Тема 8. Программное обеспечение и технологии программирования

Системное ПО (System Software) – это программы и комплексы программ, являющиеся общими для всех, кто совместно использует технические средства компьютера, и применяемые как для автоматизации разработки (создания) новых программ, так и для организации выполнения программ существующих.

Прикладные программы предназначены для того, чтобы обеспечить применение вычислительной техники в различных сферах деятельности человека.

Инструментальное программное обеспечение входит в состав системного ПО, к нему относят среды и системы программирования.

Система программирования — это система для разработки новых программ на конкретном языке программирования.

Современные системы программирования обычно предоставляют пользователям мощные и удобные средства разработки программ. В них входят:

· компилятор или интерпретатор;

· интегрированная среда разработки;

· средства создания и редактирования текстов программ;

· обширные библиотеки стандартных программ и функций;

· отладочные программы, т.е. программы, помогающие находить и устранять ошибки в программе;

· "дружественная" к пользователю диалоговая среда;

· многооконный режим работы;

· мощные графические библиотеки; утилиты для работы с библиотеками

· встроенный ассемблер;

· встроенная справочная служба;

· другие специфические особенности.

Популярные системы программирования — Turbo Basic, Quick Basic, Turbo Pascal, Turbo C.

Структурное программирование — методология разработки программного обеспечения, предложенная в 70-х года XX века Дейкстрой и разработанная и дополненная Виртом.

В соответствии с данной методологией любая программа представляет собой структуру, построенную из трёх типов базовых конструкций:

· последовательное исполнение — однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы;

· ветвление — однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия;

· цикл — многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие (условие продолжения цикла).

Структурное программирование - это методология программирования, основанная на суждении, что логичность и понятность программы является залогом ее надежности, облегчает и ускоряет разработку программы, ее освоение, сопровождение и дальнейшую ее модификацию.

Характерной чертой структурного программирования являет его отказ от использования оператора безусловного перехода goto для передачи управления, ограниченное использование глобальных переменных, модульность программ.

Алгоритм и программа должны составляться поэтапно (то есть по шагам).

Сложная задача должна разбиваться на достаточно простые, легко воспринимаемые части, каждая из которых имеет только один вход и только один выход. Логика алгоритма и программы должны опираться на минимальное число достаточно простых базовых управляющих структур.

Фундаментом структурного программирования является теорема о структурировании. Эта теорема устанавливает, что как бы ни была сложна задача, схема ее алгоритма может быть представлена с использованием ограниченного числа базисных управляющих структур. Эти элементарные структуры могут соединяться между собой, образуя более сложные структуры, по тем же самым элементарным схемам. Базовыми элементарными структурами являются следующие:

Базисная структура типа "следование". Имеет следующий смысл: "Выполнить S"

Базисная структура типа "ветвление". Имеет следующий смысл: "Если P то выполнить S1 иначе выполнить S2"

Базисная структура типа "цикл с предусловием". Имеет следующий смысл: "Пока P выполнять S"

Объектно-ориентированное программирование представляет собой метод программирования, который 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.

Объекты. Объект – это совокупность свойств (структур данных, характерных для этого объекта), методов их обработки (подпрограмм изменения свойств) и событий, на которые данный объект может реагировать и которые приводят к изменению объекта.

Объекты моделируют характеристики и поведение элементов мира, в котором мы живем. Они являются окончательной абстракцией данных.Не менее важным является и тот факт, что объекты могут наследовать характеристики и поведение того, что мы называем порождающие, родительские объекты (или предки). Класс. Объекты могут иметь идентичную структуру и отличаться только значениями свойств. В таких случаях в программе создается новый тип, основанный на единой структуре объекта. Он называется классом, а каждый конкретный объект, имеющий структуру этого класса, называется экземпляром класса.Объектно-ориентированный язык программирования характеризуется тремя основными свойствами:1. Инкапсуляция.2. Наследование.

3. Полиморфизм.

Наследование. Наследованием называется возможность порождать один класс от другого с сохранением всех свойств и методов класса-предка (иногда его называют суперклассом) и добавляя, при необходимости, новые свойства и методы. Наследование призвано отобразить такое свойство реального мира, как иерархичность.

Полиморфизмом называют явление, при котором классы-потомки могут изменять реализацию метода класса-предка, сохраняя его сигнатуру (таким образом, сохраняя неизменным интерфейс класса-предка). Это позволяет обрабатывать объекты классов-потомков как однотипные объекты, не смотря на то, что реализация методов у них может различаться.

Инкапсуляция — это принцип, согласно которому любой класс должен рассматриваться как чёрный ящик — пользователь класса должен видеть и использовать только интерфейс (т.е. список декларируемых свойств и методов) класса и не вникать в его внутреннюю реализацию. Этот принцип (теоретически) позволяет минимизировать число связей между классами и, соответственно, упростить независимую реализацию и модификацию классов.

Визуальное программирование.Технологии объектного, событийного и структурного программирования объединяются в RAD-системах, которые содержат много готовых классов, представленных в виде визуальных компонентов, которые добавляются в программу одним щелчком. Программисту необходимо спроектировать внешний вид окон приложений и определить обработку событий, весь вспомогательный код программа сгенерирует сама.

Программирование (programming) - теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ. Решение задач на компьютере включает в себя следующие основные этапы, часть из которых осуществляется без участия компьютера.

1. Постановка задачи:

• сбор информации о задаче;

• формулировка условия задачи;

• определение конечных целей решения задачи;

• определение формы выдачи результатов;

• описание данных (их типов, диапазонов величин, структуры и т. п.).

2. Анализ и исследование задачи, модели:

• анализ существующих аналогов;

• анализ технических и программных средств;

• разработка математической модели;

• разработка структур данных.

3. Разработка алгоритма:

• выбор метода проектирования алгоритма;

• выбор формы записи алгоритма (блок-схемы, псевдокод и др.);

• выбор тестов и метода тестирования;

• проектирование алгоритма.

4. Программирование:

• выбор языка программирования;

• уточнение способов организации данных;

• запись алгоритма на выбранном языке

программирования.

5. Тестирование и отладка:

• синтаксическая отладка;

• отладка семантики и логической структуры;

• тестовые расчеты и анализ результатов тестирования;

• совершенствование программы.

6. Анализ результатов решения задачи и уточнение в случае необходимости математической модели с повторным выполнением этапов 2-5.

7. Сопровождение программы:

• доработка программы для решения конкретных задач;

• составление документации к решенной задаче, к математической модели, к алгоритму, к программе, к набору тестов, к использованию.

Литература: [1], с. 150-209.

Тема 7. Базы данных.

Базы данных. Системы управления базами данных и базами знаний. Объекты баз данных. Основные операции с данными. Назначение и основы использования систем искусственного интеллекта; базы знаний, экспертные системы, искусственный интеллект.

В настоящее время успешное функционирование различных фирм, организаций и предприятий просто не возможно без развитой информационной системы, которая позволяет автоматизировать сбор и обработку данных. Обычно для хранения и доступа к данным, содержащим сведения о некоторой предметной области, создается база данных.

База данных (БД) — именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Под предметной областью принято понимать некоторую область человеческой деятельности или область реального мира, подлежащих изучению для организации управления и автоматизации, например, предприятие, вуз и.т.д.

Система управления базами данных (СУБД) — совокупность языковых и про­граммных средств, предназначенных для создания, наполнения, обновления и удаления баз данных.

Система специальным образом организованных данных – баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования называется банком данных.

Основополагающими понятиями в концепции баз данных являются обобщенные категории «данные» и «модель данных».

Понятие «данные» в концепции баз данных — это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие фак­торы. Модель данных — это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к кон­кретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимо­связь между ними.

С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. В зависимости от вида организации данных различают следующие важнейшие модели БД:

· иерархическую

· сетевую

· реляционную

· объектно-ориентированную

Реляционная БД получила свое название от английского термина relation (отношение). Была предложена в 70-м году сотрудником фирмы IBM Эдгаром Коддом. Реляционная БД представляет собой совокупность таблиц, связанных отношениями. Достоинствами реляционной модели данных являются простота, гибкость структуры. Кроме того ее удобно реализовывать на компьютере. Большинство современных БД для персональных компьютеров являются реляционными.

