Тема 6.1 Язык программирования. Основные этапы разработки программ

Тема 6.1 Язык программирования. Основные этапы разработки программ


Задачи и их решения по информатике и математике
Тема 5. 2 Основные конструкции алгоритмов -->> Тема 6.2 - 6.4 Основные конструкции языка программирования

Тема 6.1 Язык программирования. Основные этапы разработки программ

Машинно-ориентированные языки относятся к машинно-зависимым языкам программирования. Основные конструктивные средства таких языков позволяют учитывать особенности архитектуры и принципов работы определенной ЭВМ, т. е. они имеют те же возможности и требования к программистам, что и машинные языки. Однако в отличие от последних они требуют предварительной трансляции на машинный язык составленных с их помощью программ.
Данными видами языков программирования могут быть: автокоды, языки символического кодирования и ассемблеры.
Для машинно-независимых языков не требуется полного знания специфики компьютеров. С их помощью можно записывать программу в виде, допускающем ее реализацию на ЭВМ с различными типами машинных операций, привязка к которым возлагается на соответствующий транслятор.
Причина бурного развития и применения высокоуровневых языков программирования заключается в быстром росте производительности ЭВМ и хронической нехватке программистских кадров.
Промежуточное место между машинно-независимыми и машинно-зависимыми языками отводится языку Си. Он создавался при попытке объединения достоинств, присущих языкам обоих классов. Данный язык обладает рядом особенностей:
• максимально использует возможности конкретной вычислительной архитектуры; из-за этого программы на языке Си компактны и работают эффективно;
• позволяет налучшим образом использовать огромные выразительные средства современных языков высокого уровня.
Языки разделяют на процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные.
Процедурно-ориентированные языки, например Фортран, Кобол, Бейсик, Паскаль, наиболее часто используются для описания алгоритмов решения широкого класса задач.
Проблемно-ориентированные языки, в частности РПГ, Лисп, АПЛ, GPSS, применяются для описания процессов обработки информации в более узкой, специфической области.
Объектно-ориентированные языки программирования позволяют разрабатывать программные приложения для большого круга разнообразных задач, имеющих общность в реализуемых компонентах.
Рассмотрим методы использования языков программирования.
Интерпретация представляет собой пооператорную трансляцию и последующее выполнение оттранслированного оператора исходной программы. Существует два основных недостатка метода интерпретации:
1) интерпретирующая программа должна располагаться в памяти ЭВМ на протяжении всего процесса выполнения исходной программы. Другими словами, она должна занимать некоторый установленный объем памяти;
2) процесс трансляции одного и того же оператора повторяется такое число раз, которое должна исполнять эта команда в программе. Это приводит к резкому снижению производительности работы программы.
Трансляторы-интерпретаторы являются достаточно распространенными, так как они поддерживают диалоговый режим.
Процессы трансляции и выполнения при компиляции разделяются во времени: сначала исходная программа в полном объеме переводится на машинный язык, после чего оттранслированная программа может многократно исполняться. Для трансляции методом компиляции необходим неоднократный «просмотр» транслируемой программы, т. е. трансляторы-компиляторы являются многопроходными. Трансляция методом компиляции носит название объектного модуля, который представляет собой эквивалентную программу в машинных кодах. Необходимо, чтобы перед исполнением объектный модуль обрабатывался специальной программой ОС и преобразовывался в загрузочный модуль.
Применяют также трансляторы интерпретаторы-компиляторы, объединяющие в себе достоинства обоих принципов трансляции.

