Этапы создания программного обеспечения

ПРОГРАММИРОВАНИЕ НА ЯВУ, ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ Основные подходы, применяемые в программировании. 1. структурный или модульный подход (задача разбивается на подзадачи, затем на алгоритмы, составляются их структурные схемы и осуществляется реализация); 2. функциональный подход; 3. логический подход; 4. объектно-ориентированный подход; 5. смешанный подход (некоторые подходы можно комбинировать); 6. компонентно-ориентированный (программный проект рассматривается как множество компонент, такой подход принят, в частности, в. NET); 1. Структурное программирование - Структурное программирование — методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX века Э. Дейкстрой, разработана и дополнена Н. Виртом. В соответствии с данной методологией — Любая программа представляет собой структуру, построенную из трёх типов базовых конструкций: · последовательное исполнение — однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы; · ветвление — однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия; · цикл — многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие (условие продолжения цикла). В программе базовые конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом, но никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается. — Повторяющиеся фрагменты программы (либо не повторяющиеся, но представляющие собой логически целостные вычислительные блоки) могут оформляться в виде т. н. подпрограмм (процедур или функций). В этом случае в тексте основной программы, вместо помещённого в подпрограмму фрагмента, вставляется инструкция вызова подпрограммы. При выполнении такой инструкции выполняется вызванная подпрограмма, после чего исполнение программы продолжается с инструкции, следующей за командой вызова подпрограммы. — Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз». 2. Функциональный подход, возникший после создания языка LISP. Отличительной особенностью данного подхода является то, что любая программа, написанная на таком языке, может интерпретироваться как функция с одним или несколькими аргументами. Такой подход дает возможность прозрачного моделирования текста программ математическими средствами, а значит, весьма интересен с теоретической точки зрения. Сложные программы при таком подходе строятся посредством агрегирования функций. При этом текст программы представляет собой функцию, некоторые аргументы которой можно также рассматривать как функции. Таким образом, повторное использование кода сводится к вызову ранее описанной функции, структура которой, в отличие от процедуры императивного языка, математически прозрачна. Более того, типы отдельных функций, используемых в функциональных языках, могут быть переменными. Таким образом обеспечивается возможность обработки разнородных данных (например, упорядочение элементов списка по возрастанию для целых чисел, отдельных символов и строк) или полиморфизм. Еще одним важным преимуществом реализации языков функционального программирования является автоматизированное динамическое распределение памяти компьютера для хранения данных. При этом программист избавляется от обязанности контролировать данные, а при необходимости может запустить функцию " сборки мусора" – очистки памяти от тех данных, которые больше не потребуются программе (обычно этот процесс периодически инициируется компьютером). Таким образом, при создании программ на функциональных языках программист сосредотачивается на области исследований (предметной области) и в меньшей степени заботится о рутинных операциях (обеспечении правильного с точки зрения компьютера представления данных, " сборке мусора" и т. д. ). 3. Согласно логическому подходу к программированию, программа представляет собой совокупность правил или логических высказываний. Кроме того, в программе допустимы логические причинно-следственные связи, в частности, на основе операции импликации. Таким образом, языки логического программирования базируются на классической логике и применимы для систем логического вывода, в частности, для так называемых экспертных систем. На языках логического программирования естественно формализуется логика поведения, и они применимы для описаний правил принятия решений, например, в системах, ориентированных на поддержку бизнеса. Важным преимуществом такого подхода является достаточно высокий уровень машинной независимости, а также возможность откатов – возвращения к предыдущей подцели при отрицательном результате анализа одного из вариантов в процессе поиска решения (скажем, очередного хода при игре в шахматы), что избавляет от необходимости поиска решения путем полного перебора вариантов и увеличивает эффективность реализации. Одним из недостатков логического подхода в концептуальном плане является специфичность класса решаемых задач. В качестве примеров языков логического программирования можно привести Prolog (название возникло от слов PROgramming in LOGic) и Mercury. 4. Объе́ ктно-ориентированное, или объектное, программирование (в дальнейшем ООП) — парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов и классов. В рамках данного подхода программа представляет собой описание объектов, их свойств (или атрибутов), совокупностей (или классов), отношений между ними, способов их взаимодействия и операций над объектами (или методов). Несомненным преимуществом данного подхода является концептуальная близость к предметной области произвольной структуры и назначения. Механизм наследования атрибутов и методов позволяет строить производные понятия на основе базовых и таким образом создавать модель сколь угодно сложной предметной области с заданными свойствами. Еще одним теоретически интересным и практически важным свойством объектно-ориентированного подхода является поддержка механизма обработки событий, которые изменяют атрибуты объектов и моделируют их взаимодействие в предметной области. Перемещаясь по иерархии классов от более общих понятий предметной области к более конкретным (или от более сложных – к более простым) и наоборот, программист получает возможность изменять степень абстрактности или конкретности взгляда на моделируемый им реальный мир. Использование ранее разработанных библиотек объектов и методов позволяет значительно сэкономить трудозатраты при производстве программного обеспечения, в особенности типичного. Объекты, классы и методы могут быть полиморфными, что делает реализованное программное обеспечение более гибким и универсальным. Сложность адекватной (непротиворечивой и полной) формализации объектной теории порождает трудности тестирования и верификации созданного программного обеспечения. Вероятно, это обстоятельство является одним из самых существенных недостатков объектно-ориентированного подхода к программированию. Пожалуй, наиболее известным примером объектно-ориентированного языка программирования является язык C++, развившийся из императивного языка С. Его прямым потомком и логическим продолжением является язык С#. Другие примеры объектно-ориентированных языков программирования: Visual Basic, Eiffel, Oberon. Все является объектом. Вычисления осуществляются путём взаимодействия (обмена данными) между объектами, при котором один объект требует, чтобы другой объект выполнил некоторое действие. Объекты взаимодействуют, посылая и получая сообщения. Сообщение — это запрос на выполнение действия, дополненный набором аргументов, которые могут понадобиться при выполнении действия. Каждый объект имеет независимую память, которая состоит из других объектов. Каждый объект является представителем (экземпляром) класса, который выражает общие свойства объектов. В классе задаётся поведение (функциональность) объекта. Тем самым все объекты, которые являются экземплярами одного класса, могут выполнять одни и те же действия. Классы организованы в единую древовидную структуру с общим корнем, называемую иерархией наследования. Память и поведение, связанное с экземплярами определённого класса, автоматически доступны любому классу, расположенному ниже в иерархическом дереве. Основные понятия Абстракция Абстрагирование — это способ выделить набор значимых характеристик объекта, исключая из рассмотрения незначимые. Соответственно, абстракция — это набор всех таких характеристик. Инкапсуляция Инкапсуляция — это свойство системы, позволяющее объединить данные и методы, работающие с ними, в классе и скрыть детали реализации от пользователя. Класс Класс является описываемой на языке терминологии (пространства имён) исходного кода моделью ещё не существующей сущности (объекта). Фактически он описывает устройство объекта, являясь своего рода чертежом. Говорят, что объект — это экземпляр класса. При этом в некоторых исполняющих системах класс также может представляться некоторым объектом при выполнении программы посредством динамической идентификации типа данных. Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы их объекты соответствовали объектам предметной области. Наследование Наследование — это свойство системы, позволяющее описать новый класс на основе уже существующего с частично или полностью заимствующейся функциональностью. Класс, от которого производится наследование, называется базовым, родительским или суперклассом. Новый класс — потомком, наследником или производным классом. Объект Сущность в адресном пространстве вычислительной системы, появляющаяся при создании экземпляра класса или копирования прототипа (например, после запуска результатов компиляции и связывания исходного кода на выполнение). Полиморфизм Полиморфизм — это свойство системы использовать объекты с одинаковым интерфейсом без информации о типе и внутренней структуре объекта. Прототип Прототип — это объект-образец, по образу и подобию которого создаются другие объекты. Объекты-копии могут сохранять связь с родительским объектом, автоматически наследуя изменения в прототипе; эта особенность определяется в рамках конкретного языка. 5. Компонентно-ориентированное программирование — парадигма программирования, ключевой фигурой которой является компонент(программный проект рассматривается как множество компонент, такой подход принят, в частности, в. NET);

