М. Бен-Ари - Языки программирования. Практический сравнительный анализ (2000) (1160781), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Главная проблема состоит в том, как разложить большую программную систему на легко управляемые компоненты, которые можно разработать отдельно и собрать в систему, где все компоненты взаимодействовали бы друг с другом, как запланировано. Начнем обсуждение с элементарных «механических» методов декомпозиции программы и перейдем к таким современным понятиям, как абстрактные типы данных и объектно-ориентированное программирование, которые направляют проектировщика системы на создание семантически значимых компонентов.
Перед тем как начать обсуждение, сделаем замечание для читателей, которые только начинают изучать программирование. Понятия будут продемонстрированы на небольших примерах, которые может вместить учебник, и вам может показаться, что это всего лишь излишняя «бюрократия». Будьте уверены, что поколениями программистов был пройден тяжелый путь, доказывающий, что такая бюрократия необходима; разница только в одном, либо она определена и реализована внутри стандарта языка, либо изобретается и внедряется администрацией для каждого нового проекта.
13.1. Раздельная компиляция
Первоначально декомпозиция программ делалась исключительно для того, чтобы дать возможность программисту раздельно компилировать компоненты программы. Благодаря мощности современных компьютеров и эффективности компиляторов эта причина теперь не столь существенна, как раньше, но важно изучить раздельную компиляцию, потому что для ее поддержки часто используются те же самые возможности, что и для декомпозиции программы на логические компоненты. Даже в очень больших системах, которые нельзя создать без раздельной компиляции, декомпозиция на компоненты делается при проектировании программы и не имеет отношения к этапу компиляции. Поскольку программные компоненты обычно относительно невелики, лимитирующим фактором при внесении изменений в программы обычно оказывается время компоновки, а не компиляции.
Раздельная компиляция в языке Fortran
Когда был разработан Fortran, программы вводились в компьютер с помощью перфокарт, и не было никаких дисков или библиотек программ, которые известны сегодня.
Компилируемый модуль в языке Fortran идентичен выполняемому модулю, а именно подпрограмме, называемой сабрутиной (subroutine). Каждая сабрутина компилируется не только раздельно, но и независимо, и в результате одной компиляции не сохраняется никакой информации, которую можно использовать при последующих компиляциях.
Это означает, что не делается абсолютно никакой проверки на соответствие формальных и фактических параметров. Вы можете задать значение с плавающей точкой для целочисленного параметра. Более того, массив передается как указатель на первый элемент, и вызванная подпрограмма никак не может узнать размер массива или даже тип элементов. Подпрограмма может даже попытаться обратиться к несуществующему фактическому параметру. Другими словами, согласование формальных и фактических параметров — задача программиста; именно он должен обеспечить, правильные объявления типов и размеров параметров, как в вызывающих, так и вызываемых подпрограммах.
Поскольку каждая подпрограмма компилируется независимо, нельзя совместно использовать глобальные объявления данных. Вместо этого определены общие (common) блоки:
subroutine S1
common /block1/distance(100), speed(100), time(100)
real distance, speed, time
…
end
Это объявление требует выделить 300 ячеек памяти для значений с плавающей точкой. Все другие объявления для этого же блока распределяются в те же самые ячейки памяти, поэтому, если другая подпрограмма объявляет:
subroutine S2
common /block1/speed(200), time(200), distance(200)
integer speed, time, distance
….
End
то две подпрограммы будут использовать различные имена и различные типы для доступа к одной и той же памяти! Отображение common-блоков друг на друга делается по их расположению в памяти, а не по именам переменных. Если для переменной типа real выделяется столько памяти, сколько для двух переменных типа integer, speed(8O) в подпрограмме S2 размещается в той же самой памяти, что и половина переменной distance(40) в S1. Эффект подобен неаккуратному использованию типов union в языке С или вариантных записей в языке Pascal.
Независимая компиляция и общие блоки вряд ли создадут проблемы для отдельного программиста, который пишет небольшую программу, но с большой вероятностью вызовут проблемы в группе из десяти человек; придется организовывать встречи или контроль, чтобы гарантировать, что интерфейсы реализованы правильно. Частичное решение состоит в том, чтобы использовать включаемые (include) файлы, особенно для общих блоков, но вам все равно придется проверять, что вы используете последнюю версию включаемого файла, и удостовериться, что какой-нибудь умный программист не игнорирует объявления в файле.
