Лекции по программированию. Основные понятия классификация программного обеспечения
 Скачать 1.57 Mb.
|
|
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Программирование - в широком смысле представляет собой все технические операции, необходимые для создания программы, включая анализ требований и все стадии разработки и реализации. В узком смысле - это кодирование и тестирование программы в рамках некоторого конкретного проекта. Программное обеспечение (ПО) (software) - общий термин для обозначения «неосязаемых» (в отличие от физических) составных частей вычислительной системы. В большинстве случаев он относится к программам, выполняемым вычислительной системой, чтобы подчеркнуть их отличие от аппаратных средств той же системы. Этот термин охватывает как программы в символической записи, так и исполняемые формы этих программ. Все существующее ПО можно разделить на следующие классы: системное: операционные системы; драйверы устройств; различные утилиты; для разработчиков: среды программирования; трансляторы и интерпретаторы; CASE-средства; библиотеки программ; для конечных пользователей: текстовые процессоры; электронные таблицы; графические редакторы; решатели математических задач; обучающие и контролирующие системы; компьютерные игры; прикладные программы. Прикладная программа (applicationprogram) - любая программа, способствующая выполнению задачи, возложенной на ЭВМ в пределах данной организации, и вносящая прямой вклад в реализацию этой задачи. Например, там, где на ЭВМ возложена задача контроля финансовой деятельности какой-либо фирмы, прикладной программой будет программа подготовки платежных ведомостей. В противоположность этому операционная система не является прикладной программой, так как не вносит прямого вклада в удовлетворение конечных потребностей пользователя. Программная система представляет собой набор решений множества различных, но связанных между собой задач (ОС, СУБД). Более узкоспециализированные программы не называют системами (редактор текстов, компилятор и т. п.) 1.2. ЦИКЛ ЖИЗНИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Жизненный цикл ПО (softwarelife-cycle) - весь период времени существования системы программного обеспечения, начиная от выработки первоначальной концепции этой системы и кончая ее моральным устареванием. Жизненный цикл (рис. 1) представляется в виде некоторого числа последовательных фаз, в определенных местах охватываемых обратными связями, когда может возникнуть необходимость повторения какого-либо одного или даже всех этапов разработки системы. Такая модель обеспечивает отражение итеративности* процессов существования ПО.  Итерация - повторение численного или нечисленного процесса, когда результаты одного или нескольких шагов являются входной информацией для следующего начального шага этого цикла. Как правило, такая циклическая процедура заканчивается при достижении заданных результатов, или после того, как результаты перестают меняться. Термин «жизненный цикл ПО» используется в том случае, когда предполагается, что программы будут иметь достаточно большой срок действия, в отличие от экспериментального программирования, при котором программы обычно прогоняются несколько раз, а затем аннулируются. 1.3. ЭТАПЫ СОЗДАНИЯ ПРОГРАММ 1. Системный анализ. в рамках этого этапа осуществляется анализ требований, предъявляемых к программной системе. Он проводится на основе первичного исследования всех потоков информации при традиционном проведении работ и осуществляется в следующей последовательности: а) уточнение видов и последовательности всех работ; б) определение целей, которые должны быть достигнуты разрабатываемой программой; в) выявление аналогов, обеспечивающих достижение подобных целей, их достоинств и недостатков. 2. Внешнее специфицирование. Состоит в определении внешних спецификаций, то есть описаний входной и выходной информации, форм их представления и способов обработки информации. Реализуется в следующей последовательности: а) постановка задачи на разработку новой программы; б) оценка достигаемых целей разрабатываемого программного изделия. Далее, при необходимости, этапы 1-2 могут быть повторены до достижения удовлетворительного облика программной системы с описанием выполняемых ею функций и некоторой ясностью реализации ее функционирования. 3. Проектирование программы. На этом этапе проводится комплекс работ по формированию описания программы. Исходными данными для этой фазы являются требования, изложенные в спецификации, разработанной на предыдущем этапе. Принимаются решения, касающиеся способов удовлетворения требований спецификации. Эта фаза разработки программы делится на два этапа: а) архитектурное проектирование. Представляет собой разработку описания программы в самом общем виде. Это описание содержит сведения о возможных вариантах структурного построения программного изделия (либо в виде нескольких программ, либо в виде нескольких частей одной программы), а также об основных алгоритмах, и структурах данных. Результатом этой работы являются окончательный вариант архитектуры программной системы, требования к структуре отдельных программных компонент и организации файлов для межпрограммного обмена данными; б) рабочее проектирование. На этом этапе архитектурное описание программы детализируется до такого уровня, который делает возможными работы по ее реализации (кодированию и сборке). Для этого осуществляется составление и проверка спецификаций модулей, составление описаний логики модулей, составление окончательного плана реализации программы.