Основные этапы решения задач на ЭВМ.

Этапы создания программного обеспечения

В процессе разработки программ с использованием структурного подхода можно выделять следующие этапы: 1. постановка задачи – определение требований к программному продукту; 2. анализ – осуществление формальной постановки задачи и определение методов ее решения; 3. проектирование – разработка структуры программного продукта, выбор структур для хранения данных, построение и оценка алгоритмов подпрограмм и определение особенностей взаимодействия программы с вычислительной средой (другими программами, операционной системой и техническими средствами); 4. реализация – составление программы на выбранном языке программирования, ее тестирование и отладка. 5. модификация – выпуск новых версий программного продукта.

Постановка задачи

Процесс создания нового программного обеспечения начинают с постановки задачи, в процессе которой определяют требования к программному продукту. Прежде всего, устанавливают набор выполняемых функций, а также перечень и характеристики исходных данных. Так, для числовых данных может задаваться точность, для текстовых - возможно, размер текста, способ кодировки и т. п. Затем определяют перечень результатов, их характеристики и способы представления (в виде таблиц, диаграмм, графиков и т. п. ). Кроме того, уточняют среду функционирования программного Продукта:

конкретную комплектацию и параметры технических средств, версию используемой операционной системы и, возможно, версии и параметры другого установленного программного обеспечения, с которым предстоит взаимодействовать будущему программному продукту. В результате согласования между заказчиком и исполнителем всех перечисленных вопросов составляют техническое задание в соответствии с ГОСТ 19. 201-78, которое служит основанием для дальнейшей работы.

Анализ, формальная постановка и выбор метода решения

На данном этапе по результатам анализа условия задачи – выбирают математические абстракции, строят модель задачи и определяют метод преобразования исходных данных в результат (метод решения задачи).

При использовании структурного подхода сложные задачи в процессе анализа разбивают на подзадачи, для каждой из которых может строиться своя модель и выбираться свой метод решения. При этом результаты решения одной подзадачи могут использоваться в качестве исходных данных в другой.

Определив методы решения, следует для некоторых вариантов исходных данных вручную или. на калькуляторе подсчитать ожидаемые результаты. Эти данные в дальнейшем будут использованы при тестировании программы. Кроме того, выполнение операций вручную позволяет точно уяснить последовательность действий, что упростит разработку алгоритмов.

Целесообразно также продумать, для каких сочетаний исходных данных результат не существует или не может быть получен данным методом, что тоже необходимо учесть при разработке программы.

Проектирование

Принято различать логическое и физическое проектирование. Логическое проектирование не учитывает особенностей среды, в которой будет выполняться программа (технические и программные средства компьютера). При выполнении физического проектирования все эти параметры Должны быть учтены.

