Модульное программирование c кратко

Обновлено: 05.07.2024

Первоначальной (и, возможно, наиболее используемой) парадигмой программирования было:

Определите, какие процедуры вам нужны; используйте лучшие из известных вам алгоритмов!

Ударение делалось на обработку данных с помощью алгоритма, производящего нужные вычисления. Для поддержки этой парадигмы языки предоставляли механизм передачи параметров и получения результатов функций. Литература, отражающая такой подход, заполнена рассуждениями о способах передачи параметров, о том, как различать параметры разных типов, о различных видах функций (процедуры, подпрограммы, макрокоманды, . ) и т.д. Первым процедурным языком был Фортран, а Алгол60, Алгол68, Паскаль и С продолжили это направление.

Типичным примером хорошего стиля в таком понимании может служить функция извлечения квадратного корня. Для заданного параметра она выдает результат, который получается с помощью понятных математических операций:

Двойная наклонная черта // начинает комментарий, который продолжается до конца строки.

При такой организации программы, функции вносят определенный порядок в хаос различных алгоритмов.

1.2.2 Модульное программирование

Со временем при проектировании программ акцент сместился с организации процедур на организацию структур данных. Помимо всего прочего это вызвано и ростом размеров программ. Модулем обычно называют совокупность связанных процедур и тех данных, которыми они управляют. Парадигма программирования приобрела вид:

Определите, какие модули нужны; поделите программу так, чтобы данные были скрыты в этих модулях

Эта парадигма известна также как "принцип сокрытия данных ". Если в языке нет возможности сгруппировать связанные процедуры вместе с данными, то он плохо поддерживает модульный стиль программирования. Теперь метод написания "хороших" процедур применяется для отдельных процедур модуля. Типичный пример модуля - определение стека. Здесь необходимо решить такие задачи:

Предоставить пользователю интерфейс для стека (например, функции push () и pop () ).
Гарантировать, что представление стека (например, в виде массива элементов) будет доступно лишь через интерфейс пользователя.
Обеспечивать инициализацию стека перед первым его использованием.

Язык Модула-2 прямо поддерживает эту парадигму, тогда как С только допускает такой стиль. Ниже представлен на С возможный внешний интерфейс модуля, реализующего стек:

Допустим, что описание интерфейса находится в файле stack.h, тогда реализацию стека можно определить следующим образом:

Вполне возможно, что реализация стека может измениться, например, если использовать для хранения связанный список . Пользователь в любом случае не имеет непосредственного доступа к реализации: v и p - статические переменные, т.е. переменные локальные в том модуле (файле), в котором они описаны. Использовать стек можно так:

Поскольку данные есть единственная вещь, которую хотят скрывать, понятие упрятывания данных тривиально расширяется до понятия упрятывания информации, т.е. имен переменных, констант, функций и типов, которые тоже могут быть локальными в модуле. Хотя С++ и не предназначался специально для поддержки модульного программирования, классы поддерживают концепцию модульности ( 5.4.3 и 5.4.4). Помимо этого С++, естественно, имеет уже продемонстрированные возможности модульности, которые есть в С, т.е. представление модуля как отдельной единицы трансляции.

1.2.3 Абстракция данных

Модульное программирование предполагает группировку всех данных одного типа вокруг одного модуля, управляющего этим типом. Если потребуются стеки двух разных видов, можно определить управляющий ими модуль с таким интерфейсом:

Конечно такое решение намного лучше, чем хаос, свойственный традиционным, неструктурированным решениям, но моделируемые таким способом типы совершенно очевидно отличаются от "настоящих", встроенных. Каждый управляющий типом модуль должен определять свой собственный алгоритм создания "переменных" этого типа. Не существует универсальных правил присваивания идентификаторов, обозначающих объекты такого типа. У "переменных" таких типов не существует имен, которые были бы известны транслятору или другим системным программам, и эти "переменные" не подчиняются обычным правилам областей видимости и передачи параметров.

Тип, реализуемый управляющим им модулем, по многим важным аспектам существенно отличается от встроенных типов. Такие типы не получают той поддержки со стороны транслятора (разного вида контроль), которая обеспечивается для встроенных типов. Проблема здесь в том, что программа формулируется в терминах небольших (одно-два слова) дескрипторов объектов, а не в терминах самих объектов ( stack_id может служить примером такого дескриптора). Это означает, что транслятор не сможет отловить глупые, очевидные ошибки, вроде тех, что допущены в приведенной ниже функции:

Иными словами, концепция модульности, поддерживающая парадигму упрятывания данных, не запрещает такой стиль программирования, но и не способствует ему.

$\S$

В языках Ада, Clu , С++ и подобных им эта трудность преодолевается благодаря тому, что пользователю разрешается определять свои типы, которые трактуются в языке практически так же, как встроенные. Такие типы обычно называют абстрактными типами данных, хотя лучше, пожалуй, их называть просто пользовательскими. Более строгим определением абстрактных типов данных было бы их математическое определение. Если бы удалось его дать, то, что мы называем в программировании типами, было бы конкретным представлением действительно абстрактных сущностей. Как определить "более абстрактные" типы, показано в 4.6. Парадигму же программирования можно выразить теперь так:

Определите, какие типы вам нужны; предоставьте полный набор операций для каждого типа.

