Современные технологии программирования

РЕФЕРАТ ПО ИНФОРМАТИКЕ Современные технологии программирования

1 Понятие алгоритма и его характеристики.

2 Формы представления алгоритмов.

3 Основные алгоритмические структуры.

4. Структурное программирование.

5. Событийно-ориентированное программирование

6. Объектно-ориентированное программирование.

1. Понятие алгоритма и его характеристики

Подготовка задачи для решения на ЭВМ состоит из нескольких этапов:

формулировка условия задачи;

выбор метода ее решения (например, численного для математических задач);

разработка схемы алгоритма;

составление программы на алгоритмическом языке.

Алгоритм — это система правил, описывающая последовательность действий, которые необходимо выполнить, чтобы решить задачу. Алгоритм — некоторая последовательность предписаний (правил), однозначно определяющих процесс преобразования исходных и промежуточных данных в результат решения задачи.

Понятие алгоритма в информатике является фундаментальным, таким, каким является понятие точки, прямой и плоскости в геометрии, множества — в математике, пространства и времени — в физике, вещества — в химии. Как и для всякого фундаментального понятия, для алгоритма невозможно дать абсолютно строгого определения. Поэтому формулировки, приведенные выше, лишь приближенно описывают алгоритм.

Основные характеристики алгоритма: дискретность, определенность, результативность, массовость.

Дискретность означает, что выполнение алгоритма разбивается на последовательность законченных действий — шагов. Каждое действие должно быть завершено исполнителем прежде, чем он перейдет к выполнению следующего. Значения величин в каждом шаге алгоритма получаются по определенным правилам из значения величин, определенных на предшествующем шаге.

Под определенностью понимается то обстоятельство, что каждое правило алгоритма настолько четко и однозначно, что значения величин, получаемые на каком-либо шаге, однозначно определяются значениями величин, полученными на предыдущем шаге, и при этом точно известно, какой шаг будет выполнен следующим.

Результативность (или конечность) алгоритма предполагает, что его исполнение сводится к выполнению конечного числа действий и всегда приводит к некоторому результату. В качестве одного из возможных результатов является установление того факта, что задача не имеет решений.

Под массовостью понимается, что алгоритм решения задачи разрабатывается в общем виде так, чтобы его можно было применить для целого класса задач, различающихся лишь наборами исходных данных. В этом свойстве и заключена основная практическая ценность алгоритма.

2. Формы представления алгоритмов

Существуют различные формы представления алгоритмов:

словесное описание алгоритма на естественном языке (вербальная форма);

построчная запись алгоритма;

схема алгоритма;

запись на каком-либо языке программирования.

Рассмотрим особенности первых двух форм на примере алгоритма Евклида — нахождения наибольшего общего делителя (НОД) для двух целых положительных чисел.

Словесное описание имеет минимум ограничений и является наименее формализованным. Однако при этом алгоритм получается и наименее строгим, допускающим появление неопределенностей. Также в этой форме алгоритм может оказаться очень объемным и трудным для восприятия человеком.

Например, если числа равны, НОД равен одному из них. В противном случае надо из большего числа вычесть меньшее, полученную разность запомнить вместо значения большего числа и повторить все сначала.

Построчная запись алгоритма — это запись на естественном языке, но с соблюдением некоторых дополнительных правил:

шаги (предписания) нумеруются;

исполнение шагов происходит в порядке возрастания номеров шагов, начиная с первого (если не встречается никаких специальных указаний);

типичными шагами являются чтение (ввод) данных; обработка данных (вычисления) по формулам; сообщение (вывод) результата; проверка условия; переход к шагу с номером N; конец вычислений.

