для чего используют подпрограммы
Процедура (программирование)
Подпрограмма (англ. subprogram ) — поименованная или иным образом идентифицированная часть компьютерной программы, содержащая описание определённого набора действий. Подпрограмма может быть многократно вызвана из разных частей программы. В языках программирования для оформления и использования подпрограмм существуют специальные синтаксические средства.
Содержание
Назначение подпрограмм.
Подпрограммы изначально появились как средство оптимизации программ по объёму занимаемой памяти — они позволили не повторять в программе идентичные блоки кода, а описывать их однократно и вызывать по мере необходимости. К настоящему времени данная функция подпрограмм стала вспомогательной, главное их назначение — структуризация программы с целью удобства её понимания и сопровождения.
Механизм подпрограмм, их описание и вызов
В простейшем случае (в ассемблерах) подпрограмма представляет собой последовательность команд (операторов), отдельную от основной части программы и имеющую в конце специальную команду выхода из подпрограммы. Обычно подпрограмма также имеет имя, по которому её можно вызвать, хотя ряд языков программирования допускает использование и неименованных подпрограмм. В языках высокого уровня описание подпрограммы обычно состоит по меньшей мере из двух частей: заголовка и тела. Заголовок подпрограммы описывает её имя и, возможно, параметры, то есть содержит информацию, необходимую для вызова подпрограммы. Тело — набор операторов, который будет выполнен всякий раз, когда подпрограмма будет вызвана.
Вызов подпрограммы выполняется с помощью команды вызова, включающей в себя имя подпрограммы. В большинстве современных языков программирования команда вызова представляет собой просто имя вызываемой подпрограммы, за которым могут следовать фактические параметры (см. ниже).
В следующем примере на языке Паскаль подпрограмма subprog вызывается из основной программы трижды:
Результатом выполнения такой программы станет вывод строки «Hello» и трёх строк «Bye».
Некоторые языки программирования (например, Паскаль, Ада, Модула-2) допускают описание вложенных подпрограмм, то есть помещение подпрограмм внутрь других подпрограмм. Такие вложенные подпрограммы могут использоваться только в той подпрограмме, в которой они описаны. В иных случаях (например, в языке Си) вложение подпрограмм не допускается. Никаких принципиальных преимуществ вложение подпрограмм не даёт, но может быть удобно для более логичной структуризации программы (если какая-то подпрограмма используется только в некоторой другой подпрограмме, логично поместить первую во вторую).
Параметры подпрограмм
Назначение параметров
Подпрограммы часто используются для многократного выполнения стереотипных действий над различными данными. Подпрограмма обычно имеет доступ к объектам данных, описанным в основной программе (по крайней мере, к некоторым из них), поэтому для того, чтобы передать в подпрограмму обрабатываемые данные, их достаточно присвоить, например, глобальным переменным. Но такой путь не особенно удобен и чреват ошибками.
Для обеспечения контролируемой передачи параметров в подпрограмму и возврата результатов из неё используется механизм параметров. Параметры описываются при описании подпрограммы (в её заголовке) и могут использоваться внутри процедуры аналогично переменным, описанным в ней. При вызове процедуры значения каждого из параметров указываются в команде вызова (обычно после имени вызываемой подпрограммы).
В приведённом примере параметр Line подпрограммы subprog в каждом вызове получает различное значение, благодаря чему выводятся не одинаковые строки, а разные.
Формальные и фактические параметры
Способ передачи параметров в подпрограмму
Существует несколько способов передачи параметров в подпрограмму.
Язык программирования может предоставлять возможность передавать параметры в подпрограммы либо только по значению (так сделано в языке Си), либо по значению и по ссылке (это реализовано в Паскале, Аде, C++), либо по имени и значению (это реализовано в языках Алгол и Алгол 68). Во последних двух случаях для различения способов передачи параметра используются отдельные синтаксическая конструкции (в Паскале это ключевое слово var при описании параметра). В действительности, если язык содержит понятие ссылки (указателя), то можно обойтись и без передачи параметра по ссылке (её всегда можно смоделировать, описав параметр типа «ссылка»), но эта возможность удобна, так как позволяет работать с формальным параметром-ссылкой без разыменования, а также повышает надёжность и безопасность программы.
