Введение в программирование и основы алгоритмизации

Курс "Программирование и основы алгоритмизации" охватывает современные проблемные вопросы создания программных средств. Следует подчеркнуть – не просто программы, а программного средства определенной предметной области. Здесь выделяются два фундаментальных понятия программное средство и предметная область.

На заре информатики, когда она и наукой не считалась и таковой не являлась, основным результатом программирования была программа некоторой расчетной задачи, пусть и очень сложной, обеспечивавшая более быстрое по сравнению с ручным или механическим счетом получение результатов при разных входных данных. При этом ее эффективность полностью зависела от разработчика-программиста, насколько хорошо он уяснил, что и как должна делать программа, и насколько хорошо он владел методом решения задачи. Программа задачи разрабатывалась фактически с нуля, а изменение требований к ней приводило либо к значительному объему перепрограммирования, либо к разработке новой программы. Даже незначительное изменение условий задачи могло потребовать разработки новой программы, если прежний ее разработчик уже не работал в данной организации. Поскольку только у него в голове сидела модель программы, только он мог разобраться в ее исходном тексте, а документации, позволяющей стороннему человеку проникнуть в замысел, проект и конкретику реализации программы, просто не существовало.

Таким образом, создавались программы-однодневки, жившие ровно столько времени, сколько они были востребованы, или до очередных изменений требований к задаче, что происходило чрезвычайно часто в научно-исследовательском мире, ибо именно там, в первую очередь, вычислительная техника и программирование нашли широкое применение. Однако ущербность, хотя и вынужденная и необходимая, состоит не только в этом. Вместе с быстро умиравшими программами, человечество теряло гораздо больше, хотя и не осознавало что именно. Вместе с программами в небытие уходили талантливые прозрения (а первые программисты были исключительно талантливыми людьми), поскольку создававшийся в ходе программирования теоретический и практический багаж не становился общественным достоянием. Эти прозрения были, безусловно, и в области программирования (подходы к структурированию задач, приемы, процедурные наработки и их взаимодействие) и в предметной области (нестандартные подходы, методы и приемы решения задач).

Программистов увлекал сам процесс разработки программ, а не его анализ, теоретизация и обобщение в формах, доступных публикациям, а значит и восприятию другими специалистами не обязательно связанными с программированием. И в этом смысле программирование было искусством, но искусством одиночек, наслаждаться которым мог только сам разработчик. Расширение сфер применения вычислительной техники, а особенно ее проникновение в производственно-экономические области, привело к четкому осознанию обществом просто неограниченных возможностей и перспектив информатизации его сфер жизнедеятельности и тех общественных благ, которые она несет. Решение задач информатизации общества силами даже гениальных одиночек было просто немыслимо. Естественно, это осознание привело к изменению взгляда на программирование, потребовало всемерной интенсификации в области разработки программных продуктов, а значит и разработки научно-методических и технологических основ их "поточного" производства. Т.е. потребовался, осознанный обществом, переход от искусства одиночек к ремеслу многих.

И здесь возникают две взаимосвязанные сложнейшие проблемы, которые в форме понятий предметная область и программное средство были выделены в самом начале.

Во-первых, какую предметную область и как вычленить из многообразных и разнородных сфер информатизации. Во-вторых, какие задачи, для чего и кого, и как поставить в рамках этой предметной области, чтобы они были реализуемы, актуальны и востребованы в течение длительного периода в разнообразных процессах научной и производственно-экономической деятельности человека. И, в-третьих, как, каким образом, и какими средствами эти задачи реализовать в программном продукте, чтобы он был востребован на рынке услуг, окупился (необязательно в денежном эквиваленте) и внес вклад в сфере своего приложения. Следует особо отметить, что предметная область, вычленяемая как предмет информатизации (программирования) это, в первую очередь, виртуальная обобщенная модель процессов в некоторой сфере деятельности человека не тождественная реальным процессам в этой сфере. Естественно, чем больше уровень обобщения процессов в модели, тем шире границы предметной области, но сложнее и более длителен путь ее реализации и адаптации к реальным процессам. Уровень обобщения, срок и уровень сложности реализации и адаптации и должны определять границы предметной области, даже в том случае, когда ее в форме конкретных требований, условий и постановок задач строго очерчивает заказчик работ. Таким образом, предметная область – это только наше субъективное представление, модель-слепок реального мира, однако ее реализация в виртуальном не существующем в природе вещей программном продукте должна давать ощутимые реальные (действительные) результаты. Здесь четко проявляется следующая взаимосвязь событий, характерная для всех систем с обратной связью.

Действительность (мир предметов и вещей)  Модель  Программный продукт (виртуальное воплощение модели)  Реальные результаты  Адекватность модели или программного продукта ожидаемому результату  Корректировка модели или модернизация программного продукта

Как следует из этого представления, неадекватность ожидаемому результату может быть как результатом несоответствия модели действительности, так и результатом несоответствия продукта самой модели этой действительности, а, возможно того и другого. Установить причину и тем более меру ответственности этапов моделирования и разработки программного продукта в этом несоответствии, особенно в больших системах, разрабатываемых большими коллективами, чрезвычайно трудно в отсутствии описания предметной области, документации модельных постановок задач, результатов их решения, требований спецификации по отдельным этапам разработки проекта. Отсюда неизбежно вытекает понятие программного средства, которое не сводится ни к предметной области, ни к программному продукту, а представляет собой нечто интегрирующее, обладающее свойствами исходных постановок (открытого начала), поэтапного детализированного обратимого проектирования и свойствами конечного продукта удовлетворять ожидаемые потребности. Под обратимым проектированием понимается способность локального и глобального возврата на предыдущие этапы с минимальной переработкой созданного материала (сохранение наработанного). В отличие от обычного предмета потребления программное средство не изнашивается (физически не стареет), но морально устаревает, однако благодаря открытому началу и обратимому проектированию может долго находиться на плаву за счет периодической модернизации и постоянного сопровождения.

По форме программное средство описывается простой формулой

Программы + Документация

Однако содержание гораздо богаче внешнего проявления (формы) поскольку включает:

• коллективный и индивидуальный опыт разработки проектов, накапливаемый от проекта к проекту и используемый при разработке новых проектов,

• опыт и приемы управления проектами, накапливаемый менеджерами и используемый для подбора, расстановки и обучения кадров и при дифференциации заданий по проектам и их совмещению во времени как в рамках отдельного проекта, так и в рамках нескольких, разрабатываемых одновременно проектов,

• базы данных и базы знаний по разработке и управлению проектами, а также разнообразные программные средства по автоматизации процессов проектирования (разработки проектов), создаваемые в ходе работ над проектами.

Прежде чем перейти к изложению содержания курса "Технология программирования" хотел бы высказать свою точку зрения на алгоритмизацию задач. Современные процессы информатизации основываются на системном анализе, как предметной области, так и программ для решения ее задач, вытекающих из этого анализа. Рассмотрение программы как системы (даже малая цельная программа – это малая система) проявляет ее структуру в лице элементов и их взаимосвязей, причем сами элементы при этом могут также рассматриваться как системы и подвергаться дальнейшему структурному проявлению. Иерархическая структуризация программ, приводит в конечном итоге к вычленению условно-независимых структур-модулей. Такой подход позволяет полностью отказаться от разработки непрерывного алгоритма задачи, в котором все определено от начала до конца, и перейти к прерывистому, совмещенному во времени, программированию модулей даже в условиях нечетких постановок задач и не проработанности отдельных путей их решения. Таким образом, алгоритмизация, как процесс непрерывного упорядоченного выстраивания операций в программе, рассматриваемой как единое целое, теряет свое изначальное назначение и трансформируется в вычленение узловых точек-структур, связанных с определенными событиями либо с достаточно самостоятельными этапами решения задачи или ее подзадач, и установлению между ними информационных связей.

Тема 1

ПРОГРАММНОЕ СРЕДСТВО.

ИСТОРИЧЕСКИЙ И СОЦИАЛЬНЫЙ КОНТЕКСТЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

1.1. Программа как формализованное описание процесса обработки данных.

Программное средство (ПС)

Целью программирования является описание процессов обработки данных, которые называются процессами. Данные  это представление фактов и идей в формализованном виде, пригодном для передачи и обработки в некотором процессе. Информация  это количественная и смысловая интерпретация данных при их представлении в процессах обработки. Обработка данных  это выполнение систематической последовательности действий с данными. Данные представляются и хранятся на носителях данных. Совокупность этих носителей, используемая при обработке, называется информационной средой. Набор данных, содержащихся в некоторый момент в информационной среде, называется состоянием информационной среды. Процесс это последовательность сменяющихся состояний информационной среды. Задать процесс  это определить последовательность ее состояний.

Чтобы заданный процесс порождался автоматически на компьютере, необходимо, чтобы его описание было формализовано. Формализация процесса на компьютере называется программированием, а результат формализации - программой. Для составления программ используются формализованные или формальные языки программирования (ФЯП). В отличие от исполняемого машинного кода компьютера формальные языки программирования существенно упрощают и ускоряют процесс разработки программ, делают программы читабельными и понятными не только разработчикам, но и квалифицированным пользователям. Программа, составленная на формальном языке программирования, переводится на машинный язык компьютера с помощью другой программы  транслятора.

Процессу программирования предшествует подготовительный этап, включающий постановку задачи (задача выступает в роли процесса), выбор метода ее решения, спецификацию требований по организации и применению программы, а также другие вопросы. Информацию, полученную в ходе работы над задачей, необходимо фиксировать в виде отдельных документов. Эти документы часто не формализованы и рассчитаны на понятийное (смысловое) восприятие человеком. Программы разрабатываются в расчете на то, чтобы ими могли пользоваться люди, не участвующие в разработке, их то и называют пользователями. Для освоения программы пользователю требуется конкретная документация, поясняющая многообразные аспекты работы с ней, и очень редко сам текст программы.

Программа или логически связанная совокупность программ на носителях данных, снабженная программной документацией, называется программным средством (ПС). Если программа реализует некоторый процесс обработки данных на компьютере и создает эффект выполнения в виде результатов обработки, то программная документация разъясняет, регламентирует и интерпретирует этот процесс. В частности, определяет и интерпретирует функции, выполняемые программами ПС, разъясняет смысл исходных данных и процесс их подготовки, регламентирует запуск программ в работу и управление ими, интерпретирует получаемые результаты. Кроме того, программная документация позволяет разобраться в тексте программы, что необходимо, например, при ее модификации.