Модульное программирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В основе того или иного языка программирования лежит некоторая руководящая идея, оказывающая существенное влияние на стиль соответствующих программ.

Исторически первой была идея процедурного структурирования программ, в соответствии с которой программист должен был решить, какие именно процедуры он будет использовать в своей программе, а затем выбрать наилучшие алгоритмы для реализации этих процедур. Появление этой идеи было следствием недостаточной изученности алгоритмической стороны вычислительных процессов, столь характерной для ранних программных разработок.

Языки высокого уровня появились в 60-е годы. Ресурсы ЭВМ были недостаточны, поэтому программисты вынуждены были писать программы весьма “хитроумно” с использованием оператора безусловного перехода. Программа получалась запутанной, имела структуру “блюдо спагетти”. Так как область применения ЭВМ расширялась, программное обеспечение усложнялось. Программисты, решающие сложные задачи, столкнулись с проблемой разрастания количества и размера программ до такой степени, что дальнейший процесс разработки становился практически неуправляемым, и никто из разработчиков не мог с уверенностью сказать, что созданный программный продукт всегда выполняет то, что требуется, и что он не выполняет ничего такого, что не требуется. Поэтому возникла необходимость в новой методологии разработки программных проектов. В 1968 - 1969 гг. состоялись конференции по программированию. На второй из них Эдсгер Дийкстра предложил принципиально новый способ создания программ - структурное программирование.

Модульное программирование

Основным принципом модульного программирования является принцип "разделяй и властвуй". Модульное программирование - это организация программы как совокупности небольших независимых блоков, называемых модулями, структура и поведение которых подчиняются определенным правилам.

Заметим, что нужно различать использование слова "модуль", когда имеется в виду синтаксическая конструкция языков программирования (unit в Object Pascal), и когда имеется в виду единица дробления большой программы на отдельные блоки (которые могут быть реализованы и в виде процедур, и в виде функций).

Использование модульного программирования позволяет упростить тестирование программы и обнаружение ошибок. Аппаратно-зависимые подзадачи могут быть строго отделены от других подзадач, что улучшает мобильность создаваемых программ.

Упрощается процесс повышения эффективности программ, так как критичные по времени модули могут многократно переделывать независимо от других. Кроме того, модульные программы значительно легче понимать, а модули могут использоваться как строительные блоки в других программах.

Термин "модуль" в программировании начал использоваться в связи с внедрением модульных принципов при создании программ. В 70-х годах под модулем понимали какую-либо процедуру или функцию, написанную в соответствии с определенными правилами. Например "Модуль должен быть простым, замкнутым (независимым), обозримым (от 50 до 100 строк), реализующим только одну функцию задачи, имеющим только одну входную и только одну выходную точку". Однако общепризнанных требований не было и модулем очень часто называли любую процедуру размером до 50 строк.

Первым основные свойства программного модуля более-менее четко сформулировал Парнас (Parnas): "Для написания одного модуля должно быть достаточно минимальных знаний о тексте другого". Таким образом! Парнас первым выдвинул концепцию скрытия информации (information! hiding) в программировании.

В соответствии с определением Парнаса, модулем могла быть любая отдельная процедура (функция) как самого нижнего уровня иерархии (уровня реализации), так и самого верхнего уровня, на котором происходят только вызовы других процедур-модулей.

Однако существующие в языках 70-х годов только такие синтаксические конструкции, как процедура и функция, не могли обеспечить надежного скрытия информации, поскольку подвержены влиянию глобальных переменных, поведение которых в сложных программах зачастую бывает трудно предсказуемым. Решить эту проблему можно было, только разработав новую синтаксическую конструкцию, которая не подвержена влиянию глобальных переменных. Такая конструкция была создана и названа модулем.

Впервые специализированная синтаксическая конструкция модуля была предложена Н.Виртом в 1975 г. и включена в его новый язык Modula. В этом же году была сделана опытная реализация языка Modula. После некоторой переработки этот новый язык был окончательно реализован в 1977 г. и получил название Modula-2. Впоследствии, аналогичные конструкции, с некоторыми отличиями, были включены и в другие языки программирования: Pascal Plus (Уэлш и Бастард, 1979 г.), Ada (1980), Turbo Pascal версии 4.0 и другие.

Изначально предполагалось, что при реализации сложных программных комплексов модуль должен использоваться наравне с процедурами и функциями как конструкция, объединяющая и надежно скрывающая детали реализации определенной подзадачи. Однако в языке Borland (Turbo) Pascal были реализованы не все теоретические возможности модуля. В частности, в этом языке отсутствует поддержка внутренних модулей (аналогичных внутренним процедурам и функциям), недостаточно гибко реализован импорт (предложение uses), который не позволяет импортировать объекты из других модулей выборочно. Это обстоятельство, а также то, что с появлением персональных компьютеров круг программирующих людей резко расширился (а это существенно снизило средний уровень теоретической подготовки программистов), привело к тому, что при разработке приложений на этой, предшествующей Object Pascal, версии языка модули использовались в основном как средство создания проблемных библиотек процедур и функций. И только наиболее квалифицированные программисты использовали всю мощь этой языковой конструкции для структурирования своих проектов. В языке Object Pascal отмеченные ограничения реализации модулей остались, однако благодаря тому, что в среде Delphi каждой форме обязательно соответствует свой модуль и не визуальные алгоритмические действия также, как правило, оформляются в виде отдельных модулей, конструкцию "модуль" стали использовать по ее первоначальному предназначению все программисты, независимо от их квалификации.

Среда Delphi имеет встроенную поддержку концепции модульного программирования на языке Object Pascal, что стимулирует прогрессивный и надежный стиль программирования с широким использованием модулей, и тем самым выгодно отличает Delphi и Object Pascal от других современных средств разработки приложений.

Таким образом, количество модулей в проекте должно определяться декомпозицией поставленной задачи на независимые подзадачи. В предельном случае модуль может использоваться даже для заключения в него всего лишь одной процедуры, если необходимо, чтобы выполняемое ей локальное действие было гарантировано независимым от влияния других частей программы при любых изменениях в коде проекта. В частности, такое использование модуля характерно для класса задач реального времени, в которых критерий надежности и предсказуемости поведения программы является ключевым.

Рассмотрим еще один теоретический вопрос, связанный с использованием модульного программирования. Этот вопрос касается формы модульного проекта.

Придание иерархической структуре модульного проекта хорошей формы позволяет улучшить процесс ее разработки. Число модулей, которые подключаются каким-либо модулем, и число модулей, которые его подключают, оказывают влияние на сложность проекта. Йордан (Yourdon) назвал число модулей, подключаемых из данного модуля, размахом или шириной управления модулями. Наряду с большим размером модуля очень маленькая или очень большая ширина управления является признаком плохой схемы разбивки на модули. В общем случае, ширина управления модуля не должна превышать 10-ти. Это число связано с "магическим" числом 7, которое базируется на положениях психологии, в особенности, на теории "кусков" ("chunking") информации. Кратковременная память человека имеет ограниченные способности сохранения "кусков" информации. Психологические эксперименты показали, способность нашей кратковременной памяти находится в пределах 5-11 "кусков" (в среднем - 7). Она может одновременно оперировать около 7 "кусками" информации. Когда человек превышает этот предел, он более склонен к ошибкам. Реорганизация информации с разбивкой на подходящие части является важным действием для эффективного использования кратковременной памяти человека и для улучшения понимаемого материала. Люди во многих жизненных ситуациях делают такую реорганизацию бессознательно. Однако программист может сам себе помочь, сознательно не допуская ширины управления модулями, которая существенно превышает число 7.

Что касается программирования в среде Delphi, то рассмотренные рекомендации о форме модульного проекта следует относить в основном к модулям, созданным пользователем, поскольку Delphi автоматически генерирует основную часть кода, связанную с обработкой форм, и прикладному программисту нет особой надобности, задумываться о стандартно подключаемых модулях.