На параметры, передаваемые по ссылке, накладываются естественные ограничения: фактический параметр, подставляемый на место такого параметра при вызове, обязан быть переменной (то есть иметь адрес), а в языках со строгой типизацией — ещё и иметь в точности такой же тип данных.
Виды подпрограмм
В языках программирования высокого уровня используется два типа подпрограмм: процедуры и функции.
Подпрограммы, входящие в состав классов в объектных языках программирования, обычно называются методами. Этим термином называют любые подпрограммы-члены класса, как функции, так и процедуры; когда требуется уточнение, говорят о методах-процедурах или методах-функциях.
Подпрограммы
Вспомогательные алгоритмы и подпрограммы
Алгоритм, выполняющий некоторую относительно автономную, законченную часть основной задачи, называют вспомогательным алгоритмом, а соответствующую “вспомогательную программу” — подпрограммой (или процедурой). Во многих языках программирования процедура оформляется так же или почти так же, как головная программа.
Когда используют подпрограммы? Во-первых, если один и тот же алгоритм используется несколько раз по ходу решения задачи. Это вполне очевидно: зачем несколько раз писать одни и те же команды? Последовательность операторов, составляющих подпрограмму, определена и записана только в одном месте программы, однако их можно вызвать для выполнения из одной или нескольких точек программы. Одна и та же подпрограмма может обрабатывать различные данные, переданные ей в качестве аргументов. Это не просто выделенный кусок кода — для этого куска кода определены входные и выходные параметры, а от прочих данных он, в идеале, изолирован (хотя многие языки программирования позволяют использовать внутри кода подпрограммы и глобальные переменные).
Во-вторых, в разных программах часто используется большое количество однотипных, шаблонных действий — вывод данных на экран, сортировка чисел по возрастанию в числовых массивах или сортировка списков фамилий по алфавиту, различные алгоритмы поиска необходимых данных в массивах — этот перечень стереотипных работ можно продолжать долго. Совершенно очевидна целесообразность однократного составления таких часто употребляемых вспомогательных алгоритмов, хранение их и последующее использование в самых разнообразных задачах. Наборы таких часто употребимых подпрограмм обычно объединяют в библиотеки подпрограмм. Развитой системой библиотечных подпрограмм обладают такие языки программирования, как С++ и Java.
Но, оказывается, на практике подпрограммами гораздо чаще пользуются, чтобы упростить процесс разработки программы. По мере прогресса в искусстве программирования, как пишет автор языка Pascal Н.Вирт, программы стали создаваться методом последовательных уточнений. На каждом этапе программист разбивает задачу на некоторое число подзадач. Таким образом, подпрограммы — это реализация в языке программирования основного и вспомогательных алгоритмов, на которые, как правило, распадается решение общей задачи в процедурном программировании. Концепция процедур (т.е. подпрограмм) позволяет выделить подзадачу как отдельную подпрограмму, даже если вызываться она будет всего один раз. Допустим, нужно составить какую-нибудь достаточно сложную программу: она должна получать от человека исходные данные, проверяя при этом правильность ввода (чтоб не было ошибок, вроде “32 февраля”), затем выполнять несколько разных вычислений, наконец, — красиво выводить результаты на экран. Можно попытаться написать сразу всю программу целиком. Однако она скорее всего получится очень большой и настолько запутанной, что поиск любой самой простой ошибки займет много времени (а написать даже не очень большую программу сразу без ошибок практически невозможно). Но можно поступить по-другому. Сначала разобьем решение задачи на несколько этапов. Получится программа примерно такого вида:
Мы еще не знаем, как будут реализовываться эти этапы, но то, что они необходимы, нам известно; не возникает вопросов и с их последовательностью. Далее, каждый из этапов разбиваем на более мелкие, затем, при необходимости — еще. Так продолжаем, пока подзадачи не окажутся настолько мелкими, что каждую из них можно будет записать с помощью небольшой простой и понятной процедуры. Можно сказать, что подпрограммы являются основными строительными блоками программы. Такой способ разработки программ называют проектированием методом сверху вниз.
