Технологии программирования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

В.В. Кручинин

ТЕХНОЛОГИИ

ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Учебное пособие

ТОМСК – 2013

Федеральное агентство по образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра промышленной электроники

В.В. Кручинин

ТЕХНОЛОГИИ

ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Учебное пособие

2013

Кручинин В.В.

Технологии программирования: Учебное пособие. — Томск: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, 2013.

— 271 с.

Кручинин В.В., 2013ТУСУР, 2013

		3
		СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1.		ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ .......................................	8
1.1	Основные термины и определения...........................................................		8
1.2	Жизненный цикл программы ....................................................................		9
1.3	Подходы к проектированию программ ..................................................		15
1.4	Модели компьютерных учебных программ ..........................................		17
1.4.1		Кадровые компьютерные учебные программы...............................	17
1.4.2		Модель интеллектуальной компьютерной учебной программы
обучения решения задач .............................................................................			20
1.4.3		Модель интеллектуальной системы контроля знаний ...................	24
Глава 2.		ПРОЦЕДУРНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ
ПРОГРАММИРОВАНИЕ.................................................................................			27
2.1	Для чего нужен язык программирования ..............................................		27
2.2	Способы описания языка .........................................................................		28
2.3	Описание лексических элементов ..........................................................		28
2.3.1 Понятие лексемы ................................................................................			28
2.3.2 Пространство между лексемами .......................................................			28
2.3.3 Запись длинных строк........................................................................			29
2.3.4 Комментарии.......................................................................................			29
2.4	Лексемы .....................................................................................................		30
2.4.1 Ключевые слова ..................................................................................			30
2.4.2 Идентификаторы.................................................................................			31
2.4.3 Константы............................................................................................			31
	2.4.3.1 Десятичные константы.................................................................		32
	2.4.3.2 Восьмеричные константы ............................................................		32
	2.4.3.3 Шестнадцатеричные константы..................................................		32
	2.4.3.4 Суффиксы для без знаковых и длинных целых чисел..............		33
	2.4.3.5 Символьные константы................................................................		33
	2.4.3.6 Использование обратной косой черты (\) ..................................		33
	2.4.3.7 Константы с плавающей запятой ................................................		34
	2.4.3.8 Типы данных констант с плавающей запятой ...........................		35
2.4.4 Перечисляемые константы (enum)....................................................			35
2.5	Синтаксические структуры С..................................................................		35
2.5.1 Объявления..........................................................................................			35
2.5.2 Объект..................................................................................................			35
2.5.3 Левое значение (Lvalue).....................................................................			36
2.5.4 Правое значение (Rvalue) ..................................................................			36
2.5.5 Тип и класс памяти.............................................................................			36
2.5.6 Область действия................................................................................			37
2.5.7 Блочная область действия..................................................................			37
2.5.8 Область действия — вся функция ....................................................			37

4
2.5.9 Область действия прототип функции...............................................	37
2.5.10 Область действия — файл ...............................................................	38
2.5.11 Пространство имен...........................................................................	38
2.5.12 Видимость .........................................................................................	38
2.5.13 Время существования ......................................................................	39
2.5.14 Статические объекты .......................................................................	39
2.5.15 Локальные объекты ..........................................................................	39
2.5.16 Динамические объекты ....................................................................	40
2.6 Объявления................................................................................................	40
2.6.1 Типы объявлений................................................................................	40
2.6.2 Объявление переменных....................................................................	40
2.6.3 Объявление массивов.........................................................................	41
2.6.4 Объявление строк символов..............................................................	42
2.6.5 Объявление структур .........................................................................	42
2.6.6 Объявления объединений ..................................................................	44
2.6.7 Объявление собственного типа (typedef) .........................................	44
2.6.8 Битовые поля.......................................................................................	45
2.7 Функции ....................................................................................................	46
2.8 Основные операции в Си .........................................................................	46
2.8.1 Унарные операции..............................................................................	46
2.8.2 Бинарные операции ............................................................................	47
2.8.3 Побитовые операции ..........................................................................	47
2.8.4 Операции сдвига .................................................................................	48
2.9 Выражения ................................................................................................	48
2.10 Операторы ...............................................................................................	49
2.10.1 Составной оператор..........................................................................	49
2.10.2 Условный оператор ..........................................................................	49
2.10.3 Оператор while ..................................................................................	52
2.10.4 Оператор for ......................................................................................	53
2.10.5 Оператор do while .............................................................................	54
2.10.6 Оператор continue .............................................................................	55
2.10.7 Оператор break..................................................................................	55
2.10.8 Оператор switch ................................................................................	56
2.10.9 Оператор return.................................................................................	57
2.10.10 Метки и оператор goto ...................................................................	58
2.11 Указатели.................................................................................................	58
2.11.1 Что такое указатель ..........................................................................	58
2.11.2 Указатели на массивы ......................................................................	61
2.11.3 Указатели и динамическое распределение памяти.......................	62
2.11.4 Указатели на структуры...................................................................	64
2.11.5 Указатели на функции......................................................................	66
2.11.6 Указатели и константы ....................................................................	67
2.12 Программы и подпрограммы ................................................................	68