Раздельная компиляция в языке С
Язык С отличается от других языков программирования тем, что понятие файла с исходным кодом появляется в определении языка и, что существенно, в терминах области действия и видимости идентификаторов. Язык С поощряет раздельную компиляцию до такой степени, что по умолчанию к каждой подпрограмме и каждой глобальной переменной можно обращаться отовсюду в программе.
Вначале немного терминологии: объявление вводит имя в программу:
void proc(void);
Имя может иметь много (идентичных) объявлений, но только одно из них будет также и определением, которое создает объект этого имени: отводит память для переменных или задает реализацию подпрограммы.
Следующий файл содержит главную программу main, а также определение глобальной переменной и объявление функции, имена которых по умолчанию подлежат внешнему связыванию:
/* File main.c */
int global; /* Внешняя по умолчанию */
int func(int); /* Внешняя по умолчанию */
int main(void)
{
global = 4;
return func(global);
}
В отдельном файле дается определение (реализация) функции; переменная global объявляется снова, чтобы функция имела возможность к ней обратиться:
/* File func.c */
extern int global; /* Внешняя, только объявление */
int func(int parm)
{
return parm + global:
}
Обратите внимание, что еще одно объявление func не нужно, потому что определение функции в этом файле служит также и объявлением, и по умолчанию она внешняя. Однако для того чтобы func имела доступ к глобальной переменной, объявление переменной дать необходимо, и должен использоваться спецификатор extern. Если extern не используется, объявление переменной global будет восприниматься как второе определение переменной. Произойдет ошибка компоновки, так как в программе запрещено иметь два определения для одной и той же глобальной переменной.
Компиляция в языке С независима в том смысле, что результат одной компиляции не сохраняется для использования в другой. Если кто-то из вашей группы случайно напишет:
/* File func.c */
extern float global; /* Внешняя, только объявление */
int func(int parm) /* Внешняя по умолчанию */
{
return parm + global;
}
программа все еще может быть откомпилирована и скомпонована, а ошибка произойдет только во время выполнения. На моем компьютере целочисленное значение 4, присвоенное переменной global в main, воспринимается в файле func.c как очень малое число с плавающей точкой; после обратного преобразования к целому числу оно становится нулем, и функция возвращает 4, а не 8.
Как и в языке Fortran, проблему можно частично решить, используя включаемые файлы так, чтобы одни и те же объявления использовались во всех файлах. И объявление extern для функции или переменной, и определение могут появиться в одном и том же вычислении. Поэтому мы помещаем все внешние объявления в один или несколько включаемых файлов, в то время как единственное определение для каждой функции или переменной будет содержаться не более чем в одном файле «.с»:
/* File main.h */
extern int global; /* Только объявление */
/* File func.h */
extern int func(int parm); /* Только объявление */
/* File main.c */
#include "main.h"
#include "func.h"
int global; /* Определение */
int main(void)
{
return func(global) + 7;
}
/* File func.c */
#include "main.h"
#include "func.h"
int func(int parm) /* Определение */
{
return parm + global;
}
Спецификатор static
Забегая вперед, мы теперь покажем, как в языке С можно использовать свойства декомпозиции для имитации конструкции модуля других языков. В файле, содержащем десятки глобальных переменных и определений подпрограмм, обычно только некоторые из них должны быть доступны вне файла. Каждому определению, которое не используется внешним образом, должен предшествовать спецификатор static (статический), который указывает компилятору, что объявленная переменная или подпрограмма известна только внутри файла:
static int g 1; /* Глобальная переменная только в этом файле */
int g2; /* Глобальная переменная для всех файлов */
static int f1 (int i) {...}; /* Глобальная функция только в этом файле */
intf2(int i) {...}; /* Глобальная функция для всех файлов */
Здесь уместно говорить об области действия файла (file scope), которая выступает в роли области действия модуля (module scope), используемой в других языках. Было бы, конечно, лучше, если бы по умолчанию принимался спецификатор static, а не extern; однако нетрудно привыкнуть приписывать к каждому глобальному объявлению static.
