Модульное программирование

     Модульное программирование

     Для обеспечения технологичности разрабатываемого программного обеспечения применяется модульное программирование [37].

     Понятие модуля

     Приступая к разработке программы, следует  иметь ввиду, что она, как правило, является большой системой, поэтому необходимо принять меры для ее упрощения. Для этого программу разрабатывают по частям, которые называются программными модулями. Такой метод создания программ называют модульным программированием.

     Модульное программирование основано на понятии модуля – программы или функционально завершенного фрагмента программы.

     Модуль  характеризуют:

• один вход и один выход – на входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет их обработку и возвращает один набор выходных данных;
• функциональная завершенность – модуль выполняет набор определенных операций для реализации каждой отдельной функции, достаточных для завершения начатой обработки данных;
• логическая независимость – результат работы данного фрагмента программы не зависит от работы других модулей;
• слабые информационные связи с другими программными модулями – обмен информацией между отдельными модулями должен быть минимален;
• размер и сложность программного элемента в разумных рамках.

     Таким образом, модули содержат описание исходных данных, операции обработки данных и структуры взаимосвязи с  другими модулями.

     Программный модуль является самостоятельным программным  продуктом. Это означает, что каждый программный модуль разрабатывается, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программных систем, при условии выполнения требований, предъявляемых к его использованию в документации к этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство упрощения сложных программ, и как средство накопления и многократного использования программистских знаний.

     Основные  характеристики программного модуля.

     Как разработать хороший модуль, который  действительно будет способствовать упрощению программы?

     В литературе приводятся различные критерии оценки приемлемости модуля. Были предложены следующие критерии:

• хороший модуль снаружи проще, чем внутри;
• хороший модуль проще использовать, чем построить.

     Предлагается  использовать следующие характеристики программного модуля для оценки его  приемлемости: размер модуля, прочность  модуля, сцепление с другими модулями и рутинность модуля.

     Размер  модуля измеряется числом содержащихся в нем операторов. Модуль не должен быть слишком маленьким или слишком большим. Большие модули, как правило, сложны для понимания и неудобны для внесения изменений, они могут существенно увеличить суммарное время повторных трансляций программы при отладке. Маленькие модули усложняют общую структурную схему программы и могут не окупать накладных расходов, связанных с их оформлением. Обычно рекомендуются программные модули размером от нескольких десятков до нескольких сотен операторов.

     Прочность модуля – это мера его внутренних связей. Чем выше прочность модуля, тем больше связей скрыты от внешней по отношению к нему части программы и, следовательно, тем проще сама программа. Самой слабой степенью прочности обладает модуль, прочный по совпадению. В данном случае в программный модуль оформляется повторяющаяся в нескольких местах программы последовательность операторов. Если вдруг возникнет необходимость изменения этой последовательности в одном из контекстов, придется изменять сам модуль, что может сделать его использование в других контекстах ошибочным. Такой класс программных модулей не рекомендуется для использования.

     Функционально прочный модуль – это модуль, реализующий одну какую-либо определенную функцию. При этом он может использовать и другие модули. Такой вид прочности модулей рекомендуется для использования.

     Высшей  степенью прочности обладает информационно прочный модуль – это модуль, выполняющий несколько операций над одной и той же структурой данных, которая неизвестна вне этого модуля. Для каждой из этих операций в таком модуле имеется свой вход со своей формой обращения к нему. Информационно-прочный модуль может реализовывать, например, абстрактный тип данных.

     Сцепление модуля – это мера его зависимости по способу передачи данных от других модулей. Чем слабее сцепление модуля с другими модулями, тем сильнее его независимость от других модулей. Для оценки степени сцепления существует шесть видов сцепления модулей:

• по данным;
• по образцу;
• по управлению;
• по внешним ссылкам;
• по общей области данных;
• по содержимому.

       Худшим видом сцепления модулей  является сцепление по содержимому. Таким является сцепление двух модулей, когда один из них имеет прямые ссылки на содержимое другого модуля (например, на константу, содержащуюся в другом модуле). Такое сцепление модулей недопустимо.

     Не  рекомендуется использовать также  сцепление по общей области – это такое сцепление модулей, когда несколько модулей используют одну и ту же область памяти.

     Сцепление по образцу предполагает, что модули обмениваются данными, объединенными в структуры. Этот тип обеспечивает неплохие характеристики, по сравнению с предыдущими. Недостаток заключается в том, что конкретные передаваемые данные «спрятаны» в структуры, и потому уменьшается «прозрачность» связи между модулями. Кроме того, при изменении структуры передаваемых данных необходимо модифицировать все использующие ее модули.

     При сцеплении по управлению один модуль посылает другому некоторый информационный объект (флаг), предназначенный для управления внутренней логикой модуля. Таким способом часто выполняют настройку режимов работы программного обеспечения. Подобные настройки также снижают наглядность взаимодействия модулей и потому обеспечивают не лучшие характеристики технологичности разрабатываемого программного обеспечения.

