Модульное программирование – это такой способ программирования, при котором вся программа разбивается на группу компонентов, называемых модулями, причем каждый из них имеет свой контролируемый размер, четкое назначение и детально проработанный интерфейс с внешней средой. Единственная альтернатива модульности – монолитная программа, что, конечно, неудобно. Таким образом, наиболее интересный вопрос при изучении модульности – определение критерия разбиения на модули.
Модульное программирование — это процесс разделения компьютерной программы на отдельные подпрограммы. Модуль — это отдельный программный компонент. Он часто может использоваться в различных приложениях и функциях с другими компонентами системы. Некоторые программы могут иметь тысячи или миллионы строк, и управлять такими программами становится довольно сложно, поскольку в программе может быть слишком много синтаксических ошибок или логических ошибок, поэтому для управления программами такого типа подошла концепция модульного программирования.
Каждый субмодуль содержит что-то необходимое для выполнения только одного аспекта желаемой функциональности. Модульное программирование делает упор на разбивке больших программ на мелкие задачи, чтобы повысить удобство сопровождения, удобочитаемость кода и сделать программу удобной для внесения любых изменений в будущем или для исправления ошибок.
Вопросы, о которых следует позаботиться до разработки модульной программы:
— Ограничения каждого модуля должны быть решены.
— Каким образом программа должна быть разбита на разные модули?
— Связь между различными модулями кода для правильного выполнения всей программы.
Преимущества использования подхода модульного программирования
— Простота использования: этот подход обеспечивает простоту, поскольку вместо того, чтобы сосредоточиться на одном и том же коде тысяч и миллионов строк, мы можем получить к нему доступ в виде модулей. Это позволяет легко отлаживать код и меньше подвержен ошибкам.
— Возможность повторного использования: позволяет пользователю повторно использовать функциональность с другим интерфейсом без повторного ввода всей программы.
— Простота обслуживания. Это помогает уменьшить коллизии во время работы над модулями, помогая команде работать с надлежащей совместной работой при работе над большим приложением.
В основе модульного программирования лежат три основные концепции.
— Принцип утаивания информации. Всякий компонент утаивает единственное проектное решение, т. е. модуль служит для утаивания информации. Подход к разработке программ заключается в том, что сначала формируется список проектных решений, которые особенно трудно принять или которые, скорее всего, будут меняться. Затем определяются отдельные модули, каждый из которых реализует одно из указанных решений.
— Аксиома модульности. Модуль – независимая программная единица, служащая для выполнения некоторой определенной функции программы и для связи с остальной частью программы. Программная единица должна удовлетворять следующим условиям:
- блочность организации, т. е. возможность вызвать программную единицу из блоков любой степени вложенности;
- синтаксическая обособленность, т. е. выделение модуля в тексте синтаксическими элементами;
- семантическая независимость, т. е. независимость от места, где программная единица вызвана;
- общность данных, т. е. наличие собственных данных, сохраняющихся при каждом обращении;
- полнота определения, т. е. самостоятельность программной единицы.
Сборочное программирование.
Модули – это программные кирпичи, из которых строится программа.
Сцепление модулей – мера относительной независимости модуля от других модулей. Независимые модули могут быть модифицированы без переделки других модулей. Чем слабее сцепление модуля, тем лучше. Рассмотрим различные типы сцепления:
— независимые модули – это идеальный случай. Модули ничего не знают друг о друге. Организовать взаимодействие таких модулей можно, зная их интерфейс и соответствующим образом перенаправив выходные данные одного модуля на вход другого.
— сцепление по данным (параметрическое) — это сцепление, когда данные передаются модулю, как значения его параметров, либо как результат его обращения к другому модулю для вычисления некоторой функции. Этот вид сцепления реализуется в языках программирования при обращении к функциям (процедурам).
Рутинность модуля – это независимость модуля от предыдущих обращений к нему (от предыстории). Модуль является рутинным, если результат его работы зависит только от количества переданных параметров (а не от количества обращений). Модуль должен быть рутинным в большинстве случаев, но есть и случаи, когда модуль должен сохранять историю. В выборе степени рутинности модуля пользуются тремя рекомендациями:
— в большинстве случаев делаем модуль рутинным;
— зависящие от предыстории модули следует использовать только в тех случаях, когда это необходимо для сцепления по данным;
— в спецификации зависящего от предыстории модуля должна быть четко сформулирована эта зависимость, чтобы пользователи имели возможность прогнозировать поведение такого модуля.
Программирование не уникальная дисциплина: здесь можно и нужно применять опыт из других областей. Возьмём, к примеру, компьютер. Их производители не задумываются над многообразием задач, которые решает пользователь, и уж тем более не выделяют под каждую маленький процессор и память. Компьютер – это просто набор независимых сложных объектов, объединённых в одном корпусе при помощи разъёмов и проводов. Объекты не уникальны, не оптимизированы конкретно под вас, и тем не менее блестяще справляются со своей задачей.
В программировании есть точно такие же решения. Например, библиотеки. Они помогают не тратить драгоценное время на изобретение велосипеда. Однако для частных задач библиотеки не эффективны – создание отнимет уйму времени, а при единичной повторяемости эффективность стремится к нулю.
В этом случае полезнее обратиться к модулям. Модуль – логически завершённый фрагмент кода, имеющий конкретное функциональное назначение. Для взаимодействия модулей используются способы, не позволяющие изменять параметры и функциональность.
Плюсы модульного программирования очевидны:
— Ускорение разработки.
— Повышение надёжности.
— Упрощение тестирования.
— Взаимозаменяемость.
Модульное программирование крайне эффективно при групповых разработках, где каждый сотрудник может сконцентрироваться только на своём фронте работ и не оглядываться на решения коллег. Однако и в индивидуальном подходе вы получаете, как минимум, вышеописанные преимущества.
Сама по себе идея использования модулей не сильно упрощает код, важно минимизировать количество прямых связей между ними. Здесь мы подходим к понятию «инверсия управления» (IoC). Упрощённо – это принцип программирования, при котором отдельные компоненты кода максимально изолированы друг от друга. То есть детали одного модуля не должны влиять на реализацию другого. Достигается это при помощи интерфейсов или других видов представления, не обеспечивающих прямого доступа к модульному коду.
В модульном программировании существует три основные реализации:
— Внедрение зависимостей. Способ, при котором каждый элемент имеет свой интерфейс, взаимодействие модулей происходит через интерфейсы.
— Фабричный метод. Основывается на существовании некого объекта, предназначенного для создания других объектов. Иначе говоря, введение в программу прототипа, объединяющего общие черты для большинства объектов. Прямого взаимодействия между модулями нет, все параметры наследуются от «завода».
— Сервисный метод. Создаётся один общий интерфейс, являющийся буфером для взаимодействия объектов. Похожую функцию в реальной жизни выполняют колл-центры, магазины, площадки для объявлений и т.д.
Несмотря на то, что первая реализация IoC используется чаще всего, для первых шагов в модульном программировании лучше использовать другие два. Причина – простое создание интерфейсов лишь ограничивает доступ к модулям, а для снижения сложности кода необходимо также уменьшить количество связей. Интерфейсы, хаотично ссылающиеся на другие интерфейсы, код только усложняют.
Для решения этой проблемы необходимо разработать архитектуру кода. Как правило, она схожа с файловой структурой любого приложения:
Рис.1
Таким образом, поддержка принципов модульного программирования, инверсии управления и четкой архитектуры приложения поможет убить сразу трёх зайцев:
— Обеспечить чёткое функциональное разделение кода. При возникновении ошибок можно быстро определить источник, а исправления не приведут к появлению новых сбоев.
— Минимизировать количество связей. Это позволит упростить разработку, отдав на откуп нескольким разработчикам разные модули. Или вы сможете самостоятельно разрабатывать каждый блок без оглядки на другие, что тоже экономит время и силы.
— Создать иерархию с чёткой вертикалью наследования. Это повышает надёжность кода, так как тестирование провести проще, а результаты информативнее.
Соблюдение принципа модульности в больших проектах позволит сэкономить время и не расплескать стартовый задор. Более того, у вас получится наконец сосредоточиться на самом интересном – реализации оригинальных задумок в коде. А ведь это именно то, что каждый из нас ищет в программировании.
Суть модульного программирования состоит в разбиении сложной задачи на некоторое число более простых подзадач и составлении программ для решения достаточно независимо друг от друга. Модульность является одним из основных принципов построения программных проектов. В общем случае модуль — отдельная функционально законченная программная единица, некоторым образом идентифицируемая и объединяемая с другими, средство определения логически связанной совокупности объектов, средство их выделения и изоляции. Модуль является средством декомпозиции не только структур управления, но и структур данных. Этому в значительной мере способствовало развитие понятия «тип данных».
Модуль является единицей компиляции, хранения, а также единицей проектирования и раздельной разработки программного проекта коллективом разработчиков. Таким образом, модуль понимается как средство определения логически связанной совокупности объектов, средство их выделения и изоляции.
Создание модулей и использование их объектов в программах является одним из приемов экономичного программирования что обуславливается следующими обстоятельствами.
