7.1. ПОНЯТИЕ СТРУКТУРЫ ПРОГРАММЫ

7.1. ПОНЯТИЕ СТРУКТУРЫ ПРОГРАММЫ

Структура программы — искусственно выделенные программистом взаимодействующие части программы. Использование рациональной структуры устраняет проблему сложности разработки; делает программу понятной людям; повышает надежность работы программы при сокращении срока ее тестирования и сроков разработки вообще.

Часто некоторую последовательность инструкций требуется повторить в нескольких местах программы. Чтобы программисту не приходилось тратить время и усилия на копирование этих инструкций, в большинстве языков программирования предусматриваются средства для организации подпрограмм. Таким образом, программист получает возможность присвоить последовательности инструкций произвольное имя и использовать это имя в качестве сокращенной записи в тех местах, где встречается соответствующая последовательность инструкций. Подпрограмма — некоторая последовательность инструкций, которая может вызываться в нескольких местах программы.

Описание подпрограммы (функции или процедуры) состоит из двух частей: заголовка и тела. Заголовок содержит идентификатор подпрограммы. Тело состоит из одной или нескольких инструкций. Идентификатор подпрограммы используется в качестве сокращенной записи в тех местах программы, где встречается соответствующая последовательность инструкций.

Вряд ли стоило подробно говорить о столь простой форме записи, если бы за ней не скрывались важные и основополагающие понятия. В действительности процедуры и функции, называемые подпрограммами, являются одним из тех немногих фундаментальных инструментов в искусстве программирования, которые оказывают решающее влияние на стиль и качество работы программиста.

Процедура — это не только способ сокращения программного текста, но и, что более важно, средство разложения программы на логически связанные, замкнутые элементы, определяющие ее структуру. Разложение на части существенно для понимания программы, особенно если программа сложна и трудно обозрима из-за большой длины текста. Разложение на подпрограммы необходимо как для документирования, так и для верификации программы. Поэтому желательно оформлять последовательность инструкций в виде подпрограммы, даже если подпрограмма используется однократно и, следовательно, отсутствует мотив, связанный с сокращением текста программы.

Дополнительная информация о переменных (которые передаются и используются в процедуре) или об условиях, которым должны удовлетворять аргументы, задается в заголовке процедуры. О полезности процедуры, в частности о ее роли при структуризации программы, неоспоримо свидетельствуют еще два понятия в программировании. Некоторые переменные (их обычно называют вспомогательными или локальными переменными), используемые внутри процедуры, не имеют смысла за ее пределами. В программе существенно проще разобраться, если явно указаны области действия таких переменных. Процедура выступает как естественная текстовая единица, с помощью которой ограничивается область существования так называемых локальных переменных.

Вероятно, наиболее общая тактика программирования состоит в разложении процесса на отдельные действия: функционального описания на подфункции, а соответствующих программ — на отдельные инструкции. На каждом таком шаге декомпозиции нужно удостовериться, что решения частных задач приводят к решению общей задачи; выбранная последовательность отдельных действий разумна; выбранная декомпозиция позволяет получить инструкции, в каком-либо смысле более близкие к языку, на котором будет реализована программа.

Последнее требование исключает возможность прямолинейного продвижения от первоначальной постановки задачи к конечной программе, которая должна получиться в конечном итоге. Каждый этап декомпозиции сопровождается формулированием частных подпрограмм. В процессе этой работы может обнаружиться, что выбранная декомпозиция неудачна в том смысле хотя бы потому, что подпрограммы неудобно выражать с помощью имеющихся средств. В этом случае один или несколько предыдущих шагов декомпозиции следует пересмотреть заново.

Если видеть в поэтапной декомпозиции и одновременном развитии и детализации программы постепенное продвижение вглубь, то такой метод при решении задач можно охарактеризовать как нисходящий (сверху вниз). И наоборот, возможен такой подход к решению задачи, когда программист сначала изучает имеющиеся в его распоряжении вычислительную машину и/или язык программирования, а затем собирает некоторые последовательности инструкций в элементарные процедуры, типичные для решаемой задачи. Элементарные процедуры затем используются на следующем уровне иерархии процедур. Такой метод перехода от примитивных машинных команд к требуемой реализации программы называется восходящим (снизу вверх).

На практике разработку программы никогда не удается провести строго в одном направлении (сверху вниз или снизу вверх). Однако при конструировании новых алгоритмов нисходящий метод обычно доминирует. С другой стороны, при адаптации программы к несколько измененным требованиям предпочтение зачастую отдается восходящему методу.

Оба метода позволяют разрабатывать программы, которым присуща структура — свойство, отличающее их от аморфных линейных последовательностей инструкций или команд машины. И чрезвычайно важно, чтобы используемый язык в полной мере отражал эту структуру. Только тогда окончательный вид полученной программы позволит применить систематические методы верификации.