Логическое проектирование. Логическое проектирование при структурном подходе предполагает детальную проработку последовательности действий будущей Программы. Его начинают с определения структуры будущего программного продукта: отдельная программа или программная система, состоящая из нескольких взаимосвязанных программ. Затем переходят к разработке алгоритмов программ. Алгоритмом называют формально описанную последовательность действий, которые необходимо выполнить для получения требуемого результата.

Реализация

Разработанные алгоритмы реализуют, составляя по ним тексты программ на выбранном языке программирования. Язык может быть определен в техническом задании, а может выбираться исходя из особенностей конкретной задачи. В любом случае, вначале осуществляют ввод программы в компьютер, используя при этом специальную программу – текстовый редактор, которая формирует файл с текстом программы. Для того чтобы выполнить программу, требуется перевести ее на язык

понятный процессору – в машинные коды. Этот процесс для языка С состоит из нескольких этапов

Сначала программа передается препроцессору , который выполняет директивы, содержащиеся в ее тексте (например, включение в текст так называемых заголовочных файлов — текстовых файлов, в которых содержатся описания используемых в программе элементов).

Получившийся полный текст программы поступает на вход компилятора, который выделяет лексемы, а затем на основе грамматики языка распознает выражения и операторы, построенные из этих лексем. При этом компилятор выявляет синтаксические ошибки и в случае их отсутствия строит объектный модуль .

Компоновщик , или редактор связей, формирует исполняемый модуль программы, подключая к объектному модулю другие объектные модули, в том числе содержащие функции библиотек, обращение к которым содержится в любой программе (например, для осуществления вывода на экран). Если программа состоит из нескольких исходных файлов, они компилируются по отдельности и объединяются на этапе компоновки. Исполняемый модуль имеет расширение *. ехе и запускается на выполнение обычным образом.

Для обнаружения ошибок параллельно с отладкой программы осуществляют ее тестирование.

Тестированием называют процесс выполнения программы при различных тестовых наборах данных с целью обнаружения ошибок . Правильный подбор тестовых данных - отдельная и достаточно сложная задача. Для поиска логических ошибок также можно использовать отладчик: по шагам отследить процесс получения результата. Однако полезно бывает выполнить программу вручную, фиксируя результаты выполнения команд на бумаге. Целью тестирования является обнаружение ошибок . Соответственно хорошим следует считать тест, обнаруживающий ошибку. Для формирования таких тестов определены две стратегии: • «белого» или «прозрачного ящика» (тестирование маршрутов); • «черного ящика»,

При тестировании с использованием стратегии «белого ящика» тесты стараются подобрать так, чтобы хотя бы один раз пройти по каждой ветви алгоритма . Стратегия имеет существенный недостаток: по ней принципиально невозможно обнаружить пропущенный маршрут. При тестировании с использованием стратегии «черного ящика» структура программы считается неизвестной, и тесты подбирают так, чтобы проверить выполнение всех функций программы, а затем отследить реакцию на ввод некорректных данных. На практике лучшие результаты получают, используя при разработке

тестов обе стратегии.

Параллельно с процессом разработки программного продукта на всех этапах должно выполняться составление документации, как для выполнения следующего этапа, так и для последующего сопровождения и модификации. Кроме того, важной составляющей этапа реализации является создание необходимой документации для пользователей.

Алгоритмы, требования к алгоритмам, способы записи к ним.

1. Понятие алгоритма

Для составления программы, предназначенной для решения на ЭВМ какой-либо задачи, требуется составление алгоритма ее решения — точного предписания, которое определяет процесс, ведущий от исходных данных к требуемому конечному результату.

Алгоритм - предписание, однозначно задающее процесс преобразования исходной информации в виде последовательности элементарных дискретных шагов, приводящих за конечное число их применений к результату.

Алгоритмами, например, являются правила сложения, умножения, решения алгебраических уравнений, умножения матриц и т. п. Слово алгоритм происходит от algoritmi, являющегося латинской транслитерацией арабского имени хорезмийского математика IX века аль-Хорезми. Благодаря латинскому переводу трактата аль-Хорезми европейцы в XII веке познакомились с позиционной системой счисления, и в средневековой Европе алгоритмом называлась десятичная позиционная система счисления и правила счета в ней.

Алгоритм - это точная инструкция, а инструкции встречаются практически во всех областях человеческой деятельности. Возможны алгоритмы проведения физического эксперимента, сборки шкафа или телевизора, обработки детали. Однако не всякая инструкция есть алгоритм.
Инструкция становится алгоритмом только тогда, когда она удовлетворяет определенным требованиям. Эти требования частично сформулированы в определении, хотя упомянутые в определении понятия однозначности и элементарности сами нуждаются в уточнении.

Алгоритм однозначен, если при применении к одним и тем же данным он даст один и тот же результат. Но как по описанию алгоритма определить, однозначен он или нет. В каком случае шаги считаются элементарными.

Применительно к ЭВМ алгоритм определяет вычислительный процесс, начинающийся с обработки некоторой совокупности возможных исходных данных и направленный на получение определенных этими исходными данными результатов. Термин вычислительный процесс распространяется и на обработку других видов информации, например, символьной, графической или звуковой
2. Свойства алгоритма

Если вычислительный процесс заканчивается получением результатов, то говорят, что соответствующий алгоритм применим к рассматриваемой совокупности исходных данных. В противном случае говорят, что алгоритм неприменим к совокупности исходных данных. Любой применимый алгоритм обладает следующими основными свойствами:

· дискретностью;

· определенностью;

· результативностью;

· массовостью.

