Реферат "Структурное программирование"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. Е. ЕВСЕВЬЕВА»

Факультет физико–математический

Кафедра математики и методики обучения математике

РЕФЕПАТ

СТРУКТУРНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ

Автор работы: _________________________________________ О.С. Орлова

Направление: 44.03.05 Педагогическое образование (с двумя профилями подготовки)

Профиль Информатика. Математика

Руководитель работы

канд. пед. наук, доцент _______________________________ Т.В. Кормилицна

Оценка ___________

Саранск 2022

Содержание

Введение 3

1. Понятие структурного программирования 4

2. История структурного программирования и проектирования программы 5

3. Основы структурного программирования 7

4. Принципы структурного программирования 10

5. Методика разработки программ 12

Заключение 14

Список литературы 15

Введение

Структурное программирование является первым направлением, которое оформилось в виде парадигмы. Предпосылкой этого был тот факт, что Э. Дейкстра выявил обратную зависимость между числом неограниченных операторов перехода go to и качеством программы. Качество программы в данном случае определялось двумя показателями – скоростью отладки и степенью надежности. Так появилась парадигма структурного программирования, которое многие имеют просто как «программирование без go to».

В основе данной технологии лежит простой факт, гласящий о том, что любая структура управления может быть функционально эквивалентно выражена суперпозицией последовательного выполнения, ветвления по условию и цикла с предусловием.

Подобный стиль программирования предполагает проведение тестовых испытаний всех завершенных модулей в случае добавления или редактирования любого модуля. Это требует дополнительных трудозатрат, однако оказывает чрезвычайно благотворное психологическое воздействие на разработчика, и еще более благотворное воздействие такой стиль программирования оказывает на заказчика.

Важно отметить, что свойство структурности программы не предопределяется системой программирования – оно вносится самим программистом. Любая программа в любой системе программирования может быть написано структурно, а может и не структурно (например, с использованием оператора безусловного перехода go to).

1. Понятие структурного программирования

Структурное программирование — это определенные общие принципы и правила проектирования, разработки и оформления программ с целью облегчения процессов их создания и тестирования, повышения производительности труда программистов и улучшения читабельности результирующей программы. Структура программы и алгоритм решения задачи должны быть легкими для понимания, простыми для доказательства правильности и удобными для модификации. По своей сути структурный подход есть отказ от беспорядочного стиля в алгоритмизации и программировании (в частности, отказ от оператора goto) и определение ограниченного числа стандартных приемов построения легко читаемых алгоритмов и программ с ясно выраженной структурой, что особенно важно при разработке больших программных систем.

Опыт применения методов структурного программирования при разработке, например, ряда сложных операционных систем показывает, что правильность логической структуры системы в этом случае легко поддается доказательству, а сама система допускает достаточно полное тестирование. Уменьшение трудностей отладки и тестирования программ приводит к увеличению производительности труда программистов, поскольку на тестирование программы тратится от трети до половины времени ее разработки. Производительность труда программиста обычно измеряется числом отлаженных операторов, которые он может написать за день. Приближенные оценки показывают, что применение методов структурного программирования позволяет увеличить это число в 5—6 раз. Также нужно сказать, что структурное программирование предполагает определенную организацию самого процесса программирования и определенную технологию проектирования программ, что также положительно влияет на производительность труда программистов.

