Разработка структуры программы и модульное программирование

Приступая к разработке ПП следует помнить, что ПП является большой системой, поэтому должны приниматься меры по ее упрощению. Одним из основополагающих принципов упрощения является принцип “разделяй и властвуй”, который получил научное название декомпозиция. При разработке ПП этот принцип реализуют путем разработки большой программы по частям, которые называют программными модулями, а сам такой метод разработки программ называют модульным программированием

Что в теории понимается под модулем?

Модуль – это замкнутая программа, которую можно вызвать из другого модуля и самостоятельно откомпилировать. Другое определение: программный модуль – это любой фрагмент описания процесса, оформляемый как самостоятельный программный продукт, пригодный для использования в описаниях процесса.

Модуль – это программа, обладающая тремя основными атрибутами:

1. 1. он выполняет одну или несколько функций;
2. 2. модуль реализует некоторую логику (алгоритм).
3. 3. используется в одном или нескольких контекстах.

При этом функция – это то, что делает модуль, а не то, как он это делает. А вот логика характеризует, как модуль выполняет свои функции. Контекст описывает конкретное применение.

Основная причина по которой разрабатываемое ПО разбивается на модули – борьба со сложностью ПО.

Принципы модульного программирования позволяют получать программные комплексы минимальной сложности. Эти  принципы следующие:

а) усиление внутренних связей в каждом модуле (иначе принцип называется повышением прочности модуля);

б) ослабление взаимосвязи между модулями (иначе этот принцип называется ослаблением сцепления модулей).

Если рассматривать программу как набор предложений, связанных между собой некоторыми отношениями (как по выполняемым функциям, так и по обрабатываемым данным), то применение принципов модульного программирования означает, что необходимо распределить предложения программы по отдельным модулям так, чтобы предложения внутри каждого модуля были тесно связаны, а связь между любыми двумя модулями была минимальной.

Стиль программирования – это способ построения программ, концептуальной основой которых являются соответствующая система понятий, стиль мышления и подход к решению задач.

Модульный стиль программирования заключается в том, что алгоритм любой исходной задачи представляется как композиция алгоритмов простых подзадач, последовательно выделенных из исходной задачи. Каждая подзадача может быть реализована с помощью функций и процедур или с помощью модулей. Поскольку в этом случае каждая подзадача имеет структуру, аналогичную структуре исходной основной программы, то можно продолжить детализацию каждой из подпрограмм (принцип декомпозиции).

Однако на практике при реализации больших проектов процедуры и функции оказываются недостаточно удобным средством по следующим причинам:

•  большой объем текста программы затрудняет ее понимание;

•  всякий раз после изменения программы ее необходимо перекомпилировать, затрачивая определенное время;

Поэтому структурные элементы подзадач, полученные в процессе декомпозиции исходной задачи, часто реализуются в виде программных модулей, расширяющих понятие подпрограмм. Программа исходной задачи теперь будет состоять из главного модуля и дополнительных модулей (или просто модулей). Главный модуль – это основная программа, использующая модули. Модуль – это совокупность операторов, описывающих независимые функции обработки программы исходной задачи. Модуль разрабатывается и может быть скомпилирован отдельно от главного модуля. Сам модуль может иметь средства связи с другими модулями.

При проектировании программы формируется иерархия модулей. Главный модуль передает подготовленные параметры и управление модулю, который сам может передавать управление и параметры другим модулям, последние после выполнения в них программного кода возвращают управление назад, вызвавшему его модулю. Подобная структура независимых модулей позволяет легко модифицировать программу исходной задачи путем замены старых модулей на новые, добавления и удаления ненужных модулей.

Метод восходящей разработки заключается в следующем. Сначала строится модульная структура программы в виде дерева. Затемпоочередно программируются модули программы, начиная с модулей самого нижнего уровня (листья дерева модульной структуры программы), в таком порядке, чтобы для каждого программируемого модуля были уже запрограммированы все модули, к которым он может обращаться. После того, как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в принципе в таком же (восходящем) порядке, в каком велось их программирование. На первый взгляд такой порядок разработки программы кажется вполне естественным: каждый модуль при программировании выражается через уже запрограммированные непосредственно подчиненные модули, а при тестировании использует уже отлаженные модули. Однако, современная технология не рекомендует такой порядок разработки программы. Во-первых, для программирования какого-либо модуля совсем не требуется текстов используемых им модулей – для этого достаточно, чтобы каждый используемый модуль был лишь специфицирован (в объеме, позволяющем построить правильное обращение к нему), а для тестирования его возможно (и даже, как мы покажем ниже, полезно) используемые модули заменять их имитаторами (заглушками). Во-вторых, каждая программа в какой-то степени подчиняется некоторым внутренним для нее, но глобальным для ее модулей соображениям (принципам реализации, предположениям, структурам данных и т.п.), что определяет ее концептуальную целостность и формируется в процессе ее разработки. При восходящей разработке эта глобальная информация для модулей нижних уровней еще не ясна в полном объеме, поэтому очень часто приходится их перепрограммировать, когда при программировании других модулей производится существенное уточнение этой глобальной информации (например, изменяется глобальная структура данных). В-третьих, при восходящем тестировании для каждого модуля (кроме головного) приходится создавать ведущую программу (модуль), которая должна подготовить для тестируемого модуля необходимое состояние информационной среды и произвести требуемое обращение к нему. Это приводит к большому объему “отладочного” программирования и в то же время не дает никакой гарантии, что тестирование модулей производилось именно в тех условиях, в которых они будут выполняться в рабочей программе.

Метод нисходящей разработки заключается в следующем. Как и в предыдущем методе сначала строится модульная структура программы в виде дерева. Затем поочередно программируются модули программы, начиная с модуля самого верхнего уровня (головного), переходя к программированию какого-либо другого модуля только в том случае, если уже запрограммирован модуль, который к нему обращается. После того, как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в таком же (нисходящем) порядке. При таком порядке разработки программы вся необходимая глобальная информация формируется своевременно, т.е. ликвидируется весьма неприятный источник просчетов при программировании модулей. Существенно облегчается и тестирование модулей, производимое при нисходящем тестировании программы. Первым тестируется головной модуль программы, который представляет всю тестируемую программу и поэтому тестируется при “естественном” состоянии информационной среды, при котором начинает выполняться эта программа. При этом все модули, к которым может обращаться головной, заменяются на их имитаторы (так называемые заглушки. Каждый имитатор модуля представляется весьма простым программным фрагментом, сигнализирующим, в основном, о самом факте обращения к имитируемому модулю с необходимой для правильной работы программы обработкой значений его входных параметров (иногда с их распечаткой) и с выдачей, если это необходимо, заранее запасенного подходящего результата. После завершения тестирования и отладки головного и любого последующего модуля производится переход к тестированию одного из модулей, которые в данный момент представлены имитаторами, если таковые имеются. Для этого имитатор выбранного для тестирования модуля заменяется на сам этот модуль и добавляются имитаторы тех модулей, к которым может обращаться выбранный для тестирования модуль. При этом каждый такой модуль будет тестироваться при “естественных” состояниях информационной среды, возникающих к моменту обращения к этому модулю при выполнении тестируемой программы. Таким образом большой объем “отладочного” программирования заменяется программированием достаточно простых имитаторов используемых в программе модулей. Кроме того, имитаторы удобно использовать для подыгрывания процессу подбора тестов путем задания нужных результатов, выдаваемых имитаторами.