Источником недоразумений в языке С является тот факт, что static имеет другое значение, а именно он определяет, что время жизни переменной является всем временем выполнения программы. Как мы обсуждали в разделе 7.4, локальные переменные внутри процедуры имеют время жизни, ограниченное одним вызовом процедуры. Глобальные переменные, однако, имеют статическое время жизни, то есть они распределяются, когда программа начинается, и не освобождаются, пока программа не завершится. Статическое время жизни — нормальный режим для глобальных переменных; на самом деле, глобальные переменные, объявленные с extern, также имеют статическое время жизни!
Спецификатор static также можно использовать для локальных переменных, чтобы задать статическое время жизни:
void proc(void)
{
static bool first_time = true;
if (first_time) {
/* Операторы, выполняемые при первом вызове proc */
first_time = false;
}
….
}
Подведем итог: все глобальные переменные и подпрограммы в файле должны быть объявлены как static, если явно не требуется, чтобы они были доступны вне файла. В противном случае они должны быть определены в одном файле без какого-либо спецификатора и экспортироваться через объявление их во включаемом файле со спецификатором extern.
13.2. Почему необходимы модули?
В предыдущем разделе мы рассматривали декомпозицию программ с чисто механической точки зрения, исходя из желания раздельно редактировать и компилировать части программы в разных файлах. Начиная с этого раздела мы обсудим декомпозицию программы на компоненты, возникающие в соответствии со смысловой структурой проекта и, может быть, кроме того допускающие раздельную компиляцию. Но сначала давайте спросим, почему декомпозиция так необходима?
Вам, возможно, объясняли, что человеческий мозг в любой момент времени способен иметь дело только с небольшим объемом материала. В терминах программирования это обычно выражается в виде требования, чтобы отдельная подпрограмма была не больше одной «страницы». Считается, что подпрограмма является концептуальной единицей: последовательностью операторов, выполняющих некоторую функцию. Если подпрограмма достаточно мала, скажем от 25 до 100 строк, можно легко понять все связи между составляющими ее операторами.
Но, чтобы понять всю программу, мы должны понять связи между подпрограммами, которые ее составляют. По аналогии должны быть понятны программы, содержащие от 25 до 100 подпрограмм, что составляет от 625 до 10000 строк. Такой размер программ относительно невелик по сравнению с промышленными и коммерческими программными системами, содержащими 100000, если не миллион, строк. Опыт показывает, что 10000 строк, возможно, является верхним пределом для размера монолитной программы и что необходим новый механизм структурирования, чтобы создавать и поддерживать большие программные системы.
Стандартным термином для механизма структурирования больших программ является модуль (module), хотя два языка, на которых мы сосредоточили внимание, используют другие термины: пакеты (packages) в языке Ada и классы (classes) в языке C++. В стандарте языка Pascal не определено никакого метода раздельной компиляции или декомпозиции программ. Например, первый Pascal-компилятор был единой программой, содержащей свыше 8000 строк кода на языке Pascal. Вместо того чтобы изменять Pascal, Вирт разработал новый (хотя и похожий) язык, названный Modula, так как центральным понятием в нем является модуль. К сожалению, многие поставщики расширили язык Pascal несовместимыми модульными конструкциями, поэтому Pascal не годится для написания переносимого программного обеспечения. Поскольку модули очень важны для разработки программного обеспечения, мы сосредоточим обсуждение на языке Ada, в котором разработана изящная модульная конструкция — так называемые пакеты.
13.3. Пакеты в языке Ada
Основной идеей, лежащей в основе модулей вообще и пакетов Ada в частности, является то, что такие вычислительные ресурсы, как данные и подпрограммы, должны быть инкапсулированы в некий единый модуль. Доступ к компонентам модуля разрешается только в соответствии с явно специфицированным интерфейсом. На рисунке 13.1 показана графическая запись (называемая диаграммой Буча — Бухера), применяемая в разработках на языке Ada.
Большой прямоугольник обозначает пакет Airplane_Package, содержащий скрытые вычислительные ресурсы, а малые прямоугольники — окна, которые дают пользователю пакета доступ к скрытым ресурсам, овал обозначает, что экспортируется тип; а два прямоугольника — что экспортируются подпрограммы. Из каждого модуля, использующего ресурсы пакета, выходит стрелка, которая указывает на пакет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