7.Приемо-сдаточные и другие виды испытаний. 8. Корректировка программ. Проводится по результатам предшествующих испытаний.
10. Тиражирование. 11. Сопровождение программы. В понятие «сопровождение» входят все технические операции, необходимые для использования данной программы в рабочем режиме. Сюда входит не только исправление ошибок. На этом этапе также осуществляется модификация программы, внесение исправлений в рабочую документацию, усовершенствование программы и др. Вследствие широких масштабов подобных операций сопровождение является итеративным процессом, который желательно осуществлять не столько после, сколько до выпуска программного изделия для широкого использования. Работы по сопровождению часто поглощают более половины затрат, приходящихся на весь жизненный цикл программной системы в тоимостном выражении. Современные технологии проектирования программного обеспечения направлены на частичную автоматизацию описанных выше этапов и на совмещение их во времени с целью сокращения сроков выполнения проектов. 1.4. ДОКУМЕНТИРОВАНИЕ ПРОГРАММ Каждая стадия проектирования завершается составлением соответствующих документов, .поэтому важным элементом проектирования программных приложений является оформление программной документации. Исключение может составлять разработка бесхитростных программ с коротким жизненным циклом и небольшой трудоемкостью. Программная спецификация (programspecification) - точное описание того результата, которого нужно достичь с помощью программы. Это описание должно точно устанавливать, что должна делать программа, не указывая, как она должна это делать. Для программ, заканчивающих свою работу каким-то результатом, обычно составляются спецификации ввода-вывода, в которых описывают желаемое отображение множества входных величин во множество выходных величин. Для циклических программ (в которых нельзя указать точку завершения), разрабатывают спецификации, где основное внимание сосредоточивается на отдельных функциях, реализуемых программой в ходе циклических операций. Существует большое число различных систем обозначений, используемых в программных спецификациях — от естественного языка с использованием математических уравнений и таблиц до формализованных описаний, основанных на исчислении предикатов (Предикат - функция, определяемая па некоторой предметной области переменных и принимающая значения в области истинностных значений.) первого порядка. Разработку программных систем начинают с составления первичных спецификаций. В ходе выполнения проекта первичные спецификации последовательно претерпевают изменения до программных документов стадий и вплоть до документации, которая необходима для эксплуатации и сопровождения программы. Первичные спецификации обычно составляют в терминах решаемой задачи, а не программы. Первичная спецификация описывает: объекты, участвующие в задаче (что делает программа и что делает человек, работающий с этой программой); процессы и действия (проектные процедуры и действия человека, алгоритмы решения задачи в машине, порядок обработки информации, размер оперативной памяти, требуемый для работы программы); входные и выходные данные, а также их организацию (например, сценарий диалога с экранными формами, организация файлов с указанием длин полей записей и предельного количества информации в файлах); инструкции пользования будущей программой. Различают внешнюю программную документацию, которая согласуется с заказчиком, и промежуточную внутреннюю документацию проекта. При составлении программной документации сначала разрабатываются внешние спецификации, а затем — внутренние. Внешние спецификации включают спецификации входных и выходных данных, их организацию, реакции на исключительные ситуации, определение, что делает человек (по каким алгоритмам он работает и откуда берет информацию), а что машина. То есть все, что бы увидел пользователь, когда бы он получил готовую программу. Внешние спецификации зависят сильно от жизненного цикла программы. Еще до разработки структуры и реализации программы к тестированию внешних спецификаций следует привлекать потенциальных пользователей. Пользователю можно показывать макеты экранов в порядке выполнения программы, а пользователь может готовить данные для тестирования всех функций программы и сможет апробировать методику работы с программой. Внутренние спецификации включают описание внутренних данных программы (переменных, особенно структурированных) и описания алгоритмов всей программы и ее частей. Внутренние спецификации даются в единстве с описанием архитектуры программного комплекса и внутренней структурой построения отдельных программных компонент. 1.5. ОБЩЕСИСТЕМНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ ПРОГРАММ При создании и развитии ПО рекомендуется применять следующие общесистемные принципы: принцип включения, который предусматривает, что требования к созданию, функционированию и развитию ПО определяются со стороны более сложной, включающей его в себя системы; принцип системного единства, который состоит в том, что на всех стадиях создания, функционирования и развития ПО его целостность будет обеспечиваться связями между подсистемами, а также функционированием подсистемы управления; принцип развития, который предусматривает в ПО возможность его наращивания и совершенствования компонентов и связей между ними; принцип комплексности, который заключается в том, что ПО обеспечивает связанность обработки информации, как отдельных элементов, так и для всего объема данных в целом на всех стадиях обработки; принцип информационного единства, то есть во всех подсистемах, средствах обеспечения и компонентах ПО используются единые термины, символы, условные обозначения и способы представления; принцип совместимости состоит в том, что язык, символы, коды и средства программного обеспечения согласованы, обеспечивают совместное функционирование всех подсистем и сохраняют открытой структуру системы в целом; принцип инвариантности определяет инвариантность подсистем и компонентов ПО к обрабатываемой информации, то есть являются универсальными или типовыми. 1.6. ТЕХНОЛОГИИ И ПАРАДИГМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ Технологии программирования - это апробированные стратегии создания программ, которые излагаются в виде методик с информационными фондами, описаниями проектных процедур и проектных операций. Существуют технология структурного программирования, технология проектирования программ с рациональной структурой данных, технология объектно-ориентированного программирования, технология визуального программирования. В каждой из этих технологий используется одна или несколько парадигм программирования (концепций, систем взглядов). Последние представляют собой разные подходы к написанию программ. Для каждой из них необходимы: свой тип мышления, особая школа обучения, приемы и способы программирования, определяемые используемым языком. Существуют четыре основные парадигмы, которые описывают большинство сегодняшних методов программирования: императивная, аппликативная, основанная на системе правил и объектно-ориентированная. Императивная парадигма. Эта модель вытекает из особенностей аппаратной части стандартного компьютера, выполняющей инструкции (команды) последовательно. Основным видом абстракции, используемым в данной парадигме, являются алгоритмы. На основе ее разработано множество операторно-ориентиро-ванных языков программирования. Программа на таком языке состоит из последовательности операторов, выполнение каждого из которых влечет за собой изменение значения в одной или нескольких ячейках памяти. В целом синтаксис такого языка имеет вид: Оператор_1: Оператор_2: ... Обычно при первом знакомстве с концепциями программирования люди сталкиваются именно с этой моделью, и многие широко распространенные языки поддерживают именно ее (например, С, C++, FORTRAN, ALGOL, PL/I, Pascal, Ada, Smalltalkи COBOL). Аппликативная парадигма. Представляет собой другой взгляд на вычисления, производимые с помощью языка программирования. В основу этой парадигмы положено рассмотрение функции, которую выполняет программа. Здесь не рассматривается последовательность состояний, через которые должна пройти вычислительная машина. Вопрос ставится по-другому: какую функцию необходимо применить к начальному состоянию машины (путем выбора начального набора переменных и комбинирования их определенным образом), чтобы получить желаемый результат? Языки, в которых акцентирован именно этот взгляд на вычисления, называются аппликативными, или функциональными. Синтаксис такого языка, как правило, выглядит следующим образом: Функция_n (... функция_2 (функция_1 (данные) )...) Такую модель поддерживают такие языки как MLи LISP. Парадигма, основанная на системе правил. Языки, основанные на этой парадигме, осуществляют проверку наличия необходимого разрешающего условия и в случае его обнаружения выполняют соответствующее действие. Наиболее известным языком, основанным на системе правил, является Prolog. Он называется также языком логического программирования. Выполнение программы на подобном языке похоже на выполнение программы, написанной на императивном языке. Однако операторы выполняются не в той последовательности, в которой они определены в программе. Порядок выполнения определяют разрешающие условия. Синтаксис таких языков выглядит следующим образом: разрешающее условие_1 —> действие_1 разрешающее условие_2 —> действие__2 разрешающее условие_n —> действие _n Иногда правила записываются в виде «действие if разрешающее условие», когда выполняемое действие записывается слева. Объектно-ориентированная парадигма. В этой модели строятся сложные объекты данных. Для операций над ними определяется некоторый ограниченный набор методов. Создаваемые объекты могут наследовать свойства более простых объектов. Благодаря такой возможности объектно-ориентированные программы имеют высокую эффективность, свойственную программам, написанным на императивных языках. Возможность разработки различных классов, которые используют ограниченный набор объектов данных, обусловливает гибкость и надежность, которые свойственны аппликативному языку. Существуют и другие парадигмы, что объясняется необходимостью решать разные задачи. Нельзя считать какую-либо парадигму наилучшей во всех областях практического применения. Например, для вычислительных задач более пригодна императивная парадигма, а для проектирования интеллектуальных систем применяется парадигма, ориентированная на правила. В последние годы особую популярность приобрела парадигма визуального программирования. 