1. История структурного программирования и проектирования программ

Методология структурного программирования и проектирования программ появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственного усложнения программного обеспечения. В 70-е годы XX века объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что надежность, качество неструктурированной разработки программ, которая была нормой в более раннее время, перестала удовлетворять потребностям практики. Программы становились слишком сложными и содержащими большое число ошибок, чтобы их можно было читать, понимать, исправлять и сопровождать, поэтому потребовалась систематизация процесса разработки структуры сложных программ. Наиболее сильной критике со стороны разработчиков структурного подхода к программирования подвергся оператор GOTO (оператор безусловного перехода), имевшийся тогда почти во всех языках программирования. Неправильное и необдуманное использование произвольных переходов в тексте программы приводит к получению запутанных, плохо структурированных программ (т.н. спагетти-кода), которые сложно читать, исправлять и практически невозможно понять порядок исполнения. взаимозависимость фрагментов и конечных результатов работы программ. Следование принципам структурного программирования и проектирования сделало тексты программ, даже довольно крупных, нормально читаемыми и легко сопровождаемыми. Серьёзно облегчилось понимание программ и исправление ошибок, появилась возможность разработки программ в нормальном промышленном режиме, когда программу может без особых затруднений понять не только её автор, но и другие программисты. Это позволило разрабатывать достаточно крупные для того времени программные комплексы силами коллективов разработчиков, и сопровождать эти комплексы в течение многих лет, даже в условиях неизбежных изменений в составе персонала. Методология структурного проектирования и разработки программного обеспечения была признана «самой сильной формализацией 70-х годов». Одним из наиболее успешных проектов применения методов структурного проектирования был проект разработки бортового программного обеспечения для космического корабля Буран, для автоматического управления которым впервые использовался бортовой компьютер. Для документирования программ в проекте "Буран" было предложено использовать структурированный псевдокод В.А.Каймина с записью алгоритмов на русском языке, которые легко читать, понять, исправлять, инспектировать и сопровождать инженерам, техникам и руководителям проектов. Те же самые принципы описания программ были внесены в школьные учебники В.А.каймина и А.П.Ершова для обучения основам алгоритмизации и программирования учащихся и преподавателей средних школ. После этого слово «структурный» стало модным в отрасли, и структурное программирование начали начали включать в учебники и учебную литературу по информатике и программированию. (В.А.Каймин. Структурные методы разработки программ на языках высокого уровня. М.МИЭМ, 1985) Появились работы по «структурному проектированию», «структурному тестированию», «структурному дизайну» и так далее. В общем, произошло примерно то же самое, что происходило в 90-х годах и происходит в настоящее время с терминами «объектный», «объектно-ориентированный» и «электронный».

1. Основы структурного программирования

Теоретическим фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании, из которой следует, что алгоритм (программа) решения любой практически вычислимой задачи может быть представлен с использованием трех элементарных базисных управляющих структур: структуры следования (последовательности); структуры ветвления, структуры цикла, изображенных на рис. 6.5—6.7 соответственно, где Р — условие, S — оператор.

Структура следования представляет собой естественный ход выполнения алгоритма — любую последовательность операторов, выполняющихся друг за другом (см. рис. 1). В языке программирования это соответствует последовательности операторов ввода, вывода и операторов присваивания.

Структура ветвления представляет фактор принятия решения, включает проверку некоторого логического условия Р и, в зависимости от результатов этой проверки, выполнение оператора S1 либо оператора S2. В языках программирования (например, Pascal) реализуется оператором if Р then SI else S2 (см. рис. 2).

Структура цикла (цикла с предусловием) представляет фактор повторяемости вычислений, обеспечивает многократное повторение выполнения оператора S, пока выполняется (истинно) логическое условие Р. В языках программирования (например, Pascal) реализуется оператором while Р do S.

Рис. 1. Структура следования

Рис. 2. Структура ветвления

Базисный набор управляющих структур является функционально полным, т.е. с его помощью можно создать любой сколь угодно сложный алгоритм, однако с целью создания более компактных и наглядных алгоритмов и программ используются дополнительные управляющие структуры: структура сокращенного ветвления; структура варианта или многоальтернативного выбора; структура цикла с параметром; структура цикла с постусловием. В разных языках программирования реализация базовых управляющих структур может быть различной, например в языке Pascal реализованы все предлагаемые структуры.

Любая программа может быть построена посредством композиции базисных структур: либо путем их последовательного соединения — образования последовательных конструкций, либо путем их вложения друг в друга — образования вложенных конструкций.

Каждая из структур может рассматриваться как один функциональный блок с одним входом и одним выходом. Блоки S, SI, S2, входящие в состав базисных управляющих структур, сами могут быть одной из них, поэтому возможны вложенные конструкции. Однако, какова бы ни была степень и глубина «вложенности», важно, что любая конструкция в конечном итоге имеет один вход и один выход. Следовательно, любую сложную структуру можно рассматривать как «черный ящик» с одним входом и одним выходом. Таким образом, можно ввести преобразование любой структуры в функциональный блок. Тогда всякий алгоритм, составленный из стандартных структур, поддается последовательному преобразованию к единственному функциональному блоку, и эта последовательность преобразований может быть использована как средство понимания алгоритма и доказательства его правильности. Обратная последовательность преобразований может быть использована в процессе проектирования алгоритма с постепенным раскрытием единственного функционального блока в сложную структуру основных элементов.

