Что такое модуль в программировании
Модуль в программировании — это построение программного приложения в виде набора отдельных, не зависящих друг от друга блоков, которые принято называть модулями.
Под модульным программированием понимается методика формирования программ, при которой всё программное приложение подразделяется на отдельные элементы, которые принято называть модулями. При этом каждый модуль обладает своим контролируемым размером, ясным и чётким предназначением и законченной структурой интерфейса связи с внешней средой.
Естественно, что альтернативным вариантом модульному построению, является программный монолит, то есть единая программа, что не очень удобно. Главной проблемой при модульном построении программы является выбор оптимального критерия подразделения всей программы на отдельные модули.
Модульное программирование
Модуль – это последовательность логически связанных фрагментов, оформленных как отдельная часть программы.
К модулю предъявляются следующие требования:
1) модуль должен реализовывать единственную функцию, т.е. при построении модуля используется концепция: «один модуль – одна функция». Таким образом, модуль – это элемент программы, выполняющий самостоятельную задачу. На его входе он может получать определенный набор исходных данных, обрабатывать их в соответствии с заданным алгоритмом и возвращать результат обработки, т.е. реализуется стандартный принцип IPO (Input – Process – Output) – вход-процесс-выход;
2) на модуль нужно ссылаться с помощью его имени. Он должен иметь один вход и один выход, что гарантирует замкнутость модуля и упрощает сопровождение программ;
3) модуль должен иметь функциональную завершенность, т.е. выполнять перечень регламентированных операций для реализации каждой отдельной функции в полном составе, достаточных для завершения начатой обработки;
4) модуль должен возвращать управление в точку его вызова, в свою очередь, он должен иметь возможность сам вызывать другие модули;
5) модуль не должен сохранять историю своих вызовов и использовать ее при своем функционировании;
6) модуль должен иметь логическую независимость, т.е. результат работы программного модуля зависит только от исходных данных, но не зависит от работы других модулей;
7) модуль должен иметь слабые информационные связи с другими программными модулями – обмен информацией между модулями должен быть по возможности минимизирован;
8) модуль должен быть сравнительно невелик, т.е. быть обозримым по размеру и сложности. Опытные программисты рекомендуют его размер не более двух страниц распечатки на принтере.
Для достижения независимости модулей часто используется принцип информационной локализованности, который состоит в том, что вся информация о структуре данных, о прототипах функций, констант и т.д. сосредотачивается («упрятывается») в отдельном модуле. Доступ к этой информации осуществляется только через этот модуль (в алгоритмическом языке С/С++ такие модули имеют расширение *.h).
Программирование с использованием модулей называется модульным программированием. Оно возникло еще в начале 60-х годов XX в. Модульное программирование основано на идее использования уровней абстракции, когда вся проблема или комплекс задач разбивается на задачи, подзадачи, абстрагируется и представляется в виде иерархического дерева связанных между собой модулей, в совокупности представляющих создаваемое программное обеспечение (ПО).
Достоинствами модульного программирования является следующее:
· большую программу могут писать одновременно несколько программистов, что позволяет раньше закончить задачу;
· можно создавать библиотеки наиболее употребительных модулей;
· упрощается процедура загрузки в оперативную память большой программы, требующей сегментации;
· появляется много естественных контрольных точек для отладки проекта;
· проще проектировать и в дальнейшем модифицировать программы.
Недостатки модульного программирования заключаеются в следующем:
· возрастает размер требуемой оперативной памяти;
· увеличивается время компиляции и загрузки;
· увеличивается время выполнения программы;
· довольно сложными становятся межмодульные интерфейсы.
Модульное программирование реализуется через модули – функции. Функция – это область памяти, выделяемая для сохранения программного кода, предназначенного для выполнения конкретной задачи. Другими словами, функция – минимальный исполняемый модуль программы на языке С/С++. По умолчанию функция имеет тип external, и доступ к ней возможен из любого файла программы. Но она может быть ограничена спецификатором класса памяти static.
Функция характеризуется типом, областью действия связанного с функцией имени, видимостью имени функции, типом связывания.
Все функции имеют рекомендуемый стандартами языка единый формат определения. Он имеет заголовок функции, в котором задаются: тип, имя функции и спецификация формальных параметров:
Тип имя_функции (спецификация_параметров) тело_функции
Тип – это тип возвращаемого функцией значения, в том числе void (кроме типов массива или функции). Умолчанием является тип int. Если тип возврата функции не void, то тело функции должно содержать как минимум один оператор return.
