Структурное проектирование. 
Теоретические основы информатики

Структурное проектирование понимается как методология построения алгоритмов, программ и систем, в том числе информационных, в основе которой лежит выявление структуры задачи, определение составляющих компонент и выделение связей между ними. Процесс разделения сложных задач (объектов, систем) на относительно независимые друг от друга подзадачи (части, подсистемы) называется декомпозицией.

Процедура декомпозиции может применяться повторно к отдельным компонентам, выделенным на предыдущих этапах структурирования. Процесс останавливается в том случае, когда получают компоненты, которые, по мнению проектировщика, в дальнейшей декомпозиции нс нуждаются, например, когда выделены элементарные операции или когда получены подзадачи, разработка которых не вызывает затруднений. Процедура многократного применения декомпозиции получила название пошаговой детализации.

Выделяют следующие типичные методы структурного проектирования:

• — нисходящее проектирование;
• — модульное программирование.

Структурное программирование, как указывалось в предыдущем параграфе, основано на использовании шести основных алгоритмических структур, включая три базовые. Основная суть структурного программирования заключается в том, что логика решения задачи должна соответствовать логике организации программного кода, алгоритм решения задачи должен быть ясен из исходного текста программы. Кроме алгоритмических конструкций используются относительно независимые именованные программные единицы, которые могут разрабатываться и применяться независимо друг от друга и основной программы подпрограммы. Идеи структурного программирования и поддержку подпрограмм реализуют процедурные языки программирования. Как показала практика, данный метод эффективен при разработке программ, содержащих до нескольких тысяч строк программного кода.

Нисходящее проектирование (или проектирование «сверху вниз») заключается в применении процедуры пошаговой детализации: сложная задача разбивается на более простые, которые, в свою очередь, разбиваются далее до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной.

В итоге решение задачи представляет собой иерархическую структуру относительно независимых подзадач. На каждом уровне этой иерархии подзадачи описываются с определенной степенью детализации. Чем выше уровень, тем более конкретными становятся подзадачи и тем меньше в них абстрактного (рис. 10.10). Под абстракцией понимают некоторую сущность, в которой выделены основные, важные признаки и в то же время исключены второстепенные, частные признаки. Абстракция является результатом мыслительного процесса человека, называемого абст/рагированием.

Каждой подзадаче может соответствовать подпрограмма, а сама исходная задача представляется в виде иерархически связанных между собой подпрограмм. При практической реализации нисходящего проектирования, а именно, программирования, возможна ситуация, когда подпрограммы нижних уровней еще не реализованы. В этом случае вместо них используют специальные отладочные модули — так называемые «заглушки», позволяющие имитировать частный случай работы подпрограммы. Например,.

Рис. 10.10. Соотношение абстрактного и конкретного в описании подзадач при нисходящем проектировании.

если требуется вычислить значение некоторой сложной функции, но сам ее программный код еще не написан, то функция заменяется одиночным оператором, возвращающим некоторое допустимое заранее выбранное значение (к примеру, 1). После того, как остальные связанные с вычислением функции части программы будут написаны и отлажены, реализуют эту функцию.

Использование подпрограмм в рамках структурного программирования и нисходящего проектирования имеет следующие преимущества:

• 1. Существенно облегчается отладка и тестирование приложений за счет наличия четкой логической структуры. В конечном итоге это позволяет увеличить общую надежность разрабатываемого программного обеспечения.
• 2. Изменения, вносимые в подпрограммы, не сказываются существенным образом на логике и ходе выполнения основной программы в силу относительной независимости подпрограмм друг от друга и основной программы.
• 3. Разработка приложения может выполняться различными программистами и проектировщиками. Параллельная разработка подпрограмм может существенно ускорить процесс создания конечного программного продукта.
• 4. Использование подпрограмм позволяет более рационально использовать память. В большинстве процедурных языков программирования память, выделяемая для хранения переменных и структур данных подпрограмм, выделяется только во время ее работы. После завершения подпрограммы память высвобождается.
• 5. Разработанные подпрограммы можно использовать многократно, возможно, с минимальной доработкой. В большинстве интегрированных систем программирования имеются большие библиотеки стандартных подпрограмм, использование которых позволяет существенно экономить время разработчиков.

Наличие достаточно большого количества уже созданных подпрограмм сделало возможность восходящего проектирования (или проектирования «снизу вверх»). Ее суть заключается в рассмотрении уже решенных частных задач и определения возможности их применения для решения более сложных задач. Итоговая задача в этом случае получается как результат композиции меньших задач.

Модульное программирование связано с созданием и использованием специальных программных единиц (программных) модулей (англ. unit). Каждый модуль содержит некоторое количество подпрограмм, которые используют одни и те же глобальные данные (рис. 10.11). Также в модули объединяют подпрограммы, относящиеся к одной функциональной группе, например, математические, подпрограммы обработки графики. Подпрограммы модулей могут быть использованы как в основной программе, так и в других модулях.

Рис. 10.11. Архитектура программы, состоящей из модулей.

Термин «модуль» традиционно используется в двух смыслах. Изначально, когда размеры программ были невелики, модулем называлась любая подпрограмма. Позднее, когда размеры программ ста*™ существенней, появилась возможность программно организовывать библиотеки ресурсов, включающие константы, переменные, описание типов, классов, подпрограмм. В этом случае под модулем понимают автономный набор программных ресурсов.

В структуре модулей выделяют интерфейсный раздел и раздел реализации.

В интерфейсном разделе содержатся описания ресурсов, доступ к которым могут иметь другие модули, и основная программа. В качестве подобных ресурсов выступают имена переменных, заголовки подпрограмм, имена определенных программистом типов данных, имена классов и пр. Если некоторый ресурс нс описан в интерфейсной части, то доступ к нему извне будет отсутствовать.

Раздели реализации содержит программный код, реализующий подпрограммы. Он может содержать описание ресурсов, которые используются внутри модуля (переменные, типы, подпрограммы).

Модули обладают рядом особенностей, которые необходимо учитывать при модульной разработке программ:

• 1. Модуль имеет один вход и один выход. Получаемый на входе определенный набор данных обрабатывается подпрограммами, реализованными в модуле. На выходе получают один набор результатных данных. Такая модель обработки данных иногда называется «вход-процесс-выход».
• 2. Все подпрограммы модуля обладают функциональной завершенностью. Это означает, что по завершении работы подпрограммы, даже при вызове других модулей, выполняются все регламентированные операции, достаточные для окончания начатой обработки.
• 3. Модуль обладает логической независимостью: операции обработки данных зависят только от исходных данных и не зависят от других модулей.
• 4. Информационные связи между модулями обычно сводятся к минимуму.
• 5. Отдельные модули должны быть обозримыми по размеру и сложности.

Разработка приложений в соответствии с принципами модульного программирования во многом схожа с разработкой в стиле нисходящего проектирования. Подпрограммы одного уровня иерархии и однотипные, но функциональному назначению могут объединяться в модули. Функции верхнего уровня иерархии заключены в главном модуле. Нижестоящие в иерархии подпрограммы реализуются в подчиненных модулях. При организации взаимодействия между модулями различных уровней следует учитывать следующее:

• — модуль может быть вызван только модулем вышестоящего уровня; после завершения выполнения управление передается вызвавшему модулю;
• — основные действия алгоритма обычно располагают в максимально высоких в иерархии модулях;
• — повторяющиеся алгоритмы выполнения одной и той же подпрограммы оформляются в виде отдельного модуля, который вызывается по мерс необходимости.

Основным преимуществом модульного программирования является упрощение совместной разработки программного обеспечения несколькими программистами. Каждый из них может разрабатывать и отлаживать модули независимо от других членов группы разработчиков. Взаимодействие между модулями осуществляется через межмодульные интерфейсы, формат и структура которых оговариваются заранее. После окончания разработки модуля он может без изменения использоваться при разработке других приложений, что повышает производительность работы программистов.

Основываясь на практическом опыте разработки программного обеспечения, считается, что модульное программирование в совокупности с пошаговой детализацией позволяет получить достаточно надежные программы с программным кодом, не превышающим 100 000 операторов. При увеличении размера программы количество и сложность межмодульных интерфейсов возрастает и, начиная с некоторого момента, охватить и осознать влияние отдельных частей программы и модулей друг на друга становится практически невозможным. Еще одним недостатком модульного программирования является тот факт, что ошибки при вызове интерфейса модуля выявляются только при выполнении программы, так как модули компилируются отдельно и, следовательно, раньше обнаружить эти ошибки невозможно.

Указанные недостатки при разработке больших программных комплексов устраняются при объектном подходе.