Структурное и модульное программирование

Императивное программирование – это исторически первая методология программирования, которой пользовался каждый программист, программирующий на любом из «массовых» языков программирования – Бейсик, Паскаль, Си. Она ориентирована на классическую фон Неймановскую модель, остававшуюся долгое время единственной аппаратной архитектурой. Методология императивного программирования характеризуется принципом последовательного изменения состояния вычислителя пошаговым образом.

Императивное программирование наиболее пригодно для решения задач, в которых последовательное исполнение каких-либо команд является естественным. Примером здесь может служить управление современными аппаратными средствами. Поскольку практически все современные компьютеры императивны, эта методология позволяет порождать достаточно эффективный исполняемый код.

Однако с ростом сложности задач программы становятся все более объёмными и менее читаемыми. Поэтому программирование и отладка больших программ, написанных исключительно на основе методологии императивного программирования, может затянуться на долгие годы.

Структурное программирование, являясь развитием императивной методологии, зиждется на двух основных принципах: последовательная декомпозиция алгоритма решения задачи и использование структурного кодирования. Идея структурного программирования заключается в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из текста программы.

Последовательная декомпозиция алгоритма решения задачи представляет собой так называемое нисходящее проектирование («сверху вниз») и предполагает разложение общей функции обработки данных на более простые функциональные элементы, подзадачи, каждая из которых также разбивается на более детальные до тех пор, пока алгоритм решения всей задачи не будет реализован в терминах языка программирования.

Структурное кодирование заключается в использовании только трех основных управляющих алгоритмических конструкций, каждая из которых имеет по одному входу и выходу, и их суперпозиции. Оператор безусловного перехода (GOTO) в структурном программировании не используется, так как он порождает трудно отслеживаемые при отладке связи.

С целью уменьшения сложности разработки программного обеспечения в технологии структурного программирования вводится понятие подпрограммы (программы в программе) – набора операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей программы. Подпрограммы бывают двух видов – процедуры и функции. Процедура выполняет группу операторов (над некоторыми операндами), а функция, кроме того, возвращает (то есть передаёт обратно) в точку вызова вычисленное значение определённого типа.

Данные передаются подпрограмме в виде параметров или аргументов. Параметры, которые указываются в тексте заголовка, называются формальными. Они нужны только для формального описания тела подпрограммы. При выполнении программы, в момент вызова подпрограммы, подставляются конкретные значения (или ссылки на значения – переменные) – фактические параметры (см., в котором происходит слияние двух строк " qwe " и " asd "). Приведём код подпрограмм (модуль «Пример6_ПроцедураФункция»), вызов которых используется в этом примере:

Sub proc1()

Dim s$

'Вызов процедуры AcB с параметрами s, "qwe", "asd"

Call AсB(s, "qwe", "asd")

MsgBox s

End Sub

'Объявление процедуры AсB с параметрами c$, a$, b$

Sub AсB(c$, a$, b$)

c = a + b

End Sub

'Объявление функции AiB с параметрами a$, b$

Function AiB(a$, b$) As String

AiB = a + b

End Function

Sub proc2()

Dim s$

'Вызов функции AiB с параметрами "qwe", "asd"

s = AiB("qwe", "asd")

MsgBox s

End Sub

При выполнении первой подпрограммы (proc1) в этом примере происходит вызов процедуры (AcB). При выполнении второй подпрограммы (proc2) происходит вызов функции (AiB).На рисунке 12.1 представлено окно сообщения с результатом выполнения процедуры слияния двух строк " qwe " и " asd ". Точно так же будет выглядеть окно с результатом вызова функции.

Рис. 12.1. Окно сообщения с результатом выполнения примера 6

Необходимость разработки больших программных систем привела к появлению модульного программирования. Это такой способ программирования, при котором вся программа (точнее, проект) разбивается на составные части, называемые модулями, причем каждый из них имеет свой контролируемый размер, четкое назначение и детально проработанный интерфейс с внешней средой. Единственная альтернатива модульности – монолитная программа, конечно же, может быть удобна только при решении достаточно простых задач.

Концепция модульного программирования является основой всех современных подходов к проектированию и реализации программных систем. В то же время суть ее проста и отражает широко известные научные и технические методы, заключающиеся в поиске и реализации некоторого базового набора элементов, комбинации которых дают решение всех задач из определенного круга.

С применением модульного программирования появляются возможности коллективной разработки программ как набора «независимых» частей, последовательного уменьшения сложности методом разбиения сложной задачи на более простые подзадачи и, наконец, возможности повторного использования созданного ранее кода, в том числе применение восходящего («снизу вверх») проектирования.

Если концепция структурного программирования предлагает некоторый универсальный алгоритмический базис, то модульное программирование состоит в разработке под конкретную задачу или круг задач (предметную область) собственного базиса в виде набора модулей, позволяющего наиболее эффективно по целому ряду критериев построить программный комплекс. Модули, входящие в базис, это целые программы (в отличие от «макрооператоров» структурного программирования – подпрограмм), решающие некоторые подзадачи и часто оформляемые в виде отдельных файлов, причём так называемые модули расширения, могут быть написаны на совершенно другом языке.

5.3 Рекурсивные алгоритмы *

Рекурсия – это одна из фундаментальных концепций в математике и программировании. Это одна из форм мышления, это мощное средство, позволяющее строить элегантные и выразительные алгоритмы. Объект называется рекурсивным, если он содержит сам себя или определен с помощью самого себя.

Если процедура р содержит явное обращение к самой себе, то она называется явно рекурсивной. Если процедура р содержит обращение к некоторой процедуре q, которая в свою очередь содержит прямое или косвенное обращение к р, то р называется косвенно рекурсивной.

Рекурсивная программа не может вызывать себя бесконечно, иначе она никогда не остановится, таким образом в программе (функции) должен присутствовать еще один важный элемент – так называемое терминальное условие, то есть условие при котором программа прекращает рекурсивный процесс.

Рекуррентность – это рекурсивное определение функции. Классический пример такого рода функций – факториал. Напомним, факториал нуля равен 1, а факториал натурального числа N определяется как произведение натуральных чисел от единицы до N, что выражается рекуррентной формулой: N!=N (N-1)!, для N>=1 и 0! = 1. То есть для определения факториала одного числа требуется знать или вычислить факториал другого, уменьшенного на единицу. А это, в свою очередь, может потребовать определения факториала ещё меньшего числа. И так далее, до единицы. Этому напрямую соответствует нижеследующая рекурсивная функция:

Function factorial(N As Integer) As Long

If N=0 Then factorial=1 Else factorial=N*factorial(N-1)

End Function

Многие алгоритмы можно легко реализовать с помощью рекурсивных программ, и многие разработчики алгоритмов предпочитают выражать алгоритмы рекурсивно. Но делать это нужно крайне осторожно. Например, вызов factorial(-1) приведет к бесконечному рекурсивному циклу (аварийная остановка, конечно, будет, связанная с переполнением стека или выходом значения аргумента за пределы диапазона). Поэтому перед вызовом данной функции нужно делать проверку условия неотрицательности аргумента.

Стоит также отметить, что не все языки допускают использование рекурсий. В таких случаях можно обойтись использованием обычных циклов. Например, ту же функцию факториал реализовать без использования рекурсии:

Function factorial(N As Integer) As Long

factorial=1

For Счётчик= 1 To N

factorial=factorial* Счётчик

Next

End Function