5.3. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПРОЕКТНОЙ ПРОЦЕДУРЫ

5.3. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ПРОЕКТНОЙ ПРОЦЕДУРЫ

Принципы описания последовательности действий для алгоритмов и эвроритмов практически не отличаются. В описаниях алгоритмов обычно присутствует лишь большая формализация. При написании программ программист обычно использует компьютер. Как правило, алгоритмы большинства процедур программ являются простейшими. Обычно код таких процедур опытные программисты пишут сразу сидя за монитором. Кодирование даже алгоритмически сложных процедур можно осуществлять с использованием компьютера, ведь современный компьютер отлично заменяет бумагу и карандаш! Просто надо параллельно в двух окнах монитора разрабатывать документальное описание процедуры и кодировать текст кода самой процедуры. Даже если код программы самодокументированный, отдельный документ будет содержать детальное описание структуры данных всей программы, а также наглядные тесты, детально характеризующие весь алгоритм. Наличие такой документации значительно упростит сопровождение программы.

Выполнение проектной процедуры начинается с первого шага, заключающегося в полном уяснении задачи на внешнем уровне. Этому помогают наборы тестовых примеров и модель "черного ящика". Наборы тестовых примеров способствуют учету всех возможных случаев работы алгоритма или эвроритма. Модель "черного ящика" способствует выявлению целевого назначения алгоритма, эвроритма (инструкции) или иной разрабатываемой искусственной системы. Модель "черного ящика" также помогает выявлять входную и выходную информацию программ и инструкций или определить материальные, энергетические и информационные входы и выходы иных разрабатываемых искусственных систем. Существуют алгоритмы и эвроритмы, составление которых можно начинать либо с анализа "черного ящика", либо с подготовки первичных тестов. Также известны алгоритмы, при разработке которых до качественного завершения работ приходилось многократно переключаться как на работу с "черным ящиком", так и на составление первичных текстов.

При разработке алгоритмов программ входная, промежуточная и выходная информация характеризуется структурой данных, размещенных в оперативной и во внешней памяти, и информацией, отображаемой на экране монитора.

При разработке эвроритмов инструкций входная, промежуточная и выходная информация характеризуется набором предметов (физических и документов) и их состоянием, например: пустой чайник; чайник, заполненный наполовину объема холодной водой; включен выключатель "сеть" в правом верхнем углу панели; документ по форме № 5 с заполненной первой графой. Здесь уместно дополнять описания предметов их рисунками. Учитывайте, что предметы изменяются во времени и пространстве.

Первичные тестовые примеры должны включать как обычные, так и стрессовые наборы тестовых входных данных. Каждый стрессовый набор тестовых данных предназначен для выявления реакции в особых случаях, например неверных действий пользователя, деления на ноль, выхода значения за допустимые границы, несоответствия инструкции состоянию дел и т. д. Любой набор тестовых данных должен содержать описание результата.

Второй шаг составления эвроритма или алгоритма начинается с разработки обобщающих тестов или обобщающего теста, включающих как можно в меньший набор тестов все случаи из первичных тестов.

На основе обобщающих тестов, а также выявленных входов и выходов системы готовится наглядный обобщающий тест или несколько наглядных обобщающих тестов. Наглядный тест должен отражать цепочку преобразования информации от исходной информации через промежуточную информацию и до результирующей информации. Главнейшее требование к обобщающему тесту — его наглядность в представлении порядка изменения информации. Известно, что при изучении геометрии успех решения задачи определяется наглядностью рисунков. Наглядные геометрические рисунки обычно получаются многовариантным их построением, и требуется приобретение некоторых навыков для развития искусства их выполнения. Все это относится и к составлению наглядных обобщающих тестов. Наглядность обобщающих тестов достигается правильным выбором способа отображения информации, который обеспечивает восприятие порядка преобразования информации.

Наглядные представления обычно основываются на модели типа абстракции данных, изложенной в гл. 1. Одной из ее форм может быть функциональная модель в виде набора диаграмм потоков данных (ДПД). Другая форма может соответствовать рисунку с рациональным способом размещения по его площади массивов с их именами, значениями элементов, значениями индексов элементов, значениями и именами простых переменных, соединенными стрелками по направлению передачи информации. Еще одной формой является форма, близкая к трассе счета, показывающая изменения значений переменных на шагах процесса. Возможны и иные формы, например таблицы правил.

Подчеркнем важность работы с данными. Данные во многом определяют алгоритмы. При решении одной и той же задачи, выбор разных структур данных приводит к совершенно различающимся алгоритмам или эвроритмам.