Для структурирования и понимания больших по объему программ используются также дополнительные структурные средства, которые поддерживают модульный принцип разработки ПС: это подпрограммы и модули. Использование аппарата подпрограмм (процедур и функций) — это возможность выделять в самостоятельные программные единицы со своими входными и выходными данными отдельные (часто повторяющиеся) участки кода для последующего многократного вызова их из различных точек программы и других подпрограмм. Модуль представляет собой автономно компилируемую библиотеку описаний типов, данных, процедур и функций, что позволяет группировать описания данных и подпрограмм по их функциям и назначению согласно одному из основных принципов структурного программирования — разбиения больших задач на подзадачи.

1. Принципы структурного программирования

Становление и развитие структурного программирования связано с именем Эдсгера Дейкстры [10].

Принцип 1. Следует отказаться от использования оператора безусловного перехода GoTo.

Принцип 2. Любая программа строится из трёх базовых управляющих конструкций: последовательность, ветвление, цикл.

• Последовательность - однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы. Бертран Мейер поясняет: «Последовательное соединение: используйте выход одного элемента как вход к другому, подобно тому, как электрики соединяют выход сопротивления со входом конденсатора» [17].

• Ветвление - однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения заданного условия.

• Цикл - многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется заданное условие (условие продолжения цикла).

Принцип 3. В программе базовые управляющие конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом. Никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

Принцип 4. Повторяющиеся фрагменты программы можно оформить в виде подпрограмм (процедур и функций). Таким же образом (в виде подпрограмм) можно оформить логически целостные фрагменты программы, даже если они не повторяются.

В этом случае в тексте основной программы, вместо помещённого в подпрограмму фрагмента, вставляется инструкция «Вызов подпрограммы». При выполнении такой инструкции работает вызванная подпрограмма. После этого продолжается исполнение основной программы, начиная с инструкции, следующей за командой «Вызов подпрограммы».

Бертран Мейер поясняет: «Преобразуйте элемент, возможно, с внутренними элементами, в подпрограмму, характеризуемую одним входом и одним выходом в потоке управления».

Принцип 5. Каждую логически законченную группу инструкций следует оформить как блок (block). Блоки являются основой структурного программирования.

Блок - это логически сгруппированная часть исходного кода, например, набор инструкций, записанных подряд в исходном коде программы. Понятие блок означает, что к блоку инструкций следует обращаться как к единой инструкции. Блоки служат для ограничения области видимости переменных и функций. Блоки могут быть пустыми или вложенными один в другой. Границы блока строго определены. Например, в if-инструкции блок ограничен кодом BEGIN..END (в языке Паскаль) или фигурными скобками {...} (в языке C) или отступами (в языке Питон).

Принцип 6. Все перечисленные конструкции должны иметь один вход и один выход.

Произвольные управляющие конструкции (такие, как в блюде спагетти) могут иметь произвольное число входов и выходов. Ограничив себя управляющими конструкциями с одним входом и одним выходом, мы получаем возможность построения произвольных алгоритмов любой сложности с помощью простых и надежных механизмов.

Принцип 7. Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз» (top-down method) [5].

1. Методика разработки программ

Распространены две методики (стратегии) разработки программ, относящиеся к структурному программированию: программирование «сверху вниз»; программирование «снизу вверх».

Программирование «сверху вниз», или нисходящее проектирование программ, — это методика разработки программ, при которой разработка начинается с определения целей решения проблемы, после чего идет последовательная детализация, заканчивающаяся детальной программой. Сначала выделяется несколько самых глобальных задач, решение которых может быть представлено в общей структуре функционально независимыми блоками. Разработку логической структуры каждого такого блока и ее модификацию можно осуществлять независимо от остальных блоков. На этом первом этапе проекта раскрываются наиболее важные и существенные связи, определяется функциональное назначение каждого блока, его входные и выходные данные. На последующих этапах проектирования уточняется (детализируется) логическая структура отдельных функциональных блоков общей схемы, что также может осуществляться в несколько этапов детализации вплоть до простейших инструкций. На каждом этапе проекта выполняются многократные проверки и исправления.

