Программное обеспечение и технологии программирования.

Процедурное программирование

Процедурное или императивное (от лат. imperativus - повелительный) программирование есть отражение фон Неймановской архитектуры компьютера. Программа на процедурном языке состоит из последовательности команд, определяющих процедуру решения задачи. Основным является оператор присваивания, предназначенный для определения и изменения содержимого памяти компьютера. Концепция памяти как места хранения данных, значения которых можно изменять операторами программы, является фундаментальным в императивном программировании.

Выполнение программы сводится к последовательному выполнению операторов с целью преобразования исходного состояния памяти, т.е. программа последовательно обновляет содержимое памяти, изменяя его от исходного состояния до результирующего.

Функциональное программирование

Суть функционального {аппликативного) программирования определена А.П. Ершовым как «способ составления программ, в которых единственным действием является вызов функции, единственным способом расчленения программы на части является введение имени функции, а единственным правилом композиции — оператор суперпозиции функций. Никаких ячеек памяти, ни операторов присваивания, ни циклов, ни, тем более, блок-схем, ни передачи управления».

Основной конструкцией в функциональных языках является выражение. К выражениям относятся константы, структурированные

объекты, функции, их тела и вызовы функций. Аппликативный язык программирования включает следующие элементы:

• классы констант, которыми могут манипулировать функции;

• набор базовых функций, которые можно использовать без предварительного объявления;

• правила построения новых функций из базовых;

• правила формирования выражений на основе вызовов функций. Программа представляет собой последовательность описаний

функций и выражения, которые необходимо вычислить. Выражение вычисляется методом редукции, т.е. проводится серия упрощений, до тех пор, пока это возможно по следующим правилам: вызовы базовых функций заменяются соответствующими значениями; вызовы не базовых функций заменяются их телами, в которых параметры заменены аргументами.

Функциональное программирование не рассматривает память как хранилище значений. Понятие оператора присваивания отсутствует, поэтому переменные обозначают объекты программы, что полностью соответствует понятию переменной в математике. Можно составлять программы и без переменных. Нет существенных различий между константами и функциями, т.е. между программами и данными. В результате этого функция может быть значением вызова другой функции и может быть элементом структурированного объекта. Число аргументов при вызове функции не обязательно должно совпадать с числом параметров, указанных при ее описании.

Первым таким языком стал Лисп (LISP, LIStProcessing — обработка списков), созданный в 1959 г. Джоном Маккарти. Этот язык ориентирован на структуру данных в форме списка и позволяет организовать эффективную обработку больших объемов текстовой информации. Существенная черта языка - унификация программных структур и структур данных: все выражения записываются в виде списков.

Логическое программирование

Создание языка искусственного интеллекта Пролог (PROLOG, Programming in LOGic — программирование в терминах логики) в 1973 г. французским ученым Аланом Кольмероэ открыло новую область — логическое или реляционное программирование.

Центральным понятием в логическом программировании является отношение Программа представляет собой совокупность определений отношений между объектами и цели Процесс выполнения программы трактуется как процесс общезначимости логической формулы, построенной из программы по правилам, установленным семантикой используемого языка Результат вычисления является побочным продуктом этого процесса. В логическом программировании нужно только специфицировать факты, на которых основывается алгоритм, а не определять последовательность шагов, которые требуется выполнить. Это свидетельствует о декларативности языка логического программирования. Логические программы имеют небольшое быстродействие, так как вычисления осуществляются методом проб и ошибок, поиском с возвратами к предыдущим шагам

Программа на языке Пролог, в основу которой положена математическая модель теории исчисления предикатов, строится из последовательности фактов и правил, затем формулируется утверждение, которое Пролог будет пытаться доказать с помощью введенных правил Пользователь только описывает структуру задачи, а внутренний механизм Пролога сам ищет решение с помощью методов поиска и сопоставления

Объектно-ориентированное программирование (ООП)

Пионером данного направления явился язык Смолток {Smalltalk), первоначально предназначенный для реализаций функций машинной графики. Работа над языком началась в 1970 г в исследовательской лаборатории XEROX (США), а закончилась в 1980 г окончательным вариантом интерпретатора Smalltalk-80. Данный язык оригинален тем, что его синтаксис очень компактен и базируется исключительно на понятии объекта. В нем отсутствуют операторы или данные, все, что входит в Смолток, является объектами, а объекты общаются друг с другом исключительно с помощью сообщений. В настоящее время версия VisualAge for Smalltalk активно развивается компанией IBM.

