Структурный подход. Содержание лекции разработка структурной и функциональной схем проектирование структур данных. Цель лекции

• Название: Содержание лекции разработка структурной и функциональной схем проектирование структур данных. Цель лекции
• Анкор: Структурный подход
• Дата: 18.04.2022
• Размер: 40.67 Kb.
• Имя файла: Структурный подход.docx
• Тип: Лекции; #482940

Структурный подход. Проектирование программного обеспечения

Содержание лекции: разработка структурной и функциональной схем; проектирование структур данных.

Цель лекции: ознакомиться с проектированием ПО при структурном подходе.

Процесс проектирования сложного программного обеспечения начина­ют с уточнения его структуры, т. е. определения структурных компонентов и связей между ними. Результат уточнения структуры может быть представлен в виде структурной и/или функциональной схем и описания (спецификаций) компонентов.

Структурной называют схему, отражающую состав и взаимодействие по управлению частей разрабатываемого ПО. Структурные схемы пакетов программ не информативны, по­скольку организация программ в пакеты не предусматривает передачи управ­ления между ними. Поэтому структурные схемы разрабатывают для каждой программы пакета, а список программ пакета определяют, анализируя функ­ции, указанные в техническом задании.

Разработку структурной схемы самого простого вида ПО - программы, включающей в качестве структурных компонентов только подпрограммы и библиотеки ресурсов, вы­полняют методом пошаговой детализации. Структурными компонентами программной системы (комплекса) служат программы, библиоте­ки ресурсов, подсистемы, базы данных. Структурная схема программного комплекса демонстри­рует передачу управления от программы-диспетчера соответствующей про­грамме (рисунок 11.1а).



Рисунок 11.1 - Пример схем программного комплекса: а) структурной;

б) функциональной

Структурная схема программной системы по­казывает наличие подсистем или других структурных компонентов. В отли­чие от программного комплекса отдельные части (подсистемы) программной системы интенсивно обмениваются данными между собой и с ос­новной программой. Структурная схема программной системы этого не показывает (рисунок 11.2а).



Рисунок 11.2 – Пример схем программной системы: а) структурной;

б) функциональной

Более полное представление о проектируемом ПО с точки зрения взаимодействия его компонентов между собой и с внеш­ней средой дает функциональная схема. Функциональная схема (схема данных, ГОСТ 19.701-90) - схема взаимодействия компонентов ПО с описанием информационных потоков, состава данных в потоках и указанием используемых файлов и устройств. Для изображения функцио­нальных схем используют специальные обозначения, установленные стан­дартом. Основные обозначения схем данных приведены в таблице Г.1. Функциональные схемы более информативны, чем структурные. На рисунках 11.1б и 11.2б приведены функциональные схемы программных комплексов и систем. Все компоненты структурных и функциональных схем должны быть описаны. Следует тщательно прора­батывать спецификации межпрограммных интерфейсов, так как от качества их описания зависит количество самых дорогостоящих ошибок, к которым относятся ошибки, обнаруживаемые при комплексном тестировании.

Структурный подход к программированию изначально предлагал осуществлять декомпозицию программ методом пошаговой детализации. Результат - структурная схема программы, т.е. много­уровневая иерархическая схема взаимодействия подпрограмм по управле­нию. Минимально такая схема отображает два уровня иерархии (показы­вает общую структуру программы). Тот же метод позволяет получить структурные схемы с большим количеством уровней. Разбиение на модули выполняется эв­ристически, исходя из рекомендуемых размеров модулей (20-60 строк) и сложности структуры (2-3 вложенных управляющих конструкции). Для анализа технологичности иерархии модулей используют методики Константайна или Джексона.

На структурной карте Константайна отношения между модулями представляют в виде графа, вершинам которого соответствуют модули и общие области данных, а дугам - межмодульные вызовы и обращения к общим областям данных. Различают четыре типа вершин: модуль – подпрограмма; подсистема – программа; библиотека - совокупность подпрограмм, размещенных в отдельном модуле; область данных - специальным образом оформленная совокупность данных, к которой возможно обращение извне. При этом отдельные части программной системы могут вызываться последовательно, параллельно или как сопро­граммы.

