Нисходящее проектирование

Тема 3. Нисходящее проектирование. 1. Суть нисх. проектир-я. Файл 681453772.
С. 1 из 3
Тема 3. Нисходящее проектирование
1. Суть нисходящего проектирования. Материал: файл tema_3vopr1.doc
2. Пример нисходящей разработки.
Материал: файлы tema_3vopr2.doc, plan_nish_otl.doc, primer2.doc
3. Условия успешного применения и оценка нисходящего подхода.
Материал: файл tema_3vopr3&4.doc
4. Восходящий подход как «традиционная» альтернатива нисходящему. Соотношение подходов
Материал, общий для тем 3 и 4: схемы нисходящей и восходящей отладки – файлы
nishotl.doc, voshotl.doc; принципы тестирования - файл test_bas.doc (выдавались на лабораторных работах).
1. Суть нисходящего проектирования
В сокращенном виде материал по нисходящей разработке был представлен в лабораторной работе 1.
 Нисходящая разработка как двухкомпонентный процесс поуровневого проектирования
и отладки
Нисходящая разработка представляет собой поэтапный процесс, результатом которого на каждом
уровне разработки является отлаженная и оттестированная программа этого уровня, т.е., возможно, с наличием нераскрытых абстракций. Отделить проектирование от отладки в процессе
разработки нельзя. Однако такое разделение неизбежно при описании разработки, поскольку
описание являет собой вещь статическую. Поэтому в данной теме делается акцент на проектировании, а в следующей – на нисходящей отладке разрабатываемого программного продукта. Тем не
менее связь этих аспектов просматривается постоянно и справочный материал по разработке и
отладке является практически полностью общим для обеих тем.
 Общая характеристика нисходящего проектирования
Методика нисходящей, или пошаговой разработки программ считается самой сильной формализацией в области проектирования алгоритмов начиная с 70-х годов. Именно поэтому нисходящий
подход представляет собой один из важнейших принципов современной методологии разработки
программ, независимо от используемой парадигмы программирования и расстановки акцентов на
тех или иных этапах жизненного цикла.
Предлагаемый подход может рассматриваться как синтез классического нисходящего подхода и
более поздней методики потоков работ (Workflow methodology).
Суть этого подхода, как и суть любого процесса проектирования, на первый взгляд проста: разбиение задачи на подзадачи до получения подзадач, реализуемых имеющимися в наличии исполнителя средствами. Однако эта простота обманчива, и в действительности для овладения описываемым подходом требуются хорошо отработанные навыки систематического мышления и взгляд на
программирование как на интеллектуальную дисциплину, направленную на решение задач, а не
на комбинирование операторов конкретного языка. Поэтому такой подход требует серьезной и
тщательной работы.
В рамках учебного процесса, не позволяющего конструктивно (т.е. доводя решение до программного продукта) рассматривать достаточно сложные реальные задачи, требующие прежде всего
анализа и уточнения постановки, нисходящая разработка лучше всего иллюстрируется на процессе разработки алгоритмов достаточно хорошо сформулированных задач. Поэтому ниже изложение
ведется именно в таком аспекте.
Собственно нисходящая методика принципиально не предполагает использования какого-либо
конкретного языка программирования и наилучшим образом реализуется на основе средств проектирования алгоритмов, основанных на структурном подходе. Такими средствами являются,
например, язык проектирования программ PDL (см. ссылку на кн. Лингера и др. в теме 2) и менее
жесткий язык псевдокод, рассмотренный в теме 2. Очевидно, что используемый при нисходящей
разработке язык проектирования должен содержать средства описания подзадач и их связи с задачами более высокого уровня.
Тема 3. Нисходящее проектирование. 1. Суть нисх. проектир-я. Файл 681453772.
С. 2 из 3
 Общая схема
Суть нисходящего проектирования, или проектирования сверху вниз, состоит в пошаговой декомпозиции (разложении) задачи на точно определенные подзадачи.
К счастью или к сожалению, четких формальных критериев такой декомпозиции не существует,
поэтому процесс, особенно для нестандартных задач, является в большой степени творческим и
требует навыка и опыта. Парадоксальным на первый взгляд, но наиболее конструктивным критерием выделения подзадач является такой: каждая подзадача должна быть сформулирована кратко, точно и емко, т.е. должно быть ясно, что дано и что требуется найти, и при этом нет необходимости прибегать к описанию мелких действий. Примеры корректных формулировок: «Найти сумму..», «Проверить наличие элементов …» и т.д.
Процесс нисходящей разработки является иерархическим. Схема его приведена на рис. 3.1.
0-й уровень
(проблемный, абстрактный):
исходная задача
Исходная
задача A0
1-й уровень:
подзадачи
задач 0-го уровня
Подзадача
A0.1
Подзадача
A 0.2
......
