Основные этапы программирования как науки

«Стихийное» программирование
- отсутствие технологий, программирование - искусство.
Программы простейшей структуры: состояли из программы на машинном языке и обрабатываемых ею данных:
.
Сложность программ в машинных кодах ограничивалась способностью программиста одновременно мысленно отслеживать последовательность выполняемых операций и местонахождение данных при программировании

«Стихийное» программирование
Появление ассемблеров - вместо двоичных и 16-ричных кодов стали использоваться символические имена данных и мнемоники кодов операций → более «читаемые» программы
Создание ЯП высокого уровня (FORTRAN, ALGOL) упростило программирование вычислений, снизив уровень детализации операций.
Это позволило увеличить сложность программ

«Стихийное» программирование
Революционным стало появление средств работы с подпрограммами (п/п).
(Идея написания п/п появилась раньше, но отсутствовали средства поддержки) снижало эффективность их применения.)
П/п можно было сохранять и использовать в других программах. В результате были созданы огромные библиотеки расчетных и служебных подпрограмм.

«Стихийное» программирование
Программа состояла из основной программы, области глобальных данных и набора п/п (библиотечных), выполняющих обработку всех данных или их части.
Слабое место - при ↑числа п/п возрастала вероятность искажения части глобальных данных какой-либо подпрограммой

«Стихийное» программирование
Для ↓количество таких ошибок - в п/п размещать локальные данные:
Сложность разрабатываемого ПО по-прежнему ограничивалась возможностью программиста отслеживать процессы обработки данных, но уже на новом уровне.
Но появление средств поддержки п/п позволило осуществлять разработку ПО нескольким программистам параллельно.

«Стихийное» программирование
В начале 60-х г XX в.
«кризис программирования»:
фирмы, разрабатывающие сложное ПО, срывали сроки завершения проектов.
Проект устаревал раньше, чем был готов к внедрению, увеличивалась его стоимость, многие проекты никогда не были завершены.

«Стихийное» программирование
Объективная причина - несовершенство ТП.
Стихийно использовалась разработка «снизу-вверх»: вначале проектировали и реализовывали простые п/п, из них строили сложную программу.
Без четких моделей описания и методов проектирования создание п/п – сложная задача, интерфейсы получались сложными, при сборке программы - ошибки согласования.
Исправление ошибок → изменение п/п → в п/п вносились новые ошибки, которые необходимо исправлять...
В итоге процесс тестирования и отладки > 80% времени разработки или вообще не заканчивался.
Встал вопрос разработки технологии создания сложных программных продуктов, снижающей вероятность ошибок проектирования.

Структурный подход
совокупность рекомендуемых технологических приемов, охватывающих выполнение всех этапов разработки ПО.
В основе - декомпозиция сложных систем с целью последующей реализации в виде отдельных небольших (до 50 операторов) п/п.
С появлением других принципов декомпозиции (объектной, логической и т.д.) данный способ получил название процедурной декомпозиции.

Структурный подход
Структурный подход - представление задачи в виде иерархии подзадач простейшей структуры. Проектирование - «сверху-вниз»: реализация общей идеи + проработка интерфейсов п/п.
Вводились ограничения на конструкции алгоритмов, рекомендовались формальные модели их описания, метод проектирования алгоритмов - пошаговой детализации.
Поддержка принципов структурного программирования была заложена в основу процедурных ЯП.
Они включали основные «структурные» операторы передачи управления, поддерживали вложение подпрограмм, локализацию и ограничение области «видимости» данных.
ЯП: PL/1, ALGOL-68, Pascal, С.

Структурный подход
Одновременно появилось множество языков, базирующихся на других концепциях. Большинство из них не выдержало конкуренции, какие-то были забыты, идеи других были в использованы в следующих версиях развиваемых языков.
Дальнейший рост сложности и размеров ПО потребовал развития структурирования данных.
Появляется возможность определения пользовательских типов данных.
Для ↓количество ошибок - стремление разграничить доступ к глобальным данным программы.
Появилась и начала развиваться технология
модульного программирования.

