качестве допустимого приближения принять модель равноускоренного движения для малого промежутка времени.

Рис. 3.1. Схема построения модели при дедуктивном способе

Индуктивный способ (рис. 3.2) 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.

Рис. 3.2. Схема построения модели при индуктивном способе

Технология построения модели при индуктивном способе:

1) эмпирический этап

• умозаключение;

• интуиция;

• предположение;

• гипотеза.

2)постановка задачи для моделирования;

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.

При построении алгоритма для сложной задачи используют системный подход с использованием декомпозиции (нисходящее проектирование сверху-вниз) и синтеза (программирование снизу-вверх). Как и при разработке структуры любой сложной системы, при формировании алгоритма используют дедуктивный и индуктивный методы.

При дедуктивном подходе рассматривается частный случай общеизвестных алгоритмических моделей. Здесь при заданных предположениях известный алгоритм приспосабливается к условиям решаемой задачи. Например, многие вычислительные задачи линейной алгебры, в частности, нелинейные уравнения, системы алгебраических уравнений и т. п., могут быть решены с использованием известных методов и алгоритмов, для которых существует множество специальных библиотек подпрограмм, модулей. В настоящее время получили распространение специализированные пакеты, позволяющие решать многие задачи (Mathcad, Autocad и т. п.).

Индуктивный способ предполагает эвристический системный подход
(декомпозиция – анализ – синтез). В этом случае общих и наиболее удачных методов не существует. Возможны некоторые подходы, позволяющие в каждом конкретном случае находить и строить алгоритмы. Методы разработки алгоритмов можно разбить на методы частных целей, подъема, отрабатывания назад, ветвей и границ и т. п.

Одним из системных методов разработки алгоритмов является структурное программирование.

Структурное программирование основано на использовании блок-схем, формируемых с помощью управляющих структурных элементов.

Выделяют три базовых структурных элемента (управляющие структуры): композицию, альтернативу, итерацию.

Композиция – это линейная конструкция алгоритма, составленная из последовательно следующих друг за другом функциональных вершин:

begin S1; S2; end.

Альтернатива – это конструкция ветвления, имеющая предикатную вершину. Конструкция ветвления в алгоритмах может быть представлена в виде развилки:

if B then S1 else S2

и неполной развилки:

if B then S1.

Итерация – это циклическая конструкция алгоритма, которая, вообще говоря, является составной структурой, состоящей из композиции и альтернативы. Итерации могут быть представлены в двух формах: с предусловием:

while B do S1

и с постусловием:

repeat S1 until B.

Каждая из рассмотренных структур имеет один вход и один выход. Поэтому любая компьютерная программа может быть представлена блок-схемой, сформированной из представленных трех управляющих структур.

Процесс структурного программирования обычно начинается с разработки блок-схемы.

Идея структурного программирования сверху-вниз предполагает процесс пошагового разбиения алгоритма (блок-схемы) на все более мелкие части до уровня элементарных конструкций, для которых можно составить конкретные команды.

Для иллюстрации технологии структурного программирования сверху-вниз рассмотрим пример.

Пример. Технология разработки программы решения квадратного
уравнения.

На рис. 3.3 проиллюстрирована пошаговая детализация процесса построения алгоритма. Заметим, что для начального шага разработки программы имеем в качестве входных данных коэффициенты а, b, с квадратного уравнения ах² + bх + с = 0, а на выходе – значения двух корней х1, х2.

Зачастую используют альтернативный процедуре сверху-вниз метод структурного программирования снизу-вверх. По сути мы приходим к конечному результату системным методом. Сначала разбиваем задачу на отдельные блоки (модули) с их связями между собой (декомпозиция), затем, после их разработки, проводим сборку блоков в единую программу (синтез). Принцип снизу-вверх широко распространен среди программистов, которые предпочитают модульный подход, предполагающий максимальное использование стандартных и специализированных библиотек процедур, функций, модулей и объектов.

На этапе написания программы по разработанному алгоритму на выбранном языке программирования составляется программа.

Отладка программы – это процесс обнаружения и исправления ошибок. Программные ошибки можно разделить на два класса: синтаксические (синтаксис языка программирования) и алгоритмические (логические). Синтаксические ошибки выявляются в процессе компилирования программы – это наиболее простые с точки зрения исправления ошибки. Алгоритмические ошибки программы выявить гораздо труднее: программа работает, а результат выдает неправильный. Для обнаружения ошибок этого класса требуется этап тестирования программы.

Тестирование – это процесс исполнения программ с целью выявления
(обнаружения) ошибок.

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 значений 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, для чего она предназначена, но и не делает ли она то, что не должна делать.

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 предусматривают 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).

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).

Из всего выше сказанного следует, что тестирование заключается в составлении наборов тестов (входные данные – ожидаемый результат), которые бы охватывали все ветки прохождения алгоритма.

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

1. Перечислите этапы создания программ.

2. Что выполняется на этапе постановки задачи?

3. Что представляет собой декомпозиция?

4. Какие принципы используются на этапе построения модели?

5. На каких принципах основано структурное программирование?

6. Какие базовые структурные элементы выделяют в структурном программировании?

7. Какие две формы итерации (как элемент структурного программирования) вы знаете?

8. Что собой представляет идея структурного программирования сверху-вниз?

9. Что собой представляет идея структурного программирования снизу-вверх?

10. Что такое отладка программы?

11. Какие классы программных ошибок вы знаете и когда они выявляются?

12. Назначение тестирования программы?

13. Какие способы тестирования вы знаете?

14. Чем отличается стратегия «белого ящика» в тестировании от стратегии «черного ящика»?