Основой объектно-ориентированного программирования (ООП) является понятие объект Его сущность выражается формулой «объект = данные + процедуры». Каждый объект содержит некоторую структуру данных и доступные только ему процедуры (методы) обработки этих данных. Используя эту методологию, можно создать свой собственный абстрактный тип и отобразить проблемную область в эту созданную абстракцию вместо традиционного ее отображения в предопределенные управляющие структуры и структуры данных языка программирования Объединение данных и свойственных им процедур обработки в одном объекте называется инкапсуляцией и присуще ООП.

Другим фундаментальным понятием ООП является класс. Класс — это шаблон, на основе которого может быть создан конкретный программный объект, он определяет свойства и методы объекта, принадлежащего этому классу, соответственно, любой созданный объект становится экземпляром класса. Класс обеспечивает скрытие данных, их гарантированную инициализацию, неявное преобразование типов для типов, определенных пользователем, динамическое задание типа, контролируемое пользователем управление памятью и механизмы перегрузки операций.

ООП является более естественным, так как предоставляет возможность выбрать имеющиеся или создать новые объекты и организовать взаимодействия между ними. Следовательно, объектно-ориентированные языки по сравнению с процедурными являются языками более высокого уровня.

При создании новых объектов их свойства могут добавляться или наследоваться от объектов-предков. Наследование предусматривает создание новых классов на базе существующих, что дает возможность классу-потомку иметь (наследовать) все свойства класса-родителя. В процессе работы с объектами допускается полиморфизм — возможность использования методов с одинаковыми именами для обработки данных разных типов. Полиморфизм (от греч «мНоголикость») означает, что рожденные объекты обладают информацией о том, какие методы они должны использовать в зависимости от того, в каком месте цепочки наследования они находятся. Другим основополагающим принципом ООП является модульность, — объекты заключают в себе полное определение их характеристик, никакие определения методов и свойств объекта не должны располагаться вне его, это делает возможным свободное копирование и внедрение одного объекта в другие.

К наиболее современным объектно-ориентированным языкам программирования относятся C++ и Java.

Этапы подготовки и решения Задач на компьютере

Компьютер предназначен для решения разнообразных задач: научно-технических, инженерных, разработки системного программного обеспечения, обучения, управления производственными процессами и т.д.. В процессе подготовки и решения на компьютере научно-технических задач можно выделить следующие этапы:

1. Постановка задачи - формулируется цель решения задачи, подробно описывается ее содержание; проводится анализ условий, при которых решается поставленная задача, выявляется область определения входных параметров задачи.

2 Формальное построение модели задачи - предполагает построение модели с характеристиками, адекватными оригиналу, на основе какого-либо его физического или информационного принципа; анализируется характер и сущность величин, используемых в задаче.

3. Построение математической модели задачи — характеризуется математической формализацией задачи, при которой существующие взаимосвязи между величинами выражаются с помощью математических соотношений. Как правило, математическая модель строится с определенной точностью, допущениями и ограничениями.

4 Выбор и обоснование метода решения — модель решения задачи реализуется на основе конкретных приемов и методов решения. В большинстве случаев математическое описание задачи трудно перевести на машинный язык. Выбор и использование метода решения позволяет свести решение задачи к конкретному набору машинных команд При обосновании метода решения рассматриваются вопросы влияния различных факторов и условий на конечный результат, в том числе на точность вычислений, время решения задачи на компьютере, требуемый объем памяти и др.

5. Построение алгоритма — на данном этапе составляется алгоритм решения задачи, в соответствии с выбранным методом решения. Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, определяется последовательность выполнения этих блоков.

6. Составление программы - алгоритм решения переводится на конкретный язык программирования.

7. Отладка программы - процесс устранения синтаксических и логических ошибок в программе. В процессе трансляции программы с помощью синтаксического и семантического контроля выявляются недопустимые конструкции и символы (или сочетания символов) для данного языка программирования. Компьютер выдает сообщение об ошибках в форме, соответствующей этому языку. Затем проверяется логика работы программы в процессе ее выполнения с конкретными исходными данными Для этого используются специальные методы. Например, в программе выбираются контрольные точки, для них подбираются тестирующие примеры и вручную находятся значения в этих точках, которые затем и сверяются со значениями, получаемыми компьютером на этапе отладки. Кроме того, используются отладчики, выполняющие специальные действия на этапе отладки, такие как удаление, замена или вставка отдельных операторов или целых фрагментов программы, вывод промежуточных результатов, изменение значений заданных переменных и др.

8 Решение задачи на компьютере и анализ результатов Теперь программу можно использовать для решения поставленной задачи. Первоначально выполняется многократное решение задачи на компьютере для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты анализируются специалистом, поставившим задачу. Разработанная программа поставляется заказчику в виде готовой к исполнению машинной программы. К ней прилагается документация, включающая инструкцию по эксплуатации. В задачах другого типа некоторые этапы могут отсутствовать. Например, проектирование программного обеспечения не требует построения математической модели.

Все приведенные этапы тесно связаны между собой. Например, анализ результатов может привести к необходимости внесения изменений в программу, алгоритм, метод решения или даже в постановку задачи.

Технологии программирования

Технология программирования - технологические процессы программирования и порядок их прохождения.

Аспектно-ориентированное сборочное программирование - разновидность сборочного программирования, основанная на сборке полнофункциональных приложений из многоаспектных компонентов, инкапсулирующих различные варианты реализации.

Восходящее программирование (Программирование "снизу вверх")

- методика разработки программ, при которой крупные блоки собираются из ранее созданных мелких блоков. Восходящее программирование начинается с разработки ключевых процедур и подпрограмм, которые затем постоянно модифицируются.

Императивное программирование - технология программирования, характеризующаяся принципом последовательного изменения состояния вычислителя пошаговым образом. При этом управление изменениями полностью определено и полностью контролируемо

Компонентное сборочное программирование - объектно-ориентированное сборочное программирование, основанное на распространении классов в бинарном виде и предоставление доступа к методам класса через строго определенные интерфейсы.

Компьютерный дарвинизм - подход к разработке программных систем, основанный на принципе восходящей разработки при интенсивном тестировании. Подход состоит из трех основных процессов: макетирования, тестирования и отладки.

Логическое программирование - программирование в терминах фактов и правил вывода, с использованием языка, основанного на формальных исчислениях.

Метод расширения ядра - метод восходящего программирования, при котором основное внимание уделяется выявлению множества вспомогательных модулей, а не определению функции всей программы в целом.

Модульное программирование - метод разработки программ, предполагающий разбиение программы на независимые модули. Считается, что:

- оптимальный по размерам модуль целиком помещается на экране дисплея;

- разделение большой программы на модули облегчает ее разработку, отладку и сопровождение.

Нисходящее программирование (Программирование "сверху вниз") - методика разработки программ, при которой разработка начинается с определения целей решения проблемы, после чего идет последовательная детализация, заканчивающаяся детальной программой.

Объектно-ориентированное программирование - технология программирования, при которой программа рассматривается как набор дискретных объектов, содержащих, в свою очередь, наборы структур данных и процедур, взаимодействующих с другими объектами.

Сборочное программирование - технология программирования, при которой программа собирается посредством повторного использования уже известных фрагментов программ.

Синтезирующее программирование - программирование, предполагающее синтез программы по ее спецификации.

Структурное программирование - методология и технология разработки программных комплексов, основанная на принципах:

- программирования "сверху-вниз";

- модульного программирования.

При этом логика алгоритма и программы должны использовать три основные структуры: последовательное выполнение, ветвление и повторение.