Имя_функции – идентификатор, с помощью которого можно обратиться к функции. Он выбирается программистом произвольно и не должен совпадать со служебными словами и с именами других объектов программы. Однако любая программа на языке С/С++ должна иметь хотя бы одну функцию с именем main – главную функцию, содержащую точку входа в программу.
Спецификация_параметров – список формальных параметров, т.е. переменных, принимающих значения, передаваемые функции при ее вызове. Список формальных параметров перечисляется через запятую. Каждый формальный параметр должен иметь следующий формат:
Тип может быть встроенным (int, long, float, double и т.д.), структурой (struct), объединением (union), перечислением (enum), указателями на них или на функции или классы (class). Имя_формального_параметра представляет собой имя используемой в теле функции переменной. Идентификаторы формальных параметров не могут совпадать с именами локальных переменных, объявленных внутри тела функции.
Объявление формального параметра может содержать инициализатор, то есть выражение, которое должно обеспечить параметру присвоение начального значения. Инициализатор параметра не является константным выражением. Начальная инициализация параметров происходит не на стадии компиляции (как, например, выделение памяти под массивы), а непосредственно в ходе выполнения программы.
В языке С/C++ допустимы функции, количество параметров у которых при компиляции функции не фиксировано, следовательно, остаются неизвестными и их типы. Количество и типы параметров таких функций становятся известными только при их вызове, когда явно задан список фактических параметров. При определении и описании таких функций со списками параметров неопределенной длины спецификацию формальных параметров следует закончить запятой и многоточием.
Каждая функция с переменным количеством параметров должна иметь хотя бы один обязательный параметр. После списка обязательных параметров ставится запятая, а затем многоточие, извещающее компилятор, что дальнейший контроль соответствия количества и типов параметров при обработке вызова функции проводить не нужно.
Спецификация_параметровможет отсутствовать, то есть скобки могут быть пустыми, но в этом случае рекомендуется указывать тип void.
Тело_функции – часть определения функции, ограниченная фигурными скобками и непосредственно размещенная вслед за заголовком функции. Тело_функцииможет быть либо составным оператором, либо блоком. Например:
Модуль что это такое простыми словами в компьютере
Предмет: Технология разработки программных продуктов.
Тема :Модульное программирование.
Ознакомление с модульным программированием .
Развивать умение слушать других, делать выводы и обобщать полученные знания
Воспитывать чувство значимости предмета в профессиональной деятельности, аккуратности в работе
— Основы алгоритмизации и программирования
Оборудование: доска, мел, письменные принадлежности, проектор, ПК
Тип урока: комбинированный
Метод обучения: Объяснительно иллюстративный
— Проверка готовности кабинета
2. Постановка цели урока
3.Повторение пройденного материала
Классификация структур данных
Простые структуры данных
Статические структуры данных
Динамические структуры данных
Полустатические структуры данных
4.Сообщение новых знаний
Основные характеристики программного модуля
Модульная структура программных продуктов
5. Восприятие и осознание учащимися нового материала
6. Осмысление обобщение и систематизация знаний
7. Подведение итогов урока и постановка домашнего задания
Выучить содержимое темы
Гагарина Л.Г. стр. С.94-101
Ответить на вопросы:
3.4. Модульное программирование
Для обеспечения технологичности разрабатываемого программного обеспечения применяется модульное программирование 37.
3,4.1. Понятие модуля
Приступая к разработке программы, следует иметь в виду, что она, как правило, является большой системой, поэтому необходимо принять меры для ее упрощения. Для этого программу разрабатывают по частям, которые называются программными модулями. Такой метод создания программ называют модульным программированием.
Модульное программирование основано на понятии модуля — программы или функционально завершенного фрагмента программы.
• один вход и один выход. На входе программный модуль получает определенный набор исходных данных, выполняет их обработку и возвращает один набор выходных данных;
• функциональная завершенность. Модуль выполняет набор определенных операций для реализации каждой отдельной функции, достаточных для завершения начатой обработки данных;
• логическая независимость. Результат работы данного фрагмента программы не зависит от работы других модулей;
• слабые информационные связи с другими программными модулями. Обмен информацией между отдельными модулями должен быть минимален;
• размер и сложность программного элемента в разумных рамках.
Таким образом, модули содержат описание исходных данных, операции обработки данных и структуры взаимосвязи с другими модулями.
Программный модуль является самостоятельным программным продуктом. Это означает, что каждый программный модуль разрабатывается, компилируется и отлаживается отдельно от других модулей программы. Более того, каждый разработанный программный модуль может включаться в состав разных программных систем при условии выполнения требований, предъявляемых к его использованию в документации к этому модулю. Таким образом, программный модуль может
рассматриваться и как средство упрощения сложных программ, и как средство накопления и многократного использования программистских знаний.