Практически одновременно появились методики проектирования ПО Джексона и Варнье-Орра, также основанные на декомпозиции данных. Обе методики предназначе­ны для создания «простых» программ, работающих со сложными, но иерар­хически организованными структурами данных. При разра­ботке программных систем предлагается вначале разбить систему на отдельные программы, а затем использовать эти методики. Они могут использоваться только в том случае, если данные разрабатываемых программ могут быть представлены в виде иерархии или совокупности ие­рархий.

Методика Джексона основана на поиске соответствий структур исходных данных и результатов. Однако при ее применении возможны ситуации, когда на ка­ких-то уровнях соответствия отсутствуют. Например, записи исходного фай­ла сортированы не в том порядке, в котором соответствующие строки долж­ны появляться в отчете. Такие ситуации были названы «столкновениями».

Методика Варнье-Орра базируется на том же положении, что и методика Джексона, но основными при построении про­граммы считаются структуры выходных данных и, если структуры входных данных не соответствуют структурам выходных, то их допускается менять. Таким образом, ликвидируется основная причина столкновений. Однако на практике не всегда существует возможность пересмотра структур входных данных: эти структуры уже могут быть строго заданы, на­пример, если данные получены при выполнении других программ, поэтому эту методику применяют реже.

Под проектированием структур данных понимают разработку их пред­ставлений в памяти [6]. Основными параметрами, которые необходимо учиты­вать при проектировании структур данных, являются:

1. 
   вид хранимой информации каждого элемента данных - определяет тип соответствующего поля па­мяти;
   
2. 
   связи элементов данных и вложенных структур, а также совокупность операций над ними - определя­ют структуры памяти, используемые для представления данных;
   
3. 
   время хранения данных структуры («время жизни») - учитывается при размещении данных в статической или динамической па­мяти, а также во внешней памяти.
   

Различают две базо­вые структуры организации данных в оперативной памяти: векторную и списковую. Векторная структура - последовательность байт памяти, которые исполь­зуются для размещения полей данных. Последовательное размещение организованных структур данных позволяет осуществлять прямой доступ к элементам: по индексу (в массивах или строках) или по имени поля (в записях или объектах). Однако выполнение операций добавления и удаления элементов для размещения элементов массивов требует осуществления многократных сдви­гов элементов. Расположение векторных пред­ставлений в динамической памяти позволяет существенно увеличить эффективность использования оперативной памяти. Списковые структуры строят из специальных элементов, включающих помимо информационной части один или несколько указателей - адре­сов элементов или вложенных структур, связанных с этим элементом. Раз­мещая их в динамической памяти, организуют различные внутренние структуры. Обычно векторное представление используют для хранения статичес­ких множеств, таблиц (одномерных и многомерных: матриц, строк, записей), а также графов, представленных матрицей смежности, мат­рицей инцидентности или аналитически [10]. Списковое представление удобно для хранения динамических (изменяемых) структур и структур со сложными связями.

Современные операци­онные системы поддерживают два способа организации данных во внешней памяти: последовательный и с прямым доступом. При последовательном доступе к данным возможно выполнение только последовательного чтения элементов данных или последовательная их за­пись (работа с клавиатурой или дисплеем, обработка текстовых файлов или файлов, формат записей которых меняется в процессе работы). Прямой доступ возможен только для дисковых файлов, обмен информа­цией с которыми осуществляется записями фиксированной длины (двоичные файлы С или типизированные файлы Pascal). Адрес записи такого файла можно определить по ее номеру, что и позволяет напрямую обращаться к нужной записи. В оперативной памяти размещают данные, к которым необходим быс­трый доступ как для чтения, так и для их изменения; во внешней - данные, которые должны сохраняться после завершения программы.

Возможно, что во время работы данные целесообразно хранить в опера­тивной памяти для ускорения доступа к ним, а при ее завершении - перепи­сывать во внешнюю память для длительного хранения. Именно этот способ используют большинство текстовых редакторов: во время работы с текстом он весь или его часть размещается в оперативной памяти, откуда по мере на­добности переписывается во внешнюю память. В подобных случаях разраба­тывают два представления данных: в оперативной и во внешней памяти.

Правильный выбор структур во многом определяет эффективность раз­рабатываемого ПО и его технологические качества, поэтому при проектировании этому вопросу следует уделять достаточно внимания.