Пример: Чтение А, В

[2] Если А=В, идти к [8]

[3] Если А>В, идти к [6]

[4] В=В-А

[5] Идти к [2]

[6] А=А-В

[7] Идти к [2]

[8] НОД=А

[9] Запись НОД

[10] Конец Построчная запись алгоритма позволяет избежать неопределенностей в алгоритме, не требует, по существу, никаких специальных знаний и в то же время обеспечивает отработку навыков логически строгого изложения хода решения задачи (последовательность вычислений, возможных вариантов перехода к различным шагам алгоритма и т. д.) и облегчает последующее изучение алгоритмических языков. Однако построчная запись алгоритма воспринимается человеком очень тяжело и требует большого внимания при записи.

Наиболее наглядный способ представления алгоритмов — их изображение в виде схем — последовательности блоков (рис.14), предписывающих выполнение определенных функций, и связей между ними. Внутри блоков указывается поясняющая информация, характеризующая выполняемые ими действия. Конфигурацию и размер блоков, а также порядок построения схем определяет ГОСТ 19 002 и 19 003.

Выполнение алгоритма всегда начинается с блока начала и оканчивается при попадании на блок конца. Порядок вычисление определяется стрелками.

В блоке обработки данных содержится описание тех действий, которые должны быть выполнены над объектами при попадании на этот по входящей в него стрелке. Здесь вычисляются выражения и присваиваются новые значения переменных.

Проверка условия изображается с помощью блока принятия решения, внутри которого записывается это условие. В результате проверки выбирается одна из двух стрелок, определяющая направление дальнейших вычислений.

Внутри блока ввода перечисляются переменные, значения которых должны быть введены в данном месте схемы.

Внутри блока вывода перечисляются переменные, значения которых должны быть выведены в данном месте схемы, или напечатан результат.

Комментарии используются в тех случаях, когда пояснение не помещается внутри блока. Совокупность комментариев должна делать схему алгоритма понятной для любого пользователя.

Нередко возникает необходимость применения уже имеющихся (может разработанных кем-то) алгоритмов. В этом случае можно использовать блок «предопределенный процесс».

При большой насыщенности схемы блоками допускается прерывать стрелки, а затем продолжать их в нужном месте. В этом случае начало и конец удаленных участков обозначаются соединителями, внутри которых записываются для каждой прерванной стрелки одни и те же обозначения.

Блок модификация задает условия для выполнения одной и той же последовательности шагов с изменяемой информацией.

3.Основные алгоритмические структуры

К основным типам алгоритмических структур относятся: линейная, разветвляющаяся и циклическая.

Линейный вычислительный процесс — это процесс, блоки которого выполняются последовательно один за другим (порядок выполнения блоков естественный).

Например, составить структурную схему алгоритма для вычисления по формуле:

Вычисление по формуле представляет собой линейный вычислительный процесс. Исходные данные a, b, c, x. Cтруктурная схема алгоритма представлена на рис. 15.

Разветвляющаяся структура используется тогда, когда возникает необходимость в зависимости от исходных данных или от полученных промежуточных результатов осуществлять вычисление по одним или другим формулам, то есть в зависимости от выполнения какого-то логического условия вычислительный процесс должен идти по одной или другой ветви. Такой процесс называют разветвляющимся.

Циклическая структура. Очень часто встречаются процессы, когда решение задачи сводится к многократному вычислению по одним и тем же математическим зависимостям при различных входящих в них величинах. Многократно повторяющиеся участки этого вычислительного процесса называют циклами, а сам процесс — циклическим.

Схема циклического процесса в общем виде приведена на рис. 17.

В данной схеме блоки имеют следующее назначение:

1 — блок задания начального значения параметра цикла;

2 — тело цикла, то есть участок вычислительного процесса, который многократно повторяется;

3 — блок изменения параметра цикла;

4 — блок проверки условия выхода из цикла.

Циклическая разветвляющаяся структура Схема алгоритма циклического разветвляющегося процесса представлена на рис. 19.

4. Структурное программирование

4.1. Разработка алгоритмов «сверху — вниз»

Для специалистов, решающих с помощью ЭВМ те или иные задачи, разработка алгоритма решения является важнейшим делом. Существуют различные методы разработки алгоритмов (и программ), но наиболее важным является метод пошаговой детализации (или метод разработки «сверху — вниз «). При этом методе первоначально продумывается и фиксируется множество данных и результатов алгоритма без детальной проработки отдельных частей.