1.7. ТРАНСЛЯЦИЯ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПРОГРАММ Компьютер представляет собой интегрированный набор алгоритмов и структур данных, способный хранить и выполнять программы. Компьютер может быть создан как реальное физическое устройство, которое называют просто компьютером. Но он также может быть построен с помощью программ, выполняемых на каком-то другом компьютере, тогда он называется программно-моделируемым или виртуальным компьютером, состоящим частично из аппаратуры и частично из программного обеспечения. Подавляющее большинство программ пишется на языках программирования высокого уровня, существенно отличающихся от машинного языка реального компьютера. Теоретически можно создать аппаратный компьютер, использующий некий язык высокого уровня в качестве машинного, но это было бы очень сложно и дорого. К тому же он был бы крайне негибким, поскольку такой компьютер сложно (хотя и можно) использовать совместно с другими языками высокого уровня. Более практичное решение - аппаратно реализовать язык очень низкого уровня, что обеспечит выполнение наиболее распространенных элементарных операций и снабдить компьютер дополнительным программным обеспечением для взаимодействия с программами, написанными на языках высокого уровня. Поэтому возникает вопрос: как организовать выполнение таких программ на конкретном компьютере? Для этой задачи существует два основных решения. Трансляция (компиляция). Это метод перевода программ, написанных на языках высокого уровня, в эквивалентные программы на машинном языке используемого компьютера. После этого интерпретатор, встроенный в аппаратную часть микропроцессора, непосредственно выполняет оттранслированную в машинный код программу. Преимущество этого метода - очень быстрое выполнение программы после завершения процесса трансляции. Транслятор - это языковой процессор, который воспринимает программы на некотором исходном языке в качестве входных данных, а на выходе выдает эквивалентные по своей функциональности программы, но уже на другом, так называемом объектном языке (который также может быть произвольного уровня). Ассемблер - это транслятор, у которого исходным языком является символическое представление машинного кода (ассемблер), а объектным языком является некая разновидность машинного языка какого-либо реального компьютера. Компилятор — транслятор, для которого исходным является язык высокого уровня, а его объектный язык близок к машинному языку реального компьютера. Это либо язык ассемблера, либо какой-нибудь вариант машинного языка. Например, программы на языке С компилируются, как правило, в программы на языке ассемблера, которые затем транслируются ассемблером в машинный язык. Компоновщик (редактор связей) - это транслятор, у которого исходный язык состоит из программ на машинном языке в перемещаемой форме и таблиц данных, указывающих те точки, в которых перемещаемый код должен быть модифицирован, чтобы стать выполняемым. Объектный язык состоит из готовых к выполнению машинных команд. Задачей компоновщика является создание единой выполняемой программы, в которой используются согласованные адреса, как показано в таблице.
Препроцессор (макропроцессор) - это транслятор, исходный язык которого является расширенной формой какого-либо языка высокого уровня (например, Javaили C++), а объектный язык — стандартной версией этого языка. Объектная программа, созданная препроцессором, готова к трансляции и выполнению обычными процессорами исходного стандартного языка. Главным недостатком трансляции является потеря информации о программе. Если в программе есть ошибка, то часто трудно определить, какой из операторов программы на исходном языке выполнялся и какие объекты данных использовались в нем. Кроме того, поскольку оператор на языке высокого уровня содержит гораздо больше информации, чем команда машинного языка, то исполняемая форма программы занимает в памяти гораздо больше места. Интерпретация (программная имитация). Это метод, когда при помощи программы (интерпретатора), выполняемой на аппаратном компьютере, создается виртуальный компьютер с машинным языком высокого уровня. Интерпретатор декодирует и выполняет каждый оператор программы на языке высокого уровня в соответствующей последовательности и производит вывод результирующих данных, определяемый этой программой. Достоинство этого подхода - легкость реализации многих операций отладки на уровне исходной программы, поскольку все сообщения об ошибках, возникающих в процессе выполнения, могут ссылаться на исходные модули программы. Однако за это приходится расплачиваться необходимостью многократно декодировать один и тот же оператор, если он, например, встречается в цикле или часто вызываемой подпрограмме, что существенно снижает скорость выполнения интерпретируемых программ (в 10... 100 раз). Смешанные системы реализации. Чаще всего для реализации языка высокого уровня на компьютере используется комбинированный подход. Сначала программа транслируется из своей исходной формы в форму, более удобную для выполнения. Обычно это делается путем создания нескольких независимых частей программы, называемых модулями. На этапе загрузки эти независимые части объединяются с набором программ поддержки выполнения, реализующих программно-моделируемые (интерпретируемые) операции. Это приводит к созданию выполняемой формы программы, операторы которой декодируются и выполняются посредством их интерпретации. |