 

Классификация языков программирования высокого уровня
Высокоуровневые языки используются в машинно-независимых системах программирования. Такие системы программирования в сравнении с машинно-ориентированными системами предстают более простыми в использовании.
Языки программирования высокого уровня подразделяют на процедурно-ориентированные, проблемно-ориентированные и объектно-ориентированные.
Процедурно-ориентированные языки применяются для записи процедур или алгоритмов обработки информации на каждом определенном круге задач. К ним относятся:
а) язык Фортран (Fortran), название которого происходит от слов Formulae Translation – «преобразование формул». Фортран представляет собой один из старейших языков программирования высокого уровня. Длительность его существования и применения можно объяснить простотой структуры данного языка;
б) язык Бейсик (Basic), который расшифровывается как Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code, что в переводе означает – «многоцелевой символический обучающий код для начинающих», разработан в 1964 г. как язык для обучения программированию;
в) язык Си (С), применяемый с 1970-х гг. как язык системного программирования специально для написания ОС UNIX. В 1980-е гг. на основе языка С был разработан язык C++, практически включающий в себя язык С и дополненный средствами объектно-ориентированного программирования;
г) язык Паскаль (Pascal), который назван в честь французского ученого Б. Паскаля, начал применяться с 1968–1971 гг. Н. Виртом. При создании Паскаль использовался для обучения программированию, но со временем стал широко применяться для разработки программных средств в профессиональном программировании.
Проблемно-ориентированные языки используются для решения целых классов новых задач, возникших в связи с постоянным расширением области применения вычислительной техники:
а) язык Лисп (Lisp – List Information Symbol Processing), который был изобретен в 1962 г. Дж. Маккарти. Первоначально он применялся как средство для работы со строками символов. Лисп употребляется в экспертных системах, системах аналитических вычислений и т. п.;
б) язык Пролог (Prolog – Programming in Logic), используемый для логического программирования в системах искусственного интеллекта.
Объектно-ориентированные языки развиваются и в настоящий момент. Большинство из этих языков являются версиями процедурных и проблемных языков, но программирование с помощью языков этой группы является более наглядным и простым. К наиболее часто употребляемым языкам относятся:
а) Visual Basic (~ Basic);
б) Delphi (~ Pascal);
в) Visual Fortran (~ Fortran);
r) C++ (~ C);
д) Prolog++ (~ Prolog).

Процесс разработки программы можно выразить следующей формулой: 
 
На начальном этапе работы анализируются и формулируются требования к программе, разрабатывается точное описание того, что должна делать программа и каких результатов необходимо достичь с ее помощью.
Затем программа разрабатывается с использованием той или иной технологии программирования (например, структурного программирования).
Полученный вариант программы подвергается систематическому тестированию — ведь наличие ошибок в только что разработанной программе это вполне нормальное закономерное явление. Практически невозможно составить реальную (достаточно сложную) программу без ошибок. Нельзя делать вывод, что программа правильна, лишь на том основании, что она не отвергнута машиной и выдала результаты. Все, что достигнуто в этом случае, это получение каких-то результатов, не обязательно правильных. В программе при этом может оставаться большое количество логических ошибок. Ответственные участки программы проверяются с использованием методов доказательства правильности программ.
Для каждой программы обязательно проводятся работы по обеспечению качества и эффективности программного обеспечения, анализируются и улучшаются временные характеристики.
 
Отладка программы — это процесс поиска и устранения ошибок в программе, производимый по результатам её прогона на компьютере. 
 
Тестирование (англ. test — испытание) — это испытание, проверка правильности работы программы в целом, либо её составных частей.

Отладка и тестирование — это два четко различимых и непохожих друг на друга этапа:
  • при отладке происходит локализация и устранение синтаксических ошибок и явных ошибок кодирования;
  • в процессе же тестирования проверяется работоспособность программы, не содержащей явных ошибок.
 
Тестирование устанавливает факт наличия ошибок, а отладка выясняет ее причину.
Английский термин debugging ("отладка") буквально означает "вылавливание жучков". Термин появился в 1945 г., когда один из первых компьютеров — "Марк-1" прекратил работу из-за того, что в его электрические цепи попал мотылек и заблокировал своими останками одно из тысяч реле машины.