Каковы достоинства этого метода? Во-первых, сокращение времени разработки больших программ: на решение 10 простых задач обычно нужно гораздо меньше времени, чем на одну, в 10 раз более сложную. Во-вторых, локализация мест ошибок при отладке программ: разобраться в работе процедуры и найти возможную ошибку намного проще, если эта процедура — короткая. В-третьих, относительная автономность модификации программы: когда нужно будет что-либо изменить в программе, переделывать придется не всю ее, а только некоторые процедуры. Наконец, такой метод позволяет легко распределить работу между несколькими программистами: при разработке процедуры абсолютно не важно, что содержится внутри других.
Процедуры и функции
Во многих языках программирования явно (как в Pascal) или неявно (как в С и С++) различают два вида подпрограмм — процедуры и функции. Основное отличие функций от процедур заключается в том, что функция возвращает результат некоторого типа.
После описания функции ее, как лексическую единицу, можно использовать в выражениях наряду со стандартными функциями. Функция активируется только при вызове ее из тела основной программы или из другой уже вызванной подпрограммы (процедуры или функции). При вызове функции указывается имя функции и конкретные параметры (их называют фактические параметры), необходимые для вычисления функции.
В описании процедуры или функции задается список формальных параметров. Каждый параметр, описанный в этом списке, является локальным по отношению к описываемой процедуре или функции, т.е. на него можно ссылаться по его имени из данной подпрограммы, но не из основной программы.
Приведем пример программы на языке Pascal нахождения максимума из трех чисел, использующей описание функции max нахождения максимума из двух чисел:
function max(a, b: integer): integer;
if a > b then max := a
Процедура либо вообще не возвращает результат, либо делает это через параметры. Процедура активируется (вызывается) с помощью оператора процедуры. Он представляет собой то же имя, что и название процедуры, с перечислением в скобках фактических параметров (процедура параметров может и не содержать, например, процедура очистки экрана).
Приведем пример описания процедуры на языке Pascal, которая печатает первые N элементов массива. Используем эту процедуру для печати различных частей массива:
type aa = array[1..100] of integer;
procedure print(n: integer; var m: aa);
for i := 1 to 100 do a[i] := random(100);
for i := 1 to 100 do print(a,i)
Процедура или функция является рекурсивной, если она прямо или косвенно вызывает сама себя. То есть либо при описании функции или процедуры используется обращение к ней же самой, но с другим набором параметров, либо подпрограмма вызывает какую-либо другую подпрограмму, в описании которой содержится вызов исходной (например, процедура A вызывает процедуру В, а процедура В вызывает процедуру А).
Рекурсивный вариант реализации алгоритма обычно выглядит изящнее и дает более компактный текст программы, но исполняется медленнее. Приведем пример уместного использования рекурсивного алгоритма. Рассмотрим алгоритм эффективного возведения вещественного числа x в целую неотрицательную степень n, основанный на следующих очевидных соотношениях:
Зададим по данному описанию рекурсивную функцию на языке Pascal:
function power(x:real; n:integer):integer;
if n = 0 then power := 1
power := power(x*x,n div)
else power := power(x,n-1)*x
Данная функция для вычисления x n будет использовать не более 2log2n умножений, а ее нерекурсивный аналог написать и отладить существенно сложнее.
Процедурное программирование
Процедурное программирование — это одна из парадигм программирования.
Парадигма программирования представляет (и определяет) то, как программист подходит к реализации алгоритма и проектированию программы. Так, процедурное программирование основано на представлении программы, как определенной последовательности вызова процедур.
Процедурное программирование — оформившаяся в начале 70-х годов XX века идея разработки программ. Это фундаментальная концепция, являющаяся основой всех современных подходов к проектированию и реализации. В то же время суть ее проста и отражает широко известные методы, заключающиеся в поиске и реализации некоторого базового набора элементов, комбинация которых дает решение задачи.
Если концепция структурного программирования предлагает некоторый универсальный алгоритмический базис, то процедурное программирование состоит в разработке под конкретную задачу или круг задач (предметную область) собственного базиса в виде набора подпрограмм, позволяющего наиболее эффективно по целому ряду критериев построить программный комплекс. С применением процедурного программирования появились возможности коллективной разработки программ как набора “независимых” частей, последовательного уменьшения сложности методом разбиения сложной задачи на более простые подзадачи, наконец, возможности повторного использования созданного ранее кода.
Решение общей задачи даже в простейших случаях представляет собой многоступенчатый процесс расчленения на все более простые действия. Конечно, можно составить весь алгоритм без явного выделения вспомогательных действий, но такую программу будет не только неудобно составлять и отлаживать, ее будет чрезвычайно сложно читать и практически невозможно совершенствовать.
Обычно процедурная программа состоит из главной подпрограммы (она нужна для определения начала и конца общего алгоритма), которая что-то делает сама, а что-то поручает вызываемым на выполнение вспомогательным подпрограммам, которые, в свою очередь, делают что-то сами и, возможно, вызывают на выполнение другие вспомогательные подпрограммы и т.д. После завершения подпрограмма должна возвратить управление в точку вызова — точнее, на оператор, следующий за вызовом подпрограммы.
Процедуры и функции позволяют создавать большие структурированные программы, которые можно делить на части. Это дает преимущества в следующих ситуациях:
1. Если программа большая, разделение ее на части облегчает создание, тестирование и ее сборку.
2. Если программа большая и повторная компиляция всего исходного текста занимает много времени, разделение ее на части экономит время компиляции.
3. Если процедуру надо использовать в разных случаях разным образом, можно записать ее в отдельный файл и скомпилировать отдельно.
Более современная парадигма программирования — объектно-ориентированное программирование (см. статью “Объектно-ориентированное программирование”) — фактически включает в себя и процедурную парадигму.
Методические рекомендации
Данная тема возникает при изучении программирования на языках высокого уровня или на языке исполнителя, например, LOGO. Слово подпрограмма (routine) использовалось уже в 1949 г. при программировании на машине EDSAC, которую принято считать первой построенной машиной с хранением программ в памяти. Подпрограмма является основным строительным блоком в императивном программировании (такое программирование описывает процесс выполнения программы в виде инструкций, изменяющих состояние исполнителя, альтернативой императивному программированию служит декларативное — логическое или функциональное — программирование).
Подпрограммы используются главным образом для целей абстракции. Под абстракцией понимается действие, состоящее в выборе для дальнейшего изучения или использования небольшого числа свойств объекта и изъятии из рассмотрения остальных свойств, которые нам в данный момент не нужны. Основное свойство, которое выделяется при написании подпрограммы, — это то, что она делает. Главное свойство, которое опускается из рассмотрения, — как она это делает. В некотором смысле использование подпрограммы — в точности то же самое, что и использование любой другой операции, применимой в том или ином языке программирования, например, +. А написание подпрограммы — это расширение языка путем включения в него новой операции.
Существуют подходы к изучению языка программирования, в которых подпрограммы предлагается использовать на самых ранних этапах изучения языка, а в таких языках, как С, этого вообще практически не избежать. При этом допускается сначала не полное понимание того, что же представляют собой подпрограммы, какую память они используют и как происходит передача параметров при их вызове. Возможно, такой подход позволяет сразу вырабатывать правильный стиль написания структурированных программ. Однако учебные программы, которые ученикам приходится писать на первых этапах обучения, зачастую не требуют детализации с помощью процедур и функций, поэтому изучение последних можно отложить и на более поздний срок (или опустить совсем, если курс программирования является чисто ознакомительным).
В некоторых языках программирования, например в языке Pascal, достаточно сложным является механизм передачи параметров и следующие из него правила разделения параметров на параметры-значения и параметры-ссылки. Попробуйте объяснить учащимся этот механизм, только в этом случае они смогут грамотно и без ошибок выбирать тип параметров при описании процедур и функций.
Подробное изучение данной темы в 10–11-х профильных классах заканчивается рассмотрением рекурсии, ее применением и механизмом реализации в тех языках программирования, в которых она разрешена.
Подпрограмма
Подпрограмма (англ. subroutine ) — поименованная или иным образом идентифицированная часть компьютерной программы, содержащая описание определённого набора действий. Подпрограмма может быть многократно вызвана из разных частей программы. В языках программирования для оформления и использования подпрограмм существуют специальные синтаксические средства.
Содержание
Назначение подпрограмм.
Подпрограммы изначально появились как средство оптимизации программ по объёму занимаемой памяти — они позволили не повторять в программе идентичные блоки кода, а описывать их однократно и вызывать по мере необходимости. К настоящему времени данная функция подпрограмм стала вспомогательной, главное их назначение — структуризация программы с целью удобства её понимания и сопровождения.