Дальнейшее выполнение проектной процедуры заключается в получении на основании модели абстракции данных модели процедурной абстракции, также изложенной в гл. 1.

Любые алгоритмы или эвроритмы должны состоять только из стандартных структур, каждая из которых строго имеет один информационный вход и один информационный выход. Использование иных (нестандартных) структур приводит либо к удлинению описания, либо к невозможности тестирования (из-за нереально огромного объема необходимых тестов), либо к потере понятности.

Потеря понятности происходит из-за того, что в неструктурированном алгоритме или эвроритме одни и те же части алгоритма или эвроритма при одних данных выполняют одно, а при других — другое. Поэтому части неструктурированных алгоритмов или эвроритмов невозможно однозначно характеризовать средствами естественного языка.

Структуре СЛЕДОВАНИЕ в инструкциях и программах соответствует строго одно действие.

Далее проектная процедура выполняется итеративными шагами: до достижения элементарных действий (элементарных операторов языка программирования или элементарных операций) отдельные структуры СЛЕДОВАНИЕ, из которых состоит описание любого алгоритма или эвроритма, декомпозируются с соблюдением принципа от общего к частному одной из трех стандартных структур (рис. 5.2): ЦЕПОЧКА СЛЕДОВАНИЙ; ЦЕПОЧКА АЛЬТЕРНАТИВ; ПОВТОРЕНИЕ.

В случае длинного алгоритма по исчерпанию информации обобщающего теста готовятся новые обобщающие тесты под все новые задачи структуры.

Рис. 5.2. Выявление вида очередной структуры при выполнении проектной процедуры разработки функциональных описаний

Из трех выявленных структур любая структура содержит в себе одну или несколько новых структур вида СЛЕДОВАНИЕ с более частными действиями. Эти новые СЛЕДОВАНИЯ могут подвергаться декомпозиции на следующей итерации выполнения проектной процедуры.

Итак, описания последовательности действий для алгоритмов и эвроритмов практически не различаются, поэтому их разработку рассмотрим совместно. Процесс кодирования программ, совмещенный с документированием, предполагает более разнообразные работы и требует особых знаний, поэтому кодирование программ рассмотрим отдельно. Отметим, что алгоритм ряда программ (например, математически не сложных) и код программ рождаются одновременно, причем рождаются на основе мыслей программиста. Отсюда следует, что признаки алгоритмических типовых структур и порядок их детализации, описанные в данном подразделе, являются одними и теми же для составления алгоритмов, эвроритмов и программ.

На каждой итерации проектной процедуры приходится решать задачу: "А какая именно из трех структур будет выявлена?" При решении данной задачи необходимую информацию можно получить лишь из анализа обобщающих тестов. Анализ тестов на предмет поиска самой главной на данный момент структуры является для начинающих весьма непростым делом. "Раскрепостить мышление" помогает набор признаков структур, изложенный в табл. 5.2, а также набор эвристических приемов, изложенный далее.

Таблица 5.2.

Сводная таблица характеристик структур и признаков структур

Набор эвристических приемов:

1. "Хорошие наглядные иллюстрации — залог успеха!".

2. "Думай от общего к частному!".

3. "Общий процесс определяет работу частных!".

4. "Это не главный процесс, вы увязли в частностях!".

5. "Не забывай вводить новые термины (имена переменных)!".

6. "Выделив главное действие, вы уже решаете более простую задачу!".

7. "Если закончилась информация в обобщающих тестах, то готовьте новые обобщающие тесты для решения все новых частных задач!".

8. "Если в процессе декомпозиции потребуется описать процесс выхода из какой-то точки описания в какую-то иную, то это значит, что были неправильно выполнены предшествующие детализации из-за неправильного выявления наиболее общего действия и требуется корректно переделать предшествующую работу!".

9. "Иногда очередная детализация не получается из-за неосознанной потребности по вводу вспомогательной переменной (флага события), характеризующей, произошло ли ранее какое-то событие!".

Каждое СЛЕДОВАНИЕ соответствует строго одному действию. Главное в действиях — глагол. Основное, что необходимо выполнить при описании отдельной структуры СЛЕДОВАНИЕ: в описании должна содержаться лишь одна мысль. Любая структура вида СЛЕДОВАНИЕ может быть описана простым распространенным предложением естественного (русского) языка. Например, "Следующее действие заключается в погрузке мебели в автомобиль". Однако учитывая то, что в случае составления алгоритмов программ суть типовых структур поясняется самими операторами языка программирования, применяется более краткое описание в виде неполного предложения без сказуемого. В последнем случае подлежащее образуют от глаголов. Например, "Погрузка мебели", "Решение квадратного уравнения", "Ввод данных".

