Министерство  образования и науки Российской Федерации

Автономное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования  
«Ленинградский государственный университет имени А.С. Пушкина»

Кафедра информатики и вычислительной математики

 
 
 
 
 
 
КУРСОВАЯ  РАБОТА

на  тему: «Модульное программирование на примере сортировки последовательностей»

Специальность: 030100.00 — информатика

Выполнила:  
студентка III курса В.В. Гошина

Руководитель:  
канд. техн. наук, доцент О.А. Матюшкина 

Допущен к  защите «____»___________2008. 

Введение

      В основе того или иного языка программирования лежит некая руководящая идея, вызванная потребностями или, чаще всего, кризисом в области программирования и создания программного обеспечения, которая оказывает существенное влияние на стиль программирования и помогает преодолеть указанный кризис. Рассмотрим вкратце историю появления и развития основных стилей программирования и процедурных алгоритмических языков.

      Машинно-ориентированное программирование появилось одновременно с созданием электронных вычислительных машин. Сначала это были программы в машинных кодах, затем появился язык программирования Assembler (Автокод), который немного «очеловечил» написание программы в машинном коде. Этот стиль программирования предполагает доскональное знание возможностей конкретной архитектуры ЭВМ и операционной системы и используется до сих пор тогда, когда другие стили бессильны, или нужно получить максимальное быстродействие в рамках той или иной операционной системы с использованием архитектуры данной ЭВМ.

      Процедурное программирование. Основная идея этого стиля – алгоритмизация процесса решения задачи и выбор наилучшего алгоритма (по расходу памяти или по быстродействию). Реализация этой идеи началась с 1957 года с появлением алгоритмических языков Fortran и затем Algol-60, когда все большее и большие число специалистов занялось решением достаточно сложных инженерных и научных задач. И нужен был стиль программирования максимально близкий к человеческому (математическому) стилю. При этом знание тонкостей архитектуры ЭВМ не требовалось. Программа на алгоритмическом языке (при наличии соответствующих трансляторов) должна была в идеале работать на ЭВМ любой архитектуры. Но это были программы прикладные. Разработку же системных программ (самих трансляторов, систем ввода-вывода) по-прежнему надо было делать на Ассемблере.

      Структурное программирование. Здесь основная идея прекрасно выражена Н. Виртом в его книге "Алгоритмы + структуры данных = программы". Это был ответ на кризис в области программирования, начавшийся в середине 60-х годив, когда объем исходного программного кода перешел рубеж в 1000 строк. В 1971 году появился алгоритмический язык Pascal и немного позже, в 1972 году, язык С. Алгоритмические языки стали более мощными, более "интеллектуальными", на них уже можно было писать элементы трансляторов (компиляторов) и драйверов (подпрограмм обработки ввода-вывода). Компиляторы с языков С и Fortran выдают, например, по требованию программиста и листинг программы на Ассемблере. Знающий Ассемблер программист может его проанализировать, что-то подправить и перекомпилировать, но уже на Ассемблере. В этом случае можно достаточно быстро и эффективно получать системные программы.

     Модульное программирование. Здесь основная идея заключалась в том, чтобы "спрятать" данные и процедуры внутри независимых программных единиц - модулей. Эту идею впервые реализовал Н. Вирт в алгоритмическом языке Modula (1975-1979 годы), а затем "подхватили" и остальные, распространенные в то время языки программирования. Например, известные системы программирования Turbo Pascal и Turbo С.

     На  этом можно было бы остановиться, т.к. я дошел темы моей работы, но я не могу обойти без внимания дальнейшее развитие технологий программирования, поэтому продолжу хронологию развития программирования.

     Объектно-ориентированное программирование. С середины 80-х годов объем исходного программного кода перешел рубеж в 100 000 строк. Нужно было сделать не случайное объединение данных и алгоритмов их обработки в единое целое, а - смысловое. То есть необходимо было создать модульное программирование нового уровня, когда основной акцент делается на смысловую связь структур данных и алгоритмов их обработки. Сейчас практически все основные языки программирования (их более 100, в том числе такие распространенные, как Object Pascal, C++, Smalltalk) базируются на этой идее, а предком их является язык Simula, созданный еще в 1960 году.