	5
2.12.1 Функции в Си....................................................................................		70
2.13 Препроцессор..........................................................................................		74
2.13.1 Директива #include ...........................................................................		75
2.13.2 Директива #define .............................................................................		75
2.13.2 Условная компиляция ......................................................................		77
2.3	Механизм реализации языков программирования ...............................	78
2.3.1 Передача параметров .........................................................................		80
2.3.2 Механизм выделения локальной памяти под переменные ............		82
2.3.3 Использование ассемблерных вставок.............................................		83
2.3.4 Использование регистров ..................................................................		83
2.3.5 Связь с операционной системой .......................................................		84
2.3.6 Описание наиболее часто используемых функций
из системных библиотек .............................................................................		85
2.4	Технология создания исполняемой программы....................................	89
2.4.1 Текстовый редактор ...........................................................................		89
2.4.2 Компилятор .........................................................................................		89
2.4.3 Редактор связей...................................................................................		90
2.4.4 Отладчик..............................................................................................		90
2.4.5 Помощь ................................................................................................		91
2.4.6 Вспомогательные средства................................................................		91
2.4.7 Средства управления проектом ........................................................		91
Глава 3. СОБЫТИЙНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ
ПРОГРАММИРОВАНИЕ.................................................................................		92
Введение ..........................................................................................................		92
3.1	Графический интерфейс пользователя (GDI)........................................	93
3.2	Программирование функциональности окна ........................................	97
3.3	Создание, идентификация и удаление объектов Windows ..................	98
3.4	Основные типы Windows.........................................................................	99
3.5	Структура приложение ..........................................................................	100
3.6	Главная функция (WinMain) .................................................................	100
3.7	Оконная процедура ................................................................................	102
3.7.1 Процесс создания окна.....................................................................		104
3.7.2 Процесс отображения окна..............................................................		104
3.7.3 Процесс завершения работы приложения .....................................		105
3.7.4 Процесс обработки сообщений по умолчанию .............................		105
3.7.5 Процесс перерисовки окна ..............................................................		107
3.8	Контекст устройства ..............................................................................	107
3.8.1 Контекст устройства дисплея..........................................................		109
3.8.2 Контекст устройства для работы с принтером..............................		110
3.8.3 Контекст устройства для работы с памятью..................................		111
3.9	Шрифты и вывод текста ........................................................................	111
3.9.1 Компьютерное представление текста.............................................		112
3.9.2 Шрифт................................................................................................		112

6
3.9.3 Вывод текста в Windows..................................................................	120
3.10 Вывод фигур и линий...........................................................................	122
3.10.1 Функции вывода фигур..................................................................	124
3.10.2 Вывод линий ...................................................................................	125
3.10.3 Вывод кривых (curves) ...................................................................	126
3.11 Битовые карты (bitmap)........................................................................	127
3.12 Работа с клавиатурой ...........................................................................	130
3.13 Работа с мышкой ..................................................................................	132
3.13.1 Пример рисование линий (эффект резиновой нити) ..................	133
3.14 Ресурсы ..................................................................................................	135
3.14.1 Основные понятия ..........................................................................	135
3.14.2 Язык описания ресурса ..................................................................	136
3.14.3 Использование ресурсов ................................................................	144
3.15 Процесс обработки WM_COMMAND ...............................................	147
3.16 Стандартные элементы управления (Control) ...................................	148
3.16.1 Кнопки (Buttons) .............................................................................	149
3.16.2 Статические поля............................................................................	150
3.16.3 Редактируемые поля (Edit) ............................................................	151
3.16.4 Перечни ...........................................................................................	152
3.16.5 Линейки прокрутки ........................................................................	153
3.17 Диалоговые панели ..............................................................................	157
Глава 4. ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ
ПРОГРАММИРОВАНИЕ...............................................................................	159
Введение ........................................................................................................	159
4.1 Объектно-ориентированное программирование на С++....................	170
4.1.1 Простейший ввод/вывод ..................................................................	170
4.1.2 Понятие ссылки ................................................................................	171
4.1.3 Операторы new и delete....................................................................	176
4.1.4 Операция разрешения видимости ::................................................	179
4.1.5 Понятие класса..................................................................................	180
4.1.6 Указатель this ....................................................................................	182
4.1.7 Объект................................................................................................	182
4.1.8 Конструктор ......................................................................................	183
4.1.9 Деструктор ........................................................................................	184
4.1.10 Конструктор копирования .............................................................	186
4.1.11 Определение прав доступа к членам объектов класса ...............	188
4.1.12 Статические члены класса .............................................................	189
4.1.13 Наследование ..................................................................................	191
4.1.14 Дружественные функции и классы...............................................	198
4.1.15 Полиморфизм..................................................................................	198
4.1.16 Перегрузка операций......................................................................	203
4.1.17 Импорт объектов ............................................................................	224
4.1.18 Идентификация объектов во время выполнения (RTTI)............	226