Порядок детализации одиночного СЛЕДОВАНИЯ с использованием модели "черного ящика" показан на рис. 5.2; 5.3:

1) предварительное выявление сути действия;

2) выявление выходной информации, ибо выход определяет вход, а не наоборот;

3) выявление входной информации;

Рис. 5.3. Модель "черного ящика"

4) запись уточненного комментария сути действия или одного заключительного элементарного оператора.

При описании физических и технических систем необходимо использовать более полную модель "черного ящика" (см. рис. 2.2).

ЦЕПОЧКА СЛЕДОВАНИЙ соответствует однозначному описанию последовательности действий.

Признаком ЦЕПОЧКИ СЛЕДОВАНИЙ является никогда не нарушаемая последовательность действий (последовательность СЛЕДОВАНИЙ). ЦЕПОЧКЕ СЛЕДОВАНИЙ соответствует последовательность простых предложений и сложносочиненные предложения, которые лучше преобразовать в простые предложения.

Порядок детализации ЦЕПОЧКИ СЛЕДОВАНИЙ показан на рис. 5.4:

1) предварительное выявление сути действий каждого из СЛЕДОВАНИЙ, определение количества СЛЕДОВАНИЙ;

2) детализация каждого из СЛЕДОВАНИЙ как одиночного СЛЕДОВАНИЯ;

Рис. 5.4. Порядок действий при детализации структуры ЦЕПОЧКА СЛЕДОВАНИЙ

3) проверка информационной согласованности всех СЛЕДОВАНИЙ, а также входной и выходной информации всей ЦЕПОЧКИ СЛЕДОВАНИЙ;

4) рационализация порядка СЛЕДОВАНИЙ (сосредоточение СЛЕДОВАНИЙ, сотрудничающих в информационном обмене);

5) сверка с обобщающими тестами.

Отдельные СЛЕДОВАНИЯ структуры ЦЕПОЧКА СЛЕДОВАНИЙ в дальнейшем могут быть декомпозированы ЦЕПОЧКОЙ СЛЕДОВАНИЙ (более частных). Однако встречаются отдельные структуры СЛЕДОВАНИЯ, которые не могут быть декомпозированы ЦЕПОЧКОЙ СЛЕДОВАНИЙ. Такие СЛЕДОВАНИЯ могут быть описаны или структурой вида ЦЕПОЧКА АЛЬТЕРНАТИВ (ВЕТВЛЕНИЕ), или структурой вида ПОВТОРЕНИЕ (ЦИКЛ).

Признаком ЦЕПОЧКИ АЛЬТЕРНАТИВ или ВЫБОРА является одно или несколько действий, каждое из которых выполняется при определенном условии или не выполняется вообще (обязательно конечное число разных действий при разных условиях).

ЦЕПОЧКА АЛЬТЕРНАТИВ, в частном случае, может состоять из одной или нескольких простейших альтернатив с одним действием. Предложение простейшая АЛЬТЕРНАТИВА с одним действием имеет следующую конструкцию: "Если выполняется какое-то условие, то выполняется такой-то процесс (СЛЕДОВАНИЕ)". (В противном случае СЛЕДОВАНИЕ пропускается.) Предложение АЛЬТЕРНАТИВА из двух действий имеет следующую конструкцию: "Если выполняется какое-то условие, то выполняется СЛЕДОВАНИЕ 1, в противном случае выполняется СЛЕДОВАНИЕ 2". В принципе структура АЛЬТЕРНАТИВА из двух действий эквивалентна цепочке из двух простейших альтернатив с одним действием. При детализации процессов, включающих более двух альтернатив, может быть получена единая структура— ВЫБОР в виде цепочки последовательно записанных структур АЛЬТЕРНАТИВА с одним действием. Здесь следует отметить, что от внешне похожей ЦЕПОЧКИ СЛЕДОВАНИЙ, каждое СЛЕДОВАНИЕ которой является простейшей АЛЬТЕРНАТИВОЙ с одним действием, структура ВЫБОР отличается таким свойством, что при выполнении всей ЦЕПОЧКИ АЛЬТЕРНАТИВ может выполняться лишь одно из альтернативных СЛЕДОВАНИЙ или ни одного из альтернативных СЛЕДОВАНИЙ.