Кроме того, эти же принципы следует применять и при проектировании иерархии классов. Например, в иерархии предопределенных классов Object Pascal, только два класса, TObject и Exception, имеют число непосредственных классов-потомков, значительно большее, чем 7. Это можно объяснить глобальной базовой ролью TObject и "перечисляемым" характером класса Exception. Еще у троих классов это число находится в пределах 8-9, а остальные классы имеют менее 7 непосредственных потомков.

Объектно-ориентированное программирование

Исторически сложилось так, что программирование возникло и развивалось как процедурное программирование, которое предполагает, что основой программы является алгоритм, процедура обработки данных.

Объектно-ориентированное программирование - это методика разработки программ, в основе которой лежит понятие объекта как некоторой структуры, описывающей объект реального мира, его поведение. Задача, решаемая с использованием методики объектно-ориентированного программирования, описывается в терминах объектов и операций над ними, а программа при таком подходе представляет собой набор объектов и связей между ними. Другими словами можно сказать, что объектно-ориентированное программирование представляет собой метод программирования, которые весьма близко напоминает наше поведение.

Оно является естественной эволюцией более ранних нововведений в разработке языков программирования. Объектно-ориентированное программирование является более структурным, чем все предыдущие разработки, касающиеся структурного программирования. Оно также является более модульным и более абстрактным, чем предыдущие попытки абстрагирования данных и переноса деталей программирования на внутренний уровень.

Объектно-ориентированный язык программирования характеризуется тремя основными свойствами:

1) Инкапсуляция. Комбинирование записей с процедурами и функциями, манипулирующими полями этих записей, формирует новый тип данных - объект. Инкапсуляция является важнейшим свойством объектов, на котором строится объектно-ориентированное программирование. Инкапсуляция заключается в том, что объект скрывает в себе детали, которые несущественны для использования объекта. В традиционном подходе к программированию с использованием глобальных переменных программист не был застрахован от ошибок, связанных с использованием процедур, не предназначенных для обработки данных, связанных с этими переменными. Предположим, например, что имеется «не-ООП» программа, предназначенная для начисления заработной платы сотрудникам некой организации, а в программе имеются два массива. Один массив хранит величину заработной платы, а другой - телефонные номера сотрудников (для составления отчёта для налоговой инспекции). Что произойдёт, если программист случайно перепутает эти массивы? Очевидно, для бухгалтерии начнутся тяжёлые времена. «Жёсткое» связание данных и процедур их обработки в одном объекте позволит избежать неприятностей такого рода. Инкапсуляция и является средством организации доступа к данным только через соответствующие методы.

2) Наследование - это такое свойство объекта, которое позволяет ему использовать поля и методы объекта родителя, без описания их в своей структуре. Наследование - это ещё одно базовое понятие объектно-ориентированного программирования. Наследование позволяет определять новые объекты, используя свойства прежних, дополняя или изменяя их. Объект-наследник получает все поля и методы «родителя», к которым он может добавить свои собственные поля и методы или заменить («перекрыть») их своими методами. В чём привлекательность наследования? Если некий объект был уже определён и отлажен, он может быть использован и в других программах. При этом может оказаться, что новая задача отличается от предыдущей, и возникает необходимость некоторой модификации как данных, так и методов их обработки. Программисту приходится решать дилемму - создания объектов заново или использовать результаты предыдущей работы, применяя механизм наследования. Первый путь менее эффективен, так как требует дополнительных затрат времени на отладку и тестирование. Во втором случае часть этой работы оказывается выполненной, что сокращает время на разработку новой программы. Программист при этом может и не знать деталей реализации объекта-родителя.

3) Полиморфизм. Присваивание действию одного имени, которое затем совместно используется вниз и вверх по иерархии объектов, причем каждый объект иерархии выполняет это действие способом, именно ему подходящим.

Полиморфизм заключается в том, что одно и то же имя может соответствовать различным действиям в зависимости от типа объекта.

Языковые расширения Borland Pascal предоставляют все средства объектно-ориентированного программирования: большую структурированность и модульность, большую абстрактность и встроенную непосредственно в язык возможность повторного использования. Все эти характеристики соответствуют коду, который является более структурированным, более гибким и более легким для обслуживания.

Объектно-ориентированное программирование порой требует оставить в стороне характерные представления о программировании, которые долгие годы рассматривались, как стандартные.

Однако после того как это сделано, объектно-ориентированное программирование становится простым, наглядным и превосходным средством разрешения многих проблем, которые доставляют неприятности традиционному программному обеспечению.

Руководящая идея объектно-ориентированного программирования заключается в стремлении связать данные с обрабатывающими эти данные процедурами в единое целое - объект. Характерной чертой объектов является инкапсуляция данных и алгоритмов их обработки, в результате чего и данные, и процедуры во многом теряют самостоятельное значение. Фактически объектно-ориентированное программирование можно рассматривать как модульное программирование нового уровня, когда во многом место случайного, механического объединения процедур и данных акцент делает на их смысловую связь.

Следует заметить, что преимущества объектно-ориентированного программирования в полной мере проявляются лишь при разработке достаточно сложных программ. Более того, инкапсуляция придает объектам совершенно особое свойство «самостоятельности», максимальной независимости от остальных частей программы - правильно сконструированный объект располагает всеми необходимыми данными и процедурами их обработки, чтобы успешно реализовать требуемые от него действия. Таким образом, объектно-ориентированное программирование в наибольшей степени подходит к задаче разработки библиотек программирования.

Попытки использовать объектно-ориентированное программирование для программирования несложных алгоритмических действий, связанных, например, с расчетными вычислениями по готовым формулам, чаще всего выглядят искусственными нагромождениями ненужных языковых конструкций. Такие программы обычно не нуждаются в структуризации, расчленении алгоритма на ряд относительно независимых частей, их проще и естественнее разрабатывать традиционными способами Паскаля.

При разработке сложных диалоговых программ программист вынужден структурировать программу, так как только в этом случае он может рассчитывать на успех: «критической массой» неструктурированных программ является объем в 1000-1200 строк исходного текста - отладка неструктурированных программ большего объема обычно сталкивается с чрезмерными программированиями - вот в этот момент на помощь и приходят новые средства объектно-ориентированного программирования.

Заключение

Объектно-ориентированное программирование имеет целый ряд преимуществ:

четко выраженная модульность построения программ и использование абстрактных типов данных.

динамическая связь между программными модулями увеличивает гибкость языка программирования и позволяет вводить (определять) новые типы данных без необходимости модификации всей программы.

возможность многократного использования одних и тех же модулей.

Вместе с тем объектно-ориентированному программированию присущи и некоторые недостатки. Одним из наиболее существенных недостатков является замедление выполнения программ, обусловленное механизмом динамической связи. Это вызвано активным обменом информацией между программными модулями. Другим недостатком является сложность разработки соответствующих трансляторов по сравнению с трансляторами традиционных языков программирования. Однако преимущества объектно-ориентированного программирования, несомненно, перевешивают недостатки, что делает его перспективным средством разработки сложных программных систем.

Практическая часть

модульный программирование ориентированный объектный

Предприятие ООО «Красный Октябрь» осуществляет деятельность, связанную с выпуском различных видов деталей для промышленного оборудования. Для повышения эффективности функционирования предприятия ежемесячно производится анализ плановых и фактических показателей выпуска продукции. Данные фактических и плановых показателей выпуска продукции приведены на рис.1 и рис.2

1. Построить таблицы по приведенным ниже данным.

2. Выполнить расчет отклонения фактических показателей от плановых в абсолютной и относительной форме, подвести итоги за месяц.

3. Результаты вычислений представить в виде консолидированной таблицы, содержащей сводные данные о выпущенной продукции.

4. Сформировать и заполнить форму сводной ведомости по учету выпущенной продукции за квартал (рис 1.3)

5. Результаты плановых и фактических показателей выпуска продукции за квартал по каждой бригаде представить в графическом виде.

Ведомость учета выпущенной продукции за январь 2006г.

Ведомость учета выпущенной продукции за февраль 2006г.

Ведомость учета выпущенной продукции за март 2006г.

Плановые показатели выпуска продукции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Сводная ведомость учета выпуска продукции за квартал

Для решения данной экономической задачи была выбрана среда табличного процессора MS Excel.