| 
  • If you are citizen of an European Union member nation, you may not use this service unless you are at least 16 years old.

  • Stop wasting time looking for files and revisions. Connect your Gmail, DriveDropbox, and Slack accounts and in less than 2 minutes, Dokkio will automatically organize all your file attachments. Learn more and claim your free account.

View
 

Глава 6

Page history last edited by PBworks 13 years, 8 months ago

ИЗЮМИНКИ ЯЗЫКА ДРАКОН

 Графический язык является главным средством достижения наглядности

Константин Гомоюнов

КРИТИКА БЛОК-СХЕМ

Эффективным средством для улучшения понимаемости алгоритмов является визуализация программирования, а несколько раньше для этой цели использовались блок-схемы. Однако в последнее время блок-схемы подвергаются критике. Противники блок-схем утверждают, что они непригодны для структурного программирования, не поддаются формализации, поэтому их “нельзя использовать как программу для непосредственного ввода в машину”. Они занимают много страниц, причем “в клеточки блок-схем можно вписывать весьма ограниченные сведения”. Блок-схемы “затрудняют обучение и снижают производительность при понимании”. Кроме того, они удобны не для всех — работу с блок-схемами предпочитают только “индивидуумы с правым ведущим полушарием, ориентированные на визуальную информацию, интуитивные, распознающие образы”, однако их избегают “индивидуумы с левым ведущим полушарием, ориентированные на словесную информацию, склонные к дедуктивным рассуждениям” и т. д.

Если до 1980 г. блок-схемы были наиболее широко применяемым средством, то сегодня они “больше не считаются необходимыми и их популярность падает”. Хотя имеются отдельные попытки приспособить блок-схемы к современным нуждам (язык SDL и др.), однако в целом блок-схемы явно оказались на обочине бурно развивающегося процесса визуализации программирования, а их громадные потенциальные возможности фактически не используются. Язык ДРАКОН позволяет устранить или существенно ослабить отмеченные недостатки блок-схем.

Для обозначения блок-схем, построенных по правилам языка ДРАКОН, используется термин “дракон-схемы”.

ПРЕИМУЩЕСТВА ДРАКОН-СХЕМ

Чем же отличаются дракон-схемы от блок-схем? Блок-схемы не обеспечивают автоматическое преобразование алгоритма в машинный код. Дракон-схемы, напротив, пригодны для формализованной записи, автоматического получения кода и исполнения его на компьютере. Однако более важным является второе (когнитивное) отличие. Хотя блок-схемы порою действительно улучшают понимаемость программ, однако это происходит не всегда, причем степень улучшения невелика. Кроме того, есть немало случаев, когда неудачно выполненные блок-схемы запутывают дело и затрудняют понимание. В отличие от них дракон-схемы удовлетворяют критерию сверхвысокой понимаемости.

Благодаря использованию специальных формальных и неформальных когнитивных приемов дракон-схемы дают возможность изобразить решение любой, сколь угодно сложной технологической проблемы в предельно ясной, наглядной и доходчивой форме, которая позволяет значительно сократить интеллектуальные усилия персонала, необходимые для зрительного восприятия, понимания, верификации и безошибочного решения проблем.

ИКОНЫ И МАКРОИКОНЫ

Графоэлементы (графические буквы) языка ДРАКОН называются иконами (рис. 1). Подобно тому, как буквы объединяются в слова, иконы объединяются в составные иконы — макроиконы (рис. 2).

Соединяя иконы и макроиконы по определенным правилам, можно строить разнообразные алгоритмы, примеры которых показаны на рис. 3, 4, 6, 8—11.

Шампур-блок — часть дракон-схемы, имеющая один вход сверху и один выход снизу, расположенные на одной вертикали. Примерами шампур-блоков являются иконы И3 — И10, И12 — И16, И18, И20, И21 (рис. 1) и макроиконы 2—20 (рис. 2).

ЗАЧЕМ НУЖНА ВЕТКА?

Когда принцесса Анна развелась с маркизом Ле-Шателье, возник спор о разделе имущества. Судья потребовал указать, какие покупки принцесса сделала до замужества, а какие — после.

А теперь забудем об этой семейной драме и сравним между собой рис. 3а и 3б. Легко видеть, что первый не позволяет ответить на вопрос судьи. Что касается второго, то он, наоборот, содержит нужную информацию. Более того, алгоритм на рис. 3б нарочно нарисован так, что покупки, сделанные до и после замужества, четко делятся на два списка. Эти списки зрительно и пространственно разнесены, поэтому деление алгоритма на две части независимо от воли читателя буквально бросается в глаза. Такой прием называется разбиением алгоритма на смысловые части по принципу “взглянул — и сразу стало ясно!” А сами смысловые блоки именуются ветками.

Слово “ветка” имеет два значения. С одной стороны, это смысловой “кусок” алгоритма. Например, алгоритм на рис. 3б имеет две ветки (“Покупки до замужества” и “Покупки после замужества”). На рис. 4 — четыре ветки (“Подготовка к ловле”, “Ожидание клева”, “Рыбацкая работа”, “Обратная дорога”). С другой стороны, ветка — составной оператор языка ДРАКОН, который не имеет аналогов в известных языках. Оператор “ветка” состоит из трех частей: начала ветки (икона “имя ветки”), тела ветки (которое может содержать большое число икон) и конца ветки (который содержит одну или несколько икон “адрес” либо икону “конец”).

