Структурное программирование

- Учитель,- проговорил Сунь У-кун.- Я человек простой и вашего городского языка не понимаю. Что значат подпорки к стене?

- Когда люди начинают строить дом и хотят сделать его прочным и крепким, то между стенами они ставят подпорки. Но проходит время, и здание рушится, а это значит, что подпорки сгнили.

У Чэн-энь. "Путешествие на Запад", глава 2

Общая характеристика структурного программирования

На самом деле изложение структурного стиля не может уместиться в рамки одной лекции. Но данный стиль программирования (вернее, его вариант, основанный на циклах и массивах, слегка пополненный рекурсивными процедурами) описывается и навязывается как единственно возможный во всех ныне предлагаемых учебных пособиях по программированию на традиционных языках. В связи с этим мы имеем право предположить, что обучающийся знаком с ним (более того, знаком только с ним, и мы надеемся, что он еще не потерял способность воспринимать другие стили). И хотя Вы считаете, что с этим вариантом структурного стиля уже освоились, особенности, опускаемые в традиционных изложениях, могут полностью изменить Ваш взгляд на данный стиль.

Мы рассматриваем структурное программирование как равноправный член сообщества альтернативных ему друзей-соперников^{1Если нечто в данный момент используется практически монопольно, то из этого не следует, что оно будет занимать столь же исключительное положение и в будущем и что оно окажется лучшим средством для решения Ваших конкретных задач.}.

* * *

Начнем с того, что обратимся к истории.

В теории схем программ было замечено, что некоторые случаи блок-схем легче поддаются анализу [ 16 ] . Поэтому естественно было выделить такой класс блок-схем, что и сделали итальянские ученые С. Бем и К. Джакопини в 1966 г. Они доказали, что любую блок-схему можно привести к структурированному виду, использовав несколько дополнительных булевых переменных. Э. Дейкстра подчеркнул, что программы в таком виде, как правило, являются легче понимаемыми и модифицируемыми, так как каждый блок имеет один вход и один выход.

В качестве методики структурного программирования Э. Дейкстра предложил пользоваться лишь конструкциями цикла и условного оператора, изгоняя go to как концептуально противоречащее этому стилю

Пожалуй, это первое концептуальное противоречие, явно отмеченное и учтенное в теории и практике программирования (и даже во всей современной науке). Но, поскольку не было даже наметок теории неформализуемых понятий, и на работу с ними переносили опыт работы с малыми формализациями, структурное противоречие было воспринято следующим образом.

К несчастью, оператор go to формально совместим с другими конструкциями традиционных (тогда говорили - универсальных) алгоритмических языков. Но реально он плохо взаимодействует с ними. Значит, он плох сам по себе.

Структурное программирование основано главным образом на теоретическом аппарате теории рекурсивных функций. Программа рассматривается как частично-рекурсивный оператор [ 21 ] над библиотечными подпрограммами и исходными операциями. Структурное программирование базируется также на теории доказательств, прежде всего на естественном выводе. Структура программы соответствует структуре простейшего математического рассуждения, не использующего сложных лемм и абстрактных понятий^{2На самом деле традиционным вычислительным программам соответствует не классическая, а интуиционистская логика, но структура доказательств и большинство правил вывода в них совпадают.}.

Средства структурного программирования в первую очередь включаются во все языки программирования традиционного типа и во многие нетрадиционные языки. Они занимают основное место в учебных курсах программирования и в теоретических работах (например, [ 1 ] , [ 4 ] , [ 9 ] ).

При структурном программировании присваивания и локальные действия становятся органичной частью программы. Достаточно лишь внимательно следить, чтобы каждая переменная в модуле использовалась для одной конкретной цели, и не допускать "экономии", при которой ненужная в данном месте переменная временно используется под совсем другое значение. Такая "экономия" запутывает структуру информационных зависимостей, которая при данном стиле должна быть хорошо согласована со структурой программы.

Структурное программирование естественно возникает во многих классах задач, прежде всего в таких, где задача естественно расщепляется на подзадачи, а информация - на достаточно независимые структуры данных. Основной его инвариант:

действия и условия локальны.

Необходимой чертой хорошей реализации структурного стиля программирования является соблюдение согласованности, а в идеале и единства, следующих компонентов программы:

1. Структура информационного пространства. Содержательно любую задачу можно описать как переработку объектов, полный набор которых называется информационным пространством задачи.

   Для структурного стиля программирования требуется следующее. Задача разбивается на подзадачи, и таким образом выстраивается дерево вложенности подзадач. Информационное пространство структурируется в точном соответствии с деревом вложенности: для каждой подзадачи оно состоит из ее локальных объектов, определяемых вместе с подзадачей и для нее, и так называемых глобальных объектов, определяемых как информационное пространство непосредственно объемлющей подзадачи. Таким образом, информационное пространство всей задачи (подзадачи самого верхнего уровня) расширяется по мере перехода к подзадачам за счет их локальных объектов. Для различных дочерних подзадач одной подзадачи оно имеет общую часть - информационное пространство родительской подзадачи^{3В этой системе требований без труда распознается так называемая блочная структура языков программирования, появившаяся еще в Algol 60 и ставшая в настоящее время фактическим стандартом.}.
2. Структуры управления. Стиль структурного программирования в его общепринятом варианте предполагает использование строго ограниченного набора управляющих конструкций: последовательность операторов, условные и выбирающие операторы, все вычислительные ветви которых сходятся в одной точке программы, а также процедуры, вычисления которых всегда заканчиваются возвратом управления в точку вызова.

3. К структурным операторам добавляются либо циклы, либо рекурсии.

   Внимание!

   Этой альтернативы Вы не встретите в традиционных изложениях структурного программирования. Концептуальное противоречие между циклами и рекурсиями намного мягче, чем между операторами структурного программирования и структурными переходами, и оно отмечается лишь в виде изредка встречающихся прагматических указаний (благих пожеланий) не смешивать их произвольно.
4. Потоки передачи данных. Разбивая задачу на подзадачи, программист предусматривает их взаимодействие по данным: одни подзадачи передают другим данные для переработки.
5. Структуры данных. Данные объединяются в логически связанные фрагменты, соответствующие структурам задачи либо вспомогательных конструкций, вводимых для ее решения.

6. Призраки. Часто даже сама программа не может быть объяснена через понятия, которые используются внутри нее. Еще чаще это происходит для ее связей с внешним миром. Понимание программы возможно лишь после сопоставления реальных внутрипрограммных объектов с идеальными внепрограммными. Эти идеальные внепрограммные объекты ( призраки ) часто не просто не нужны, но даже вредны для исполнения программы^{4Кстати, программистам стоит почаще вспоминать, что, с точки зрения пользователя или заказчика, их внутрипрограммные объекты как раз являются такими же призраками, которые не имеют никакого отношения к реальной действительности. Так что при переходе от уровня рассмотрения программы самой по себе к уровню программы как части архитектуры реальной человеко-машинной системы идеальные и реальные объекты порою меняются местами.}.

   Первым обратил внимание на необходимость введения призраков для логического и концептуального анализа программ Г. С. Цейтин в 1971 г. В Америке это "независимо" открыли заново в 1979 г., хотя упомянутая статья Цейтина была опубликована на английском языке в общедоступном издании. Даже название сущностям было дано то же самое... Этому важнейшему и традиционно игнорируемому понятию посвящена отдельная лекция в курсе "Основания программирования" [ 21 ] .
7. Подпорки в программе - значения, конструкции и сущности, которые не нужны для понимания задачи и программы, не определяются сущностью задачи и алгоритма, но вынужденно вставляются для реализации данного алгоритма на конкретной системе.

   Подпорки противоположны призракам. На самом деле они являются той формой, в которой материя проникает в программу, и в этом качестве противостоят всей совокупности идеальных сущностей, порождающих структуру программы: как реальных, так и призрачных, - и порою грубо ее искажают. Но без подпорок программа просто не будет работать или будет работать неэффективно.

Для структурного программирования весьма важно требование:

Все структуры подчиняются структуре информационного пространства.

Это общее требование конкретизируется в следующие.

1. Необходимо, чтобы структура управления программы была согласована со структурой ее информационного пространства. Каждой структуре управления соответствуют согласующиеся с ней структуры данных и часть информационного пространства. Это условие позволяет человеку легко отслеживать порядок выполнения конструкций в программе.
2. Подзадачи могут обмениваться данными только посредством обращения к объектам из общей части их информационных пространств (в современных языках чаще всего к глобальным).
3. Информационные потоки должны протекать согласно иерархии структур управления; мы должны четко видеть для каждого блока программы, что он имеет на входе и что дает на выходе. Таким образом, свойства каждого логически завершенного фрагмента программы должны ясно осознаваться и в идеале четко описываться в самом тексте программы и в сопровождающей ее документации^{5Как видим, программа должна составляться после того, как программист хорошенько подумал, а не до того.}.
4. Описание переменных, представляющих перерабатываемые объекты, а также других, вспомогательных переменных при структурном программировании строго подчиняется разбиению задачи на подзадачи.
5. Все призраки действуют на своем структурном месте и соответствуют идеальным сущностям, которые, согласно парадоксу изобретателя, должны вводиться для эффективного решения задачи.
6. Все подпорки строго локализованы в том месте, где их вынуждены ввести. Желательно даже обозначать их по-другому, чем идеальные сущности, например, оставляя мнемонические имена лишь для идеальных сущностей, а подпорки именовать джокерами типа x или i. Необходимо строго следить за тем, чтобы подпорки не искажали идеальную структуру программы.

Структурное программирование лучше всего описано теоретически, но частные описания не сведены в единую систему. Одни книги трактуют его с точки зрения программиста, другие - с точки зрения теоретика. Так что даже здесь единой системы взглядов еще нет, хотя, видимо, все основания для ее формирования уже имеются.