ОПЕРАЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД
В настоящее время создание алгоритмов — написание программ для электронных вычислительных машин — стало видом человеческой деятельности. Важнейший конструктивный компонент программирования, не зависящий от особенностей синтаксиса языков программирования и специфики функционирования конкретных вычислительных машин, — разработка алгоритма.
Подходы к созданию алгоритмов и требования к ним существенно изменялись в ходе эволюции компьютеров. Первоначально, в эпоху ЭВМ 1 — го и 2-го поколений, когда они были еще мало распространены, машинное время было дорого, а возможности ЭВМ очень скромны (с точки зрения сегодняшних достижений), основным требованием к алгоритму была его узко понимаемая эффективность:
1) минимальные требования в отношении оперативной памяти компьютера — . программа должна была использовать наименьшее возможное число ячеек оперативной памяти компьютера;
2) минимальное время исполнения (минимальное число операций). При этом программы составлялись из команд, непосредственно или почти непосредственно исполнявшихся компьютером (точнее говоря, процессором):
* простейших арифметических операций;
* операторов безусловного и условных переходов (изменяющих порядок вычисления команд в программе);
* операторов вызова подпрограмм (вспомогательных алгоритмов).
Такой подход в программировании (создании алгоритмов), ориентированный на непосредственно выполняемые компьютером операции, можно назвать операциональным.
Рассмотрим подробнее операции, которые выполняются компьютером и которые являются шагами программы при операциональном подходе.
Операция присваивания состоит в том, что некоторое значение фигурирующей в программе величины помещается в ячейку памяти компьютера. Эта ячейка может либо принадлежать оперативной памяти, либо находиться в арифметико-логическом устройстве, выполняющем основные операции (это устройство — часть процессора). После операции присваивания указанное значение сохраняется в ячейке памяти, куда оно было помещено, пока не будет заменено другим в результате другого присваивания. Ячейка памяти, где размещается значение, в программе обозначается именем (идентификатором) соответствующей переменной. Примеры идентификаторов: а, х, у1, у2. Важно помнить, что переменные и, соответственно, их значения могут быть разных типов — числовые (целые или действительные), литерные или логические. Значения различных типов представляются (кодируются) в компьютере по-разному, поэтому они должны соответствовать типам переменных, которым они присваиваются. При разработке алгоритма следует всегда помнить и ‘тщательно различать типы переменных.
Набор простейших арифметических операций «сложения» (+), «вычитания» (-), «умножения» (*) и «деления» (/) (причем во многих случаях следует тщательно отличать деление, выполняемое над целыми числами — в этом случае операция деления распадается на деление нацело и вычисление остатка от деления) позволяет записывать арифметические выражения с использованием числовых констант и идентификаторов переменных. Для определения порядка операций в выражениях чаще всего используют стандартное математическое соглашение о старшинстве операции, согласно которому старшими и выполняемыми в 1-ю очередь являются умножение и деление, а младшими — сложение и вычитание. Для изменения «естественного» порядка выполняемых операций служат скобки. Сравните, например, порядок операций в выражениях:
Что же касается порядка выполнения операций одного старшинства, то они, как правило, выполняются в порядке записи в выражении.
Операция сравнения числовых значений фактически сводится к определению знака разности этих значений. Этот знак отображается с помощью специальной ячейки памяти (флага знака результата) вычислительного устройства компьютера и может использоваться при выполнении условных переходов между командами (шагами) алгоритма.
Чтобы понять, что такое условные и безусловные переходы при выполнении алгоритма, надо исходить из того, что шаги или команды алгоритма обладают метками или адресами, и, помимо естественного порядка выполнения команд соответственно их записи, возможен и другой порядок, при котором последовательность выполнения команд определяется переходами на команды с определенными метками или адресами. Безусловным называется переход, для которого изменение порядка выполнения команд раз и навсегда определено и не зависит ни от каких условий. Условным называется переход, для которого порядок выполнения команд определяется по некоторому условию, чаще всего условию сравнения величин числовых типов.
Операция вызова подпрограммы (вспомогательного алгоритма) — это такой переход в последовательности команд алгоритма, при котором на определенном этапе выполнения алгоритма происходит вначале переход на другую программу (подпрограмму по отношению к той, откуда совершен переход), а затем, после ее завершения, возврат в точку вызова подпрограммы и продолжение выполнения команд, начиная со следующей после команды вызова подпрограммы, в-их естественном порядке. Очевидно, что операция вызова подпрограммы представляет собой переход, при котором запоминается адрес команды, следующей за командой вызова подпрограммы, что позволяет вернуться к исходному алгоритму (головной программе) после выполнения вспомогательного алгоритма (подпрограммы).
Отметим, что универсальность существующих компьютеров достигается за счет определенного набора команд, типа только что описанного, и автоматического механизма их выполнения, а проблема решения задачи с помощью компьютера состоит лишь в преобразовании решаемой задачи в последовательность этих команд. В качестве примера рассмотрим операциональное представление алгоритма вычисления квадратного корня из положительного числа а с помощью рекуррентной формулы:
Будем обозначать через x0 нулевое приближение (за него в данном случае можно принять любое положительное число), через заданную точность вычислений и через c0 какое-нибудь число, удовлетворяющее условию 0 < c0 < , необходимое для оценки достигнутой точности с помощью неравенства
2) присвоить переменной х значение у,
3) присвоить переменной у значение а/х;
4) присвоить переменной у значение х + у,
5) присвоить переменной х значение у/2;
6) присвоить переменной у значение x2;
7) присвоить переменной у значение y-а;
8) присвоить переменной у значение у/c0;
9) присвоить переменной значение у/2;
10) сравнить и ; если > , то перейти к команде 3, иначе перейти к следующей команде;
В этом алгоритме все команды, кроме 10, предполагают переход к следующим за ними по записи командам, и лишь команда 10, являющаяся командой условного перехода, меняет порядок исполнения команд — после нее в нарушение порядка может выполняться команда 3, т.е. она определяет циклическую конструкцию в алгоритме.
Поясним эту программу. Команда 2 помещает значение начального приближения x0 в ячейку памяти, в которой хранятся значения переменной х (на каждом этапе вычислений в этой ячейке хранится значение х, равное значению одного из членов рекуррентной последовательности xn).
Команды 3-5 вычисляют по числу х число (х + а/х) /2. Результат помещается в ячейку памяти, в которой хранится значение переменной х, при этом старое значение «стирается» новым. Команды 6-9 вычисляют величину
с помощью которой оценивается сверху разность х — . Важное значение имеет команда 10. По ней не производятся вычисления, а сравниваются между собой вычисленное значение 5 и заданная точность . Если > , то управляющее устройство вернет вычислительный процесс к команде 3 и заставит повторить процесс.
В противном случае, когда требуемая точность достигнута, печатается полученный результат и работа прекращается.
Данный алгоритм весьма экономичен: в качестве рабочих он использует всего две ячейки памяти (для переменных х и у), его команды так продуманы, что никакие операции не выполняются с избыточным повторением.
В данном примере не были использованы какие-либо специальные обозначения команд, чтобы сделать их независимыми от языка конкретных ЭВМ (такие языки называют Ассемблерами), чтобы стал ясен общий характер операционального подхода к разработке алгоритмов. Однако, ориентированность этого подхода на возможности и особенности ЭВМ с появлением большого числа компьютеров 3-го и особенно 4-го поколений не позволяла перейти к массовому промышленному программированию и стала сдерживать развитие вычислительной техники. Отметим основные недостатки алгоритмов, к которым приводил операциональный подход:
* злоупотребление командой условного и безусловного переходов зачастую приводило к очень запутанной структуре программы, напоминавшей по образному сравнению «блюдо спагетти»;
* вместе с разнообразными уловками, направленными на повышение эффективности программы (т.е. минимальных требований к оперативной памяти и минимального времени выполнения), это приводило к непонятности программ, их ненадежности, трудностям в отладке и модификации, делая программирование трудоемким, сложным и чрезвычайно дорогостоящим.
Необходимость ориентироваться на ограниченный набор команд компьютера, на его скромные возможности приводила к огромной трудоемкости, к сложности программ, к проблемам, связанным с ошибками в них. В результате узким местом в развитии вычислительной техники оказалось именно программирование.
Лекция 5.
Программы для решения простейших задач представляют собой последовательность операторов ввода, присваивания, цикла и условных операторов. Такой способ организации программ (так называемый операциональный подход ) был характерен для первых языков программирования и позволял создавать программы небольшого объёма (не более 1000 строк кода). При решении более сложных задач возникают вложенные друг в друга условные и циклические операторы, отладить программу крайне затруднительно
Операциональный подход
Вспомогательный алгоритм
Для облегчения процесса создания программы сложную задачу представляют как последовательность более мелких задач, решаемых независимо от других участков кода. В свою очередь, каждая из этих подзадач может быть также разбита (при необходимости) на ещё более мелкие, вплоть до элементарных. Такой способ называют нисходящим программированием или методом пошаговой детализации . Простейшие задачи в этом случае называют вспомогательными алгоритмами , а порядок, в котором они должны выполняться для решения исходной задачи – основным алгоритмом .
Основной и вспомогательные алгоритмы
Подпрограмма 1 Подпрограмма 1 
Подпрограмма 2
| условие | Подпрограмма 2 |
Подпрограмма 1
Процедурное программирование
Каждый вспомогательный алгоритм оформляется в виде независимого участка программного кода, имеющему уникальное имя – подпрограммы . Комбинируя подпрограммы, можно формировать решение задачи не из отдельных операторов, а из законченных блоков, несущих определённую смысловую нагрузку.
Процедурное программирование
Выделение вспомогательных алгоритмов в обособленную часть программы называется процедурным программированием , такой способ облегчает написание, отладку и сопровождение программного обеспечения. Программный код может достигать нескольких тысяч строк.
Процедурное программирование
Процедурное программирование позволяет уменьшить объём программы, поскольку неоднократно повторяющиеся действия могут (и должны) быть оформлены в виде подпрограммы. Возможность применения подпрограмм относит язык программирования к классу процедурных языков.
Процедурное программирование
Следует использовать подпрограммы, если какой-то участок кода повторяется несколько раз как серией (хотя в этом случае можно использовать цикл, а можно вызывать подпрограмму из тела цикла), так и в нескольких различных местах программы.
Виды подпрограмм в Visual Basic
Процедуры Sub (не возвращают значения, могут возвращать одно или несколько значений) Функции Function (возвращают единственное значение)