Дискретность – последовательное выполнение простых или ранее определённых (подпрограммы) шагов. Преобразование исходных данных в результат осуществляется дискретно во времени.

Определенность состоит в совпадении получаемых результатов независимо от пользователя и применяемых технических средств (однозначность толкования инструкций).

Результативность означает возможность получения результата после выполнения конечного количества операций.

Массовость заключается в возможности применения алгоритма к целому классу однотипных задач, различающихся конкретными значениями исходных данных (разработка в общем виде).

Для задания алгоритма необходимо описать следующие его элементы:

· набор объектов, составляющих совокупность возможных исходных данных, промежуточных и конечных результатов;

· правило начала;

· правило непосредственной переработки информации (описание последовательности действий);

· правило окончания;

· правило извлечения результатов.

Алгоритм всегда рассчитан на конкретного исполнителя. В нашем случае таким исполнителем является ЭВМ. Для обеспечения возможности реализации на ЭВМ алгоритм должен быть описан на языке, понятном компьютеру, то есть на языке программирования.

Понятия алгоритма и программы разграничены не очень чётко. Обычно программой называют окончательный вариант алгоритма решения задачи, ориентированный на конкретного пользователя.

Таким образом, можно дать следующее определение программы для ЭВМ:

Программа - это описание алгоритма и данных на некотором языке программирования, предназначенное для последующего автоматического выполнения. 3. Способы описания алгоритмов

К основным способам описания алгоритмов можно отнести следующие:

· словесно-формульный (на естественном языке);

· структурный или блок-схемный;

· с использованием специальных алгоритмических языков;

· с помощью граф-схем (граф - совокупность точек и линий, в которой каждая линия соединяет две точки. Точки называются вершинами, линии - рёбрами);

· с помощью сетей Петри.

Перед составлением программ чаще всего используются словесно-формульный и блок-схемный способы. Иногда перед составлением программ на низкоуровневых языках программирования типа языка Ассемблера алгоритм программы записывают, пользуясь конструкциями некоторого высокоуровнего языка программирования. Удобно использовать программное описание алгоритмов функционирования сложных программных систем. Так, для описания принципов функционирования ОС использовался Алголо-подобный высокоуровневый язык программирования.

Словесно-формульный способ.
При словесно-формульном способе алгоритм записывается в виде текста с формулами по пунктам, определяющим последовательность действий.

Пусть, например, необходимо найти значение следующего выражения:
у=2а-(х+6).

Словесно-формульным способом алгоритм решения этой задачи может быть записан в следующем виде:
1. Ввести значения а и х.
2. Сложить х и 6.
3. Умножить а на 2.
4. Вычесть из 2а сумму (х+6).
5. Вывести у как результат вычисления выражения.

Блок-схемы.
При блок-схемном описании алгоритм изображается геометрическими фигурами (блоками), связанными по управлению линиями (направлениями потока) со стрелками. В блоках записывается последовательность действий.

Данный способ по сравнению с другими способами записи алгоритма имеет ряд преимуществ. Он наиболее нагляден: каждая операция вычислительного процесса изображается отдельной геометрической фигурой. Кроме того, графическое изображение алгоритма наглядно показывает разветвления путей решения задачи в зависимости от различных условий, повторение отдельных этапов вычислительного процесса и другие детали.

Оформление программ должно соответствовать определенным требованиям. В настоящее время действует единая система программной документации (ЕСПД), которая устанавливает правила разработки, оформления программ и программной документации. В ЕСПД определены и правила оформления блок-схем алгоритмов (ГОСТ 10. 002-80 ЕСПД, ГОСТ 10. 003-80 ЕСПД).

Операции обработки данных и носители информации изображаются на схеме соответствующимиблоками. Большая часть блоков по построению условно вписана в прямоугольник со сторонами а и b. Минимальное значение а равно 10 мм, увеличение а производится на число, кратное 5 мм. Размер b=1, 5 мм. Для отдельных блоков допускается соотношение между а и b, равное 1: 2. В пределах одной схемы рекомендуется изображать блоки одинаковых размеров. Все блоки нумеруются. Виды и назначение основных блоков приведены в таблице.

Линии, соединяющие блоки и указывающие последовательность связей между ними, должны проводится параллельно линиям рамки. Стрелка в конце линии может не ставиться, если линия направлена слева направо или сверху вниз. В блок может входить несколько линий, то есть блок может являться преемником любого числа блоков. Из блока (кроме логического) может выходить только одна линия. Логический блок может иметь в качестве продолжения одни из двух блоков, и из него выходят две линии. Если на схеме имеет место слияние линий, то место пересечения выделяется точкой. В случае, когда одна линия подходит к другой и слияние их явно выражено, точку можно не ставить.

Схему алгоритма следует выполнять как единое целое, однако в случае необходимости допускается обрывать линии, соединяющие блоки.

Если при обрыве линии продолжение схемы находится на этом же листе, то на одном и другом конце линии изображается специальный символ соединитель — окружность диаметром 0, 5 мм. Внутри парных окружностей указывается один и тот же идентификатор. В качестве идентификатора, как правило, используется порядковый номер блока, к которому направлена соединительная линия. Если схема занимает более одного листа, то в случае разрыва линии вместо окружности используется межстраничный соединитель. Внутри каждого соединителя указывается адрес — откуда и куда направлена соединительная линия. Адрес записывается в две строки: в первой указывается номер листа, во второй — порядковый номер блока.