Модульное программирование
выделение групп п/п с общими глобальными данными в отдельно компилируемые модули (библиотеки п/п): модуль графических ресурсов и др.
Связи между модулями - через специальный интерфейс, доступ к реализации модуля запрещен.
Эту технологию поддерживают современные версии языков Pascal, C++, языки Ада и Modula

Модульное программирование
Модульное программирование упростило разработку ПО несколькими программистами. Каждый мог разрабатывать свои модули независимо, обеспечивая взаимодействие модулей через межмодульные интерфейсы. Модули можно было использовать в других разработках, это повысило производительность труда программистов.
Практика показала, что структурный подход в сочетании с модульным программированием позволяет получать надежные программы размером до 100.000 операторов.
Узкое место - ошибка в интерфейсе выявляется только при выполнении п/п (из-за раздельной компиляции модулей). При ↑ размера программы возрастает сложность межмодульных интерфейсов
Для разработки ПО большого объема было предложено использовать объектный подход.

Объектный подход:
Программа - совокупность О.
Каждый О - экземпляр класса.
Классы - иерархию с наследованием свойств.
Взаимодействие О - путем передачи сообщений.
Объектная структура программы - впервые в языках имитационного моделирования Simula (60-е г.), Smalltalk (70-е г.), затем - в новых версиях ЯП: Pascal, C++, Modula, Java.

Объектный подход
Достоинство ООП - «более естественная» декомпозиция ПО , это облегчает разработку → более полная локализация данных → возможность вести независимую разработку отдельных частей (объектов) программы.
Объектный подход - новые способы организации программ на механизмах наследования, полиморфизма, инкапсуляции, композиции, что позволяет конструировать сложные объекты из простых.
В результате - ↑ показатель повторного использования кодов, возможность создания библиотек классов.

Объектный подход
Развитие ООП: созданы визуальные среды: Delphi, C++ Builder, Visual C++ для проектирования интерфейсов. Результат - заготовка программы, в которую уже внесены коды.
Недостатки ООП в конкретных реализациях ЯП:
нет стандартов компоновки результатов компиляции объектов в единое целое → необходимость разработки ПО с использованием одного языка ЯП и компилятора → необходимо наличие исходных кодов библиотек классов;
изменение реализации одного программного О связано с перекомпиляцией модуля и перекомпоновкой всего ПО.
Сохраняется зависимость модулей от адресов, полей, методов, структур и форматов данных. Модули взаимодействуют между собой. Связи модулей нельзя разорвать, но можно стандартизировать их взаимодействие - на этом основан
компонентный подход к программированию.

Компонентный подход
построение ПО из компонентов – физически отдельных частей ПО, взаимодействие - через стандартизованные двоичные интерфейсы.
Объекты-компоненты можно собрать в динамически вызываемые библиотеки (DLL), исполняемые файлы, распространять в двоичном виде без исходных текстов, использовать в ЯП, поддерживающем технологию.
Рынок объектов - реальность, в Internet – множество компонентов → возможность создания программ, состоящих из повторно использованных частей.
Компонентный подход - в основе COM-технологий (Component Object Model), и технологии создания распределенных приложений CORBA (Common Object Request Broker Architecture).
Технологии используют сходные принципы и различаются лишь особенностями их реализации.

Компонентный подход
определяет общую парадигму взаимодействия программ любых типов: библиотек, приложений, ОС; позволяет одной части ПО использовать функции (службы), другой, независимо от того, где функционируют ли эти части: в пределах одного процесса, в разных процессах на одном компьютере или на разных компьютерах
Технология СОМ (Microsoft) - развитие технологии OLEI (Object Linking and Embedding – связывание и внедрение объектов)
DCOM (Distributed COM) – распределенная СОМ для передачи вызовов между ПК -

Компонентный подход
На базе СОМ и DCOM:
OLE-automation - технология создания программируемых приложений для доступа к внутренним службам приложений
ActiveX – на базе OLE-automation для создания ПО на одном и распределенных в сети ПК. Использует компоненты – элементы управления ActiveX
Преимущества ActiveX:
- быстрое написание программного кода;
- открытость и мобильность – спецификации технологии в Open Group как основа открытого стандарта;
- написание приложений с использованием знакомых средств разработки;
- большое количество бесплатных программных элементов ActiveX;
- стандартность - ActiveX основана на стандартах Internet (TCP/IP, HTML, Java) и стандартах COM, OLE.

Компонентный подход
MTS (Microsoft Transaction Server – сервер управления транзакциями) – технология безопасной и стабильной работы распределенных приложений при больших объемах передаваемых данных.
- MIDAS (Multitier Distributed Application Server - сервер многозвенных распределенных приложений) – технология, организующая доступ к данным разных ПК с учетом балансировки нагрузки сети.
Технология CORBA (разработка OMG - Object Management Group) - подход, аналогичный СОМ, но на базе объектов и интерфейсов CORBA. Программное ядро реализовано для всех основных аппаратных и программных платформ. CORBA - для создания распределенного ПО в гетерогенной вычислительной среде.

CASE - технологии
Особенность современного этапа развития ТП - создание и внедрение автоматизированных технологий разработки и сопровождения программного обеспечения - CASE-технологий (Computer-Aided Software/System Engineering).
Без средств автоматизации разработка сложного ПО невозможна: человек не в состоянии фиксировать все детали, необходимые при разработке ПО.
Существуют CASE-технологии, поддерживающие структурный, объектный и компонентный подходы к программированию.

Проблемы разработки сложных программных систем
Современные программные системы объективно очень сложны. Главная причина - логическая сложность решаемых задач
В процесс компьютеризации вовлекаются новые предметные области, а для освоенных усложняются постановки задач.
Другие факторы, увеличивающие сложность разработки ПС:
сложность формального определения требований к ПС;
отсутствие средств описания поведения дискретных систем с большим числом состояний при недетерминированной последовательности входных воздействий;
коллективная разработка;
необходимость увеличения степени повторяемости кодов.

Блочно-иерархический подход к созданию сложных систем
В сложных системах - иерархическая внутренняя структура: связи элементов различны по типу и по силе,
система - совокупность взаимозависимых подсистем.
Внутренние связи элементов подсистем сильнее связей между подсистемами.
Подсистемы разделяют на подсистемы и т.д. до нижнего «элементарного» уровня, где система состоит из немногих типов подсистем, по-разному организованных.
Иерархии такого типа - «целое-часть».
Поведение системы сложнее поведения отдельных частей, особенности системы обусловлены отношениями между ее частями, а не частями как таковыми.

Блочно-иерархический подход к созданию сложных систем
.
Другой вид иерархии – «простое - сложное»: любая система - результат развития более простой системы.
Этот вид иерархии реализуется механизмом наследования ООП.
Программные системы также иерархические.
На этих свойствах - блочно-иерархический подход к исследованию и созданию систем: сначала создаются части объектов, затем из них собирается объект.
Процесс разбиения сложного объекта на независимые части - декомпозиция.
В процессе декомпозиции необходимо определить все виды связей частей между собой.

Блочно-иерархический подход к созданию сложных систем
.
При создании сложных объектов - многократная декомпозиция - метод пошаговой детализации.
Выделяют аналогичные блоки, это ↑ степень повторяемости кодов и ↓ стоимость разработки.
Результат декомпозиции - схема иерархии, на нижнем уровне - простые блоки, на верхнем – сам объект.
На каждом уровне - описание блоков с определенной степенью детализации, абстрагируясь от несущественных деталей.
Для каждого уровня - свои формы документации и свои модели.
Для объекта в целом - общие требования, блоки нижнего уровня специфицируют так, чтобы из них можно собрать работающий объект.
Чем больше блок, тем более абстрактно его описание.

Блочно-иерархический подход к созданию сложных систем
.
Соотношение абстрактного и конкретного в описании блоков при блочно-иерархическом подходе