Пример условий альтернатив в случае структуры ВЫБОР:

Если А < В, то выполнить СЛЕДОВАНИЕ1;

Если А = В, то выполнить СЛЕДОВАНИЕ2;

Если А > В, то выполнить СЛЕДОВАНИЕЗ.

АЛЬТЕРНАТИВОЙ с одним действием можно осуществить досрочное прекращение процесса выполнения алгоритма в том случае, который соответствует обнаружению условий невозможности правильного дальнейшего выполнения алгоритма или эвроритма.

Детализациям всех последующих структур предшествует нулевое действие — запись в начале и в конце входных и выходных данных, выявленных в процессе детализации предшествующих им СЛЕДОВАНИЙ.

Порядок детализации ЦЕПОЧКИ АЛЬТЕРНАТИВ показан на рис. 5.5:

1) предварительное выявление сути действия каждого из СЛЕДОВАНИЙ альтернативных действий, определение количества таких СЛЕДОВАНИЙ;

Рис. 5.5. Порядок действий при детализации цепочки АЛЬТЕРНАТИВ, согласно проектной процедуре разработки функциональных описаний

2) детализация каждого из СЛЕДОВАНИЙ как одиночного СЛЕДОВАНИЯ;

3) выявление и запись логического условия выполнения каждого из альтернативных СЛЕДОВАНИЙ;

4) проверка информационной согласованности всех СЛЕДОВАНИЙ и логических условий в цепочке, а также входной и выходной информации всей ЦЕПОЧКИ АЛЬТЕРНАТИВ;

5) рационализация порядка альтернатив;

6) проверка выполнения всех маршрутов на тестах, полученных из обобщающего теста.

Признаком ПОВТОРЕНИЯ является многократно выполняемое действие (но обязательно конечное число раз). ПОВТОРЕНИЯМ соответствуют мысли: "Это действие должно быть выполнено пять раз"; "Это действие выполняется многократно до наступления такого-то события". Признаки ПОВТОРЕНИЙ — переменное количество АЛЬТЕРНАТИВ, любая мысль о возврате "назад", чтобы повторить какие-то действия. Часто главный более общий процесс вида ПОВТОРЕНИЕ прячется в контексте "и т. д." или "и т. п.", "это совсем просто", или даже в многоточиях "…".

Предложение вида ПОВТОРЕНИЕ может быть записано или в форме ПОВТОРЕНИЕ "ДО" (ЦИКЛ "ДО"), или в форме ПОВТОРЕНИЕ "ПОКА" (ЦИКЛ "ПОКА").

Предложение ПОВТОРЕНИЕ "ДО" имеет следующую конструкцию: "До выполнения какого-то условия многократно выполнять СЛЕДОВАНИЕ".

Предложение ПОВТОРЕНИЕ "ПОКА" имеет следующую конструкцию: "Пока выполняется какое-то условие, многократно выполнять СЛЕДОВАНИЕ".

Разница между предложениями ПОВТОРЕНИЕ "ДО" и ПОВТОРЕНИЕ "ПОКА" заключается в том, что, согласно первому предложению, действие СЛЕДОВАНИЕ должно быть выполнено хотя бы один раз, а согласно второму, — СЛЕДОВАНИЕ может не выполняться ни разу.

Структура НЕУНИВЕРСАЛЬНОЕ ПОВТОРЕНИЕ или просто обеспечивает заданное количество повторений какого-либо процесса или выполнение какого-то процесса при значении переменной цикла, значение которой изменяется по правилам арифметической прогрессии.

Порядок детализации ПОВТОРЕНИЙ показан на рис. 5.6.

Детализация повторений ведется в вариантной постановке

Рис. 5.6. Порядок действий при детализации ПОВТОРЕНИЙ

1) выявление и запись логического условия завершения ПОВТОРЕНИЯ "ДО" или условия продолжения выполнения ПОВТОРЕНИЯ "ПОКА";

2) выявление действий прекращения выполнения повторения;

3) выявление действий СЛЕДОВАНИЯ подготовки выполнения ПОВТОРЕНИЯ;

4) детализация СЛЕДОВАНИЯ оставшегося действия как одиночного СЛЕДОВАНИЯ;

5) проверка информационной согласованности всех СЛЕДОВАНИИ, логических условий, а также входной и выходной информации всего ПОВТОРЕНИЯ;

6) проверка на 2–3 тестах, полученных из обобщающего теста;

7) окончательный выбор варианта реализации ПОВТОРЕНИЯ в виде структуры ПОВТОРЕНИЕ "ПОКА" или в виде структуры ПОВТОРЕНИЕ "ДО".