Конспект лекций по дисциплине «Высокоуровневые методы информатики и программирования» для студентов специальности 080801 «Прикладная информатика в экономике»
| Вид материала | Конспект |
- Темы курсовых работ по дисциплине «Высокоуровневые методы информатики и программирования», 82.9kb.
- Рабочая программа по дисциплине: «высокоуровневые методы информатики и программирования», 127.42kb.
- Курс Методы визуального программирования при разработке системного программного обеспечения., 30.14kb.
- Учебно-методический комплекс «Высокоуровневые методы информатики и программирования», 569.1kb.
- Рабочая программа по дисциплине «Исследование операций в экономике» для специальности, 137.37kb.
- Рабочая программа по дисциплине "Имитационное моделирование экономических процессов", 207.47kb.
- Рабочая программа по дисциплине «Математическая экономика» для специальности 080801, 222.52kb.
- Рабочая программа по дисциплине "Технико-экономический анализ деятельности предприятий", 356.09kb.
- Рабочая программа по дисциплине "Финансы и кредит" Для специальности 080801 Прикладная, 181.17kb.
- Рабочая программа по дисциплине "алгоритмизация и программирование" для специальности, 136.39kb.
Тульский институт экономики и информатики
некоммерческое партнерство
Кафедра информационных технологий
Конспект лекций
по дисциплине
«Высокоуровневые методы информатики и программирования»
для студентов специальности
080801 «Прикладная информатика в экономике»
Форма обучения: очная и заочная
Тула
Введение
Сложность современного программного обеспечения требует от разработчиков владения наиболее перспективными технологиями его создания. Одной из таких технологий на настоящий момент является объектно-ориентированное программирование (ООП). Применение ООП позволяет разрабатывать программное обеспечение повышенной сложности за счет улучшения его технологичности (лучших механизмов разделения данных, увеличения повторяемости кодов, использования стандартизованных интерфейсов пользователя и т.д.)
Однако ООП существенно отличается от традиционного программирования, к которому мы привыкаем со школьной скамьи, и потому считается трудно осваиваемым. Чтобы технологически грамотно использовать ООП, необходимо хорошо понимать его основные концепции и научиться мыслить при разработке программы в понятиях ООП. Для того чтобы помочь Вам в этом, и написана данная книга.
Практика преподавания ООП показывает, что идеология ООП лучше осваивается начинающими программистами, поэтому, чем раньше будущий программист ознакомится с этой технологией, тем лучше.
Серьезной проблемой при изложении материала было отсутствие единой принятой терминологии ООП. Материал данного конспекта содержит большое количество иллюстраций (структур объектов, классов), при их изображении использовались следующие обозначения.
На структурной схеме программного продукта, которая при ООП является результатом объектной декомпозиции, объекты изображаются прямоугольниками (возможно со скругленными углами), а сообщения - линиями со стрелками, рядом с которыми указывается передаваемые сообщения. Например:
При изображении диаграмм классов использованы следующие условные обозначения:
В большинстве случаев рядом с разрабатываемым классом указываются названия полей и методов, которые предполагается включить в класс. Такое описание, как правило, позволяет сориентироваться в основных особенностях классов. Например:
При изображении графа состояний интерфейса сами состояния показываются в виде эллипсов, а возможные переходы - линиями со стрелкой на конце. На графе состояний интерфейса могут быть отмечены события, в результате наступления которых осуществляется тот или иной переход. Например:
Конспект содержит большое количество примеров программ на рассматриваемых языках программирования. Как правило, они иллюстрируют новые положения или сложные моменты.
Использованные сокращения:
ООП – объектно-ориентированное программирование
ТВМ – таблица виртуальных методов
ТДМ – таблица динамических методов
RTTI (Run Time Type Information) – информация о типе переменной времени выполнения
^
1.Теоретические основы объектно-ориентированного программирования
1.1. От процедурного программирования к объектному
На протяжении всех лет своего существования практика программирования требовала совершенствования технологических приемов и создания на их основе таких средств программирования, которые упростили бы процесс разработки программ, позволяя создавать все более сложные программные системы.
Первые программы были организованы очень просто. Они состояли из собственно программы на машинном языке и обрабатываемых данных. Сложность программ ограничивалась способностью программиста одновременно мысленно отслеживать последовательность выполняемых операций и местонахождение большого количества данных.
Появление сначала ассемблеров, а затем и языков высокого уровня сделало программу более обозримой за счет снижения уровня детализации и естественно позволило увеличить ее сложность.
