Методы проектирования структуры ПО

Тема  №3. Методы проектирования структуры ПО

3.1. Подходы к организации процесса создания и использования ПО. Классификация методов проектирования алгоритмов и программ.  
3.2. Структурное программирование. Использование декомпозиции и абстракции при проектировании ПО.  
3.3. Реализация процедур и функций. Специфики процедур и данных; декомпозиция системы. 

 
Проектирование алгоритмов и программ - наиболее ответственный этап жизненного цикла программных продуктов, определяющий, насколько создаваемая программа  соответствует спецификациям и  требованиям со стороны конечных пользователей. Затраты на создание, сопровождение и эксплуатацию программных  продуктов, научно-технический уровень  разработки, время морального устаревания  и многое другое - все это также  зависит от проектных решений. 
В настоящее время можно выделить 5 основных подходов к организации процесса создания и использования ПС. 
•          Водопадный подход. При таком подходе разработка ПС состоит из цепочки этапов. На каждом этапе  создаются документы, используемые на последующем этапе. В исходном документе фиксируются требования к ПС. В конце этой цепочки создаются программы, включаемые в ПС.  
•          Исследовательское программирование. Этот подход предполагает быструю реализацию рабочих версий программ ПС, выполняющих лишь в первом приближении требуемые функции. После экспериментального применения реализованных программ производится их модификация  с целью сделать их более полезными для пользователей. В настоящее время этот подход применяется для разработки таких ПС, для которых пользователи не могут точно сформулировать требования (например, для разработки систем искусственного интеллекта).  
•          Прототипирование. Этот подход моделирует начальную фазу  исследовательского программирования вплоть до создания рабочих версий программ, предназначенных для проведения экспериментов с целью установить требования к ПС. В дальнейшем должна последовать разработка ПС по установленным требованиям в рамках какого-либо другого подхода (например, водопадного).  
•          Формальные преобразования. Этот подход включает разработку формальных спецификаций ПС и превращение их в программы путем корректных преобразований. На этом подходе базируется компьютерная технология (CASE-технология) разработки ПС. 
•          Сборочное программирование. Этот подход предполагает, что ПС конструируется, главным образом, из компонент, которые уже существуют. Должно быть некоторое хранилище (библиотека) таких компонент, каждая из которых может многократно использоваться в разных ПС. Такие компоненты называются повторно используемыми. Процесс разработки ПС при данном подходе состоит скорее из сборки программ из компонент, чем из их программирования. 
 В основном чаще встречается водопадный подход с некоторыми модификациями. Во-первых, потому, что в этом подходе приходится иметь дело с большинством процессов программной инженерии, а, во-вторых, потому, что в рамках этого подхода создается большинство больших программных систем. Именно этот подход рассматривается в качестве индустриального подхода разработки программного обеспечения.

