Автоматное программирование: анализ задачи

Основные структуры автоматного программирования

Информационное пространство всех блоков и процедур при автоматном программировании в первом приближении одно и то же: состояния системы, моделируемой совокупностью программных действий. Но на самом деле многие блоки либо процедуры работают с подсистемами. Подсистемы, ввиду их автономности, могут иметь характеристики, прямо недоступные для общей системы, и ограниченный доступ к общему системному пространству данных. Более того, подсистемы могут общаться прямо, в обход иерархически вышестоящей системы (см. рис. 9.2). Таким образом, структура информационного пространства при автоматном программировании в общих чертах соответствует той, которая навязывается современными системами с развитой модульностью^{3Интересно, что необходимость развитых средств поддержки модуляризации программ первоначально провозглашалась для структурного программирования, но оказалась прекрасно приспособлена совсем к другому стилю. Впрочем, в современных программах самый верхний (часто полуавтоматически генерируемый системами визуального программирования и поэтому обычно мало интересный для программистов) этаж структуры программ, как правило, записан именно в стиле автоматного программирования .} . В системах модульности есть понятия, предоставляемые для пользования другими модулями, есть модули, которые автоматически получают доступ ко всем понятиям дружественного модуля, и есть интерфейсы между модулями.

Рис. 9.2. Информационное пространство систем

Светло-серые области - традиционный общий контекст системы и подсистемы. Темно-серые иллюстрируют, что доступность может быть односторонней, и не только по иерархии. Одна из систем может влиять на часть информационного пространства другой, а та может лишь пассивно следить, что натворил коллега. Области, связанные двусторонними стрелками, иллюстрируют прямое общение в обход иерархии.

Исторически первой моделью автоматного программирования, использованной как на практике, так и для теоретических исследований, было представление программы в виде блок-схемы (см., напр., рис. 9.3), узлы которой являлись состояниями. Узлы блок-схемы делятся на пять типов:

• начальная вершина, в которую нет входов и где производится инициализация переменных либо состояния вычислительной системы;
• действия, при которых исполняется вызов процедуры либо оператор и после которых автомат однозначно переходит в следующее состояние ;
• распознаватели, проверяющие значение переменной либо предиката и затем передающие управление по разным адресам;
• соединения, в которые имеется несколько входов и один выход;
• выход, попав в который, программа заканчивает работу.

Рис. 9.3. Блок-схема

Представление программ в виде блок-схем было целесообразно для многих классов программ, писавшихся в машинных кодах без средств автоматизации программирования. Блок-схемы тогда были основным средством планирования разработки программ и их документирования. Традиционные блок-схемы - предмет изучения, в частности, теоретического программирования (см. книги Котова [16], [17]).

Таблицы переходов концептуально противоречат такому фундаментальному понятию программирования, как присваивание. В блок-схеме произвольной формы исключительно трудно проследить, как будет изменяться значение переменной, какие существуют зависимости между данными переменными, и т. п.

Действия в автоматном программировании глобальны, а условия локальны. Проверка условия не изменяет состояния всей системы (ни одного из ее параметров или характеристик), она лишь переводит саму программу в то или иное состояние.

Это подтверждает и анализ практических систем, для моделирования которых удобно применять автоматное программирование. Например, открытие или закрытие одного вентиля в трубопроводной системе изменяет все потоки в системе, а проверка - открыт ли вентиль - локальная операция. Изменение температуры рабочего вещества в системе опять-таки влияет на все ее характеристики, а измерить эту температуру можно, сняв показания всего одного датчика.

Здесь мы сталкиваемся с необходимостью четко различать внешние понятия, описывающие систему, которая связана с решаемой программой задачей, и внутренние понятия самой программы. Для системы в целом безразличны состояния автомата, который ее моделирует либо взаимодействует с ней. Для нее важно, какие изменения в ней самой происходят. Таким образом, состояние памяти вычислительной системы вполне может рассматриваться как внешняя характеристика по отношению к программе, которая в ней работает.

Необходимость одновременного и согласованного рассмотрения внешних и внутренних характеристик приводит к тому, что, когда внутренние характеристики раздробляются и детализируются (например, при соединении стиля автоматного программирования с присваиваниями), программист начинает путаться, согласованность понятий исчезает и возникают ошибки.

Внимание!

Если пользоваться произвольными таблицами переходов, то надо позаботиться о том, чтобы присваивания встречались как можно реже, в идеале обойтись без них совсем либо присваивать лишь значения переменным, которые немедленно после этого используются в качестве основания для выбора в операторе типа case.

Граф состояний и переходов, называемый также таблицей переходов — нагруженный ориентированный граф G. Каждой вершине графа G сопоставлено наименование состояния, а каждой дуге — условие.

Условие AB, сопоставленное дуге, ведущей из a в b, содержательно интерпретируется следующим образом. При выполнении AB в состоянии a управление передается состоянию b (или же в другом смысле осуществляется переход по данной дуге).

Когда граф состояний и переходов используется для документирования программы, наименования состояний, как правило, совпадают с именами процедур, выполняющихся в данном состоянии.