Задачу разбивают на автономные части, каждая из которых существенно проще. Может оказаться необходимым повторять процесс детализации многократно, но это определяется только сложностью решаемых задач. Конечным уровнем детализации алгоритма можно считать такой, при котором в алгоритме нет действий более крупных, чем: обращение к готовому алгоритму; вычисление арифметического выражения и присваивание значения переменной; сравнение арифметических выражений (или переменных); ввод (вывод) данных и т. п.

Главным требованием к алгоритму, несомненно, является его работоспособность. Однако создавая алгоритм, необходимо помнить о дальнейшей работе над ним, об отладке программы, которая будет создана по этому алгоритму, а также о вероятных пользователях, которым, возможно, потребуется этот алгоритм. Поэтому одним из важнейших требований к алгоритму является его простота и понятность.

Исходя из этих требований, особенно удобным представляется при разработке алгоритмов использование основных алгоритмических структур. Их важной особенностью является то, что они имеют один вход и один выход и могут соединяться друг с другом в любой последовательности. Это дает наглядную и простую структуру алгоритма, по которой легче составить программу.

Одним из основных требований к программам является ее адаптируемость. Программа является адаптируемой, если она допускает быструю модификацию с целью приспособления к изменяющимся условиям функционирования. Адаптируемость означает, что внесение небольших изменений не потребует кардинальной переработки всего программного продукта. Адаптируемость определяется многими факторами, причем одним из важнейших является понимаемость исходного текста.

Обычно при составлении схемы алгоритма процесс вычисления идет сверху вниз, возвращаясь назад только в циклах, что позволяет анализировать алгоритм как обычный текст, т. е. сверху вниз.

Если технологию разработки алгоритмов «сверху — вниз «совместить с использованием только структурных схем, то получится новая технология, которая называется структурным программированием сверху — вниз, идея которого заключается в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. Для этого надо иметь сред-ства для создания программы не только с помощью трех простых операторов, но и с помощью средств, более точно отражающих конкретную структуру алгоритма. С этой целью в программирование введено понятие подпрограммы — набора операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода. Программа разбивается на множество мелких подпрограмм (занимающих до 50 операторов — критический порог для быстрого понимания цели подпрограммы), каждая из которых выполняет одно из действий, предусмотренных исходным зада-нием. Комбинируя эти подпрограммы, удается формировать итоговый алгоритм уже не из простых операторов, а из законченных блоков кода, имеющих опреде-ленную смысловую нагрузку, причем обращаться к таким блокам можно по назва-ниям. Получается, что подпрограммы — это новые операторы или операции языка, определяемые программистом.

Возможность применения подпрограмм относит язык программирования к классу процедурных языков.

4.2. Нисходящее проектирование

Наличие подпрограмм позволяет вести проектирование и разработку приложения сверху вниз — такой подход называется нисходящим проектированием. Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (напри-мер, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной.

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предмет-ном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а вре-менно откладывать, пока не будут закончены другие части. Например, если имеется необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, но реализуется она временно одним оператором, который просто присваивает заранее выбранное значение (например, 5). Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реа-лизации этой функции.

Немаловажно, что небольшие подпрограммы значительно проще отлаживать, что существенно повышает общую надежность всей программы.

Очень важная характеристика подпрограмм — это возможность их повторного использования. С интегрированными системами программирования поставляются большие библиотеки стандартных подпрограмм, которые позволяют значительно повысить производительность труда за счет использования чужой работы по созда-нию часто применяемых подпрограмм.

Подпрограммы бывают двух видов — процедуры и функции. Отличаются они тем, что процедура просто выполняет группу операторов, а функция вдобавок вычис-ляет некоторое значение и передает его обратно в главную программу (возвращает значение). Это значение имеет определенный тип (говорят, что функция имеет такой-то тип).