Итак, зачем нужна ветка? Чтобы помочь работнику умственного труда, программисту и разработчику технологии формализовать смысловое разбиение проблемы, программы или техпроцесса на части и дать частям удобные смысловые названия. При этом разделение проблемы на N смысловых частей реализуется путем разбиения алгоритма на N веток.

КАК РАБОТАЕТ ВЕТКА?

Ветка имеет один вход и один или несколько выходов. Входом служит икона “имя ветки”, содержащая идентификатор ветки. Визуальный оператор “имя ветки” не выполняет никаких действий, это всего лишь метка, объявляющая название смысловой части программы. Исполнение дракон-алгоритма всегда начинается с крайней левой ветки (рис. 3, 4).

Выходом из ветки служит икона “адрес”, в которой записывается имя следующей по порядку исполнения ветки. Икона “адрес” — это замаскированный оператор перехода (gоtо), однако он передает управление не куда угодно, а только на начало выбранной ветки. Вход в ветку возможен только через ее начало. Выход из последней ветки осуществляется через икону “конец”.

КАК СЛЕДУЕТ РАСПОЛАГАТЬ ВЕТКИ В ПОЛЕ ЧЕРТЕЖА?

Ветки упорядочены двояко: логически и пространственно. Логическая последовательность исполнения веток определяется метками, записанными в иконах “адрес”. Однако логический порядок — это еще не все. На рис. 5 показаны три разных способа пространственного расположения веток, которые имеют один и тот же логический порядок. Чтобы устранить пространственную неоднозначность и облегчить понимание смысла дракон-схемы, вводится правило “чем правее — тем позже”. Оно означает: ветка, нарисованная правее, работает позже всех веток, находящихся левее.

Алгоритм, нарисованный согласно правилу “чем правее — тем позже”, считается хорошим, эргономичным (рис. 5в). Схемы, где это правило нарушается, объявляются плохими (рис. 5а,б), их использование запрещено.

В разрешенных (эргономичных) алгоритмах имеет место следующий порядок работы (рис. 3, 4, 5в, 6а):

  • первой работает крайняя левая ветка, последней — крайняя правая;
  • остальные ветки передают управление друг другу слева направо (при этом может случиться так, что некоторые ветки будут пропущены);
  • иногда образуется так называемый “веточный цикл”. Это происходит, когда в иконе “адрес” указано имя собственной или одной из левых веток. На рис. 4 и 6а веточный цикл помечен черными треугольниками.

ЧТО ТАКОЕ ШАПКА?

С точки зрения читателя, любой незнакомый или забытый нетривиальный алгоритм — чрезвычайно сложная проблема, которую он отчаянно пытается понять, преодолевая мощное “сопротивление материала”. Чтобы упростить дело и облегчить задачу понимания, нужно, чтобы читатель “прозрел” и, расчленив проблему на части, увидел ее смысловую структуру в терминах предметной области. Причем увидел не в фигуральном смысле слова, не с помощью воображения, не духовным оком, а своими двумя глазами — на бумаге или экране.

Но как это сделать? Трудность в том, что ни один из существующих языков не предоставляет читателю, изучающему сложную программу или технологию, эффективной помощи, позволяющей моментально (за несколько секунд) уяснить ее структуру, т. е. деление на смысловые блоки. В языке ДРАКОН имеются специальные средства, обеспечивающие решение задачи.

Шапкой называется верхняя часть дракон-схемы (рис. 4), которая включает заголовок алгоритма и комплект икон “имя ветки”. Назначение шапки — помочь читателю мгновенно (не более чем за несколько секунд) сориентироваться в проблеме и получить мощную подсказку — ответ на три наиболее важных вопроса:

  1. как называется проблема?
  2. из скольких частей она состоит?
  3. как называется каждая часть?

Ведь именно с этих вопросов начинается наше знакомство с любой задачей при рациональном подходе к делу.

Вот ответы для рис. 4.

  • Как называется проблема? Рыбная ловля.
  • Из скольких частей состоит проблема? Из четырех.
  • Как называется каждая часть? 1. Подготовка к ловле. 2. Ожидание клева. 3. Рыбацкая работа. 4. Обратная дорога.

Дополнительные удобства связаны с тем, что шапка занимает “парадное” место в поле чертежа, а названия смысловых частей помещаются внутри особых рамок уникальной формы и благодаря этому моментально приковывают к себе внимание читателя без всяких усилий с его стороны.

Таким образом, ДРАКОН предоставляет читателю эффективный трех-этапный метод познания незнакомой или забытой проблемы. На первом этапе, анализируя шапку, читатель узнает назначение алгоритма и его деление на смысловые части (ветки). На втором — осуществляется углубленный анализ каждой ветки. На третьем производится разбор взаимодействия веток.

ЧТО ЛУЧШЕ: ПРИМИТИВ ИЛИ СИЛУЭТ?