Подзадача
A 0.k
2-й уровень:
подзадачи
задач 1-го уровня
Подзадача
A 0.2.1
Подзадача
A 0.2.2
......
Подзадача
A 0.2.р
..................
Дальнейшее разбиение
на подзадачи
......
..................
Уровень подзадач,
реализуемых в языке
программирования
(исполнительный уровень)
......
Рис. 3.1. Общая схема нисходящего проектирования
Смысловая сторона нисходящего проектирования состоит в следующем: на каждом уровне проектирования мы полагаем, что каждая сформулированная подзадача реализуема, и, не интересуясь
деталями этой реализации, рассматриваем ее как единое обобщенное действие, называемое абстракцией. Иначе говоря, абстракция – подзадача, рассматриваемая как «черный ящик». По
форме это некоторое обобщенное действие ("проверить правильность", "поиск максимума", "найти
сумму"). Будем обозначать абстракции именами, начинающимися с буквы А.
Назовем реализацией, или раскрытием абстракции некоторого уровня некоторый способ объединения результатов решения ее подзадач (абстракций низшего уровня). В этих терминах исходную постановку задачи можно рассматривать как абстракцию самого высокого (нулевого) уровня, а
решение задачи – как пошаговую реализацию этой абстракции вплоть до исполнительного уровня.
Обозначим эту абстракцию A0.
Как видно из схемы, каждая подзадача некоторого уровня раскрывается на следующем, также путем разложения на подзадачи – и т.д., до получения подзадач, алгоритм решения которых можно
непосредственно записать на языке исполнительного (физического) уровня.
В случае проектирования алгоритмов исполнительным уровнем (операционной средой) является заданное множество возможных операций по преобразованию используемых данных. Это возможности того, кто исполняет алгоритм. Например, исполнительный уровень при решении
арифметических задач вручную – множество арифметических операций, на компьютере – множество операций используемого языка или среды программировния, для алгебраических задач –
законы алгебры. Если задачу решает специалист в некоторой области, то исполнительный уровень – множество методов, которыми владеет этот специалист.
Тема 3. Нисходящее проектирование. 1. Суть нисх. проектир-я. Файл 681453772.
С. 3 из 3
Реально прямой переход от задачи к решению возможен только для тривиальных задач; обычно
число уровней много больше двух.
Одним из ярких, но неосознаваемых примеров нисходящего подхода является расчет параметров
электрической цепи. Здесь иcполнительный уровень – арифметические операции, выполняемые
согласно нужным формулам. Но до получения этих формул исходя из заданных параметров цепи
и подстановки в формулы численных данных необходимо проделать массу преобразований схем и
выводов формул.
 Нисходящее проектирование и нисходящая отладка
На любом уровне проектирования одни элементы алгоритма могут быть доведены до исполнительного уровня и закодированы, другие же представлены в виде абстракций. Нисходящая отладка представляет собой постепенный процесс отладки такого незавершенного кода программы на
каждом уровне. В основе ее лежит тот факт, что любая подзадача связана с остальными только
своим интерфейсом, т.е. совокупностью получаемых ею входных данных и передаваемых дальше
выходных данных.
Эти положения приведены в лабораторной работе 1 и подробно рассматриваются в теме 4 и примере нисходящей разработки. Здесь об этом упоминается, чтобы еще раз подчеркнуть единство
процессов нисходящего проектирования и нисходящей отладки, обеспечивающее эффективность
разработки в целом.
 Механизм процедур как адекватное средство реализации нисходящего подхода
Самым мощным механизмом любого достаточно развитого конкретного языка программирования
является механизм процедур.
Аппарат процедур предоставляет формальные средства абстракции, т.е. формально в виде процедуры может быть оформлена любая последовательность операций с тем, чтобы впоследствии
быть вызванной по имени. Однако как некоторый результат деятельности по разработке программы такая последовательность всегда несет смысловую нагрузку - решает какую-либо задачу. Таким образом, уже сам факт использования процедур в любом случае предполагает (осознанно или
неосознанно, формализовано или нет) процесс нисходящего решения задачи с поэтапным выделением подзадач.
Поэтому механизм процедур является адекватным средством реализации нисходящей методологии, начиная с этапа проектирования и заканчивая реализацией программы с использованием конкретной системы программирования.
 Резюме
Процесс нисходящего проектирования есть процесс поэтапного раскрытия абстракций. Сам процесс выделения абстракций - неформальный, творческий Общих критериев его оценки нет. Составить удачный проект за один проход чаще всего нельзя.
Принцип нисходящего проектирования кажется интуитивно очевидным, однако практика показывает, что реализация этой идеи весьма непроста.