Спецификация программного модуля состоит из функциональной спецификации модуля, описывающей семантику функций, выполняемых этим модулем по каждому из его входов, и синтаксической спецификации его входов, позволяющей построить на используемом языке программирования синтаксически правильное обращение к нему. Функциональная спецификация модуля определяется теми же принципами, что и функциональная спецификация программной системы.
Существуют разные методы разработки модульной структуры программы, в зависимости от которых определяется порядок программирования и отладки модулей, указанных в этой структуре.
Метод восходящей разработки. Сначала строится древовидная модульная структура программы. Затем поочередно проектируются и разрабатываются модули программы, начиная с модулей самого нижнего уровня, затем предыдущего уровня и т.д. То есть модули реализуются в таком порядке, чтобы для каждого программируемого модуля были уже запрограммированы все модули, к которым он может обращаться. После того как все модули программы запрограммированы, производится их поочередное тестирование и отладка в таком же восходящем порядке. Достоинство метода заключается в том, что каждый модуль при программировании выражается через уже запрограммированные непосредственно подчиненные модули, а при тестировании использует уже отлаженные модули. Недостатки метода восходящей разработки заключаются в следующем:
– на нижних уровнях модульной структуры спецификации могут быть еще определены не полностью, что может привести к полной переработке этих модулей после уточнения спецификаций на верхнем уровне;
– для восходящего тестирования всех модулей, кроме головного, который является модулем самого верхнего уровня, приходится создавать вызывающие программы, что приводит к созданию большого количества отладочного материала, но не гарантирует, что результаты тестирования верны;
– головной модуль проектируется и реализуется в последнюю очередь, что не дает продемонстрировать его заказчику для уточнения спецификаций.
Метод нисходящей разработки. Как и в предыдущем методе, сначала строится модульная структура программы в виде дерева. Затем проектируются и реализуются модули программы, начиная с модуля самого верхнего уровня – головного, далее разрабатываются модули уровнем ниже и т.д. При этом переход к программированию какого-либо модуля осуществляется только в том случае, если уже запрограммирован модуль, который к нему обращается. Затем производится их поочередное тестирование и отладка в таком же – нисходящем – порядке. При таком порядке разработки программы вся необходимая глобальная информация формируется своевременно, т.е. ликвидируется весьма неприятный источник просчетов при программировании модулей. Существенно облегчается и тестирование модулей, производимое при нисходящем тестировании программы. Первым тестируется головной модуль программы, который представляет всю тестируемую программу, при этом все модули, к которым может обращаться головной, заменяются их имитаторами. Каждый имитатор модуля является простым программным фрагментом, реализующим сам факт обращения к данному модулю с необходимой для правильной работы программы обработкой значений его входных параметров и с выдачей, если это необходимо, подходящего результата. Далее производится тестирование следующих по уровню модулей. Для этого имитатор выбранного для тестирования модуля заменяется самим модулем и добавляются имитаторы модулей, к которым может обращаться тестируемый модуль. При таком подходе каждый модуль будет тестироваться в «естественных» состояниях информационной среды, возникающих к моменту обращения к этому модулю при выполнении тестируемой программы. Таким образом, большой объем отладочного программирования заменяется программированием достаточно простых имитаторов используемых в программе модулей.
Недостатком нисходящего подхода к программированию является необходимость абстрагироваться от реальных возможностей выбранного языка программирования и придумывать абстрактные операции, которые позже будут реализованы с помощью модулей. Однако способность к таким абстракциям является необходимым условием разработки больших программных средств.
Рассмотренные выше методы (нисходящей и восходящей разработок), являющиеся классическими, требуют, чтобы модульная древовидная структура была готова до начала программирования модулей. Как правило, точно и содержательно разработать структуру программы до начала программирования невозможно. При конструктивном и архитектурном подходах к разработке модульная структура формируется в процессе реализации модулей.
Конструктивный подход. Конструктивный подход к разработке программы представляет собой модификацию нисходящей разработки, при которой модульная древовидная структура программы формируется в процессе программирования модуля. Сначала программируется головной модуль, исходя из спецификации программы в целом (спецификация программы является одновременно спецификацией головного модуля). В процессе программирования головного модуля в случае, если эта программа достаточно большая, выделяются подзадачи (некоторые функции) и для них создаются спецификации реализующих эти подзадачи фрагментов программы. В дальнейшем каждый из этих фрагментов будет представлен поддеревом модулей (спецификация выделенной функции является одновременно спецификацией головного модуля этого поддерева).
Таким образом, на первом шаге разработки программы (при программировании ее головного модуля) формируется верхняя часть дерева, например, как на рис. 7.4.
По тому же принципу производится программирование следующих по уровню специфицированных, но еще не запрограммированных модулей в соответствии со сформированным деревом. В результате к дереву добавляются очередные уровни, как показано на рис. 7.5.
Архитектурный подход. Архитектурный подход к разработке программы представляет собой модификацию восходящей разработки, при которой модульная структура программы формируется в процессе программирования модуля. Целью разработки в данном методе является повышение уровня языка программирования, а не разработка конкретной программы. Это означает, что для заданной предметной области выделяются типичные функции и специфицируются, а затем и программируются отдельные программные модули, выполняющие эти функции. Сначала в виде модулей реализуются более простые функции, а затем создаются модули, использующие уже имеющиеся функции, и т.д. Это позволяет существенно сократить трудозатраты на разработку конкретной программы путем подключения к ней уже имеющихся и проверенных на практике модульных структур нижнего уровня, что также позволяет бороться с дублированием в программировании. В связи с этим программные модули, создаваемые в рамках архитектурного подхода, обычно параметризуются для того, чтобы облегчить их применение настройкой параметров.
Нисходящая реализация. В классическом методе нисходящей разработки сначала все модули разрабатываемой программы программируются, а затем тестируются в нисходящем порядке. При этом тестирование и отладка модулей может привести к изменению спецификации подчиненных модулей и даже к изменению самой модульной структуры программы. В результате может оказаться, что часть модулей вообще не нужны в данной структуре, а часть модулей придется переписывать. Более рационально каждый запрограммированный модуль тестировать сразу же, до перехода к программированию другого модуля. Такой метод в литературе получил название «метод нисходящей реализации».
Целенаправленная конструктивная реализация. В зависимости от того, в какой последовательности в процессе разработки программы обходятся узлы дерева, существуют разновидности описанных выше методов. Например, метод целенаправленной конструктивной реализации, при котором в рамках конструктивного подхода реализуются сначала модули, необходимые для самого простого рабочего варианта программы, остальные модули заменяются их имитаторами. Затем к имеющемуся варианту добавляются другие модули, обеспечивающие работу программы для других наборов данных, и т.д. до полной реализации программы. Достоинством этого метода является то, что уже на достаточно ранней стадии создается работающий вариант разрабатываемой программы.