     Обобщенные  технологии разработки приложений. Идеология объектно-ориентированного программирования породила CASE-технологии разработки и сборки программ на основе уже известных программных моделей, содержащих интерфейсы и прототипы (шаблоны — template) данных: COM (Component Object Model), STL (Standard Template Library), ATL (Active Template Library). Все эти новшества поддерживают визуальные среды разработки, например, такие известные, как Visual C++, Borland C++ Builder, Borland Delphi.

     Теперь  подробно рассмотрим технологию модульного программирования.

1. Цель  модульного программирования

     Приступая к разработке каждой программы, следует иметь в виду, что она, как правило, является большой системой, поэтому надо принять меры для ее упрощения. Для этого такую программу разрабатывают по частям, которые называются программными модулями. А сам такой метод разработки программ называют модульным программированием. Программный модуль - это любой фрагмент описания процесса, оформляемый как самостоятельный программный продукт, пригодный для использования в описаниях процесса. Это означает, что каждый программный модуль программируется, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы, и тем самым, физически разделен с другими модулями программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программ, если выполнены условия его использования, декларированные в документации по этому модулю. Таким образом, программный модуль может рассматриваться и как средство борьбы со сложностью программ, и как средство борьбы с дублированием в программировании (т.е. как средство накопления и многократного использования программистских знаний).

     Модульное программирование является воплощением  в процессе разработки программ обоих  общих методов борьбы со сложностью: и обеспечение независимости компонент системы и использование иерархических структур. Для воплощения первого метода формулируются определенные требования, которым должен удовлетворять программный модуль, т.е. выявляются основные характеристики «хорошего» программного модуля. Для воплощения второго метода используют древовидные модульные структуры программ (включая деревья со сросшимися ветвями).

  1.1. Назначение и структура модуля

      Модуль - это автономно компилируемая программная единица, включающая в себя различные компоненты раздела описаний (типы, константы, переменные, процедуры и функции) и, возможно, некоторые исполняемые операторы инициирующей части. В модулях Turbo PASCAL явным образом выделяется некоторая "видимая" интерфейсная часть, в которой сконцентрированы описания глобальных типов, констант и переменных, а также приводятся заголовки глобальных процедур и функций. Появление объектов в интерфейсной части делает их доступными для других модулей и основной программы. Тела процедур и функций располагаются в исполняемой части модуля, которая может быть скрыта от пользователя. Модули представляют собой прекрасный инструмент для разработки библиотек прикладных программ и мощное средство модельного программирования. Важная особенность модуля заключается в том, что компилятор Turbo PASCAL размещает их программный код в отдельном сегменте. Модуль имеет следующую структуру:

             UNIT <имя>;

                INTERFACE

                   <интерфейсная часть>

                IMPLEMENTATION

                   <исполняемая часть>

                    BEGIN

                      <инициирующая часть>

               END.

      Здесь UNIT - зарезервированное слово, начинает заголовок 

      модуля;

      <имя> - имя  модуля (должно совпадать   с именем файла,  в

      который помещен модуль);

      IMPLEMENTATION - зарезервированное слово (выполнение), начинает исполняемую часть; BEGIN - зарезервированное слово, начинает инициирующую часть (часть модуля BEGIN <инициирующая часть> необязательна); END - зарезервированное слово, признак конца модуля.