Чтобы работа подпрограммы имела смысл, ей надо получить данные из внешней программы, которая эту подпрограмму вызывает. 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. В Бейсике есть оператор CALL для явного указания того, что происходит вызов подпрограммы.

Подпрограммы активизируются только в момент их вызова. Операторы, находя-щиеся внутри подпрограммы, выполняются, только если эта подпрограмма явно вызвана. Пока выполнение подпрограммы полностью не закончится, оператор глав-ной программы, следующий за командой вызова подпрограммы, выполняться не будет.

Подпрограммы могут быть вложенными — допускается вызов подпрограммы не только из главной программы, но и из любых других подпрограмм.

В некоторых языках программирования допускается вызов подпрограммы из себя самой. Такой прием называется рекурсией и потенциально опасен тем, что может привести к зацикливанию — бесконечному самовызову.

Подпрограмма состоит из нескольких частей: заголовка с параметрами, тела под-программы (операторов, которые будут выполняться при ее вызове) и завершения подпрограммы.

Локальные переменные, объявленные внутри подпрограммы, имеют областью дей-ствия только ее тело.

После того как функция рассчитала нужное значение, ей требуется явно вернуть его в вызывающую программу. Для этого может использоваться специальный опе-ратор (return в Си++) или особая форма оператора присваивания, когда в левой части указывается имя функции, а справа — возвращаемое значение.

Пример функции, вычисляющей значение квадрата аргумента в Бейсике:

FUNCTION SQR% (X AS INTEGER)

SQR% = X*X

END FUNCTION

Во время создания подпрограммы заранее не известно, какие конкретно параметры она может и будет получать. Поэтому в качестве переменных, выступающих в роли ее аргументов в заголовке, могут использоваться произвольные допустимые назва-ния, даже совпадающие с уже имеющимися. Компилятор все равно поймет, что это не одно и то же.

Параметры, которые указываются в заголовке подпрограммы, называются фор-мальными. Они нужны только для описания тела подпрограммы. А параметры (кон-кретные значения), которые указываются в момент вызова подпрограммы, назы-ваются фактическими параметрами. При выполнении операторов подпрограммы формальные параметры как бы временно заменятся на фактические.

Пример.

int а, у;

а = 5;

у = SQR (a);

Программа вызывает функцию SQR () с одним фактическим параметром «а». Внутри подпрограммы формальный параметр «х» получает значение переменной «а» и возво-дится в квадрат. Результат возвращается обратно в программу и присваивается переменной «у».

5. Событийно-ориентированное программирование

С активным распространением системы Windows и появлением визуальных RAD-сред широкую популярность приобрел событийный подход к созданию программ — событийно-ориентированное программирование.

Идеология системы Windows основана на событиях. Щелкнул человек на кнопке, выбрал пункт меню, нажал на клавишу или кнопку мыши — в Windows генериру-ется подходящее сообщение, которое отсылается окну соответствующей программы.

Структура программы, созданной с помощью событийного программирования, следующая. Главная часть представляет собой один бесконечный цикл, который опрашивает Windows, следя за тем, не появилось ли новое сообщение. При его обна-ружении вызывается подпрограмма, ответственная за обработку соответствующего события (обрабатываются не все события, их сотни, а только нужные), и подобный цикл опроса продолжается, пока не будет получено сообщение «Завершить работу»,

События могут быть пользовательскими, возникшими в результате действий поль-зователя, системными, возникающими в операционной системе (например, сообще-ния от таймера), и программными, генерируемыми самой программой (например, обнаружена ошибка и ее надо обработать).

Событийное программирование является развитием идей нисходящего проекти-рования, когда постепенно определяются и детализируются реакции программы на различные события.

6. Объектно-ориентированное программирование.

6.1. Понятие объекта

Развитие идей структурного и событийного программирования существенно под-няло производительность труда программистов и позволило в разумные сроки (несколько месяцев) создавать приложения объемом в сотни тысяч строк. Однако такой объем уже приблизился к пределу возможностей человека, и потребовались новые технологии разработки программ.

В начале 80-х годов в программировании возникло новое направление, основанное на понятии объекта. До того времени основные ограничения на возможность созда-ния больших систем накладывала разобщенность в программе данных и методов их обработки.

Реальные объекты окружающего мира обладают тремя базовыми характеристиками: они имеют набор свойств, способны разными методами изменять эти свойства и реагировать на события, возникающие как в окружающем мире, так и внутри самого объекта. Именно в таком виде в языках программирования и реализовано понятие объекта как совокупности свойств (структур данных, характерных для этого объекта), методов их обработки (подпрограмм изменения свойств) и событий, на которые данный объект может реагировать и которые приводят, как правило, к изменению свойств объекта.

Появление возможности создания объектов в программах качественно повлияло на производительность труда программистов. Максимальный объем приложений, которые стали доступны для создания группой программистов из 10 человек, за несколько лет увеличился до миллионов строк кода, при этом одновременно удалось добиться высокой надежности программ и, что немаловажно, повторно использо-вать ранее созданные объекты в других задачах.

Объекты могут иметь идентичную структуру и отличаться только значениями свойств. В таких случаях в программе создается новый тип, основанный на единой структуре объекта (по аналогии с тем, как создаются новые типы для структур данных). Он называется классом, а каждый конкретный объект, имеющий струк-туру этого класса, называется экземпляром класса.

Описание нового класса похоже на описание новой структуры данных, только к полям (свойствам) добавляются методы — подпрограммы.

При определении подпрограмм, принадлежащих конкретному классу, его методов, в заголовке подпрограммы перед ее названием явно указывается, к какому классу она принадлежит.

Класс — это тип данных, такой же, как любой другой базовый или сложный тип. На его основе можно описывать конкретные объекты (экземпляры классов).

Объектно-ориентированное программирование базируется на трех ключевых кон-цепциях — инкапсуляции, наследовании и полиморфизме.

Объединение данных с методами в одном типе (классе) называется инкапсуляцией. Помимо объединения, инкапсуляция позволяет ограничивать доступ к данным объектов и реализации методов классов. В результате у программистов появляется возможность исполь-зования готовых классов в своих приложениях на основе только описаний этих классов.

Важнейшая характеристика класса — возможность создания на его основе новых классов с наследованием всех его свойств и методов и добавлением собственных. Класс, не имеющий предшественника, называется базовым.

Например, класс «животное» имеет свойства «название», «размер», методы «идти» и «размножаться». Созданный на его основе класс «кошка» наследует все эти свойства и методы, к которым дополнительно добавляется свойство «окраска» и метод «пить».

Наследование позволяет создавать новые классы, повторно используя уже гото-вый исходный код и не тратя времени на его переписывание.

В большинстве случаев методы базового класса у классов — наследников приходится переопределять — объект класса «кошка» выполняет метод «идти» совсем не так, как объект класса «амеба». Все переопределяемые методы по написанию (назва-нию) будут совпадать с методами базового объекта, однако компилятор по типу объекта (его классу) распознает, какой конкретно метод надо использовать, и не вызовет для объекта класса «кошка» метод «идти» класса «животное». Такое свой-ство объектов переопределять методы наследуемого класса и корректно их исполь-зовать называется полиморфизмом.

Технологии объектного, событийного и структурного программирования сегодня объединены в RAD-системах, которые содержат множество готовых классов, пред-ставленных в виде визуальных компонентов, которые добавляются в программу одним щелчком мыши. Программисту надо только спроектировать внешний вид окон своего приложения и определить обработку основных событий — какие опера-торы будут выполняться при нажатии на кнопки, при выборе пунктов меню или щелч-ках мышкой. Весь вспомогательный исходный код среда сгенерирует сама, позво-ляя программисту полностью сосредоточиться только на реализации алгоритма.