1.2. Модульное программирование
Модульное программирование является естественным следствием проектирования сверху вниз и заключается в том, что программа разбивается на части – модули, разрабатываемые по отдельности. В программировании под модулем понимается отдельная подпрограмма, а подпрограммы часто называются процедурами или процедурами-функциями. Поэтому модульное программирование еще называется процедурным.
Модуль должен обладать следующими свойствами:
- один вход и один выход – на входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет содержательную обработку и возвращает один набор результатных данных, т.е. реализуется стандартный принцип IPO (Input — Process — Output — вход-процесс-выход);
- функциональная завершенность – модуль выполняет перечень регламентированных операций для реализации каждой отдельной функции в полном составе, достаточных для завершения начатой обработки;
- логическая независимость – результат работы программного модуля зависит только от исходных данных, но не зависит от работы других модулей;
- слабые информационные связи с другими программными модулями – обмен информацией между модулями должен быть по возможности минимизирован;
- обозримый по размеру и сложности программный код.
Установить разумные размеры модулей трудно, хотя стоит придерживаться правила: выделять модули, пока это целесообразно. Обычно размеры модуля ограничены несколькими десятками строк кода на языке высокого уровня. Считается, что малый модуль лучше большого, поскольку с увеличением размеров модулей их восприятие и отладка усложняются ускоренными темпами. Кроме того, большие модули часто оказываются взаимозависимыми, и изменения в одном из них влекут необходимость модификации других.
Модули содержат определение доступных для обработки данных, операции обработки данных, схемы взаимосвязи с другими модулями.
Каждый модуль состоит из спецификации и тела. Спецификации определяют правила использования модуля, а тело – способ реализации процесса обработки.
Принципы модульного программирования программных продуктов во многом сходны с принципами нисходящего проектирования: сначала определяются состав и подчиненность функций, а затем — набор программных модулей, реализующих эти функции.
Однотипные функции реализуются одними и теми же модулями. Функция верхнего уровня обеспечивается главным модулем; он управляет выполнением нижестоящих функций, которым соответствуют подчиненные модули.
При определении набора модулей, реализующих функции конкретного алгоритма, необходимо учитывать следующее:
- каждый модуль вызывается на выполнение вышестоящим модулем и, закончив работу, возвращает управление вызвавшему его модулю;
- принятие основных решений в алгоритме выносится на максимально «высокий» по иерархии уровень;
- для использования одной и той же функции в разных местах алгоритма создается один модуль, который вызывается на выполнение по мере необходимости.
В результате дальнейшей детализации алгоритма создается функционально-модульная схема (ФМС) алгоритма приложения, являющася основой для программирования (рис. 1.2).
Состав и вид программных модулей, их назначение и характер использования в программе в значительной степени определяются инструментальными средствами.
Алгоритмы большой сложности обычно представляются с помощью схем двух видов:
- обобщенной схемы алгоритма – раскрывает общий принцип функционирования алгоритма и основные логические связи между отдельными модулями на уровне обработки информации (ввод и редактирование данных, вычисления, печать результатов и т.п.);
- д етальной схемы алгоритма – представляет содержание каждого элемента обобщенной схемы с использованием управляющих структур в блок-схемах алгоритма, псевдокода либо алгоритмических языков высокого уровня.
Наиболее часто детально проработанные алгоритмы изображаются в виде блок-схем согласно требованиям структурного программирования. При их разработке используются условные обозначения согласно:
- ГОСТ 19.003-80 ЕСПД (Единая система программной документации). Обозначения условные графические,
- ГОСТ 19.002-80 ЕСПД. Схемы алгоритмов и программ. Правила обозначения.
Модульные программы, модули и их свойства.
Модулем называют автономно компилируемую программную единицу. Термин «модуль» традиционно используется в двух смыслах. Первоначально, когда размер программ был сравнительно невелик, и все подпрограммы компилировались отдельно, под модулем понималась подпрограмма, т. е. последовательность связанных фрагментов программы, обращение к которой выполняется по имени. Со временем, когда размер программ значительно вырос, и появилась возможность создавать библиотеки ресурсов: констант, переменных, описаний типов, классов и подпрограмм, термин «модуль» стал использоваться и в смысле автономно компилируемый набор программных ресурсов.
Данные модуль может получать и/или возвращать через общие области памяти или параметры.
Первоначально к модулям (еще понимаемым как подпрограммы) предъявлялись следующие требования:
- отдельная компиляция;
- одна точка входа;
- одна точка выхода;
- соответствие принципу вертикального управления;
- возможность вызова других модулей;
- небольшой размер (до 50-60 операторов языка);
- независимость от истории вызовов;
- выполнение одной функции.