      Заголовок модуля состоит из зарезервированного слова UNIT и следующего за ним имени модуля. Для правильной работы Turbo PASCAL и возможности подключения средств, облегчающих разработку крупных программ, это имя должно совпадать с именем файла, в который помещается исходный текст модуля. Имя модуля служит для его связи с другими модулями и основной программой. Эта связь устанавливается специальным приложением USES <список модулей>. Здесь USES - зарезервированное слово; <список модулей> - список модулей, с которыми устанавливается связь, элементами списка являются имена модулей, отделяемые друг от друга запятыми. Если объявление USES используется, то оно должно открывать раздел описаний основной программы. Модули могут использовать другие модули. Предложение USES в модулях может следовать либо сразу за зарезервированным словом INTERFACE, либо сразу за словом  IMPLEMENTATION. Интерфейсная часть открывается зарезервированным словом INTERFACE. В этой части содержатся объявления всех глобальных объектов модуля (типов, констант, переменных и подпрограмм), которые должны стать доступными основной программе и (или) другим модулям. При объявлении глобальных подпрограмм в интерфейсной части указывается только их заголовок. Объявление подпрограмм в интерфейсной части автоматически сопровождается их компиляцией с использованием дальней модели памяти. Таким образом, обеспечивается доступ к подпрограммам из основной программы и других модулей. Порядок появления различных разделов объявлений и их количество может быть произвольным. Исполняемая часть начинается зарезервированным словом IMPLEMEN- TATION и содержит описания подпрограмм, объявленных в интерфейсной части. В ней могут объявляться локальные для модуля объекты - вспомогательные типы, константы, переменные и блоки, а также метки, если они используются в инициирующей части. Описанию подпрограммы, объявленной в интерфейсной части модуля, в исполняемой части должен предшествовать заголовок, в котором можно опускать список формальных переменных (и  тип результата для функции), так как они уже описаны в интерфейсной части. Но если заголовок программы приводится в полном виде, т.е., со списком формальных параметров, то он должен совпадать с заголовком, объявленным в интерфейсной части. Инициирующая часть завершает модуль. Она может отсутствовать вместе с начинающим ее словом BEGIN или быть пустой - тогда за BEGIN сразу следует признак конца модуля (слово END и следующая за ним точка). В инициирующей части размещаются исполняемые операторы, содержащие некоторый фрагмент программы. Эти операторы исполняются до передачи управления основной программе и обычно используются для подготовки ее работы. Например, в них могут инициироваться переменные, открываться нужные файлы, могут устанавливаться связи с другими ПК по коммуникационным каналам и т.п. Не рекомендуется делать инициирующую часть пустой, лучше ее опустить: пустая часть содержит пустой оператор, которому будет передано управление при запуске программы.

1.2. Компиляция модулей.

      В среде Turbo PASCAL имеются средства, управляющие способом компиляции модулей и облегчающие разработку крупных программных проектов. В частности, определены три режима компиляции: COMPILE, MAKE и BUILD. Режимы отличаются только способами связи компилируемого модуля и основной программы с другими модулями, объявленными в приложении USES. При компиляции модуля или основной программы в режиме COMPILE компилируется только файл, находящийся в активном окне. По умолчанию предполагается, что используемые модули уже откомпилированы и результаты помещены в одноименные файлы с расширением .TPU; файл с расширением .TPU (от английского Turbo Pаscal Unit) создается в результате компиляции модуля. В режиме МАКЕ компилятор проверяет наличие TPU-файлов для каждого объявленного модуля. Если какой-либо из файлов не обнаружен, то система пытается отыскать одноименный файл с расширением .PAS, т.е. файл с исходным текстом модуля. Если PAS-файл найден, то происходит его компиляция. Кроме того, в этом режиме система следит за возможными изменениями исходного текста любого используемого модуля. Если в PAS-файл (исходный текст модуля) внесены какие-либо изменения, то независимо от того, есть ли уже в каталоге соответствующий TPU-файл или нет, система осуществляет его компиляцию перед компиляцией основной программы. Если изменения внесены в интерфейсную часть модуля, то будут перекомпилированы также и все другие модули, обращающиеся к нему. Режим МАКЕ существенно облегчает процесс разработки крупных программ с множеством модулей. В режиме BUILD существующие TPU-файлы игнорируются, и система пытается отыскать и компилировать соответствующий PAS-файл для каждого объявленного в предложении USES модуля. После компиляции в режиме BUILD программист может быть уверен в том, что учтены все сделанные им изменения в любом из модулей.

      Подключение модуля к основной программе и  их возможная компиляция осуществляется в порядке их объявления в предложении USES. При переходе к очередному  модулю система предварительно отыскивает все модули, на которые он ссылается. Ссылки модулей друг на друга могут образовывать древовидную структуру любой сложности, однако запрещается явное или косвенное обращение модуля к самому себе. Дело в том, что Turbo PASCAL разрешает ссылки на частично откомпилированные модули, что приблизительно соответствует опережающему описанию подпрограммы. Если интерфейсные части любых двух модулей независимы, Turbo PASCAL сможет идентифицировать все глобальные идентификаторы в каждом из модулей, после чего откомпилирует тела модулей обычным способом.