Этапы создания структурной программы

Постановка задачи. Создание любой программы начинается с постановки задачи. Изначально задача формулируется в терминах предметной области, и необходимо перевести.

Рис. 26.1. Классическая модель жизненного цикла разработки программного обеспечения ее на язык понятий, более близких к программированию. Поскольку программист редко досконально разбирается в предметной области, а заказчик — в программировании (простой пример: требуется написать бухгалтерскую программу), постановка задачи может стать весьма непростым итерационным процессом. Кроме того, при постановке задачи заказчик зачастую не может четко и полно сформулировать свои требования и критерии.

На этом этапе также определяется среда, в которой будет выполняться программа: требования к аппаратуре, используемая ОС и другое программное обеспечение.

Постановка задачи завершается созданием технического задания, а затем внешней спецификации программы, включающей в себя:

¦ описание исходных данных и результатов (типы, форматы, точность, способ передачи, ограничения)^[1];

¦ описание задачи, реализуемой программой;

¦ способ обращения к программе;

¦ описание возможных аварийных ситуаций и ошибок пользователя.

Таким образом, программа рассматривается как «черный ящик», для которого определена функция и входные и выходные данные.

Выбор модели и метода решения задачи. На этом этапе анализируются условия задачи, и на этом основании строится модель задачи и определяется общий метод ее решения. При построении модели выделяются характеристики задачи, существенные с точки зрения рассмотрения, т. е. выполняется ее абстрагирование. Эти характеристики должны представляться в модели с необходимой полнотой и точностью. Иными словами, на этом этапе постановка задачи формализуется и на этой основе определяется общий метод ее решения. При наличии нескольких методов наилучший выбирается исходя из критериев сложности, эффективности, точности в зависимости от конкретных задач, стоящих перед программистом.

Разработка внутренних структур данных. Большинство алгоритмов зависят от того, каким образом организованы данные, поэтому интуитивно ясно, что начинать проектирование программы надо не с алгоритмов, а с разработки структур, необходимых для представления входных, выходных и промежуточных данных. При этом принимаются во внимание многие факторы, например ограничения на размер данных, необходимая точность, требования к быстродействию программы. Структуры данных могут быть статическими или динамическими.

При решении вопроса о том, как будут организованы данные в программе, полезно задать себе следующие вопросы.

¦ Какая точность представления данных необходима?

¦ В каком диапазоне лежат значения данных?

¦ Ограничено ли максимальное количество данных?

¦ Обязательно ли хранить их в программе одновременно?

¦ Какие действия потребуется выполнять над данными?

Например, если максимальное количество однотипных данных, которые требуется обработать, известно и невелико, проще всего завести для их хранения статический массив. Если таких массивов много, сегментов данных и стека может оказаться недостаточно, и придется отвести под эти массивы место в динамической памяти.

Если максимальное количество данных неизвестно и постоянно изменяется во время работы программы, то для их хранения используют динамические структуры. Выбор вида структуры зависит от требуемых операций надданными. Например, для быстрого поиска элементов лучше всего подходит бинарное дерево, а если данные требуется обрабатывать в порядке поступления, применяется очередь.

Проектирование. Под проектированием программы понимается определение общей структуры и взаимодействия модулей.

На этом этапе применяется технология нисходящего проектирования, основная идея которого рассмотрена выше. При этом используется метод пошаговой детализации.

Можно представить себе этот процесс так, что сначала программа пишется на языке некоторой гипотетической машины, которая способна понимать самые обобщенные действия, а затем каждое из них описывается на более низком уровне абстракции и т. д. Очень важной на этом этапе является спецификация интерфейсов, т. е. определение способов взаимодействия подзадач.

Для каждой подзадачи составляется внешняя спецификация, аналогичная приведенной ранее. На этом же этапе решаются вопросы разбиения программы на модули, главным критерием при этом является минимизация их взаимодействия. Одна задача может реализовываться с помощью нескольких модулей, и наоборот, в одном модуле может решаться несколько задач. На более низкий уровень проектирования переходят только после окончания проектирования верхнего уровня. Алгоритмы записывают в обобщенной форме, например словесной, в виде обобщенных блок-схем или другими способами.

ВНИМАНИЕ

На этапе проектирования следует учитывать возможность будущих модификаций программы и стремиться проектировать программу таким образом, чтобы вносить изменения было как можно проще.

Поскольку не известно, какие изменения придется выполнить, это пожелание напоминает создание «общей теории всего»; на практике надо ограничиться разумными компромиссами. Программист исходя из своего опыта и здравого смысла решает, какие именно свойства программы может потребоваться изменить или усовершенствовать в будущем.

Процесс проектирования является итерационным, поскольку в программах реального размера невозможно продумать все детали с первого раза.

Структурное программирование. Программирование здесь рассматривается «в узком смысле», т. е. понимается как запись программы на языке программирования по готовому алгоритму. Этот процесс часто называют кодированием, чтобы отличить его от полного цикла разработки программы.

Кодирование также организуется по принципу «сверху вниз»: вначале кодируются модули самого верхнего уровня и составляются тестовые примеры для их отладки. При этом на месте еще не написанных модулей следующего уровня ставятся заглушки, которые в простейшем случае просто выдают сообщение о том, что им передано управление, а затем возвращают его в вызывающий модуль. В других случаях заглушка может выдавать значения, заданные заранее или вычисленные по упрощенному алгоритму.