Коммерческие системы на основе реляционной модели данных начали появляться в конце 70-х – начале 80-х годов. В настоящее время существует несколько сотен ти­пов различных РСУБД как для мейнфреймов, так и для микрокомпью­теров, хотя многие из них не полностью удовлетворяют точному определению реля­ционной модели данных. Примерами РСУБД для персональных компьютеров являются СУБД Access и FoxPro фирмы Microsoft, Paradox и Visual dBase фирмы Borland, а также R:Base фирмы Microrim.

Благодаря популярности реляционной модели многие нереляционные системы те­перь обеспечиваются реляционным пользовательским интерфейсом, независимо от используемой базовой модели.

Реляционная модель основана на математическом понятии отношения, физическим представлением которого является таблица. Атрибут - это поименованный столбец отношения.

Домен – это набор допустимых значений для одного или нескольких атрибутов.

Элементами отношения являются кортежи, или строки, таблицы. Кортеж – это строка отношения. Кортежи могут располагаться в любом порядке, при этом отношение будет оставать­ся тем же самым, а значит, и иметь тот же смысл.

Описание структуры отношения вместе со спецификацией доменов и любыми другими ограничениями возможных значений атрибутов иногда называют его заго­ловком (или содержанием (intension)). Обычно оно является фиксированным, до тех пор пока смысл отношения не изменяется за счет добавления в него дополнительных атрибутов. Кортежи называются расширением (extension), состоянием (state) или те­лом отношения, которое постоянно меняется.

Степень отношения определяется количеством атрибутов, кото­рое оно содержит.

Отношение только с одним атрибутом имеет степень 1 и называется унарным (unary) отношением (или 1-арным кортежем). Отношение с двумя атрибутами называется бинарным (binary), отноше­ние с тремя атрибутами – тернарным (ternary), а для отношений с большим количеством атрибутов используется термин n-арный (n-ary). Определение степени отношения является частью заголовка отношения.

Количество содержащихся в отношении кортежей называется кардинальностью отношения. Эта характеристика меняется при каждом добавлении или удалении кортежей. Кардинальность является свойством тела отношения и определяется те­кущим состоянием отношения в произвольно взятый момент.

Отношение обладает следующими характеристиками:

· оно имеет имя, которое отличается от имен всех других отношений;

· каждая ячейка отношения содержит только атомарное (неделимое) значение;

· каждый атрибут имеет уникальное имя;

· значения атрибута берутся из одного и того же домена;

· порядок следования атрибутов не имеет никакого значения;

· каждый кортеж является уникальным, т.е. дубликатов кортежей быть не может;

· теоретически порядок следования кортежей в отношении не имеет никако­го значения. (Однако практически этот порядок может существенно по­влиять на эффективность доступа к ним.)

Записи в таблице могут зависеть от одной или несколь­ких записей другой таблицы. Такие отношения между таблицами называются связями. Связь определяется следующим образом: поле или несколько полей одной таблицы, называемое внешним ключом, ссылается на первичный ключ другой таблицы.

Типы связей. Существует три типа связей между таблицами.

Один к одному — каждая запись родительской таблицы связана только с одной запи­сью дочерней. Такая связь встречается на практике намного реже, чем отношение один ко многим и реализуется путем определения уникального внешнего ключа. Связь один к одному используют, если не хотят, чтобы таблица «распухала» от большого числа полей. Базы данных, в состав которых входят таблицы с такой связью не могут считаться полностью нормализованными.

Один ко многим — каждая запись родительской таблицы связана с одной или не­сколькими записями дочерней. Например, один клиент может сделать несколько заказов, однако несколько клиентов не могут сделать один заказ. Связь один ко многим является самой распространенной для реляционных баз данных.

Многие ко многим — несколько записей одной таблицы связаны с несколькими записями другой. Например, один автор может написать несколько книг и не­сколько авторов — одну книгу. В случае такой связи в общем случае невозможно определить, какая запись одной таблицы соответствует выбранной записи другой таблицы, что делает неосуществимой физическую (на уровне индексов и триггеров) реализацию такой связи между соответствующими таблицами. Поэтому перед переходом к физической модели все связи "многие ко многим" должны быть переопределены (некоторые CASE-средства, если таковые используются при проектировании данных, делают это автоматически). Подобная связь между двумя таблицами реализу­ется путем создания третьей таблицы и реализации связи типа «один ко многим» каждой из имеющихся таблиц с промежуточной таблицей.

Литература: [1], с. 5-19; [2], с. 135-156.