Структурность данных и технологии программирования

Знание структуры данных позволяет организовать их хранение и обработку максимально эффективным образом с точки зрения минимизации затрат памяти и процессорного времени. Другим важным преимуществом, которое обеспечивается структурным подходом к данным, является возможность структурирования сложного программного изделия.

Современные промышленно выпускаемые программные пакеты – изделия чрезвычайно сложные, объем которых исчисляется тысячами и миллионами строк кода, а трудоемкость разработки – сотнями человеко-лет. Разработать такое программное изделие сразу невозможно, оно должно быть представлено в виде определенной структуры – составных частей и связей между ними. Правильное структурирование дает возможность на каждом этапе разработки сосредоточить внимание на одной обозримой части изделия или поручить реализацию разных его частей разным исполнителям.

При структурировании больших программных изделий возможно применение подхода, основанного на структуризации алгоритмов и известного, как «нисходящее проектирование» или «программирование сверху вниз», или подхода, основанного на структуризации данных и известного, как «восходящее проектирование» или «программирование снизу вверх».

В первом случае структурируют действия, которые должна выполнять программа. Большую и сложную задачу представляют в виде нескольких подзадач меньшего объема. Таким образом, модуль самого верхнего уровня, отвечающий за решение всей задачи в целом, получается достаточно простым и обеспечивает только последовательность обращений к модулям, реализующим подзадачи.

На первом этапе проектирования модули подзадач выполняются в виде «заглушек». Затем каждая подзадача в свою очередь подвергается декомпозиции по тем же правилам. Процесс дробления на подзадачи продолжается до тех пор, пока на очередном уровне декомпозиции не получат подзадачу, реализация которой будет вполне обозримой.

В предельном случае декомпозиция может быть доведена до того, что подзадачи самого нижнего уровня могут быть решены элементарным действием, например, с помощью одного оператора языка программирования.

Другой подход к структуризации основывается на данных. У реального программного изделия всегда есть Заказчик. Заказчик имеет входные данные, и хочет, чтобы по ним были получены выходные данные, а какими средствами это обеспечивается – его не интересует. Таким образом, задачей любого программного изделия является преобразование входных данных в выходные.

Инструментальные средства программирования предоставляют набор базовых типов данных и операции над ними. Интегрируя базовые типы, создают более сложные структуры, и определяет новые операции над ними. Полученные на первом шаге композиции «строительные блоки» используются в качестве базового набора для следующего шага, результатом которого будут еще более сложные конструкции данных с соответствующими операциями над ними. В идеале последний шаг композиции дает структуры, соответствующие выходным данным задачи, а операции над этими типами реализуют в полном объеме задачу проекта.

Нередко противопоставляют нисходящее проектирование восходящему, придерживаясь одного выбранного подхода, что в корне не верно. Реализация проекта всегда ведется встречными путями с постоянной коррекцией алгоритмов по результатам разработки структур данных и наоборот.

Еще одним технологическим приемом, связанным со структуризацией данных является инкапсуляция, которая заключается в том, что сконструированный новый тип данных оформляется таким образом, что его внутренняя структура недоступна извне, т.е. пользователям данного типа. Оперировать с данными этого типа возможно только через вызовы процедур, определенных в нем. Новый тип данных представляется в виде «черного ящика», для которого известны входы и выходы, но содержимое – неизвестно и недоступно.

Инкапсуляция полезна как средство преодоления сложности, и как средство защиты от ошибок. Первая цель достигается за счет того, что сложность внутренней структуры нового типа и алгоритмов выполнения операций над ним исключается из поля зрения разработчика-пользователя. Вторая цель достигается тем, что возможности доступа пользователя ограничиваются лишь заведомо корректными входными точками, следовательно, снижается и вероятность ошибок.

Современные языки программирования блочного типа (PASCAL, C) обладают развитыми возможностями построения программ модульной структуры и управления доступом модулей к данным и процедурам. Сконструированные и полностью закрытые типы данных представляют объекты, а процедуры, работающие с их внутренней структурой – методами. Развитие данного подхода связано с объектно-ориентированной методологией, реализованной в виде объектных моделей в различных языках программирования.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию структура данных.

2. В чем заключается защита типов данных?

3. Какие выделяют виды запоминающих устройств?

4. Приведите классификацию структур данных.

5. Опишите общие операции над структурами данных.

6. Приведите определение понятию порядок алгоритма.

7. В чем заключается идея прямого и обратного проектирования?