7
4.1.19 Контейнеры .....................................................................................	229
4.1.20 Списки .............................................................................................	232
4.1.21 Шаблоны..........................................................................................	234
4.1.22 Обработка исключительных ситуаций.........................................	240
4.1.23 Потоки ввода/вывода .....................................................................	243
4.2 Реализация классов средствами Си ......................................................	263
4.3 Реализация объктно-ориентированного подхода для создания
приложения в Windows...............................................................................	266
ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................	269

8

Глава 1. ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

1.1 Основные термины и определения

Программирование это процесс создания программ для ЭВМ [1]. На заре компьютерной эры программирование воспринималось как искусство [2]. Однако, по мере развития систем программирования этот процесс становится все более изученным. Появляются термины методология про-

граммирования [3], технология программирования [4–6], наука программирования [7–9] инженерия программного обеспечения [10,11]. Однако, в

споре о том, что программирование это искусство или наука нет окончательного решения.

Основным, определяющим элементом современных систем программирования является методология. Методология, как философская категория, это система принципов и основ организации и построения творческой и практической деятельности [12]. Таким образом, методология программирования есть система принципов, основ организации и построения программного обеспечения. В настоящее время уже разработано достаточно большое количество методологий. Ниже перечислены наиболее известные:

1)модульное программирование [13,14];

2)структурное программирование [15–17];

3)логическое программирование [18–20];

4)событийно-ориентированное программирование;

5)объектно-ориентированное программирование [21–24];

6)визуальное программирование [25–27].

7)функциональное программирование [28–30];

8)концептуальное программирование [31];

9)доказательное программирование [32];

10)мобильное программирование [33, 34];

11)экстремальное программирование [35–37].

Исторически, многие методологии развивались параллельно и воплощались в различных технологиях программирования и соответственно в системах программирования. Кроме того, методологии модульного, структурного, объектно-ориентированного и визуального программирования — развитие одной ветви, которая имеет универсальный характер применения. Другие, такие как концептуальное, функциональное, логическое программирование также носят универсальный характер, но применение нашли только в области искусственного интеллекта.

Важно разграничить методологию и технологии программирования. Методология программирования больше отвечает за идейную сторону и философский аспект создания программ, в то время как технология базируется на той или иной методологии и несет больше практическую нагруз-

9

ку по созданию программного обеспечения. В рамках одной методологии может быть большое количество технологий. Таким примером является методология объектно-ориентированного программирования. Технологий, поддерживающих объектно-ориентированное программирование, огромное количество. Например, OLE, COM, RUP и др. [38–43].

Кроме того, методологии программирования можно разделить на два класса [44]: тяжелые и гибкие (облегченные). В первом классе разработчик воспринимается как элемент методологии, который может быть заменен. Поэтому каждый шаг в таких методологиях должен быть подробно описан. Во втором классе, человек воспринимается как существеннонелинейный элемент методологии [45], а программный код является исходной документацией. В настоящее время наблюдается переход от тяжелых методологий к гибким.

1.2 Жизненный цикл программы

Компьютерные учебные программы можно отнести к сложным программным системам. Это объясняется тем, что, во-первых, учебный процесс слабо формализуем, во-вторых, сама предметная область может быть достаточно сложной для обучения и соответственно для реализации ее модели в компьютерной учебной программе, в-третьих, сложность может представлять направленность КУП для определенной группы обучаемых.

Известно [46], что для сложных программных систем жизненный цикл можно представить в виде шести этапов:

1.Выявление и анализ требований, предъявляемых к компьютерным учебным программам.

2.Определение спецификаций.

3.Проектирование.

4.Кодирование.

5.Тестирование и отладка.

6.Эксплуатация и сопровождение.

Рассмотрим каждый этап этого цикла.

Выявление и анализ требований, как правило, производится с помощью системного анализа. Возьмем за основу методику системного анализа, представленную в работе [47, 48].

Эта методика первоначально предполагает выявление всех «заинтересованных сторон» — участников проблемной ситуации. На рис. 1 представлены основные целеполагающие системы для КУП.

Это прежде всего «обучаемый» — конечный пользователь КУП. Требования со стороны обучаемого можно разделить на три группы:

–психолого-педагогические;

–инженерно-психологические;

–медицинские.