     Сцепление по внешним ссылкам предполагает, что модули ссылаются на один и тот же глобальный элемент данных [1].

     Единственным  видом сцепления модулей, который  рекомендуется для использования современной технологией программирования, является  сцепление по данным (параметрическое сцепление) – это случай, когда данные передаются модулю либо при обращении к нему как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Такой вид сцепления модулей реализуется на языках программирования при использовании обращений к процедурам (функциям).

     Связность модулей – мера прочности соединения функциональных и информационных объектов внутри одного модуля. Размещение сильно связанных элементов в одном модуле уменьшает межмодульные связи, в то время  как помещение сильно связанных элементов в разные модули не только усиливает межмодульные связи, но и усложняет понимание их взаимодействия. Объединение слабо связанных элементов также уменьшает технологичность модулей, делая их сложнее для понимания.

     Различают следующие виды связности (в порядке  убывания уровня) [1]:

• функциональную;
• последовательную;
• информационную (коммуникативную);
• процедурную;
• временную;
• логическую;
• случайную.

     При функциональной связности модуль предназначен для выполнения одной функции. Его исходные данные и операции предназначены для решения одной конкретной задачи. Такой модуль имеет максимальную связность и как следствие хорошую технологичность (простота компиляции, тестирования, сопровождения).

     При последовательной связности модуля результат обработки данных одной функцией служит исходными данными для другой функции. Такой модуль реализует одну подпрограмму, выполняющую две функции. Модуль с последовательной связностью функций можно разбить на два или более модулей, как с последовательной, так и с функциональной связностью. При этом данные, используемые последовательными функциями, также связаны последовательно. Такой модуль выполняет несколько функций, и, следовательно, его технологичность хуже с точки зрения понимания и тестирования.

     Информационно связанными считают функции, обрабатывающие одни и те же данные. Информационно связанный модуль имеет неплохие показатели технологичности, т.к. все функции, работающие с одними и теми же данными, собраны в один модуль, что позволяет при изменении формата данных корректировать только его. Данные, которые обрабатываются одной функцией, также считают информационно связанными.

     Процедурно  связаны функции или данные, которые являются частями одного процесса. При процедурной связности отдельные элементы модуля связаны крайне слабо, так как реализуемые ими операции связаны лишь общим процессом, следовательно, технологичность такого модуля, чем предыдущих.

     Временная связность функций подразумевает, что эти функции выполняются параллельно или в течение некоторого периода времени. Временная связность данных означает, что они используются в некотором временном интервале. Отличительной особенностью временной связности является то, что действия, реализуемые такими функциями, обычно могут выполняться в любом порядке. Например, временную связность имеют функции, выполняемые при инициализации некоторого процесса. Большая вероятность модификации функции еще больше уменьшает показатели технологичности модулей данного вида по сравнению с предыдущими, кроме того, содержание модуля с временной связностью функций может изменяться: в него могут включаться новые действия и/или исключаться старые.

     Логическая  связь строится на основе объединения данных или функций в одну логическую группу, например, логически связаны компоненты модуля, содержащего функции обработки текстовой информации или данные одного и того же типа. При выполнении модуля с логически связанными компонентами всегда будет вызываться одна какая-либо его часть, при этом вызывающий и вызываемый модули будут связаны по управлению. Показатели технологичности таких модулей ниже предыдущих, т.к. сложно понять логику их работы.

     Модуль, элементы которого имеют случайную связность, имеет самые низкие показатели технологичности, так как его элементы, вообще не связаны.

     В табл. 3.1 представлены характеристики различных видов связности по экспертным оценкам [1 ,62, 63].

Таблица 3.1

     Анализ  табл. 3.1 показывает, что при проектировании программных модулей лучше всего использовать функциональную, последовательную и информационную связности.

     Методы  разработки при модульном  программировании

     Спецификация программного модуля состоит из функциональной спецификации модуля, описывающей семантику функций, выполняемых этим модулем по каждому из его входов  и синтаксической спецификации его входов, позволяющей построить на используемом языке программирования синтаксически правильное обращение к нему. Функциональная спецификация модуля определяется теми же принципами, что и функциональная спецификация программной системы.

     Существуют  разные методы разработки модульной  структуры программы, в зависимости от которых определяется порядок программирования и отладки модулей, указанных в этой структуре. Обычно в литературе обсуждаются два метода [42, 46]: метод восходящей разработки и метод нисходящей разработки.

Метод восходящей разработки

     Сначала строится древовидная модульная структура программы. Затем поочередно проектируются и разрабатываются модули программы, начиная с модулей самого нижнего уровня, затем предыдущего уровня и т.д. Т.е. модули реализуются в таком порядке, чтобы для каждого программируемого модуля были уже запрограммированы все модули, к которым он может обращаться. После того, как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в таком же восходящем порядке. Достоинство метода заключается в том, что каждый модуль при программировании выражается через уже запрограммированные непосредственно подчиненные модули, а при тестировании использует уже отлаженные модули. Недостатки метода восходящей разработки заключаются в следующем: