Правило 2. Можно ограничиться только той информацией, которую подразумевает конечное условие.
Эти правила демонстрируют два преимущества абстракции через спецификацию. Первое состоит в том, что программисты, использующие данную процедуру, не обязаны знакомиться с текстом ее тела. Следовательно, им не нужно уяснять, например, подробности алгоритма отыскания квадратного корня, устанавливая, действительно ли возвращенный результат — искомое число.
Второе правило показывает, что на самом деле имеем дело с абстракцией: абстрагируясь от тела процедуры, можно не обращать внимания на несущественную информацию. Именно такое «игнорирование» информации и отличает абстракцию от декомпозиции. Конечно, анализируя тело процедуры, можно извлечь некоторое количество информации, не следующей из конечного условия (как, например, то, что найденный элемент первый или последний в рассмотренном выше примере). В спецификации подобная информация о возвращаемом результате отбрасывается.
Абстракции через параметризацию и через спецификацию являются мощным средством для создания программ. Они позволяют определить два вида абстракций: процедурную абстракцию и абстракцию данных. В общем случае каждая процедурная абстракция и абстракция данных используют оба способа.
Например, абстракцию SQRT (извлечение квадратного корня) можно сравнить с операцией: она абстрагирует отдельное событие или задачу. Мы будем ссылаться к абстракциям такого рода, как к процедурным абстракциям. Отметим, что абстракция SQRT включает в себя как абстракцию через параметризацию, так и абстракцию через спецификацию.
На процедурной абстракции основана разработка структуры программы в технологии структурного программирования. Базовая компонента технологии структурного программирования — модуль, которому обычно соответствует подпрограмма (процедура или функция на языках программирования высокого уровня).
Рассматривая программу не как набор процедур, а прежде всего как некоторые наборы данных, каждый из которых имеет разрешенную группу процедур, получаем абстрактное представление программы, представленное на рис. 1.4. Анализ рис. 1.4 позволяет также получить абстракцию данных, показанную на рис. 1.5.
В технологии абстрактных данных Дейкстры применяется функциональная модель в виде набора диаграмм потоков данных (далее — ДПД; DFD — Data Flow Diagram), которые описывают смысл операций и ограничений. ДПД отражает функциональные зависимости значений, вычисляемых в системе, включая входные значения, выходные значения и внутренние хранилища данных. ДПД — это граф, на котором показано движение значений данных от их источников через преобразующие их процессы к их потребителям в других объектах. Фрагменты ДПД показаны на рис. 1.6.
Рис. 1.4. Абстракция программы как набора данных, обрабатываемых процедурами
Рис. 1.5. Абстракция данных
Поток данных соединяет выход объекта (или процесса) с входом другого объекта (или процесса). Он представляет промежуточные данные вычислений.
Хранилище данных — это пассивный объект в составе ДПД, в котором данные сохраняются для последующего доступа. Хранилище данных допускает доступ к хранимым в нем данным в порядке, отличном от того, в котором они были туда помещены. Агрегатные хранилища данных, как, например, списки и таблицы, обеспечивают доступ к данным в порядке их поступления либо по ключам.
ДПД показывает все пути вычисления значений, но не показывает, в каком порядке эти значения вычисляются. Решения о порядке вычислений связаны с управлением программой, которое отражается в динамической модели. Эти решения, вырабатываемые специальными функциями, или предикатами, определяют, будет ли выполнен тот или иной процесс, но при этом не передают процессу никаких данных, так что их включение в функциональную модель необязательно. Тем не менее иногда бывает полезно включать указанные предикаты в функциональную модель, чтобы в ней были отражены условия выполнения соответствующего процесса.
Рис. 1.6. Фрагменты диаграммы потоков данных (ДПД):
а — копирование данных (числа); б — расщепление данных; в — активный объект «Клиент» посредством операции «Нахождение цены» работает с хранилищем «Прайс-лист»
Дейкстрой предложена относительно редко применяемая технология, основанная на абстракции данных. Данная технология является альтернативой структурному программированию. В чистом виде она успешно применялась при разработке СУБД и других изделий, ориентированных на преобразование информации из одной формы в другую.
Если в структурном программировании главными являются функции и процедуры (действия), то в технологии абстрактных данных Дейкстры во главе ставятся данные.
По данной технологии сначала очень тщательно специфицируются выход, вход, промежуточные данные; большое внимание уделяется типизации данных с использованием структур для объединения близкой по смыслу информации в единые данные. Обычно расписывается схема иерархии данных. Здесь удобно применять модели в виде диаграмм потоков данных.
Ниже приводится описание методики получения программы с рациональной структурой данных, которая основывается на абстракции данных Дейкстры. Эта методика ставит во главу данные, что с некоторыми трудностями обеспечивается методикой деления программы на смысловые модули путем выделения смысловых подфункций в технологии структурного программирования.
Шаг 1. Основываясь на потоке данных в задаче, выделите 3—10 смысловых частей обработки данных.
Шаг 2. Доопределите главный входной и выходной потоки данных задачи.
Шаг 3. Проследите, как следует входной поток от части к части, от входа к концу обработки, найдите эту точку. Проследите от конца к началу, как следует выходной поток; найдите абстрактную точку, где он появился (рис. 1.7).
Найденные точки делят задачу на две или три наиболее независимые (по данным) части.
Шаг 4. Представьте независимые части подпрограммами и определите их функции. Эти подпрограммы будут подчиненными по отношению к модулю, разбиение которого выполняется.
Шаг 5. Определите сопряжения подпрограмм по данным.
Рис. 1.7. Превращение главного входного потока информации в выходной поток:
1 — участок соответствует преобразованию информации входного потока в промежуточную информацию; 2 — участок соответствует получению выходной и промежуточной информации из входной и промежуточной информации; 3 — участок соответствует получению выходной информации из промежуточной информации
Современная, вытесняющая технологии структурного программирования и абстракции данных объектно-ориентированная технология сочетает в себе абстракции процедур и данных в новой абстракции — объекте (рис. 1.8). Понятие абстракции данных расширено до того, что как внутренние данные, так и код процедур рассматриваются как новый тип данных — объект.
Объектная модель базируется на двух постулатах: все есть объекты; объекты взаимодействуют передачей сообщений.
Методы структурного проектирования помогают упростить процесс разработки сложных систем за счет использования алгоритмов как готовых строительных блоков. Объект — более крупный строительный блок. Он может включать в себя как данные (поля), так и процедуры (методы). Укрупнение строительных блоков стало необходимостью при создании больших программ.