Блок-схема должна содержать все разветвления, циклы и обращения к подпрограммам, содержащиеся в программе.

4. Условные обозначения блоков схем алгоритмов

Наименование	0бозначенне	Функции
Процесс		Выполнение операции или группы операции, в результате которых изменяется значение, форма представления или расположение данных.
Ввод-вывод		Преобразование данных в форму, пригодную для обработки (ввод) или отображения результатов обработки (вывод).
Решение		Выбор направления выполнения алгоритма в зависимости от некоторых переменных условии.
Предопределенный процесс		Использование ранее созданных и отдельно написанных программ (подпрограмм).
Документ		Вывод данных на бумажный носитель.
Магнитный диск		Ввод-вывод данных, носителем которых служит магнитный диск.
Пуск-останов		Начало, конец, прерывание процесса обработки данных.
Соединитель		Указание связи между прерванными линиями, соединяющими блоки.
Межстраничный соединитель		Указание связи между прерванными линиями, соединяющими блоки, расположенные на разных листах.
Комментарий		Связь между элементом схемы и пояснением.

Стандартные типы данных. Основные {стандартные) типы данных часто называют арифметическими, поскольку их можно использовать в арифметических операциях. Для описания основных типов определены следующие ключевые слова: 1. • int (целый); • char (символьный); • wcha_t (расширенный символьный); • bool (логический); • float (вещественный); • double (вещественный с двойной точностью). Первые четыре типа называют целочисленными {целыми), последние два — типами с плавающей точкой. Код, который формирует компилятор для обработки целых величин, отличается от кода для величин с плавающей точкой. Существует четыре спецификатора типа, уточняющих внутреннее представление и диапазон значений стандартных типов: • short (короткий); • long (длинный); • signed (знаковый); • unsigned (беззнаковый). Целый тип (int)Размер типа int не определяется стандартом, а зависит от компьютера и компилятора. Для 16-разрядного процессора под величины этого типа отводится 2 байта, для 32-разрядного — 4 байта. Спецификатор short перед именем типа указывает компилятору, что под число требуется отвести 2 байта независимо от разрядности процессора. Спецификатор long означает, что целая величина будет занимать 4 байта. Таким образом, на 16-разрядном компьютере эквиваленты int и short int, а на 32-разрядном — int и long int. Внутреннее представление величины целого типа — целое число в двоичном коде. При использовании спецификатора signed старший бит числа интерпретируется как знаковый (0— положительное число, 1-отрицательное). Спецификатор unsigned позволяет представлять только положительные числа, поскольку старший разряд рассматривается как часть кода числа. Таким образом, диапазон значений типа 1nt зависит от спецификаторов. По умолчанию все целочисленные типы считаются знаковыми, то есть спецификатор signed можно опускать. Символьный тип (char)Под величину символьного типа отводится количество байт, достаточное для размещения любого символа из набора символов для данного компьютера, что и обусловило название типа. Как правило, это 1 байт. Тип char, как и другие целые типы, может быть со знаком или без знака. В величинах со знаком можно хранить значения в диапазоне от -128 до 127. При использовании спецификатора unsigned значения могут находиться в пределах от 0 до 255. Этого достаточно для хранения любого символа из 256-символьного набора ASCII. Величины типа char применяются также для хранения целых чисел, не превышающих границы указанных диапазонов. Расширенный символьный тип (wchar_t)Тип wchar_t предназначен для работы с набором символов, для кодировки которых недостаточно 1 байта, например, Unicode. Размер этого типа зависит от реализации; как правило, он соответствует типу short. Строковые константы типа wchar_t записываются с префиксом L, например, L" Gates". Логический тип (bool)Величины логического типа могут принимать только значения true и false, являющиеся зарезервированными словами. Внутренняя форма представления значения false — О (нуль). Любое другое значение интерпретируется как true. При преобразовании к целому типу true имеет значение 1. Типы с плавающей точкой (float, double и long double)Стандарт C++ определяет три типа данных для хранения вещественных значений: float, double и long double. Типы данных с плавающей точкой хранятся в памяти компьютера иначе, чем целочисленные. Внутреннее представление вещественного числа состоит из двух частей — мантиссы и порядка. В IBM PC-совместимых компьютерах величины типа float занимают 4 байта, из которых один двоичный разряд отводится под знак мантиссы, 8 разрядов под порядок и 23 под мантиссу. Мантисса — это число, большее 1. 0, но меньшее 2. 0. Поскольку старшая цифра мантиссы всегда равна 1, она не хранится. Для величин типа double, занимающих 8 байт, под порядок и мантиссу отводится И и 52 разряда соответственно. Длина мантиссы определяет точность числа, а длина порядка — его диапазон. Как можно видеть из табл. 1. 4, при одинаковом количестве байт, отводимом под величины типа float и long int, диапазоны их допустимых значений сильно различаются из-за внутренней формы представления. Спецификатор long перед именем типа double указывает, что под величину отводится 10 байт. Константы с плавающей точкой имеют по умолчанию тип double. Для вещественных типов в таблице приведены абсолютные величины минимальных и максимальных значений.

Тип	Диапазон	размер
bool	true, false
signed char	-128…127
unsigned char	0…255
signed short int	-32768…32767
unsigned short int	0…65535
signed long int	-2147483648…2147483647
unsigned long int	0…4294967295
float	3. 4e-38…3. 4e+38
double	1. 7e-308…1. 7e+308
long double	3. 4e-4932…3. 4e+4932

Динамические структуры данных.