Если нет необходимости в разных объектах одного типа, то стиль программирования, суть которого сводится к упрятыванию данных, и следование которому обеспечивается с помощью концепции модульности, вполне адекватен этой парадигме.

Арифметические типы, подобные типам рациональных и комплексных чисел, являются типичными примерами пользовательских типов:

Описание класса (т.е. определяемого пользователем типа) complex задает представление комплексного числа и набор операций с комплексными числами. Представление является частным (private): re и im доступны только для функций, указанных в описании класса complex . Подобные функции могут быть определены так:

и использоваться следующим образом:

Большинство модулей (хотя и не все) лучше определять как пользовательские типы.

Модульное программирование — это организация программы как совокупности небольших независимых блоков, называемых модулями.

Модуль — функционально законченный фрагмент программы, оформленный в виде отдельного файла с исходным кодом. Модули проектируются таким образом, чтобы предоставлять программистам удобную для многократного использования функциональность (интерфейс) в виде набора функций, классов, констант. Модули могут объединяться в пакеты и, далее, в библиотеки. Удобство использования модульной архитектуры заключается в возможности обновления (замены) модуля, без необходимости изменения остальной системы.

Использование модульного программирования позволяет упростить тестирование программы и обнаружение ошибок. Модульность часто является средством упрощения задачи проектирования программы и распределения процесса разработки между группами разработчиков. При разбиении программы на модули для каждого модуля указывается реализуемая им функциональность, а также связи с другими модулями.

Выделение функций в модуль

Модуль в языке Си состоит из интерфейса (заголовочого файла . h ) и реализации (файла . c ) .

Реализация модуля должна полностью реализовывать указанный интерфейс, поэтому она также включает свой заголовочный файл.

Итого, пример проекта из основного файла и одного модуля, может выглядеть так:

В любой профессии, не только в программировании, вы переживаете разные эмоциональные состояния по ходу выполнения проекта:

Сначала есть энтузиазм от перспектив и возможностей.
Затем приходит азарт. Первые ошибки и трудности вас только раззадоривают, заставляя мозг и фантазию работать на полную катушку.
Следом проседает концентрация. В какой-то момент вы перестаёте обращать внимание на предупреждения и мелкие ошибки, откладывая решение этих проблем на потом.
В итоге вы теряете мотивацию. Вы исправляете одну ошибку – появляется три. Вы пытаетесь добавить новую функцию, но выкидываете идею в мусорное ведро из-за нежелания тратить на это много времени.

Некоторые думают, что это нормально: стоит смириться и каждый раз проживать этот цикл. На деле же всё немного проще, и решение лежит не в области психологии, а в подходе к созданию кода.

Классическая проблема программирования

Похоже на ваши глаза перед сдачей проекта, не так ли?

Это иллюстрация той сложности, с которой вам надо работать, какое количество связей учитывать, если возникает ошибка.

Программирование не уникальная дисциплина: здесь можно и нужно применять опыт из других областей. Возьмём, к примеру, компьютер. Их производители не задумываются над многообразием задач, которые решает пользователь, и уж тем более не выделяют под каждую маленький процессор и память. Компьютер – это просто набор независимых сложных объектов, объединённых в одном корпусе при помощи разъёмов и проводов. Объекты не уникальны, не оптимизированы конкретно под вас, и тем не менее блестяще справляются со своей задачей.

В программировании есть точно такие же решения. Например, библиотеки. Они помогают не тратить драгоценное время на изобретение велосипеда. Однако для частных задач библиотеки не эффективны – создание отнимет уйму времени, а при единичной повторяемости эффективность стремится к нулю.

В этом случае полезнее обратиться к модулям. Модуль – логически завершённый фрагмент кода, имеющий конкретное функциональное назначение. Для взаимодействия модулей используются способы, не позволяющие изменять параметры и функциональность. Плюсы модульного программирования очевидны:

Ускорение разработки.
Повышение надёжности.
Упрощение тестирования.
Взаимозаменяемость.

Модульное программирование крайне эффективно при групповых разработках, где каждый сотрудник может сконцентрироваться только на своём фронте работ и не оглядываться на решения коллег. Однако и в индивидуальном подходе вы получаете, как минимум, вышеописанные преимущества.

Но не всё так просто.

Проблемы модульного программирования

В повседневной жизни таких примеров множество. Чтобы купить билет на самолёт или узнать время вылета, вам не надо звонить пилоту. Чтобы выпить молока, не надо ехать в деревню или на завод и стоять над душой у коровы. Для этого всегда есть посредники.

В модульном программировании существует три основные реализации:

Несмотря на то, что первая реализация IoC используется чаще всего, для первых шагов в модульном программировании лучше использовать другие два. Причина – простое создание интерфейсов лишь ограничивает доступ к модулям, а для снижения сложности кода необходимо также уменьшить количество связей. Интерфейсы, хаотично ссылающиеся на другие интерфейсы, код только усложняют.