Таким образом, сначала создается логический скелет программы, который затем обрастает плотью кода. Казалось бы, более логично применять к процессу программирования восходящую технологию: написать и отладить сначала модули нижнего уровня, а затем объединять их в более крупные фрагменты, но этот подход имеет ряд недостатков.

Во-первых, в процессе кодирования верхнего уровня могут быть вскрыты те или иные трудности проектирования более низких уровней программы (просто потому, что при написании программы ее логика продумывается более тщательно, чем при проектировании). Если подобная ошибка обнаруживается в последнюю очередь, требуются дополнительные затраты на переделку уже готовых модулей нижнего уровня.

Во-вторых, для отладки каждого модуля, а затем более крупных фрагментов программы требуется каждый раз составлять свои тестовые примеры, и программист часто вынужден имитировать то окружение, в котором должен работать модуль. Нисходящая же технология программирования обеспечивает естественный порядок создания тестов — возможность нисходящей отладки, которая рассмотрена далее.

Этапы проектирования и программирования совмещены во времени: в идеале сначала проектируется и кодируется верхний уровень, затем — следующий и т. д. Такая стратегия применяется потому, что она снижает цену ошибки, поскольку в процессе кодирования может возникнуть необходимость внести изменения, отражающиеся на модулях нижнего уровня.

Нисходящее тестирование. Этот этап записан последним, но это не значит, что тестирование не должно проводиться на предыдущих этапах. И проектирование, и программирование обязательно должны сопровождаться написанием набора тестов - проверочных исходных данных и соответствующих им наборов эталонных реакций.

Необходимо различать процессы тестирования и отладки программы. Тестирование — это процесс, посредством которого проверяется правильность программы. Тестирование носит позитивный характер, его цель — показать, что программа работает правильно и удовлетворяет всем проектным спецификациям. Отладка — процесс исправления ошибок в программе, при котором цель исправить все ошибки не ставится. Исправляют ошибки, обнаруженные при тестировании. При планировании следует учитывать, что процесс обнаружения ошибок подчиняется закону насыщения, т. е. большинство ошибок обнаруживаются на ранних стадиях тестирования, и чем меньше в программе осталось ошибок, тем дольше искать каждую из них.

Существует две стратегии тестирования: «черный ящик» и «белый ящик». При использовании первой внутренняя структура программы во внимание не принимается и тесты составляются так, чтобы полностью проверить функционирование программы на корректных и некорректных входных воздействиях.

Стратегия «белого ящика» предполагает проверку всех ветвей алгоритма. Общее число ветвей определяется комбинацией всех альтернатив на каждом этапе. Это конечное число, но оно может быть очень большим, поэтому программа разбивается на фрагменты, после исчерпывающего тестирования которых они рассматриваются как элементарные узлы более длинных ветвей. Кроме данных, обеспечивающих выполнение операторов в требуемой последовательности, тесты должны содержать проверку граничных условий (например, переход по условию х > 10 должен проверяться для значений, больших, меньших и равных 10). Отдельно проверяется реакция программы на ошибочные исходные данные.

Недостатком стратегии «белого ящика» является то, что обнаружить с помощью нее отсутствующую ветвь невозможно, а стратегия «черного ящика» требует большого числа вариантов входных воздействий, поэтому на практике применяют сочетание обеих стратегий.

ВНИМАНИЕ

Идея нисходящего тестирования предполагает, что к тестированию программы приступают, еще до того как завершено ее проектирование. Это позволяет раньше опробовать основные межмодульные интерфейсы, а также убедиться в том, что программа в основном удовлетворяет требованиям пользователя. Только после того как логическое ядро испытано настолько, что появляется уверенность в правильности реализации основных интерфейсов, приступают к кодированию и тестированию следующего уровня программы.

Естественно, полное тестирование программы, пока она представлена в виде скелета, невозможно, однако добавление каждого следующего уровня позволяет постепенно расширять область тестирования.

Этап комплексной отладки на уровне системы при нисходящем проектировании занимает меньше времени, чем при восходящем, и приносит меньше сюрпризов, поскольку вероятность появления серьезных ошибок, затрагивающих большую часть системы, гораздо ниже. Кроме того, для каждого подключаемого к системе модуля уже создано его окружение, и выходные данные отлаженных модулей можно использовать как входные для тестирования других, что облегчает процесс тестирования. Это не значит, что модуль надо подключать к системе совсем «сырым», бывает удобно провести часть тестирования автономно, поскольку сгенерировать на входе системы все варианты, необходимые для тестирования отдельного модуля, трудно.

Каскадная модель в чистом виде применяется только для несложных программ, поскольку трудно заранее предусмотреть все детали реализации. Более реальной является схема с промежуточным контролем (рис. 26.2). Контроль, выполняемый после каждого этапа, позволяет при необходимости вернуться на любой вышележащий уровень и внести необходимые изменения.

Основная опасность использования такой схемы связана с тем, что разработка никогда не будет завершена, постоянно находясь в состоянии уточнения и усовершенствования.

Рис. 26.2. Модель разработки программного обеспечения с промежуточным контролем.

• [1] Под типами и форматами не имеются в виду типы языка программирования.