programowanie - Politechnika Krakowska

POLITECHNIKA KRAKOWSKA - WIEiK –
KATEDRA AUTOMATYKI i TECHNIK INFORMACYJNYCH
Metody Programowania
www.pk.edu.pl/~zk/MP_HP.html
Wykładowca:
dr inż. Zbigniew Kokosiński
[email protected]
Wykład 15: Klasyczne techniki programowania
• Programowanie strukturalne – E.W. Dijkstra (1968)
• Wady instrukcji GO TO
• Instrukcje strukturalne
• Metody projektowania programów
• Zasada abstrakcji – poziomy abstrakcji
• Programowanie modularne
• Graficzne przedstawianie programów
• Schematy blokowe i diagramy strukturalne
• Niestrukturalność
• Metoda skrzynek zastępczych
• Automatyzacja w tworzeniu programów – CASE
Programowanie strukturalne
Böhm i Jacopini (1966) stworzyli podstawy teoretyczne
programowania strukturalnego wykorzystującego tylko trzy
podstawowe struktury: sekwencji instrukcji, warunku (if-thenelse) oraz pętli.
Większość języków programowania zawierała wówczas popularną
instrukcję GO TO. Dopiero list E.W. Dijkstry wskazujący na
szkodliwość instrukcji GO TO i postulujący jej eliminację ze
wszystkich języków programowania stanowił punkt zwrotny.
Rozpoczęła się era programowania strukturalnego.
Algorytm, a w ślad za nim program, powinien mieć strukturę
zbliżoną do liniowej, pozbawioną krzyżujących się pętli i
charakteryzującą się pojedynczym wejściem i wyjściem z każdego
podprogramu.
Niestosowanie się do tych zaleceń jest źródłem wielu problemów i
utraty kontroli nad programem przez programistę.
Niestrukturalny schemat algorytmu
Wady instrukcji GO TO
1. Brak logicznej definicji tej instrukcji, może być stosowana
wielokrotnie według uznania programisty w różnych miejscach
programu.
2. Przekazywanie sterowania w dowolne miejsce programu
narusza jego strukturę hierarchiczną.
3. Program napisany przez jednego programistę staje się
nieczytelny dla drugiego, chociaż może być równocześnie
logicznie poprawny i efektywny.
4. Stosowanie instrukcji GO TO utrudnia – jeśli nie uniemożliwia –
formalne (zautomatyzowane) dowodzenie poprawności
programów.
5. W maszynach z pamięcią wirtualną lub notatnikową wykonanie
programu jest wyraźnie dłuższe.
Schemat blokowy programu
Wersja strukturalna i niestrukturalna
Program:
i:=1;
P: if i>n then go to N
else if a[i]=x then go to Z
else i:=I+1;
go to P;
N: begin n:=i; a[i]:=x; b[i]:=0; end;
Z: b[i]:=b[i]+1;
Szkielet programu:
Program strukturalny:
δ1;
P: if τ1 then go to N
else if τ2 then go to Z
else δ2;
go to P;
N: δ3;
Z: δ4;
δ1;
while ~τ1 and ~τ2 do δ2;
if τ1 then δ3;
δ4;
Instrukcje strukturalne 1
• struktura sekwencji
• struktura warunkowa: a) uproszczona, b) pełna
Instrukcje strukturalne 2
• struktura wyboru
Przykład: implementacje rozgałęzienia
• n-wartościowego dla n=8 : a) szeregowa, b) kaskadowa
Instrukcje strukturalne 3
• struktury pętli : a) until, b) while
Przykład: zagnieżdżanie pętli
a) sekwencja b) pierwsza pętla c) pętla zagnieżdżona
Przykład: schematy nietypowe
a) z instrukcją exit , b) z pomocniczą zmienną
Metody projektowania programów
Pisanie dużych i złożonych programów wymaga podejścia
systematycznego, obejmującego :
• zdefiniowanie problemu do rozwiązania (opis funkcji programu)
• specyfikację systemu (określenie wymagań pod kątem końcowego
użytkownika)
Struktura problemu zapisywana jest zwykle w sposób sformalizowany
w celu ułatwienia kodowania i późniejszej weryfikacji .
Projektowanie obejmuje dostosowanie do własności i ograniczeń
środowiska, optymalizację i sposób obsługi programu (komunikację z
użytkownikiem). Efektem programowania jest hierarchiczna struktura
składników proceduralnych (funkcyjnych) programu, relacje pomiędzy
nimi i sposób przekazywania danych.
Metody projektowania programów
Schematy planowania:
• kolejne poziomy abstrakcji definiowane intuicyjnie metodą
top-down (Dijkstra); metoda alternatywna: bottom-up.
• podobna metoda, ale w oparciu o określone kryteria
(Constaine, Myers)
• metoda jak wyżej, ale rozszerzona o matematyczne dowodzenia
poprawności (Myers) - wymaga przygotowania matematycznego
• podział programu na powiązane ze sobą moduły - celem
dekompozycji jest minimalizacja liczby tych powiązań,
a tym samym redukcję wymiany informacji pomiędzy modułami
(Parnas)
• punktem wyjścia jest określenie struktur danych programu
(Jackson, Warnier)
Zasada abstrakcji
Konkretne obliczenie reprezentuje zwykle całą klasę obliczeń.
Zasada abstrakcji polega na uogólnieniu szczególnego
przypadku problemu.
Wielokrotne zastosowanie zasady abstrakcji prowadzi do
zbudowania systemu hierarchicznego.
Na czym polega abstrahowanie?
1. Rozważamy w sposób ogólny rozmiary problemu i wartości
danych wejściowych.
2. Program opisuje nie jeden ale całą rodzinę procesów
obliczeniowych. Treść programu odzwierciedla wspólne
istotne właściwości wszystkich procesów danej klasy.
3. Przetwarzanie danych obejmuje tylko aspekty istotne dla
rozwiązania danego problemu. Dane wejściowe są
szczegółowe na tyle, aby rozwiązać problem.
Przykład: poziomy opisu
Poziomy abstrakcji
• żaden poziom „nie wie”
o własnościach i istnieniu
poziomów wyższych
• komunikacja pomiędzy
poziomami odbywa się
za pomocą sztywnych
pośrednictw (interfejsów)
• każdy poziom jest
zestawem modułów
• każdy poziom posiada
pewne zasoby, albo ukryte
przed innymi poziomami,
albo udostępnione w
postaci odpowiedniej
abstrakcji
Programowanie modularne
moduł = względnie niezależna
jednostka programu
(podprogram)
Moduły w językach
programowania:
MODULA2 (MODULE nazwa)
Turbo Pascal (unit nazwa)
ADA (package nazwa is)
C++ (static class nazwa
nazwa_obiektu)
moduł z zewnątrz – czarna
skrzynka (nazwa+funkcje)
moduł od środka – wszystkie
algorytmy zawarte w module
Programowanie modularne
Prostotę systemu modułowego osiąga się przez :
•
•
minimalizację powiązań międzymodułowych
maksymalizację połączeń wewnętrznych
Systemy modułowe powiązane: a) ściśle, b) luźno
Graficzne
przedstawianie
programów
A. Sieci działań
B. Diagramy strukturalne:
1 – sekwencja
2, 3 – decyzje
4, 5 – pętle
Tworzenie i strukturogramu
a) kolejne etapy budowy diagramu, b) przebieg sterowania
Tworzenie i strukturogramu
a) pętla while, b) pętla repeat, c) pętla z wyjściem wielokrotnym,
d) Pętla w pętli z badaniem z dołu.
Podstawowe elementy niestrukturalne
Metoda skrzynek (bloków) zastępczych
Zasady ogólne transformacji
schematu :
1. Wprowadzamy dodatkową
zmienną, oznaczoną przez np. I
2. Każdej „skrzynce” w
niestrukturalnym schemacie
blokowym przyporządkuj numer
porządkowy (STOP – numer 0).
Ponadto w miejscu skrzynki
start wpisuje się instrukcję
I:=1.
3. Do schematu blokowego
wprowadza się skrzynki
„zastępcze”.
4. Transformacja jest
wykonywana w oparciu o
schemat blokowy, jak na
rysunku.
Metoda skrzynek zastępczych
Metoda skrzynek zastępczych – przykład
Cykl życia programowania – model
kaskadowy
Fazy modelu kaskadowego :
• specyfikacja założeń
• projekt wstępny - struktury
• projekt szczegółowy
• programowanie (kodowanie)
• integracja (scalanie)
• utrzymanie (maintenance)
Cykl życia programowania – model
kaskadowy
Automatyzacja tworzenia programów
CASE (ang. computer –aided software engineering)
Zbiór narzędzi do automatyzacji tworzenia programów.
Cele CASE:
• identyfikacja obiektu, dla którego należy skonstruować
system informatyczny
• analiza i dekompozycja problemu na składowe systemu
• dobór właściwych narzędzi i metod realizacji tych
składowych
• synteza systemu informatycznego
Literatura
Malina W., Szwoch M. : Techniki programowania, Wydawnictwo PG, Gdańsk
2001