Для решения этой проблемы необходимо разработать архитектуру кода. Как правило, она схожа с файловой структурой любого приложения:

Таким образом, поддержка принципов модульного программирования, инверсии управления и четкой архитектуры приложения поможет убить сразу трёх зайцев:

Обеспечить чёткое функциональное разделение кода. При возникновении ошибок можно быстро определить источник, а исправления не приведут к появлению новых сбоев.
Минимизировать количество связей. Это позволит упростить разработку, отдав на откуп нескольким разработчикам разные модули. Или вы сможете самостоятельно разрабатывать каждый блок без оглядки на другие, что тоже экономит время и силы.
Создать иерархию с чёткой вертикалью наследования. Это повышает надёжность кода, так как тестирование провести проще, а результаты информативнее.

Соблюдение принципа модульности в больших проектах позволит сэкономить время и не расплескать стартовый задор. Более того, у вас получится наконец сосредоточиться на самом интересном – реализации оригинальных задумок в коде. А ведь это именно то, что каждый из нас ищет в программировании.

Сначала есть энтузиазм от перспектив и возможностей.
Затем приходит азарт. Первые ошибки и трудности вас только раззадоривают, заставляя мозг и фантазию работать на полную катушку.
Следом проседает концентрация. В какой-то момент вы перестаёте обращать внимание на предупреждения и мелкие ошибки, откладывая решение этих проблем на потом.
В итоге вы теряете мотивацию. Вы исправляете одну ошибку – появляется три. Вы пытаетесь добавить новую функцию, но выкидываете идею в мусорное ведро из-за нежелания тратить на это много времени.

Классическая проблема программирования

Похоже на ваши глаза перед сдачей проекта, не так ли?

Ускорение разработки.
Повышение надёжности.
Упрощение тестирования.
Взаимозаменяемость.

Но не всё так просто.

Проблемы модульного программирования

В модульном программировании существует три основные реализации:

Обеспечить чёткое функциональное разделение кода. При возникновении ошибок можно быстро определить источник, а исправления не приведут к появлению новых сбоев.
Минимизировать количество связей. Это позволит упростить разработку, отдав на откуп нескольким разработчикам разные модули. Или вы сможете самостоятельно разрабатывать каждый блок без оглядки на другие, что тоже экономит время и силы.
Создать иерархию с чёткой вертикалью наследования. Это повышает надёжность кода, так как тестирование провести проще, а результаты информативнее.

Модуль в программировании — это фрагмент кода, имеющий определенное функциональное значение и характеризующийся логической завершенностью.

Модульное программирование — это способ создания программы посредством объединения модулей в единую структуру.

Применение способа позволяет значительно повысить скорость разработки, обеспечить ее надежность, упростить тестирование. Модульное программирование удобно при групповой работе, так как каждый из участников процесса имеет возможность сконцентрироваться только на своем объеме работ, не отвлекаясь на деятельность коллег.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Важное преимущество подхода — возможность заменить или обновить один из компонентов без изменений всей остальной системы.

В чем состоит особенность, основные принципы

Основной принцип метода сформулирован канадским программистом Дэвидом Парнасом. Согласно его высказыванию, для создания одного модуля достаточно минимальных знаний о содержании других. Именно на основе этого принципа Парнас выдвинул концепцию сокрытия информации в программировании.

Сокрытие в программировании — это способ проектирования, предполагающий разграничение доступа разных частей продукта к внутренним компонентам друг друга.

Технологически процесс выглядит так:

Описание данных.
Проектирование по нисходящему принципу.
Модульное программирование.
Создание главной программы.
Сборка продукта.

В качестве структурных единиц могут выступать сервисы, классы, библиотеки функций, структуры данных и другие единицы, реализующие определенную функцию и способные предоставить интерфейс к ней.

Разновидности модулей

В информатике существуют дополнительные понятия модуля.

Модуль — это набор команд, который имеет свое обозначение и который можно вызвать по имени.

Модуль — это совокупность программных операторов, имеющая идентификатор и граничные компоненты.

Также принято выделять три разновидности:

Малоразмерные, на реализацию которым отдается одна заданная функция. В большинстве языков программирования самой простой единицей считается процедура или функция.
Среднеразмерные, реализующие небольшой набор операций или функций.
Крупные, объединяющие в себе несколько малоразмерных и среднеразмерных модулей.

Примерами крупных могут послужить набор пакетов в языках Java, Ada, а также набор модулей в программном языке Modula-2.

Проблемы модульного программирования

Несмотря на существенные достоинства метода, специалисты подмечают и ряд недостатков:

увеличенный объем необходимой памяти;
более длинный временной период компиляции, загрузки;
более медленное исполнение программы;
риск создать слишком сложный алгоритм взаимодействия между модулями.

Если первые три пункта легко нивелируются мощью современной техники, то последний целиком и полностью зависит от программистов, оптимальности предложенных ими решений.

Читайте также: