4.Проектирование программного обеспечения при структурном подходе 4.1.Разработка структурной и функциональной схем
Процесс проектирования сложного ПО 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.
Структурная схема разрабатываемого ПО. Структурной называют схему, отражающую состав и взаимодействие по управлению частей разрабатываемого ПО.
Самый простой вид ПО – программа в качестве структурных компонентов может включать только подпрограммы и библиотеки ресурсов. Разработка структурной схемы программы обычно выполняется методом пошаговой детализации (см. § 4.2).
Структурными компонентами программной системы или программного комплекса могут служить программы, подсистемы, базы данных, библиотеки ресурсов и т. п. Так структурная схема программной системы, как правило, показывает наличие подсистем или других структурных компонентов (рис. 4.1).
Более полное представление о проектируемом ПО с точки зрения взаимодействия его компонентов между собой и с внешней средой дает функциональная схема.
Функциональная схема. Функциональная схема или 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.
Функциональные схемы более информативны, чем структурные. Так функциональные схемы программных комплексов и систем наглядно демонстрируют различие между ними (рис. 4.2).
Все компоненты структурных и функциональных схем должны быть описаны. При структурном подходе особенно тщательно необходимо прорабатывать спецификации межпрограммных интерфейсов, так как от качества их описания зависит количество самых дорогостоящих ошибок. К самым дорогим при структурном подходе относятся ошибки, обнаруживаемые при комплексном тестировании, так как для их устранения могут потребоваться серьезные изменения уже отлаженных текстов.
4.2.Использование метода пошаговой детализации для проектирования структуры программного обеспечения
Структурный подход предлагает осуществлять декомпозицию программ методом пошаговой детализации. Результат декомпозиции – структурная схема программы – представляет собой многоуровневую иерархическую схему взаимодействия подпрограмм по управлению. Минимально такая схема отображает два уровня иерархии, т.е. показывает общую структуру программы. Однако тот же метод позволяет получить структурные схемы с большим количеством уровней.
Метод пошаговой детализации реализует нисходящий подход и базируется на основных конструкциях структурного программирования. Он предполагает пошаговую разработку алгоритма. Каждый шаг при этом включает разложение функции на подфункции. Так на первом этапе описывают решение поставленной задачи, выделяя общие подзадачи. На следующем аналогично описывают решение подзадач, формулируя уже подзадачи следующего уровня. Таким образом, на каждом шаге происходит уточнение функций проектируемого ПО. Процесс продолжают, пока не доходят до подзадач, алгоритмы решения которых очевидны.
Декомпозируя программу методом пошаговой детализации следует придерживаться основного п р а в и л а структурной декомпозиции, следующего из принципа вертикального управления: в первую очередь детализировать управляющие процессы декомпозируемого компонента, оставляя уточнение операций с данными напоследок.
Кроме этого целесообразно придерживаться следующих рекомендаций:
не отделять операции инициализации и завершения от соответствующей обработки, так как модули инициализации и завершения имеют плохую связность (временную) и сильное сцепление (по управлению);
не проектировать слишком специализированных или слишком универсальных модулей, так как проектирование излишне специальных модулей увеличивает их количество, а проектирование излишне универсальных модулей – увеличивает их сложность;
избегать дублирования действий в различных модулях, так как при их изменении исправления придется вносить во все места, где они выполняются – в этом случае целесообразно просто реализовать эти действия в отдельном модуле;
группировать сообщения об ошибках в один модуль по типу библиотеки ресурсов, тогда будет легче согласовать формулировки, избежать дублирования сообщений, а также перевести сообщения на другой язык.
При этом, описывая решение каждой задачи, желательно использовать не более одной-двух структурных управляющих конструкций, таких как цикл-пока или ветвление, что позволяет четче представить себе структуру организуемого вычислительного процесса.
Пример 4.2. Разработать алгоритм программы построения графиков функций одной переменной на заданном интервале изменения аргумента [x1, x2] при условии непрерывности функции на всем интервале определения.
В общем виде задача построения графика функции ставится как задача отображения реального графика (рис. 4.3, а), выполненного в некотором масштабе, в соответствующее изображение в окне на экране (рис. 4.3, б).
Для того чтобы построить график необходимо задать функцию, интервал изменения аргумента [x1, x2], на котором функция непрерывна, количество точек графика n, размер и положение окна экрана, в котором необходимо построить график: wx1, wy1, wx2, wy2 и количество линий сетки по горизонтали и вертикали nlx, nly. Значения wx1, wy1, wx2, wy2, nlx, nly можно задать, исходя из размера экрана, а интервал и число точек графика надо вводить.
Разработку алгоритма выполняем методом пошаговой детализации, используя для его документирования псевдокод.
Примем, что программа будет взаимодействовать с пользователем через традиционное иерархическое меню, которое содержит пункты: «Формула», «Отрезок», «Шаг», «Вид результата» и «Выход». Для каждого пункта этого меню необходимо реализовать сценарий, предусмотренный в техническом задании.
Шаг 1. Определяем структуру управляющей программы, которая для нашего случая реализует работу с меню через клавиатуру:
Программа.
Инициализировать глобальные переменные
Вывести заголовок и меню
Выполнять
Если выбрана Команда
то Выполнить Команду
иначе Обработать нажатие клавиш управления
Все-если
до Команда=Выход
Конец.
Очистка экрана, вывод заголовка и меню, а также выбор Команды – операции сравнительно простые, следовательно, их можно не детализировать.
Шаг 2. Детализируем операцию Выполнить команду:
Выполнить Команду:
Выбор Команда
Функция:
Ввести или выбрать формулу Fun
Выполнить разбор формулы
Отрезок:
Ввести значения x1,x2
Шаг:
Ввести значение h
Вид результата:
Ввести вид_результата
Выполнить:
Рассчитать таблицу значений функции.
Если Вид_результата=График
то Построить график
иначе Вывести таблицу
все-если
Все-выбор
Определим, какие фрагменты имеет смысл реализовать в виде подпрограмм. Во-первых, фрагмент Вывод заголовка и меню, так как это достаточно длинная линейная последовательность операторов и ее выделение в отдельную процедуру позволит сократить управляющую программу. Во-вторых, фрагменты Разбор формулы, Расчет значений функции, Построение графика и Вывод таблицы, так как это достаточно сложные операции. Это – подпрограммы первого уровня, которые в основном определяют структуру программы (рис. 4.4).
Определим для этих подпрограмм интерфейсы по данным с основной программой, т.е. в данном случае списки параметров.
Подпрограмма Вывод заголовка и меню параметров не имеет.
Подпрограмма Разбор формулы должна иметь два параметра: Fun – аналитическое задание функции, Tree – возвращаемый параметр – адрес дерева разбора.
Подпрограмма Расчет Значений функции должна получать адрес дерева разбора Tree, отрезок x1 и x2, а также шаг h. Обратно в программу она должна возвращать таблицу значений функции X(n) и Y(n), где n – количество точек функции.
Подпрограммы Вывода таблицы и Построения графика должны получать таблицу значений функции и количество точек.
После уточнения имен переменных алгоритм основной программы будет выглядеть следующим образом:
Программа.
Вывод заголовка и меню
Выполнять
Если выбрана Команда
то
Выбор Команда
Функция:
Ввести или выбрать формулу Fun
Разбор формулы (Fun; Var Tree)
Отрезок:
Ввести значения x1,x2
Шаг:
Ввести значения h
Вид результата:
Ввести Вид_результата
Выполнить:
Расчет таблицы(x1,x2,h,Tree; Var X, Y, n)
Если Вид_результата=График
то Построение графика(X, Y, n)
иначе Вывеод таблицы(X, Y, n)
все-если
Все-выбор
иначе Обработать нажатие клавиш управления
Все-если
до Команда=Выход
Конец.
На следующих шагах необходимо выполнить детализацию алгоритмов подпрограмм. Детализацию выполняют, пока алгоритм программы не станет полностью понятен. Один из возможных вариантов полной структурной схемы данной программы показан на рис. 4.5.
Использование метода пошаговой детализации при проектировании алгоритмов программ обеспечивает высокий уровень технологичности разрабатываемого ПО, так как метод позволяет использовать только структурные способы передачи управления.
Разбиение на модули при данном виде проектирования выполняется эвристически, исходя из рекомендуемых размеров модулей (20-60 строк) и сложности структуры (две-три вложенных управляющих конструкции). Определяющую роль при разбиении программы на модули играют принципы обеспечения технологичности модулей.
Для анализа технологичности полученной иерархии модулей целесообразно использовать структурные карты Константайна или Джексона.
|