3.4.2. Основные характеристики программного модуля
Как разработать хороший модуль, который действительно будет способствовать упрощению программы?
В литературе приводятся различные критерии оценки приемлемости модуля. Были предложены следующие критерии:
• хороший модуль снаружи проще, чем внутри;
• хороший модуль проще использовать, чем построить.
Предлагается использовать следующие характеристики программного модуля для оценки его приемлемости: размер модуля, прочность модуля, сцепление с другими модулями и рутинность
Размер модуля измеряется числом содержащихся в нем операторов. Модуль не должен быть слишком маленьким или слишком большим. Большие модули, как правило, сложны для
понимания и неудобны для внесения изменений, они могут существенно увеличить суммарное время повторных трансляций программы при отладке. Маленькие модули усложняют общую
структурную схему программы и могут не окупать накладных расходов, связанных с их оформлением. Обычно рекомендуются программные модули размером от нескольких десятков до
нескольких сотен операторов.
Прочность модуля — это мера его внутренних связей. Чем выше прочность модуля, тем больше связей скрыто от внешней по отношению к нему части программы и, следовательно, тем
проще сама программа. Самой слабой степенью прочности обладает модуль, прочный по совпадению. В данном случае в программный модуль оформляется повторяющаяся в нескольких местах программы последовательность операторов. Если вдруг возникнет необходимость изменения этой последовательности в одном из контекстов, придется изменять сам модуль, что может сделать
его использование в других контекстах ошибочным. Такой класс программных модулей не рекомендуется для использования.
Функционально прочный модуль — это модуль, реализующий одну какую-либо определенную функцию. При этом он может использовать и другие модули. Такой вид прочности модулей
рекомендуется для использования.
Высшей степенью прочности обладает информационно прочный модуль — это модуль, выполняющий несколько операций над одной и той же структурой данных, которая неизвестна вне
этого модуля. Для каждой из этих операций в таком модуле имеется свой вход со своей формой обращения к нему.
Информационно прочный модуль может реализовывать, например, абстрактный тип данных.
Сцепление модуля — это мера его зависимости по способу передачи данных от других модулей. Чем слабее сцепление модуля с другими модулями, тем сильнее его независимость от других
модулей. Для оценки степени сцепления существует шесть видов сцепления модулей по:
• общей области данных;
Худшим видом сцепления модулей является сцепление по содержимому. Таким является сцепление двух модулей, когда один из них имеет прямые ссылки на содержимое другого модуля
(например, на константу, содержащуюся в другом модуле). Такое сцепление модулей недопустимо.
Не рекомендуется использовать также сцепление по общей области — это такое сцепление модулей, когда несколько модулей используют одну и ту же область памяти.
Сцепление по образцу предполагает, что модули обмениваются данными, объединенными в структуры. Этот тип обеспечивает неплохие характеристики по сравнению с предыдущими.
Недостаток заключается в том, что конкретные передаваемые данные «спрятаны» в структуры, и потому уменьшается «прозрачность» связи между модулями. Кроме того, при изменении структуры
передаваемых данных необходимо модифицировать все использующие ее модули.
При сцеплении по управлению один модуль посылает другому некоторый информационный объект (флаг), предназначенный для управления внутренней логикой модуля. Таким способом
часто выполняют настройку режимов работы программного обеспечения. Подобные настройки также снижают наглядность взаимодействия модулей и потому обеспечивают не лучшие
характеристики технологичности разрабатываемого программного обеспечения.
Сцепление по внешним ссылкам предполагает, что модули ссылаются на один и тот же глобальный элемент данных 1.
Единственным видом сцепления модулей, который рекомендуется для использования современной технологией программирования, является сцепление по данным (параметрическое сцепление) — это случай, когда данные передаются модулю либо при обращении к нему как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Такой вид сцепления модулей реализуется на языках программирования при использовании обращений к процедурам (функциям).
Рутинность модуля — это его независимость от предыстории
обращений к нему. Модуль будем называть рутинным, если результат обращения к нему зависит только от значений его параметров и не зависит от результатов предыдущих обращений к нему. Модуль будем называть зависящим от предыстории, если результат обращения к нему зависит от внутреннего состояния этого модуля, хранящего следы предыдущих обращений к нему.
В книге Майерса 45 не рекомендуется использовать зависящие от предыстории модули, так как они провоцируют появление в программах неуловимых ошибок. Однако во многих случаях
именно зависящий от предыстории модуль является наиболее информационно прочным. Поэтому более приемлема следующая рекомендация:
• всегда следует использовать рутинный модуль, если это не приводит к плохим сцеплениям модулей;
• зависящие от предыстории модули следует использовать только в случае, когда это необходимо для обеспечения параметрического сцепления;
• в спецификации зависящего от предыстории модуля должна быть четко сформулирована эта зависимость таким образом, чтобы было возможно прогнозировать поведение данного модуля при разных последующих обращениях к нему.
Связность модулей — мера прочности соединения функциональных и информационных объектов внутри одного модуля.
Размещение сильно связанных элементов в одном модуле уменьшает межмодульные связи, в то время как помещение сильно связанных элементов в разные модули не только усиливает
межмодульные связи, но и усложняет понимание их взаимодействия. Объединение слабо связанных элементов также уменьшает технологичность модулей, делая их сложнее для понимания.
Различают следующие виды связности (в порядке убывания уровня) 1:
При функциональной связности модуль предназначен для выполнения одной функции. Его исходные данные и операции предназначены для решения одной конкретной задачи. Такой
модуль имеет максимальную связность и, как следствие, хорошую технологичность (простота компиляции, тестирования, сопровождения).
При последовательной связности модуля результат обработки данных одной функцией служит исходными данными для другой функции. Такой модуль реализует одну подпрограмму,
выполняющую две функции. Модуль с последовательной связностью функций можно разбить на два модуля или более, как с последовательной, так и с функциональной связностью. При этом
данные, используемые последовательными функциями, также связаны последовательно. Такой модуль выполняет несколько функций, и, следовательно, его технологичность хуже с точки
зрения понимания и тестирования.
Информационно связанными считают функции, обрабатывающие одни и те же данные. Информационно связанный модуль имеет неплохие показатели технологичности, так как все
функции, работающие с одними и теми же данными, собраны в один модуль, что позволяет при изменении формата данных корректировать только его. Данные, которые обрабатываются одной
функцией, также считают информационно связанными.
Процедурно связаны функции или данные, которые являются частями одного процесса. При процедурной связности отдельные элементы модуля связаны крайне слабо, так как
реализуемые ими операции связаны лишь общим процессом, следовательно, технологичность такого модуля хуже, чем у предыдущих.
Временная связность функций подразумевает, что эти функции выполняются параллельно или в течение некоторого периода времени. Временная связность данных означает, что они используются в некотором временном интервале. Отличительной особенностью временной связности является то, что действия, реализуемые такими функциями, обычно могут выполняться в любом порядке. Например, временную связность имеют функции, выполняемые при инициализации некоторого процесса.
Большая вероятность модификации функции еще больше уменьшает показатели технологичности модулей данного вида по сравнению с предыдущими, кроме того, содержание модуля с
временной связностью функций может изменяться: в него могут включаться новые действия и/или исключаться старые.
Логическая связь строится на основе объединения данных или функций в одну логическую группу, например, логически связаны компоненты модуля, содержащего функции обработки текстовой информации или данные одного и того же типа. При выполнении модуля с логически связанными компонентами всегда будет вызываться одна какая-либо его часть, при этом вызывающий и вызываемый модули будут связаны по управлению.
Показатели технологичности таких модулей ниже предыдущих, так как сложно понять логику их работы.
Модуль, элементы которого имеют случайную связность, имеет самые низкие показатели технологичности, так как его элементы вообще не связаны.
В табл. 3.1 представлены характеристики различных видов связности по экспертным оценкам 1, 62, 63.
Анализ табл. 3.1 показывает, что при проектировании программных модулей лучше всего использовать функциональную, последовательную и информационную связности.
3.4.3. Модульная структура программных продуктов
Модульная структура программы представляет собой древовидную структуру, в узлах которой размещаются программные модули, а направленные дуги показывают статическую подчиненность модулей. Если в тексте модуля имеется ссылка на другой модуль, то их на структурной схеме соединяет дуга, которая исходит из первого и входит во второй модуль. Другими словами, каждый модуль может обращаться к подчиненным ему модулям. При этом модульная структура программной системы, кроме структурной схемы, должна включать в себя еще и
совокупность спецификаций модулей, образующих эту систему 37.
Функция верхнего уровня обеспечивается главным модулем;
он управляет выполнением нижестоящих функций, которым соответствуют подчиненные модули.
При определении набора модулей, реализующих функции конкретного алгоритма, необходимо учитывать следующее:
1) модуль вызывается на выполнение вышестоящим по иерархии модулем и, закончив работу, возвращает ему управление;
2) принятие основных решений в алгоритме выносится на максимально высокий по иерархии уровень;
3) если в разных местах алгоритма используется одна и та же функция, то она оформляется в отдельный модуль, который будет вызываться по мере необходимости.
Состав, назначение и характер использования программных модулей в значительной степени определяются инструментальными средствами.
