Учебник Технология программирования. Технология программирования
 Скачать 7.85 Mb.
|
|
<действие> Все-цикл Цикл-пока Цикл-пока <условие> <действие> Все-цикл Цикл-до Выполнять <действие> До <условие> Цикл-пока i < n и A[i] * у i:=i+l Все-цикл Если i < n то Вывести «Элемент найден» иначе Вывести «Элемент не найден» Все-если Flow-формы. Flow-формы представляют собой графическую нотацию описания структурных алгоритмов, которая иллюстрирует вложенность структур. Каждый символ Flow-формы соответствует управляющей структуре и изображается в виде прямоугольника. Для демонстрации вложенности структур символ Flow-формы может быть вписан в соответствующую область прямоугольника любого другого символа. В прямоугольниках символов содержится текст на естественном языке или в математической нотации. Размер прямоугольника определяется длиной вписанного в него текста и размерами вложенных прямоугольников. Символы Flow-форм, соответствующие основным и дополнительным управляющим конструкциям, приведены на рис. 2.7. 64 На рис. 2.8 представлено описание рассмотренного ранее цикла с использованием Flow- формы. Хорошо видны вложенность и следование конструкций, изображенных прямоугольниками. Диаграммы Насси-Шнейдермана. Диаграммы Насси-Шнейдермана являются развитием Flow-форм. Основное их отличие от Flow-форм заключается в том, что область обозначения условий и вариантов ветвления изображают в виде треугольников (рис. 2.9). Такое обозначение обеспечивает большую наглядность представления алгоритма. Также, как при использовании псевдокодов, описать неструктурный алгоритм, применяя Flow-формы или диаграммы Насси- Шнейдермана, невозможно (для неструктурных передач управления в этих нотациях просто отсутствуют условные обозначения). В то же время, являясь графическими, эти нотации лучше отображают вложенность конструкций, чем псевдокоды. Общим недостатком Flow-форм и диаграмм Насси- Шнейдермана является сложность построения изображений символов, что усложняет практическое применение этих нотаций для описания больших алгоритмов. 65 2.5. Стиль оформления программы С точки зрения технологичности хорошим считают стиль оформления программы, облегчающий ее восприятие как самим автором, так и другими программистами, которым, возможно, придется ее проверять или модифицировать. «Помните, программы читаются людьми», призывал Д. Ван Тассел, автор одной из известных монографий, посвященной проблемам программирования [60]. Именно исходя из того, что любую программу неоднократно придется просматривать, следует придерживаться хорошего стиля написания программ. Стиль оформления программы включает: • правила именования объектов программы (переменных, функций, типов, данных и т.п.); • правила оформления модулей; • стиль оформления текстов модулей. Правила именования объектов программы. При выборе имен программных объектов следует придерживаться следующих правил: • имя объекта должно соответствовать его содержанию, например: Maxltem - максимальный элемент; Nextltem - следующий элемент; • если позволяет язык программирования, можно использовать символ «_» для визуального разделения имен, состоящих из нескольких слов, например: 66 Max_ltem, Next_Item; • необходимо избегать близких по написанию имен, например: Index и InDec. Правила оформления модулей. Каждый модуль должен предваряться заголовком, который, как минимум, содержит: • название модуля; • краткое описание его назначения; • краткое описание входных и выходных параметров с указанием единиц измерения; • список используемых (вызываемых) модулей; • краткое описание алгоритма (метода) и/или ограничений; • ФИО автора программы: • идентифицирующую информацию (номер версии и/или дату последней корректировки). Например: {*****************************************************} {* Функция: Length_Path(n:word; L: array of real):real *} {* Цель: определение суммарной длины отрезков *} {* Исходные данные: *} {* n - количество отрезков, *} {* L - массив длин отрезков (в метрах) *} {* Результат: длина (в метрах) *} {* Вызываемые модули: нет *} {* Описание алгоритма: *} {* отрезки суммируются методом накопления, n > О *} {* Дата: 25.12.2001 Версия 1.01. ' *} {* Автор: Иванов И.И. *} {* Исправления: нет *} {*********************************} Стиль оформления текстов модулей. Стиль оформления текстов модулей определяет использование отступов, пропусков строк и комментариев, облегчающих понимание программы. Как правило, пропуски строк и комментарии используют для визуального разделения частей модуля, например: {проверка количества отрезков и выход, если отрезки не заданы} if n<0 then begin WriteLn('Количество отрезков отрицательно'); exit; end; 67 {цикл суммирования длин отрезков} S:=0; for i: =0 to п-1 do S: =S + Len[i]; Для таких языков, как Pascal, C++ и Java, использование отступов позволяет прояснить структуру программы: обычно дополнительный отступ обозначает вложение операторов языка, например: атах:=а[1,1]; for i:=1 to n do for j:=1 to m do if a[i,j]>amax then amax:=a[i,j]; Несколько сложнее дело обстоит с комментариями. Опыт показывает, что переводить с английского языка каждый оператор программы не нужно: любой программист, знающий язык программирования, на котором написана программа, без труда прочитает тот или иной оператор. Комментировать следует цели выполнения тех или иных действий, а также группы операторов, связанные общим действием, т.е. комментарии должны содержать некоторую дополнительную (неочевидную) информацию, например: {проверка условия и выход, если условие не выполняется} if n<0 then begin WriteLn('Количество отрезков отрицательно'); exit; end; Для языков низкого уровня, например, Ассемблера, стиль, облегчающий понимание, предложить труднее. В этом случае может оказаться целесообразным комментировать и блоки операторов, и каждый оператор, например: ;цикл суммирования элементов массива ;установки цикла mov АХ, 0 ;обнуляем сумму mov CX, п ;загружаем счетчик цикла mov BX, 0 ;смещение первого элемента массива ;тело цикла cycle: add AX, a[BX] ;добавляем элемент add BX, 2 ;определяем адрес следующего loop cycle ;цикл на n повторений ;выход из цикла при обнулении счетчика 68 2.6. Эффективность и технологичность Традиционно эффективными считают программы, требующие минимального времени выполнения и/или минимального объема оперативной памяти. Особые требования к эффективности программного обеспечения предъявляют при наличии ограничений (на время реакции системы, на объем оперативной памяти и т.п.). В случаях, когда обеспечение эффективности не требует серьезных временных и трудовых затрат, а также не приводит к существенному ухудшению технологических свойств, необходимо это требование иметь в виду. Разумный подход к обеспечению эффективности разрабатываемого программного обеспечения состоит в том, чтобы в первую очередь оптимизировать те фрагменты программы, которые существенно влияют на характеристики эффективности. Для уменьшения времени выполнения некоторой программы в первую очередь следует проанализировать циклические фрагменты с большим количеством повторений: экономия времени выполнения одной итерации цикла будет умножена на количество итераций. Не следует забывать и о том, что многие способы снижения временных затрат приводят к увеличению емкостных и, наоборот, уменьшение объема памяти может потребовать дополнительного времени на обработку. И тем более не следует «платить» за увеличение эффективности снижением технологичности разрабатываемого программного обеспечения. Исключения возможны лишь при очень жестких требованиях и наличии соответствующего контроля за качеством. Частично проблему эффективности программ решают за программиста компиляторы. Средства оптимизации, используемые компиляторами, делят на две группы: • машинно-зависимые, т. е. ориентированные на конкретный машинный язык, выполняют оптимизацию кодов на уровне машинных команд, например, исключение лишних пересылок, использование более эффективных команд и т.п.; • машинно-независимые выполняют оптимизацию на уровне входного языка, например, вынесение вычислений константных (независящих от индекса цикла) выражений из циклов и т.п. Естественно, нельзя вмешаться в работу компилятора, но существует много возможностей оптимизации программы на уровне команд. Способы экономии памяти. Принятие мер по экономии памяти предполагает, что в каких-то случаях эта память неэкономно использовалась. Учитывая, что анализировать имеет смысл только операции размещения данных, существенно влияющие на характеристику эффективности, следует обращать особое внимание на выделение памяти под данные структурных типов (массивов, записей, объектов и т.п.). 69 Прежде всего при наличии ограничений на использование памяти следует выбирать алгоритмы обработки, не требующие дублирования исходных данных структурных типов в процессе обработки. Примером могут служить алгоритмы сортировки массивов, выполняющие операцию в заданном массиве, например, хорошо известная сортировка методом «пузырька». Если в программе необходимы большие массивы, используемые ограниченное время, то их можно размещать в динамической памяти и удалять при завершении обработки. Также следует помнить, что при передаче структурных данных в подпрограмму «по значению» копии этих данных размещаются в стеке. Избежать копирования иногда удается, если передавать данные «по ссылке», но как неизменяемые (описанные const). В последнем случае в стеке размещается только адрес данных, например: Type Massiv=array[l.. 100] of real; function Summa (f Const; a Massiv; ...)... Способы уменьшения времени выполнения. Как уже упоминалось выше, для уменьшения времени выполнения в первую очередь необходимо анализировать циклические участки программы с большим количеством повторений. При их написании необходимо по возможности: • выносить вычисление константных, т.е. не зависящих от параметров цикла, выражений из циклов; • избегать «длинных» операций умножения и деления, заменяя их сложением, вычитанием и сдвигами: • минимизировать преобразования типов в выражениях; • оптимизировать запись условных выражений – исключать лишние проверки; • исключать многократные обращения к элементам массивов по индексам (особенно многомерных, так как при вычислении адреса элемента используются операции умножения на значение индексов) – первый раз прочитав из памяти элемент массива, следует запомнить его в скалярной переменной и использовать в нужных местах; • избегать использования различных типов в выражении и т.п. Рассмотрим следующие примеры. Пример 2.2. Пусть имеется цикл следующей структуры (Pascal): for у: =0 to 99 do for x:=0 to 99 do a[320*x+y]:=S[k,l]; В этом цикле операции умножения и обращения к элементу S[k] выполняются 10000 раз. Оптимизируем цикл, используя, что 320 = 2 8 + 2 6 : 70 skl:=S[k,l]; {выносим обращение к элементу массива из цикла} for x:=0 to 99 do {меняем циклы местами} begin i: =х skl 8+x skl 6; {умножение заменяем на сдвиги и выносим из цикла} for y:=0 to 99 do a[i+y]: =skl; end; ... В результате вместо 10000 операций умножения будут выполняться 200 операций сдвига, а их время приблизительно сравнимо со временем выполнения операции сложения. Обращение к элементу массива S[k] будет выполнено один раз. Пример 2.3. Пусть имеется цикл, в теле которого реализовано сложное условие: for k: =2 to n do begin if x[k]>yk then S:=S+y[k]-x[k]; if (x[k]<=yk) and (y[k] end;... В этом цикле можно убрать лишние проверки: for к: =2 to n do begin if x[k]>yk then S:=S+y[k]-x[k] else if y[k] end;... Обратите внимание на то, что в примере 2.2 понять, что делает программа, стало сложнее, а в примере 2.3 – практически нет. Следовательно, оптимизация, выполненная в первом случае, может ухудшить технологичность программы, а потому не очень желательна. 2.7. Программирование «с защитой от ошибок» Любая из ошибок программирования, которая не обнаруживается на этапах компиляции и компоновки программы, в конечном счете может проявиться тремя способами: привести к выдаче системного сообщения об ошибке, «зависанию» компьютера и получению неверных результатов. 71 Однако до того, как результат работы программы становится фатальным, ошибки обычно много раз проявляются в виде неверных промежуточных результатов, неверных управляющих переменных, неверных типах данных, индексах структур данных и т.п. (рис. 2.10). А это значит, что часть ошибок можно попытаться обнаружить и нейтрализовать, пока они еще не привели к тяжелым последствиям. Программирование, при котором применяют специальные приемы раннего обнаружения и нейтрализации ошибок, было названо защитным или программированием с защитой от ошибок. При его использовании существенно уменьшается вероятность получения неверных результатов. Детальный анализ ошибок и их возможных ранних проявлений показывает, что целесообразно проверять: • правильность выполнения операций ввода-вывода; • допустимость промежуточных результатов (значений управляющих переменных, значений индексов, типов данных, значений числовых аргументов и т.д.). Проверки правильности выполнения операций ввода-вывода. Причинами неверного определения исходных данных могут являться, как внутренние ошибки – ошибки устройств ввода-вывода или программного обеспечения, так и внешние ошибки – ошибки пользователя. При этом принято различать: • ошибки передачи – аппаратные средства, например, вследствие неисправности, искажают данные; 72 • ошибки преобразования – программа неверно преобразует исходные данные из входного формата во внутренний; • ошибки перезаписи – пользователь ошибается при вводе данных, например, вводит лишний или другой символ; • ошибки данных – пользователь вводит неверные данные. Ошибки передачи обычно контролируются аппаратно. Для защиты от ошибок преобразования данные после ввода обычно сразу демонстрируют пользователю («эхо»). При этом выполняют сначала преобразование во внутренний формат, а затем обратно. Однако предотвратить все ошибки преобразования на данном этапе обычно крайне сложно, поэтому соответствующие фрагменты программы тщательно тестируют [31], используя методы эквивалентного разбиения и граничных значений (см. § 9.4). Обнаружить и устранить ошибки перезаписи можно только, если пользователь вводит избыточные данные, например контрольные суммы. Если ввод избыточных данных по каким-либо причинам нежелателен, то следует по возможности проверять вводимые данные, хотя бы контролировать интервалы возможных значений, которые обычно определены в техническом задании, и выводить введенные данные для проверки пользователю. Неверные данные обычно может обнаружить только пользователь. Проверка допустимости промежуточных результатов. Проверки промежуточных результатов позволяют снизить вероятность позднего проявления не только ошибок неверного определения данных, но и некоторых ошибок кодирования и проектирования. Для того чтобы такая проверка была возможной, необходимо, чтобы в программе использовались переменные, для которых существуют ограничения любого происхождения, например, связанные с сущностью моделируемых процессов. Однако следует также иметь в виду, что любые дополнительные операции в программе требуют использования дополнительных ресурсов (времени, памяти и т.п.) и могут также содержать ошибки. Поэтому имеет смысл проверять не все промежуточные результаты, а только те, проверка которых целесообразна, т.е. возможно позволит обнаружить ошибку, и не сложна. Например: • если каким-либо образом вычисляется индекс элемента массива, то следует проверить, что этот индекс является допустимым; • если строится цикл, количество повторений которого определяется значением переменной, то целесообразно убедиться, что значение этой переменной не отрицательно; • если определяется вероятность какого-либо события, то целесообразно проверить, что полученное значение не более 1, а сумма вероятностей всех возможных независимых событий равна 1и т.д. Предотвращение накопления погрешностей. Чтобы снизить погрешности результатов вычислений, необходимо соблюдать следующие рекомендации: 73 • избегать вычитания близких чисел (машинный ноль); • избегать деления больших чисел на малые; • сложение длинной последовательности чисел начинать с меньших по абсолютной величине; • стремиться по возможности уменьшать количество операций; • использовать методы с известными оценками погрешностей; • не использовать условие равенства вещественных чисел: • вычисления производить с двойной точностью, а результат выдавать – с одинарной. Обработка исключений. Поскольку полный контроль данных на входе и в процессе вычислений, как правило, невозможен, следует предусматривать перехват обработки аварийных ситуаций. Для перехвата и обработки аппаратно и программно фиксируемых ошибок в некоторых языках программирования, например, Delhi Pascal, C++ и Java, предусмотрены средства обработки исключений. Использование этих средств позволяет не допустить выдачи пользователю сообщения об аварийном завершении программы, ничего ему не говорящего. Вместо этого программист получает возможность предусмотреть действия, которые позволят исправить эту ошибку или, если это невозможно, выдать пользователю сообщение с точным описанием ситуации и продолжить работу. |