В современных программных системах (Turbo Basic, Turbo Pascal, Turbo C и др.) отладка осуществляется часто с использованием специальных программных средств, называемых отладчиками. Эти средства позволяют исследовать внутреннее поведение программы.
Программа-отладчик обычно обеспечивает следующие возможности:
  • пошаговое исполнение программы с остановкой после каждой команды (оператора);
  • просмотр текущего значения любой переменной или нахождение значения любого выражения, в том числе, с использованием стандартных функций; при необходимости можно установить новое значение переменной;
  • установку в программе "контрольных точек", т.е. точек, в которых программа временно прекращает свое выполнение, так что можно оценить промежуточные результаты, и др.
При отладке программ важно помнить следующее:
  • в начале процесса отладки надо использовать простые тестовые данные;
  • возникающие затруднения следует четко разделять и устранять строго поочередно;
  • не нужно считать причиной ошибок машину, так как современные машины и трансляторы обладают чрезвычайно высокой надежностью.
Как бы ни была тщательно отлажена программа, решающим этапом, устанавливающим ее пригодность для работы, является контроль программы по результатам ее выполнения на системе тестов.
 
Программу условно можно считать правильной, если её запуск для выбранной системы 
тестовых исходных данных во всех случаях дает правильные результаты.
Но, как справедливо указывал известный теоретик программирования Э. Дейкстра, тестирование может показать лишь наличие ошибок, но не их отсутствие. Нередки случаи, когда новые входные данные вызывают "отказ" или получение неверных результатов работы программы, которая считалась полностью отлаженной.
Для реализации метода тестов должны быть изготовлены или заранее известны эталонные результаты.
 
Вычислять эталонные результаты нужно обязательно   до,   а не   после   
получения машинных результатов.
В противном случае имеется опасность невольной подгонки вычисляемых значений под желаемые, полученные ранее на машине.

Тестовые данные должны обеспечить проверку всех возможных условий возникновения ошибок:
  • должна быть испытана каждая ветвь алгоритма;
  • очередной тестовый прогон должен контролировать нечто такое, что еще не было проверено на предыдущих прогонах;
  • первый тест должен быть максимально прост, чтобы проверить, работает ли программа вообще;
  • арифметические операции в тестах должны предельно упрощаться для уменьшения объема вычислений;
  • количества элементов последовательностей, точность для итерационных вычислений, количество проходов цикла в тестовых примерах должны задаваться из соображений сокращения объема вычислений;
  • минимизация вычислений не должна снижать надежности контроля;
  • тестирование должно быть целенаправленным и систематизированным, так как случайный выбор исходных данных привел бы к трудностям в определении ручным способом ожидаемых результатов; кроме того, при случайном выборе тестовых данных могут оказаться непроверенными многие ситуации;
  • усложнение тестовых данных должно происходить постепенно.
Пример. Система тестов для задачи нахождения корней квадратного уравнения ax2 + bx + c = 0 : 
 
Номер теста
Проверяемый случай
Коэффициенты
Результаты
a
b
c
1
d >0
1
1
-2
x1 = 1, x2 =  - 2
2
d=0
1
2
1
Корни равны:  x1 = - 1, x2 =  - 1
3
d < 0
2
1
2
Действительных корней нет
4
a=0,   b=0,   c=0
0
0
0
Все коэффициенты равны нулю.   х — любое число.
5
a=0,   b=0,   c<>0
0
0
2
Неправильное уравнение
6
a=0,   b<>0
0
2
1
Линейное уравнение.   Один корень:   x = - 0,5
7
a <> 0,   b <> 0,   с = 0
2
1
0
x1 = 0,   x2  =  - 0,5