Динамические структуры данных – это структуры данных, память под которые выделяется и освобождается по мере необходимости.

Динамические структуры данных в процессе существования в памяти могут изменять не только число составляющих их элементов, но и характер связей между элементами. При этом не учитывается изменение содержимого самих элементов данных. Такая особенность динамических структур, как непостоянство их размера и характера отношений между элементами, приводит к тому, что на этапе создания машинного кода программа-компилятор не может выделить для всей структуры в целом участок памяти фиксированного размера, а также не может сопоставить с отдельными компонентами структуры конкретные адреса. Для решения проблемы адресации динамических структур данных используется метод, называемый динамическим распределением памяти, то есть память под отдельные элементы выделяется в момент, когда они " начинают существовать" в процессе выполнения программы, а не во время компиляции. Компилятор в этом случае выделяет фиксированный объем памяти для хранения адреса динамически размещаемого элемента, а не самого элемента.

Динамическая структура данных характеризуется тем что:

она не имеет имени;
ей выделяется память в процессе выполнения программы;
количество элементов структуры может не фиксироваться;
размерность структуры может меняться в процессе выполнения программы;
в процессе выполнения программы может меняться характер взаимосвязи между элементами структуры.

Каждой динамической структуре данных сопоставляется статическая переменная типа указатель (ее значение – адрес этого объекта), посредством которой осуществляется доступ к динамической структуре.

Сами динамические величины не требуют описания в программе, поскольку во время компиляции память под них не выделяется. Во время компиляции память выделяется только под статические величины. Указатели – это статические величины, поэтому они требуют описания.

Необходимость в динамических структурах данных обычно возникает в следующих случаях.

Используются переменные, имеющие довольно большой размер (например, массивы большой размерности), необходимые в одних частях программы и совершенно не нужные в других.
В процессе работы программы нужен массив, список или иная структура, размер которой изменяется в широких пределах и трудно предсказуем.
Когда размер данных, обрабатываемых в программе, превышает объем сегмента данных.

Динамические структуры, по определению, характеризуются отсутствием физической смежности элементов структуры в памяти, непостоянством и непредсказуемостью размера (числа элементов) структуры в процессе ее обработки.

Поскольку элементы динамической структуры располагаются по непредсказуемым адресам памяти, адрес элемента такой структуры не может быть вычислен из адреса начального или предыдущего элемента. Для установления связи между элементами динамической структуры используются указатели, через которые устанавливаются явные связи между элементами. Такое представление данных в памяти называется связным.

Достоинства связного представления данных – в возможности обеспечения значительной изменчивости структур:

размер структуры ограничивается только доступным объемом машинной памяти;
при изменении логической последовательности элементов структуры требуется не перемещение данных в памяти, а только коррекция указателей;
большая гибкость структуры.

Вместе с тем, связное представление не лишено и недостатков, основными из которых являются следующие:

на поля, содержащие указатели для связывания элементов друг с другом, расходуется дополнительная память;
доступ к элементам связной структуры может быть менее эффективным по времени.

Последний недостаток является наиболее серьезным и именно им ограничивается применимость связного представления данных. Если в смежном представлении данных для вычисления адреса любого элемента нам во всех случаях достаточно было номера элемента и информации, содержащейся в дескрипторе структуры, то для связного представления адрес элемента не может быть вычислен из исходных данных. Дескриптор связной структуры содержит один или несколько указателей, позволяющих войти в структуру, далее поиск требуемого элемента выполняется следованием по цепочке указателей от элемента к элементу. Поэтому связное представление практически никогда не применяется в задачах, где логическая структура данных имеет вид вектора или массива – с доступом по номеру элемента, но часто применяется в задачах, где логическая структура требует другой исходной информации доступа (таблицы, списки, деревья и т. д. ).

Порядок работы с динамическими структурами данных следующий:

1. создать (отвести место в динамической памяти);

2. работать при помощи указателя;

3. удалить (освободить занятое структурой место).