Со временем, когда основные требования структурного подхода стали поддерживаться языками программирования, и под модулем стали понимать отдельно компилируемую библиотеку ресурсов, требование независимости модулей стало основным.
Практика показала, что чем выше степень независимости модулей, тем:
- легче разобраться в отдельном модуле и всей программе и, соответственно, тестировать, отлаживать и модифицировать ее;
- меньше вероятность появления новых ошибок при исправлении старых или внесении изменений в программу, т. е. вероятность появления «волнового» эффекта;
- проще организовать разработку программного обеспечения группой программистов и легче его сопровождать.
Таким образом, уменьшение зависимости модулей улучшает технологичность проекта. Степень независимости модулей (как подпрограмм, так и библиотек) оценивают двумя критериями: сцеплением и связностью.
Сцепление и связность модулей.
Сцепление является мерой взаимозависимости модулей, которая определяет, насколько хорошо модули отделены друг от друга. Модули независимы, если каждый из них не содержит о другом никакой информации. Чем больше информации о других модулях хранит модуль, тем больше он с ними сцеплен. Различают пять типов сцепления модулей:
- по данным;
- по образцу;
- по управлению;
- по общей области данных;
- по содержимому.
Сцепление по данным предполагает, что модули обмениваются данными, представленными скалярными значениями. Сцепление по образцу предполагает, что модули обмениваются данными, объединенными в структуры. При сцеплении по управлению один модуль посылает другому некоторый информационный объект (флаг), предназначенный для управления внутренней логикой модуля. Сцепление по общей области данных предполагает, что модули работают с общей областью данных. В случае сцепления по содержимому один модуль содержит обращения к внутренним компонентам другого (передает управление внутрь, читает и/или изменяет внутренние данные или сами коды), что полностью противоречит блочно-иерархическому подходу. Отдельный модуль в этом случае уже не является блоком («черным ящиком»): его содержимое должно учитываться в процессе разработки другого модуля.
Связность – мера прочности соединения функциональных и информационных объектов внутри одного модуля. Если сцепление характеризует качество отделения модулей, то связность характеризует степень взаимосвязи элементов, реализуемых одним модулем. Различают следующие виды связности (в порядке убывания уровня):
- функциональную;
- последовательную;
- информационную (коммуникативную);
- процедурою;
- временную;
- логическую;
- случайную.
При функциональной связности все объекты модуля предназначены для выполнения одной функции. При последовательной связности функций выход одной функции служит исходными данными для другой функции. Информационно связанными считают функции, обрабатывающие одни и те же данные. Процедурно связаны функции или данные, которые являются частями одного процесса. Временная связность функций подразумевает, что эти функции выполняются параллельно или в течение некоторого периода времени. Логическая связь базируется на объединении данных или функций в одну логическую группу. В том случае, если связь между элементами мала или отсутствует, считают, что они имеют случайную связность.
Модульное программирование
Стандартный Паскаль не предусматривает механизмов раздельной компиляции частей программы с последующей их сборкой перед выполнением. Вполне понятно стремление разработчиков коммерческих компиляторов Паскаля включать в язык средства, повышающие его модульность.
Модуль–это автономно компилируемая программная единица, включающая в себя различные компоненты раздела описаний (типы, константы, переменные, процедуры и функции) и, возможно, некоторые исполняемые операторы инициирующей части.
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.
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.
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 одну входную и одну выходную точку».
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, в соответствии с определением, 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.
Таким образом, Парнас первым выдвинул концепцию скрытия информации (information hiding) в программировании. Однако существовавшие 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 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. 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.
Таким образом, количество модулей в комплексе 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 ею локальное действие было гарантировано независимым от влияния других частей программы при любых изменениях.
Впервые специализированная синтаксическая конструкция модуля была предложена Н. Виртом в 1975 г. и включена в его новый язык Modula. Насколько сильно изменяются свойства языка, при введении механизма модулей, свидетельствует следующее замечание Н.Вирта, сделанное им по поводу более позднего языка Модула-2: «Модули – самая важная черта, отличающая язык Модула-2 от его предшественника Паскаля».
По своей организации и характеру использования в программе модули Турбо Паскаля близки к модулям-пакетам (PACKAGE) языка программирования Ада. В них так же, как и в пакетах Ады, явным образом выделяется некоторая «видимая» интерфейсная часть, в которой сконцентрированы описания глобальных типов, констант, переменных, а также приводятся заголовки процедур и функций. Появление объектов в интерфейсной части делает их доступными для других модулей и основной программы. Тела процедур и функций располагаются в исполняемой части модуля, которая может быть скрыта от пользователя.