Во-первых, в модуле обычно определяются объекты, являющиеся носителями базовых понятий некоторой «предметной» области, так что модуль задает контекст этой предметной области. Поэтому программы, которые будут выполнять различные алгоритмы обработки в этой области, смогут воспользоваться готовыми и, что важно, одинаковыми определениями базовых объектов.
Во-вторых, и модули, и использующие их программы компилируются независимо (модуль должен быть откомпилирован раньше использующей его программы). Благодаря этому время компиляции большой программы использующей готовые модули, существенно сокращается, что важно при отладке программ, когда приходится их компилировать многократно.
Третьим важным свойством модуля является то, что он скрывает, «инкапсулирует» представление и реализацию экспортируемых им объектов, так что их возможные изменения в модуле (при его настройке или адаптации к новым аппаратным возможностям) не требуют никаких переделок пользовательских программ.
Все модули используют мнемонические имена для определяемых ими объектов (констант, переменных, типов и подпрограмм), что облегчает понимание их назначения и запоминание, удовлетворяет требованию наглядности текста программ.
Языки программирования, поддерживающие модульный подход, описывают модуль как программную единицу, состоящую из двух основных частей — спецификации (интерфейса) и реализации. В спецификации приводятся такие характеристики объектов модуля, которые необходимы и достаточны для использования этих объектов в других модулях и программах. Это позволяет использовать объекты модулей только на основе информации об их интерфейсе (не ожидая их полного описания). В реализационной части модуля описывается представление и алгоритмы обработки, связанные с теми или иными объектами модуля.
Модуль является одним из средств, облегчающих верификацию программ. Модуль, как средство создания абстракции, выделяет спецификацию и локализует сведения о реализации.
Модули служат также целям создания проблемно-ориентированного контекста и локализации машинной зависимости.
Концепцию модульного программирования можно сформулировать в виде нескольких понятий и положений:
— Функциональная декомпозиция задачи — разбиение большой задачи на ряд более мелких, функционально самостоятельных подзадач — модулей.
— Модули связаны между собой только по входным и выходным данным. Модуль — основа концепции модульного программирования. Каждый модуль в функциональной декомпозиции представляет собой «черный ящик» с одним входом и одним выходом. Модульный подход позволяет безболезненно производить модернизацию программы в процессе ее эксплуатации и облегчает ее сопровождение. Дополнительно модульный подход позволяет разрабатывать части программ одного проекта на разных языках программирования, после чего с помощью компоновочных средств объединять их в единый загрузочный модуль.
— Реализуемые решения должны быть простыми и ясными. Если назначение модуля непонятно, то это говорит о том, что декомпозиция начальной или промежуточной задачи была проведена недостаточно качественно. В этом случае необходимо еще раз проанализировать задачу и, возможно, провести дополнительное разбиение на подзадачи. При наличии сложных мест в проекте их нужно подробнее документировать с помощью продуманной системы комментариев. Этот процесс нужно продолжать до тех пор, пока действительно не удастся добиться ясного понимания назначения всех модулей задачи и их оптимального сочетания.
— Назначение всех переменных модуля должно быть описано с помощью комментариев по мере их определения.
Модуль — функционально законченный фрагмент программы, оформленный в виде отдельного файла с исходным кодом или поименованной непрерывной её части, предназначенный для использования в других программах. Модули позволяют разбивать сложные задачи на более мелкие в соответствии с принципом модульности. Обычно проектируются таким образом, чтобы предоставлять программистам удобную для многократного использования функциональность (интерфейс) в виде набора функций, классов, констант. Модули могут объединяться в пакеты и, далее, в библиотеки. Удобство использования модульной архитектуры заключается в возможности обновления (замены) модуля, без необходимости изменения остальной системы. В большинстве случаев различные модули могут запускаться как на одном сервере, так и на разных, для распределения нагрузки и создания распределенной архитектуры.
Модульное программирование может быть осуществлено, даже когда синтаксис языка программирования не поддерживает явное задание имён модулям. Программные инструменты могут создавать модули исходного кода, представленные как части групп — компонентов библиотек, которые составляются с программой компоновщиком.
Литература.
- Петрухин, В. А. Методы и средства программной инжене
рии / В. А. Петрухин, Е. М. Лаврищева. – URL: http://www.intuit.ru/department/se/swebok/12/2.html - Вендров, А. М. Проектирование программного обеспече
ния экономических информационных систем : учеб. / А. М. Венд-
ров. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Финансы и статистика, 2006. - Иванова, Г. С. Объектно-ориентированное программирование / Г. С. Иванова, Т. Н. Ничушкина, Е. К. Пугачев. – М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2001