Объектно-ориентированное программирование. Понятие Класс, Объект, Метод. Класс — разновидность абстрактного типа данных в объектно-ориентированном программировании (ООП), характеризуемый способом своего построения. Другие абстрактные типы данных — метаклассы, интерфейсы, структуры, перечисления, — характеризуются какими-то своими, другими особенностями. Наряду с понятием «объекта» класс является ключевым понятием в ООП (хотя существуют и бесклассовые объектно-ориентированные языки, например, JavaScript; подробнее смотрите Прототипное программирование). Суть отличия классов от других абстрактных типов данных состоит в том, что при задании типа данных класс определяет одновременно и интерфейс, и реализацию для всех своих экземпляров, а вызов метода-конструктора обязателен. Точный смысл этой фразы будет раскрыт ниже. На практике объектно-ориентированное программирование сводится к созданию некоторого количества классов, включая интерфейс и реализацию, и последующему их использованию. Графическое представление некоторого количества классов и связей между ними называется диаграммой классов. Объектно-ориентированный подход за время своего развития накопил множество рекомендаций (паттернов) по созданию классов и иерархий классов. Идея классов пришла из работ по базам знаний, имеющих отношение к исследованиям по искусственному интеллекту. Используемые человеком классификации в зоологии, ботанике, химии, деталях машин, несут в себе основную идею, что любую вещь всегда можно представить частным случаем некоторого более общего понятия. Конкретное яблоко — это в целом некоторое яблоко, вообще яблоко, а любое вообще яблоко — фрукт. Именно поэтому примеры классов в учебных пособиях по объектно-ориентированному программированию так часто упоминают яблоки и груши. Объект — некоторая сущность в виртуальном пространстве, обладающая определённым состоянием и поведением, имеет заданные значения свойств (атрибутов) и операций над ними (методов)^[1]. Как правило, при рассмотрении объектов выделяется то, что объекты принадлежат одному или нескольким классам, которые в свою очередь определяют поведение (являются моделью) объекта. Время с момента создания объекта (конструкция) до его уничтожения (деструкция) называется временем жизни объекта. Объект наряду с понятием «класс», является важным понятием объектно-ориентированного подхода в программировании. Объекты обладают свойствами наследования, инкапсуляции и полиморфизма. ^[1] Термин объект в программном обеспечении впервые был введен в языке Simula и применялся для моделирования реальности. Объект обладает состоянием, поведением и идентичностью; структура и поведение схожих объектов определяет общий для них класс; термины «экземпляр класса» и «объект» взаимозаменяемы. ^[2] Инстанцирование (англ. instantiation) — создание экземпляра класса. В отличие от слова «создание», применяется не к объекту, а к классу. То есть, говорят: «(в виртуальной среде) создать экземпляр класса или инстанцировать класс». Порождающие шаблоны используют полиморфное инстанцирование. Экземпляр класса (англ. instance) — это описание конкретного объекта в памяти. Класс описывает свойства и методы, которые будут доступны у объекта, построенного по описанию, заложенному в классе. Экземпляры используют для представления (моделирования) конкретных сущностей реального мира. Например, объектом может быть ваша стиральная машина, и иметь следующие атрибуты: компания-производитель «Вятка», наименование модели «Вятка-автомат», серийный номер изделия ВЯТ454647, емкость 20 л. Метод в объектно-ориентированном программировании — это функция, принадлежащая какому-то классу или объекту. Как и процедура в процедурном программировании, метод состоит из некоторого количества операторов для выполнения какого-то действия, имеет набор входных аргументов и возвращаемое значение. Различают простые методы и статические методы (методы класса):

простые методы имеют доступ к данным объекта (конкретного экземпляра данного класса),
статические методы не имеют доступа к данным объекта и для их использования не нужно создавать экземпляры (данного класса).

Методы предоставляют интерфейс, при помощи которого осуществляется доступ к данным объекта некоторого класса, тем самым, обеспечивая инкапсуляцию данных. В зависимости от того, какой уровень доступа предоставляет тот или иной метод, выделяют:

открытый (public) интерфейс — общий интерфейс для всех пользователей данного класса;
защищённый (protected) интерфейс — внутренний интерфейс для всех наследников данного класса;
закрытый (private) интерфейс — интерфейс, доступный только изнутри данного класса.

Такое разделение интерфейсов позволяет сохранять неизменным открытый интерфейс, но изменять внутреннюю реализацию. В таких языках программирования как C++, C# или Pascal методы реализованы как классические процедуры (функции), которые неявно используют указатель на объект (экземпляр класса). В таком языке программирования как smalltalk принято говорить о сообщениях и о том, что объекты обрабатывают сообщения.

Объектно-ориентированное программирование. Понятия Инкапсуляция, Полиморфизм, Наследование. Инкапсуля́ ция — свойство языка программирования, позволяющее пользователю не задумываться о сложности реализации используемого программного компонента (то, что у него внутри), а взаимодействовать с ним посредством предоставляемого интерфейса (публичных методов и членов), а также объединить и защитить жизненно важные для компонента данные. При этом пользователю предоставляется только спецификация (интерфейс) объекта.

Пользователь может взаимодействовать с объектом только через этот интерфейс. Реализуется с помощью ключевого слова: public.
Пользователь не может использовать закрытые данные и методы. Реализуется с помощью ключевых слов: private, protected, internal.

Инкапсуляция — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду с абстракцией, полиморфизмом и наследованием). Сокрытие реализации целесообразно применять в следующих случаях:

предельная локализация изменений при необходимости таких изменений,
прогнозируемость изменений (какие изменения в коде надо сделать для заданного изменения функциональности) и прогнозируемость последствий изменений.

Полиморфи́ зм (в языках программирования) — возможность объектов с одинаковой спецификацией иметь различную реализацию. Язык программирования поддерживает полиморфизм, если классы с одинаковой спецификацией могут иметь различную реализацию — например, реализация класса может быть изменена в процессе наследования^[1]. Кратко смысл полиморфизма можно выразить фразой: «Один интерфейс, множество реализаций». Полиморфизм — один из четырёх важнейших механизмов объектно-ориентированного программирования (наряду с абстракцией, инкапсуляцией и наследованием). Полиморфизм позволяет писать более абстрактные программы и повысить коэффициент повторного использования кода. Общие свойства объектов объединяются в систему, которую могут называть по-разному — интерфейс, класс. Общность имеет внешнее и внутреннее выражение:

внешняя общность проявляется как одинаковый набор методов с одинаковыми именами и сигнатурами (именем методов и типами аргументов и их количеством);
внутренняя общность — одинаковая функциональность методов. Её можно описать интуитивно или выразить в виде строгих законов, правил, которым должны подчиняться методы. Возможность приписывать разную функциональность одному методу (функции, операции) называется перегрузкой метода (перегрузкой функций, перегрузкой операций).

Насле́ дование — механизм объектно-ориентированного программирования (наряду с инкапсуляцией, полиморфизмом и абстракцией), позволяющий описать новый класс на основе уже существующего (родительского), при этом свойства и функциональность родительского класса заимствуются новым классом. Другими словами, класс-наследник реализует спецификацию уже существующего класса (базовый класс). Это позволяет обращаться с объектами класса-наследника точно так же, как с объектами базового класса.

Рекурсивные алгоритмы, их программирование. Рекурсивной называется функция, которая вызывает саму себя. Различают два вида рекурсии подпрограмм: 1. прямая или явная рекурсия - характеризуется существованием в теле подпрограммы оператора обращения к самой себе; 2. косвенная или неявная рекурсия - образуется при наличии цепочки вызовов других подпрограмм, которые в конечном итоге приведут к вызову исходной. Если функция вызывает себя, в стеке создается копия значений ее параметров, как и при вызове обычной функции, после чего управление передается первому исполняемому оператору функции. При повторном вызове этот процесс повторяется. Ясно, что для завершения вычислений каждая рекурсивная функция должна содержать хотя бы одну нерекурсивную ветвь алгоритма, заканчивающуюся оператором возврата. При завершении функции соответствующая часть стека освобождается, и управление передается вызывающей функции, выполнение которой продолжается с точки, следующей за рекурсивным вызовом. Классическим примером прямой рекурсивной функции является вычисление факториала. long fact (int n) { if ( n< 1 ) return 1; else return n*fact(n-1); } При косвенной рекурсии осуществляется перекрёстный вызов функциями друг друга. Хотя бы в одной из них должно быть условие, вызывающее прекращение рекурсии. Косвенная рекурсия является одним из тех случаев, когда нельзя определить функцию до использования её имени в программе. Пусть функция f1() вызывает f2(), которая, в свою очередь, обращается к f1(). Пусть первая из них определена ранее второй. Для того чтобы иметь возможность обратиться к функции f2() из f1(), мы должны поместить объявление имени f2 раньше определения обеих этих функций: void f2(); void f1(){ … if (…); f2(); …} void f2(){ … f1(); …} Рекурсивные функции чаще всего применяют для компактной реализации рекурсивных алгоритмов, а также для работы со структурами данных, описанными рекурсивно, например, с двоичными деревьями. Любую рекурсивную функцию можно реализовать без применения рекурсии, для этого программист должен обеспечить хранение всех необходимых данных самостоятельно. Достоинством рекурсии является компактная запись, а недостатками — расход времени и памяти на повторные вызовы функции и передачу ей копий параметров, и, главное, опасность переполнения стека

Жизненный цикл программы. Жизненный цикл и этапы разработки программного обеспечения. Жизненным циклом программного обеспечения называют период от момента появления идеи создания некоторого программного обеспечения до момента завершения его поддержки фирмой – разработчиком или фирмой, выполнявшей сопровождение. Процесс разработки в соответствии со стандартом предусматривает действия и задачи, выполняемые разработчиком, и охватывает работы по созданию программного обеспечения и его компонентов в соответствии с заданными требованиями, включая оформление проектной и эксплуатационной документации, а также подготовку материалов, необходимых для проверки работоспособности и соответствия качества программных продуктов, материалов, необходимых для обучения персонала, и т. д. Постановка задачи. Впроцессе постановки задачи четко формулируют назначение программного обеспечения и определяют основные требования к нему. Каждое требование представляет собой описание необходимого или желаемого свойства программного обеспечения. Различают функциональные требования, определяющие функции, которые должно выполнять разрабатываемое программное обеспечение, и эксплуатационные требования, определяющие особенности его функционирования. Анализ требований и определение спецификаций. Спецификациями называют точное формализованное описание функций и ограничений разрабатываемого программного обеспечения. Соответственно различают функциональные и эксплуатационные спецификации. Совокупность спецификаций представляют собой логическую модель проектируемого программного обеспечения. Для получения спецификаций выполняют анализ требований технического задания, формулируют содержательную постановку задачи, выбирают аппарат формализации, строят модель предметной области, определяют подзадачи и выбирают или разрабатывают методы их решения. На этом этапе также целесообразно сформировать тесты для поиска ошибок в проектируемом программном обеспечении, обязательно указав ожидаемые результаты. Проектирование. Основной задачей этого этапа является определение подробных спецификаций разрабатываемого программного обеспечения. Процесс проектирования сложного программного обеспечения обычно включает: · Проектирование общей структуры – определение основных компонентов и их взаимосвязей; · Декомпозицию компонентов и построение структурных иерархий в соответствии с рекомендациями блочно – иерархического подхода; · Проектирование компонентов. Результатом проектирования является детальная модель разрабатываемого программного обеспечения вместе со спецификациями его компонентов всех уровней. Реализация. Реализация представляет собой процесс поэтапного написания кодов программы на выбранном языке программирования (кодирование), их тестирование и отладку. Сопровождение. Сопровождение – это процесс создания и внедрения новых версий программного продукта. Причинами выпуска новых версий могут служить: · Необходимость исправления ошибок, выявленных в процессе эксплуатации предыдущих версий; · Необходимость совершенствования предыдущих версий, например, улучшения интерфейса, расширения состава выполняемых функций или повышения его производительности; · Изменение среды функционирования, например, появление новых технических средств и / или программных продуктов, с которыми взаимодействует сопровождаемое программное обеспечение. На этом этапе в программный продукт вносят необходимые изменения, которые могут потребовать пересмотра проектных решений, принятых на любом предыдущем этапе