Подобный подход является достаточно рациональным, позволяет значительно ускорить процесс разработки сложных программных проектов и в значительной мере избежать ошибочных решений. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы (модули) не реализовывать сразу, а временно отложить их разработку, пока не будут закончены другие части. Например, если имеется необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, реализуется временно одним оператором, который просто присваивает нужное значение. Когда все приложение будет написано и отлажено, можно приступить к реализации этой сложной функции.

Программирование «снизу вверх», или восходящее проектирование программ, — 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 проектированием, так как часто приводит к нежелательным результатам, переписыванию кода и увеличению времени разработки. Ее использование может быть целесообразным, когда новый проект использует известные частные решения.

Заключение

Использование технологии структурного программирования при разработке серьезных программных проектов основано на следующих принципах:

• программирование должно осуществляться «сверху вниз»;

• весь проект должен быть разбит на модули/подпрограммы с одним входом и одним выходом;

• любая подпрограмма должна допускать только три основные структуры: последовательное выполнение операторов, ветвление и цикл;

• недопустим оператор безусловной передачи управления goto;

• документация должна создаваться одновременно с программированием, частично в виде комментариев к программе. Применение принципов и методов структурного программирования позволяет повысить надежность программ (благодаря хорошему структурированию при проектировании программа легко поддается тестированию и отладке) и их эффективность (структурирование программы позволяет легко находить и корректировать ошибки, а отдельные подпрограммы можно переделывать/модифицировать независимо от других), уменьшить время и стоимость программной разработки, улучшить читабельность программ.

Список литературы

1. Берг О.Ю. Метрики оценки качества программного обеспечения // Труды международного симпозиума надежность и качество. - Пенза: Пензенский государственный университет, 2005. - Т.1. - С. 321-322.

2. Благодатских В.А. Стандартизация разработки программных средств / Благодатских В.А., Волнин В.А., Поскакалов К.Ф. - М.: Финансы и статистика, 2005. - 288 с.

3. Валова О.В. Программная инженерия. - Чита: Читинский гос. ун-т, 2009. - 175 с.

4. Захарова А.А. Информатика и программирование: программные средства реализации информационных процессов / А.А. Захарова, Е.В. Молнина, Т.Ю. Черныева. – Томск: Изд-во ТПУ, 2013. – 318 с.

5. Звездин С.В. Проблемы измерения качества программного кода // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. - 2010. - № 2. - С. 62-66.

6. Иванова Г.С. Технология программирования. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. – 56 с.

7. Кознов Д.В. Введение в программную инженерию. - М.: Национальный открытый университет «Интуит», 2016. - 307 с.

8. Константайн Л., Локвуд Л. Разработка программного обеспечения. - СПб: Питер, 2004. - 592 с.

9. Липаев В.В. Качество программных средств. - М.: Янус-К, 2002. - 400 с.

10. Макарова Н.В. Основы программирования. - М.: КНОРУС, 2016. - 454 с.

11. Мухортов В.В. Объектно-ориентированное программирование, анализ и дизайн / В.В. Мухортов, В.Ю. Рылов. – Новосибирск: Изд-во ООО «Новософт», 2012. – 108 с.

12. Назаров С.В., Белоусова С.Н., Бессонова И.А., Гиляревский Р.С., Гудыно Л.П. Введение в программные системы и их разработку. - М.: Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), 2012. - 456 с.

13. Назаров С.В. Архитектуры и проектирование программных систем. - М.: ИНФРА-М, 2013. - 413 с.

14. Новиков Ф.А. Технологические подходы к разработке программного обеспечения. – СПб.: Изд-во ИТМО, 2014. -137 с.

15. Соловьев С.В. Технология разработки прикладного программного обеспечения / С.В. Соловьев, Л.С. Гринкруг, Р.И. Цой. – М.: БИНОМ, 2012. – 321 с.

16. Степович-Цветкова Г.С. Стандарты качества компьютерных программ // Наука сегодня. Сборник научных трудов по материалам VII международной научно-практической конференции: в 4 частях. Научный центр «Диспут». - Вологда: ООО «Маркер», 2015. - С. 96-97.