Существенно снизило трудоемкость разработки программ появление в языках средств, позволяющих оперировать подпрограммами. Подпрограммы можно было сохранять и использовать в других программах. В результате были накоплены огромные библиотеки расчетных и служебных подпрограмм, которые по мере надобности вызывались из разрабатываемой программы. Типичная программа того времени состояла из основной программы, области глобальных данных и набора подпрограмм (в основном библиотечных), выполняющих обработку всех данных или их части (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Архитектура программы, использующей глобальную область данных
Слабым местом такой архитектуры было то, что при увеличении количества подпрограмм возрастала вероятность искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой. Например, обычно подпрограмма поиска корней уравнения на заданном интервале по методу деления отрезка пополам меняет величину интервала. Если при выходе из подпрограммы не предусмотреть восстановления первоначального интервала, то в глобальной области окажется неверное значение интервала, полученное при последнем делении отрезка в ходе работы подпрограммы.
Необходимость исключения таких ошибок привела к идее использования в подпрограммах локальных данных (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Архитектура программы, использующей подпрограммы с локальными данными.
И вновь сложность разрабатываемого программного обеспечения стала ограничиваться возможностью программиста отслеживать процессы обработки данных уже на новом уровне. К этому добавились проблемы согласования интерфейса при ведении разработки несколькими программистами. В результате встал вопрос создания технологии разработки сложных программных продуктов, снижающей вероятность появления ошибок.
Усилиями многих авторов такая технология была создана и получила название «структурное программирование»[3, 4].
^ Структурное программирование представляет собой совокупность рекомендуемых технологических приемов, охватывающих выполнение всех этапов разработки программного обеспечения.
Были сформулированы основные принципы выполнения разработки:
- принцип нисходящей разработки, рекомендующий на всех этапах вначале определять наиболее общие моменты, а затем поэтапно выполнять детализацию (что позволяет последовательно концентрировать внимание на небольших фрагментах разработки);
- собственно структурное программирование, рекомендующее определенные структуры алгоритмов и стиль программирования (чем нагляднее текст программы, тем меньше вероятность ошибки);
- принцип сквозного структурного контроля, предполагающий проведение содержательного контроля всех этапов разработки (чем раньше обнаружена ошибка, тем проще ее исправить).
В основе структурного программирования лежит декомпозиция (разбиение на части) сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших (до 40-50 операторов) подпрограмм. В отличие от используемого ранее интуитивного подхода к декомпозиции, структурный подход требовал представления задачи в виде иерархии подзадач простейшей структуры, для получения которой рекомендовалось применять метод пошаговой детализации. С появлением других принципов декомпозиции (объектного, логического и т.д.) данный способ получил название процедурной декомпозиции.
^ Метод пошаговой детализации заключается в следующем:
1) определяется общая структура программы в виде одного из трех вариантов (рис 1.3):
- последовательности подзадач (например, ввод данных, преобразование данных, вывод данных);
- альтернативы подзадач (например, добавление записей к файлу или их поиск);
- повторения подзадачи (например, циклически повторяемая обработка данных).
Рис. 1.3. Основные структуры процедурной декомпозиции
- каждая подзадача, в свою очередь, разбивается на подзадачи с использованием тех же структур.
- процесс продолжается, пока на очередном уровне не получается простейшая подзадача, которая достаточно просто реализуется средствами используемого языка (1-2 управляющих оператора языка).
^ Пример 1.1. Процедурная декомпозия (программа «Записная книжка»)
Пусть требуется разработать программу, которая в удобной для пользователя форме позволит записывать и затем находить телефоны различных людей и организаций. «Удобная» форма на современном уровне программирования предполагает общение программы с пользователем через «меню».
Анализ задачи показывает, что программу можно строить как последовательность подпрограмм. Следовательно, на первом шаге декомпозиции с использованием пошаговой детализации получаем:
Основная программа:
Начать работу.
Вывести меню на экран.
Ввести команду.
Выполнить цикл обработки вводимых команд.
Завершить работу.
Первые три подзадачи, выявленные на данном шаге, представляются несложными, поэтому на следующем шаге детализируем действие «Выполнить цикл обработки вводимых команд»:
Выполнить цикл обработки вводимых команд:
цикл-пока команда «завершить работу»
Выполнить команду.
Ввести команду
все-цикл.
После этого детализируем операцию «Выполнить команду». Выполняем декомпозицию, используя сразу несколько конструкций ветвления:
Выполнить_команду:
если команда= «открыть книжку»
то Открыть книжку
иначе если команда= «добавить»
то Добавить запись
иначе если команда= «найти»
то Найти запись
все-если
все-если
все-если.
На этом шаге можно пока остановиться, так как оставшиеся действия достаточно просты. «Вложив» результаты пошаговой детализации, получим структурное представление алгоритма основной программы объемом не более 20 -30 операторов:
Основная программа:
Начать работу.
Вывести меню на экран.
Ввести команду.
цикл-пока команда «завершить работу»
если команда= «открыть книжку»
то Открыть книжку
иначе если команда= «добавить»
то Добавить запись
иначе если команда= «найти»
то Найти запись
все-если
все-если
все-если
Ввести команду
все-цикл
Завершить работу.
Примечание. Для записи алгоритма использован псевдокод, в котором следование отображается записью действий на разных строках, ветвление обозначается конструкцией если <условие> то <действие> иначе <действие>все-если, а цикл с проверкой условия выхода в начале - цикл-пока <действия> все-цикл. Вложенность конструкций определяется отступами от начала строки.
Окончательно, на первом уровне выделены подзадачи: «Вывести меню», «Ввести команду», «Открыть книжку», «Добавить запись» и «Найти запись».
На следующем уровне определяются подзадачи задач второго уровня, например:
Открыть_книжку:
Ввести имя файла
если существует файл Имя_книжки
то Открыть файл
иначе Вывести сообщение об ошибке
все-если
На этом этапе получаем подзадачи: «Ввести имя файла» и «Открыть файл». Поступив аналогично с наиболее сложными подзадачами первого уровня, получаем схему двухуровневой алгоритмической декомпозиции задачи (рис. 1.4). На данной схеме показано, из каких подпрограмм будет состоять разрабатываемая система и взаимодействие последних по вызовам.
Рис. 1.4. Алгоритмическая декомпозиция системы
«Записная книжка»
Созданная по результатам декомпозиции программа будет иметь правильную с точки зрения структурной технологии организацию, т. е. будет включать 12 относительно небольших подпрограмм, вызываемых из основной программы или подпрограмм более высокого уровня.
Сформулированная таким образом методика декомпозиции закрепила сложившийся в то время процедурный или алгоритмический подход к программированию, при котором основное внимание концентрируется на определении последовательности действий.
Поддержка принципов структурного программирования была заложена в основу, так называемых, процедурных языков программирования. Как правило, они включали основные «структурные» операторы управления, поддерживали вложение подпрограмм, локализацию и ограничение области «видимости» данных. Среди наиболее известных языков этой группы стоит назвать PL/1, ALGOL-68, Pascal, C.
Примечание. Одновременно со структурным программированием появилось огромное количество языков, базирующихся на других концепциях, но большинство из них не выдержало конкуренции. Какие-то языки были просто забыты, идеи других были в дальнейшем использованы в следующих версиях развиваемых языков.
Дальнейший рост сложности и размеров разрабатываемого программного обеспечения потребовал развития структурирования данных и, соответственно, в языках появляется возможность определения пользовательских типов данных. Одновременно усиливается стремление разграничить доступ к глобальным данным программы для уменьшения количества ошибок. Результатом было появление и развитие технологии модульного программирования.
Модульное программирование (рис. 1.5) предполагает выделение групп подпрограмм, использующих одни и те же глобальные данные в отдельно компилируемые модули (библиотеки подпрограмм), например, модуль графических ресурсов, модуль подпрограмм вывода на принтер. Связи между модулями осуществляются через специальный интерфейс, в то время как доступ к реализации модуля (телам подпрограмм и некоторым «внутренним» переменным) запрещен.
Рис. 1.5. Архитектура программы, состоящей из модулей
Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal и С (С++), языки Ада и Modula.
Использование модульного программирования существенно упрощает ведение разработки несколькими программистами, каждый из которых разрабатывает свои модули. Внутренняя организация модулей скрыта от остальных и потому может изменяться независимо. Взаимодействие модулей осуществляется через специально оговоренные интерфейсы модулей. Кроме того, модули в дальнейшем могут использоваться в других разработках, что увеличивает производительность труда программистов.
Практика программирования показывает, что структурный подход в сочетании с модульным программированием позволяет получать достаточно надежные программы, размер которых не превышает 100 000 операторов. Узким местом модульного программирования является то, что ошибка в интерфейсе при вызове подпрограммы выявляется только при выполнении программы (из-за раздельной компиляции модулей обнаружить эти ошибки раньше невозможно). При увеличении размера программы свыше 100 000 операторов обычно возрастает сложность межмодульных интерфейсов, и предусмотреть взаимовлияние отдельных частей программы становится практически не возможно.
Стремление уменьшить количество связей между отдельными частями программы привело к появлению объектно-ориентированного программирования (ООП).