Механизм подпрограмм, их описание и вызов
В простейшем случае (в ассемблерах) подпрограмма представляет собой последовательность команд (операторов), отдельную от основной части программы и имеющую в конце специальную команду выхода из подпрограммы. Обычно подпрограмма также имеет имя, по которому её можно вызвать, хотя ряд языков программирования допускает использование и неименованных подпрограмм. В языках высокого уровня описание подпрограммы обычно состоит по меньшей мере из двух частей: заголовка и тела. Заголовок подпрограммы описывает её имя и, возможно, параметры, то есть содержит информацию, необходимую для вызова подпрограммы. Тело — набор операторов, который будет выполнен всякий раз, когда подпрограмма будет вызвана.
Вызов подпрограммы выполняется с помощью команды вызова, включающей в себя имя подпрограммы. В большинстве современных языков программирования команда вызова представляет собой просто имя вызываемой подпрограммы, за которым могут следовать фактические параметры (см. ниже).
В следующем примере на языке Паскаль подпрограмма subprog вызывается из основной программы трижды:
Результатом выполнения такой программы станет вывод строки «Hello» и трёх строк «Bye».
Некоторые языки программирования (например, Паскаль, Ада, Модула-2) допускают описание вложенных подпрограмм, то есть помещение подпрограмм внутрь других подпрограмм. Такие вложенные подпрограммы могут использоваться только в той подпрограмме, в которой они описаны. В иных случаях (например, в языке Си) вложение подпрограмм не допускается. Никаких принципиальных преимуществ вложение подпрограмм не даёт, но может быть удобно для более логичной структуризации программы (если какая-то подпрограмма используется только в некоторой другой подпрограмме, логично поместить первую во вторую).
Параметры подпрограмм
Назначение параметров
Подпрограммы часто используются для многократного выполнения стереотипных действий над различными данными. Подпрограмма обычно имеет доступ к объектам данных, описанным в основной программе (по крайней мере, к некоторым из них), поэтому для того, чтобы передать в подпрограмму обрабатываемые данные, их достаточно присвоить, например, глобальным переменным. Но такой путь не особенно удобен и чреват ошибками.
Для обеспечения контролируемой передачи параметров в подпрограмму и возврата результатов из неё используется механизм параметров. Параметры описываются при описании подпрограммы (в её заголовке) и могут использоваться внутри процедуры аналогично переменным, описанным в ней. При вызове процедуры значения каждого из параметров указываются в команде вызова (обычно после имени вызываемой подпрограммы).
В приведённом примере параметр Line подпрограммы subprog в каждом вызове получает различное значение, благодаря чему выводятся не одинаковые строки, а разные.
Формальные и фактические параметры
Способ передачи параметров в подпрограмму
Существует несколько способов передачи параметров в подпрограмму.
Язык программирования может предоставлять возможность передавать параметры в подпрограммы либо только по значению (так сделано в языке Си), либо по значению и по ссылке (это реализовано в Паскале, Аде, C++), либо по имени и значению (это реализовано в языках Алгол и Алгол 68). В последних двух случаях для различения способов передачи параметра используются отдельные синтаксическая конструкции (в Паскале это ключевое слово var при описании параметра). В действительности, если язык содержит понятие ссылки (указателя), то можно обойтись и без передачи параметра по ссылке (её всегда можно смоделировать, описав параметр типа «ссылка»), но эта возможность удобна, так как позволяет работать с формальным параметром-ссылкой без разыменования, а также повышает надёжность и безопасность программы.
На параметры, передаваемые по ссылке, накладываются естественные ограничения: фактический параметр, подставляемый на место такого параметра при вызове, обязан быть переменной (то есть иметь адрес), а в языках со строгой типизацией — ещё и иметь в точности такой же тип данных.
Виды подпрограмм
В языках программирования высокого уровня используется два типа подпрограмм: процедуры и функции.
Подпрограммы, входящие в состав классов в объектных языках программирования, обычно называются методами. Этим термином называют любые подпрограммы-члены класса, как функции, так и процедуры; когда требуется уточнение, говорят о методах-процедурах или методах-функциях.
Для чего используют подпрограммы
Освоение работы с подпрограммами, с параметрами по ссылке, параметрами по значению, с досрочным выходом из программ и подпрограмм, с областью видимости переменных.
Подпрограммы
Процедуры
Параметры
Этот пример уже сложнее, правда? На самом деле, всё просто. Давайте разберем, что тут к чему. Итак, строка объявления процедуры:
Пойдем дальше. А дальше мы объявляем вещественную переменную r :
Теперь мы сможем вызывать эту процедуру, когда необходимо, и передавать ей различные числа в виде строки. А уж функция сама позаботится обо всех необходимых преобразованиях, об удвоении числа и выводе результатов на экран.
Кстати, сами данные, которые мы передаём в подпрограмму, называются аргументами или фактическими параметрами. В примере вызова процедуры
В качестве параметров в процедуре можно использовать не одну, а множество переменных. Если они имеют одинаковый тип, то их имена разделяют запятыми, а тип указывается в конце сразу для всех параметров. Например:
Если параметры имеют разные типы, их разделяют точкой с запятой:
В свойстве Caption формы напишем
Ниже установите простую кнопку TButton, в Caption которой напишите текст:
Разумеется, будут и другие примеры. Подровняйте компоненты, при необходимости измените их размеры. Наша форма должна выглядеть примерно так:
Пока что мы будем вынуждены доверять пользователю, что он введет в поле Edit1 число, и ничего более. Но на прошлой лекции вам было обещано показать реализацию «защиты от дураков», так что чуть позже мы и это сделаем.
Сгенерируйте событие нажатия на кнопку, оно будет таким:
Теперь нам нужно создать процедуру Udvoenie выше нашего события, сразу после комментария
Текст процедуры приведен выше.
Функции
Функции являются такими же подпрограммами, как и процедуры, с одной разницей: они возвращают значение указанного типа. Функция начинается с ключевого слова function и имеет следующий синтаксис :
Кстати, вместо системной переменной Result можно использовать имя функции :
Хорошо, опробует функции на практике. Ниже Button1 добавьте Button2 с текстом в Caption :
Обратите внимание, здесь мы пошли немного другим путем. Мы создали функцию, которая лишь возвращает результирующее число в виде строки, а вывод этой строки на экран организовали при вызове функции, в строке
Параметры по ссылке
Если вы передаете в подпрограмму параметры как по значению, так и по ссылке, то параметры по ссылке должны идти в описании последними. Вот пример объявления процедуры с множеством параметров:
Сгенерируйте событие OnClick для нее, и чуть выше опишите процедуру, которая будет принимать и изменять параметр по ссылке, следующим образом:
Этот пример отличается от предыдущих, но выполняет ту же работу, и с тем же результатом. В процедуре UdvoeniePoSsilke всего одна строка
Описание подпрограмм с их предварительным объявлением
Видите, компилятор обращается вначале к форме, и только потом к самому событию? А вот в случае подпрограмм мы обращаемся напрямую к процедуре или функции. Но есть способ объявления подпрограммы, как части формы. Такой способ предоставляет нам следующие преимущества:
Давайте посмотрим, как это делается на практике. Добавьте четвертую кнопку ниже предыдущих трех, с надписью в Caption
Сгенерируйте для неё событие нажатия на кнопку, в котором просто укажем вызов процедуры MyPrivat :
Никаких параметров нам в данном случае не нужно, мы будем обращаться к свойству Text компонента Edit1 прямо из нашей подпрограммы. И обратите внимание, в описании перед именем процедуры указано имя формы. Отредактируйте подпрограмму следующим образом:
Комментарии достаточно подробны, чтобы вы смогли разобраться с кодом. Подобный способ применения подпрограмм с предварительным объявлением является наиболее удобным, советую использовать именно его. Подпрограммы без предварительного объявления стоит использовать только в простейших случаях, когда, к примеру, нужно рассчитать какие-то данные, ну например, преобразовать значения температуры из шкалы в Фаренгейтах в шкалу по Цельсию. Тогда можно описать функцию подобного преобразования выше, и передавать в неё различные величины. Но даже и такую подпрограмму можно предварительно объявить!
Область видимости переменных
Далее сгенерируем описание этой процедуры ( ). Само описание будет очень простым:
Как видите, здесь мы работаем с той же глобальной переменной, не объявляя её внутри процедуры, поскольку она уже объявлена.
Глобальные переменные очень удобны, однако используйте их только там, где это действительно необходимо. Ведь память для глобальной переменной выделяется, когда вы загружаете программу, и не освобождается, пока вы программу не закроете.