Процесс тестирования можно разделить на три этапа.1. Проверка в нормальных условиях. Предполагает тестирование на основе данных, которые характерны для реальных условий функционирования программы.
2. Проверка в экстремальных условиях. Тестовые данные включают граничные  значения области изменения входных переменных, которые должны восприниматься программой как правильные данные. Типичными примерами таких значений являются очень маленькие или очень большие числа и отсутствие данных. Еще один тип экстремальных условий — это граничные объемы данных, когда массивы состоят из слишком малого или слишком большого числа элементов.
3. Проверка в исключительных ситуациях. Проводится с использованием данных, значения которых лежат за пределами допустимой области изменений. Известно, что все программы разрабатываются в расчете на обработку какого-то ограниченного набора данных. Поэтому важно получить ответ на следующие вопросы: 
       что произойдет, если программе, не расчитанной на обработку отрицательных и нулевых значений переменных, в результате какой-либо ошибки придется иметь дело как раз с такими данными? 
       как будет вести себя программа, работающая с массивами, если количество их элементов певысит величину, указанную в объявлении массива? 
       что произойдет, если числа будут слишком малыми или слишком большими?

Наихудшая ситуация складывается тогда, когда программа воспринимает неверные данные как правильные и выдает неверный, но правдоподобный результат.
Программа должна сама отвергать любые данные, которые она не в состоянии обрaбатывать правильно.

Ошибки могут быть допущены на всех этапах решения задачи — от ее постановки до оформления. Разновидности ошибок и соответствующие примеры приведены в таблице: 
 
 
Вид ошибки Пример
    Неправильная постановка задачи Правильное решение неверно сформулированной задачи
   Неверный алгоритм Выбор алгоритма, приводящего к неточному или эффективному решению задачи
   Ошибка анализа Неполный учет ситуаций, которые могут возникнуть; логические ошибки
   Семантические ошибки Непонимание порядка выполнения оператора
   Синтаксические ошибки Нарушение правил, определяемых языком программирования
   Ошибки при выполнении операций Слишком большое число, деление на ноль, извлечение квадратного корня из отрицательного числа и т. п.
   Ошибки в данных Неудачное определение возможного диапазона изменения данных
   Опечатки Перепутаны близкие по написанию символы, например, цифра 1 и буквы I, l
   Ошибки ввода-вывода Неверное считывание входных данных, неверное задание форматов данных
 

Обычно синтаксические ошибки выявляются на этапе трансляции. Многие же другие ошибки транслятору выявить невозможно, так как транслятору неизвестны замыслы программиста.

 

Отсутствие сообщений машины о синтаксических ошибках является необходимым, 
но не достаточным условием, чтобы считать программу правильной.

Примеры синтаксических ошибок:

  • пропуск знака пунктуации;
  • несогласованность скобок;
  • неправильное формирование оператора;
  • неверное образование имен переменных;
  • неверное написание служебных слов;
  • отсутствие условий окончания цикла;
  • отсутствие описания массива и т.п.

Существует множество ошибок, которые транслятор выявить не в состоянии, если используемые в программе операторы сформированы верно. Приведем примеры таких ошибок.
Логические ошибки:
  • неверное указание ветви алгоритма после проверки некоторого условия;
  • неполный учет возможных условий;
  • пропуск в программе одного или более блоков алгоритма.
Ошибки в циклах:
  • неправильное указание начала цикла;
  • неправильное указание условий окончания цикла;
  • неправильное указание числа повторений цикла;
  • бесконечный цикл.
Ошибки ввода-вывода; ошибки при работе с данными:
  • неправильное задание тип данных;
  • организация считывания меньшего или большего объёма даных, чем требуется;
  • неправильное редактирование данных.
Ошибки в использовании переменных:
  • использование переменных без указания их начальных значений;
  • ошибочное указание одной переменной вместо другой.
Ошибки при работе с массивами:
  • массивы предварительно не обнулены;
  • массивы неправильно описаны;
  • индексы следуют в неправильном порядке.
Ошибки в арифметических операциях:
  • неверное указание типа переменной (например, целочисленного вместо вещественного);
  • неверное определение порядка действий;
  • деление на нуль;
  • извлечение квадратного корня из отрицательного числа;
  • потеря значащих разрядов числа.
Все эти ошибки обнаруживаются с помощью тестирования.