Классификация методов проектирования алгоритмов и программ 
В рамках указанного подхода можно использовать различные методы проектирования алгоритмов и программ. Методы проектирования алгоритмов и программ очень разнообразны, их можно классифицировать по различным признакам, важнейшими из которых являются: 
•          степень автоматизации проектных работ;  
•          принятая методология процесса разработки.  
 Классификация по степени автоматизации проектирования 
По степени автоматизации проектирования алгоритмов и программ можно выделить: 
•          методы традиционного (неавтоматизированного) проектирования;  
•          методы автоматизированного проектирования (CASE-технология и ее элементы).  
Неавтоматизированное проектирование алгоритмов и программ преимущественно используется при разработке небольших по трудоемкости и структурной сложности программных продуктов, не требующих участия большого числа разработчиков. Трудоемкость разрабатываемых программных продуктов, как правило, небольшая, а сами программные продукты имеют преимущественно прикладной характер. 
Автоматизированное проектирование алгоритмов и программ возникло с необходимостью уменьшить затраты на проектные работы, сократить сроки их выполнения, создать типовые \\\"заготовки\\\" алгоритмов и программ, многократно тиражируемых для различных разработок, координации работ большого коллектива разработчиков, стандартизации алгоритмов и программ. 
Автоматизация проектирования может охватывать все или отдельные этапы жизненного цикла программного продукта, при этом работы этапов могут быть изолированы друг от друга либо составлять единый комплекс, выполняемый последовательно во времени. Автоматизированное проектирование алгоритмов и программ под силу лишь крупным фирмам, специализирующимся на разработке определенного класса программных продуктов, занимающих устойчивое положение на рынке программных средств.  
 Классификация по методологии разработки ПС 
Проектирование алгоритмов и программ может основываться на различных методологиях процесса разработки: 
•          структурное проектирование программных продуктов;  
•          информационное моделирование предметной области и связанных с ней приложений;  
•          объектно-ориентированное проектирование программных продуктов.  
Структурное проектирование.  
 В основе структурного проектирования лежит последовательная декомпозиция, целенаправленное структурирование на отдельные составляющие. Начало развития структурного проектирования алгоритмов и программ падает на 60-е гг. Методы структурного проектирования представляют собой комплекс технических и организационных принципов системного проектирования.  
Типичными методами структурного проектирования являются: 
•          нисходящее проектирование, кодирование и тестирование программ;  
•          модульное программирование;  
•          структурное проектирование (программирование) и др.  
В зависимости от объекта структурирования различают: 
•          функционально-ориентированные методы - последовательное разложение задачи или целостной проблемы на отдельные, достаточно простые составляющие, обладающие функциональной определенностью;  
•          методы структурирования данных.  
Для функционально-ориентированных методов в первую очередь учитываются заданные функции обработки данных, в соответствии с которыми определяется состав и логика работы (алгоритмы) отдельных компонентов программного продукта. С изменением содержания функций обработки, их состава, соответствующего им информационного входа и выхода требуется перепроектирование программного продукта.  
Основной упор в структурном подходе делается на моделирование процессов обработки данных. Для методов структурирования данных осуществляется анализ, структурирование и создание моделей данных, применительно к которым устанавливается необходимый состав функций и процедур обработки. Программные продукты тесно связаны со структурой обрабатываемых данных, изменение которой отражается на логике обработки (алгоритмах) и обязательно требует перепроектирования программного продукта. 
Структурный подход использует: 
•          диаграммы потоков данных (информационно-технологические схемы) - показывают процессы и информационные потоки между ними с учетом \\\"событий\\\", инициирующих процессы обработки;  
•          интегрированную структуру данных предметной области (инфологическая модель, ER- диаграммы);  
•          диаграммы декомпозиции - структура и декомпозиция целей, функций управления, приложений;  
•          структурные схемы - архитектура программного продукта в виде иерархии взаимосвязанных программных модулей с идентификацией связей между ними, детальная логика обработки данных программных модулей (блок-схемы).  
Для полного представления о программном продукте необходима также текстовая информация описательного характера. 
Информационное моделирование предметной области 
Еще большую значимость информационные модели и структуры данных имеют для информационного моделирования предметной области, в основе которого положение об определяющей роли данных при проектировании алгоритмов и программ. Подход появился в условиях развития программных средств организации хранения и обработки данных - СУБД . 
•          Один из основоположников информационной инженерии - Дж. Мартин - выделяет следующие составляющие данного подхода:  
•          информационный анализ предметных областей (бизнес - областей);  
•          информационное моделирование - построение комплекса взаимосвязанных моделей данных;  
•          системное проектирование функций обработки данных;  
•          детальное конструирование процедур обработки данных.  
Первоначально строятся информационные модели различных уровней представления: 
•          информационно-логическая модель, не зависящая от средств программной реализации хранения и обработки данных, отражающая интегрированные структуры данных предметной области;  
•          даталогические модели, ориентированные на среду хранения и обработки данных.  
Даталогические модели имеют логический и физический уровни представления. Физический уровень соответствует организации хранения данных в памяти компьютера. Логический уровень данных применительно к СУБД реализован в виде: 
•          концептуальной модели базы данных - интегрированные структуры данных под управлением СУБД;  
•          внешних моделей данных - подмножество структур данных для реализации приложений.  
Средствами структур данных моделируются функции предметной области, прослеживается взаимосвязь функций обработки, уточняется состав входной и выходной информации, логика преобразования входных структур данных в выходные. Алгоритм обработки данных можно представить как совокупность процедур преобразований структур данных в соответствии с внешними моделями данных. 
Выбор средств реализации базы данных определяет вид даталогические моделей и, следовательно, алгоритмы преобразования данных. В большинстве случаев используется реляционное представление данных базы данных и соответствующие реляционные языки для программирования (манипулирования) обработки данных СУБД и реализации алгоритмов обработки. Данный подход использован во многих CASE-технологиях. 
Объектно-ориентированный подход к проектированию программных продуктов 
Объектно-ориентированный подход к проектированию программных продуктов основан на: 
•          выделении классов объектов;  
•          установлении характерных свойств объектов и методов их обработки;  
•          создании иерархии классов, наследовании свойств объектов и методов их обработки.  
Каждый объект объединяет как данные, так и программу обработки этих данных и относится к определенному классу. С помощью класса один и тот же программный код можно использовать для относящихся к нему различных объектов. 
Объектный подход при разработке алгоритмов и программ предполагает: 
•          объектно-ориентированный анализ предметной области;  
•          объектно-ориентированное проектирование.  
Объектно-ориентированный анализ - анализ предметной области и выделение объектов, определение свойств и методов обработки объектов, установление их взаимосвязей. 
Объектно-ориентированное проектирование соединяет процесс объектной декомпозиции и представления с использованием моделей данных проектируемой системы на логическом и физическом уровнях, в статике и динамике. 
Для проектирования программных продуктов разработаны объектно-ориентированные технологии, которые включают в себя специализированные языки программирования и инструментальные средства разработки пользовательского интерфейса. 
Традиционные подходы к разработке программных продуктов всегда подчеркивали различия между данными и процессами их обработки. Так, технологии, ориентированные на информационное моделирование, сначала специфицируют данные, а затем описывают процессы, использующие эти данные. Технологии структурного подхода ориентированы, в первую очередь, на процессы обработки данных с последующим установлением необходимых для этого данных и организации информационных потоков между связанными процессами. 
Объектно-ориентированная технология разработки программных продуктов объединяет данные и процессы в логические сущности - объекты, которые имеют способность наследовать характеристики (методы и данные) одного или более объектов, обеспечивая тем самым повторное использование программного кода. Это приводит к значительному уменьшению затрат на создание программных продуктов, повышает эффективность жизненного цикла программных продуктов (сокращается длительность фазы разработки). При выполнении программы объекту посылается сообщение, которое инициирует обработку данных объекта.

3.2. Структурное программирование. Использование декомпозиции и абстракции при проектировании ПО.

 
Для начального периода развития программотехники, когда программы были штучным  продуктом, характерен стиль программирования, который впоследствии получил название “хаотическое” программирование. Суть его в том, чтобы из операторов языка программирования сконструировать  программу, выполняющую некоторое (заданное) преобразование данных. Ни набор операторов, ни порядок их применения никак не регламентировался. В общем случае для такого программирования, чем  больше операторов в языке программирования, тем лучше.  
Главный недостаток разработанного таким образом ПО – большие трудности его сопровождения. Программы, написанные без регламентации применения операторов языка программирования, имеют структуру “итальянского спагетти” из-за частого применения в таких программах оператора перехода goto. Как правило, в таких программах может разобраться только автор, они плохо пригодны для тиражирования и превращения в товар. 
В конце 60-х начале 70-х годов в сфере ПО обозначились трудности, порожденные расширением области применения компьютеров. Возросшая мощность вычислительной техники и появление языков высокого уровня позволили приступить к автоматизации процессов, с которыми люди перестали справляться или к которым еще не приступали из-за их высокой вычислительной сложности. Примерами таких задач могут служить автоматизированные системы управления безопасностью полетов или управления движением по железнодорожным магистралям. Такие системы разрабатывались в течение месяцев и лет. Стоимость ПО доходила до 80% всех затрат, однако обеспечить требуемый уровень их надежности не всегда удавалось.  
Знаменательной датой в истории программирования стал 1968 год. Тогда создавшееся в программировании положение обсуждалось на международной конференции, получившей название “Кризис программного обеспечения”. В этом году Чарльз Хоар и Николаус Вирт впервые указали на необходимость придания языку программирования свойств, которые превратили бы его в “инструмент надежного создания сложных программ”. Однако настоять на этом им не удалось.  
Несколько позже автор структурного программирования голландский ученый Дийкстра (в некоторых источниках Дейкстра) выпустил работу под названием “заметки по структурному программированию”, в которой доказывал, что большинство программ сложны и неуправляемы из-за отсутствия в них четкой математической структуры. Интуитивному и бессознательному (“хаотическому”) программированию он последовательно противопоставлял логически строгую методологию, предполагавшую ко всему прочему личную дисциплинированность и ответственность программиста. Одним из его кардинальных предложений было признание оператора перехода goto недопустимым в программировании. Сначала это предложение смутило и удивило почти всех программистов, но затем они убедились в том, что доводы Дийкстры весьма основательны. Способствовало этому то обстоятельство, что Якопини и Ципнер доказали теорему о том, что теоретически любую программу можно написать без goto. Чтобы изложить эту историю о революции в программировании до конца, следует упомянуть, что в 1974 году на защиту оператора goto выступил американец Кнут и показал, что в некоторых случаях использование этого оператора желательно. 
Цель структурного программирования – разработка программы, которой присуща определенная структура, основанная на применении принципов структурного программирования. 
Перечислим эти принципы:

1. Каждый программный модуль (блок, функция, процедура) должен иметь только один вход и один выход.

Это позволяет максимально упростить  стыковку модулей в программе.

1. В программах рекомендуется применять  4 типа конструкций:

а)  последовательность (модулей, операторов)

Тема №4. Объектно-ориентированное программирование (ООП).

4.1. Понятия и методология ООП. 
4.2. Структура программы.  
4.3. Типы данных. 

4.1.Понятия и методология ООП.

В объектно-ориентированном  программировании программа рассматривается  как совокупность объектов - отдельных  фрагментов кода, обеспечивающих выполнение определенных действий и объединяющих  данные и методы управления ими. 
При переходе от процедурного к объектно-ориентированному программированию важно понять ключевую идею: схема "данные - > процедура -> данные" заменяется на схему "запрос -> объект -> данные". Основными понятиями ООП являются объект (экземпляр класса), класс, метод и сообщение (запрос). Если проводить параллель с процедурным программированием, то этой четверке соответствуют переменная типа класс, тип класс, процедура и процедурный вызов.

ПЕРЕМЕННАЯ         ТИП           ПРОЦЕДУРА         ВЫЗОВ ПРОЦЕДУРЫ

   ОБЪЕКТ                КЛАСС        МЕТОД                    СООБЩЕНИЕ

Проводя такую параллель, следует помнить, что фундаментальное отличие  сообщения от процедурного вызова состоит  в том, что отправитель сообщения  в точности не знает, какой конкретно  метод свяжет с этим сообщением его  получатель. Другими словами, в ООП  производятся своего рода "отложенные" вызовы, которые доопределяются уже  потом, по ходу выполнения. 
Итак, ООП - это подход, в котором данные и поведение (методы обработки данных) жестко связаны в одной структуре. Каждая используемая в программе переменная имеет смысл только тогда, когда она может принимать какие-либо значения. Множество значений, которые может принимать переменная, является определяющей характеристикой переменной, и называется ее типом. Тип переменной, в свою очередь определяет набор операций, которые можно применять к переменной. (Эти положения полностью согласуются с основами структур данных). 
В ООП базовыми единицами программ являются классы. 
Класс -  это структура данных, которая может содержать в своем составе переменные, функции и процедуры. Переменные класса называются полями (как в структуре данных “запись”) или свойствами. Процедуры и функции, входящие в состав класса, называются методами. Классы также называют объектными типами. При объявлении  класса вначале описываются поля, а затем методы. Поля класса являются переменными входящими в состав его структуры. Используются поля класса внутри класса методами класса. В объявлении класса присутствуют только заголовки методов. Содержание методов (операции обработки) описываются в разделе реализации того модуля, в котором объявляется новый объектный тип. Иными словами, ООП позволяет пользователю вводить собственные типы данных, расширяя тем самым набор встроенных в язык типов данных. Для обозначения этих расширений используется термин абстрактные типы данных (АТД). 
Объектом или экземпляром класса называется переменная объектного типа ( или переменная типа класс). Чтобы объект мог обмениваться данными с другими объектами (как это происходит в реальном мире), используются свойства объекта. Свойства объекта определяют состояние объекта. Технология ООП позволяет работать с объектом только через его методы. Иначе говоря, изменить состояние объекта можно, вызвав какой либо метод этого объекта. Кстати, это положение ООП существенно ограничивает возможность приведения объекта в недопустимое состояние или несанкционированно разрушить объект. 
Взаимодействие между объектами осуществляется с помощью сообщений. Объект может посылать сообщения другим объектам или принимать сообщения от них. Сообщением является совокупность данных определенного типа, передаваемых объектом-отправителем объекту-получателю, имя которого указывается в сообщении.Объект-получатель реагирует на сообщение выполнением некоторого метода, имя которого тоже может быть указано в сообщении, либо не реагирует никак. 
Подытоживая сказанное, объект можно интерпретировать как модель некоторого реального объекта или процесса, которая обладает следующими свойствами:

• поддается хранению и обработке;
• способна взаимодействовать с другими объектами и вычислительной средой, посылая сообщения и реагируя на принимаемые сообщения;
• совокупность объектов образует вычислительную среду, в которой вычисления выполняются путем обмена сообщениями между объектами.

ООП базируется на 3 основных принципах: инкапсуляции, наследовании и полиморфизме.  
Под инкапсуляцией понимается сокрытие данных и операций АТД от внешних программ, использующих их. Инкапсуляция позволяет обеспечить защиту данных от внешнего вмешательства или неправильного использования. Такая возможность обеспечивается разделением доступа к данным и методам объекта, которые могут обладать разной степенью доступности: от общедоступных до таких, которые доступны только из методов самого объекта. Обычно открытые члены класса используются для того, чтобы обеспечить контролируемый интерфейс с закрытой частью класса. 
Наследование - это средство получения новых типов данных (классов) из уже существующих типов, называемых базовыми классами. При этом повторно используется существующий код. Порождённый класс образуется из базового путем добавления или изменения кода. При этом новый класс сохраняет все свойства старого: данные объекта базового класса включаются в данные производного объекта , а методы базового класса могут быть вызваны для объекта производного класса, причем они будут выполняться над данными включенного в объект базового класса. Иначе говоря, новый класс наследует как данные старого класса, так и методы их обработки. 
Различают единичное наследование, когда имеется только один базовый класс, и множественное наследование, когда базовых классов несколько. Наследование напрямую связано с идеей многократного использования или универсальности, программных компонент. Единожды разработав конструкцию такого компонента, в дальнейшем на ее основе можно строить новые компоненты, не переделывая того, что уже было заложено в старую. 
Полиморфизм (множество форм) - средство для придания различных значений одному и тому же сообщению в зависимости от типа обрабатываемых данных. Например, если аргументы оператора целого типа, то используется целочисленное деление. Если же один или оба аргумента - значения с плавающей точкой, то используется деление с плавающей точкой. Таким образом, некая величина, переменная или выражение, принадлежащее в данном языке одному типу, называется мономорфной. Если же одно и то же значение может принадлежать разным типам, то налицо полиморфизм. 
Сокрытие данных обеспечивается ключевым словом class и ключевыми словами, связанными с правами доступа: public, private и protected. Класс - это способ инкапсуляции типов данных и связанных с ними функций. Разрешение частной (private) и общей (public) видимости для членов класса дает программисту возможность управлять тем, какие части структуры данных будут модифицируемы. Private части скрыты от кода пользователя, a public - доступны. Члены класса со статусом доступа protected занимают промежуточное положение: они доступны как внутри класса, так и во всех производных от него классах. 
Определение класса схематически описывается в виде  
Class   Имя_класса 
       {   Раздел атрибутов; 
  Раздел операций; }