Дракон-схема с ветками называется силуэтом, без веток — примитивом. Силуэт, представленный на рис. 6а, можно изобразить в виде примитива (рис. 6б). Примитив есть последовательное соединение иконы “заголовок” шампур-блоков и иконы “конец”. У примитива иконы “заголовок” и “конец” обязательно лежат на одной вертикали, которая называется шампуром. На этой же линии лежат главные вертикали шампур-блоков. Образно говоря, шампур пронизывает иконы примитива (возможно, не все) подобно тому, как настоящий шампур пронизывает кусочки шашлыка.

Примитив рекомендуется использовать, если дракон-схема очень простая (примитивная) и содержит не более 5...15 икон. В противном случае, чтобы улучшить читаемость программы, выгоднее использовать силуэт. Нарушение этого правила обычно чревато неприятностями, ибо мешает читателю выявить сущность решаемой проблемы и, следовательно, затрудняет и замедляет понимание смысла программы.

Например, алгоритм на рис. 6б выглядит громоздким и неоправданно сложным для восприятия. Это вызвано тем, что он содержит 19 икон, однако изображен в виде примитива. Криминал в том, что схема на рис. 6б не позволяет читателю мгновенно (за несколько секунд) распознать визуально-смысловую структуру алгоритма. В самом деле, из скольких частей состоит решаемая проблема? Глядя на рис. 6б, ответить на этот вопрос довольно трудно, а быстро ответить — невозможно. Положение в корне меняется, когда мы смотрим на рис. 6а, где тот же самый алгоритм изображен в виде силуэта. Тут, как говорится, и ежу ясно: алгоритм состоит из четырех частей: “поиск автобуса”, “ожидание посадки”, “посадка в автобус”, “поездка”. Однако это не все: не менее важно и то обстоятельство, что запутанность зрительного рисунка исчезла и схема приобрела новое эстетическое (эргономическое) качество: элегантность, ясность и прозрачность.

Таким образом, в сложных случаях силуэт позволяет существенно уменьшить интеллектуальные усилия, затрачиваемые на понимание алгоритма. В силуэте крупные структурные части программы (ветки) четко выделены, они пространственно разнесены в поле чертежа, образуя вместе с тем легко узнаваемый, стабильный, предсказуемый и целостный зрительный образ. А в примитиве структурные части не выделены и перемешаны (“всё в одной куче”), что затрудняет чтение и анализ сложных алгоритмов. Однако для простых случаев (менее 5...15 икон) примитив, как правило, оказывается более предпочтительным.

КАК ОПИСАТЬ СИЛУЭТ С ПОМОЩЬЮ ТЕКСТОВОГО ЯЗЫКА?

Из рис. 7 видно, что для описания веток в текстовый язык пришлось внести ряд изменений. В частности, появились два новых текстовых оператора, отсутствующие в традиционных языках:

ВЕТКА < идентификатор ветки >

АДРЕС < идентификатор ветки >

Оператор текстового языка ВЕТКА объявляет название ветки (записываемое на визуальном языке внутри иконы “имя ветки”). Оператор АДРЕС безусловно передает управление на текстовый оператор ВЕТКА, имя которой записано справа от оператора АДРЕС.

Сравнивая два языка: визуальный и текстовый, можно заметить, что соответствующие алгоритмы (рис. 6а и 7) эквивалентны1. Однако визуальный язык несомненно более нагляден и доходчив. Второе преимущество состоит в том, что графика позволяет полностью исключить избыточные (паразитные) элементы, каковыми в текстовом языке оказываются почти все ключевые слова: АЛГОРИТМ, ВЕТКА, АДРЕС, КОНЕЦ ВЕТКИ, ЕСЛИ, ТО, ИНАЧЕ, КОНЕЦ ЕСЛИ, ЦИКЛ ЖДАТЬ, КОНЕЦ ЦИКЛА, КОММЕНТАРИЙ, ПЕРЕХОД НА, а также метки.

ЕСТЬ ЛИ В АЛГОРИТМЕ “ЦАРСКАЯ ДОРОГА”?

Рассмотрим задачу. В запутанном лабиринте, соединяющем начало и конец сложного алгоритма, нужно выделить один-единственный маршрут — “путеводную нить”, с которой можно зрительно сравнивать все прочие маршруты, чтобы легко сориентироваться в проблеме и не заблудиться в путанице развилок. Эта путеводная нить (назовем ее “главный маршрут”) должна быть визуально легко различимой. Иными словами, бросив беглый взгляд на дракон-схему, мы должны обнаружить четкие ориентиры, благодаря которым можно сразу и безошибочно увидеть “царский” маршрут и упорядоченные относительно него остальные маршруты.

Для этого вводится правило: “главный маршрут примитива должен идти по шампуру”. Меняя местами слова “да” и “нет” в развилках и варианты в переключателях (а также присоединенные к ним гирлянды икон), следует добиться, чтобы на царском пути оказался тот выход развилки или переключателя, который ведет к наибольшему успеху (рис. 8). А побочные маршруты нужно расположить по правилу: “чем правее — тем хуже” (рис. 9). Если эти правила нарушены, дракон-схема считается плохой (рис. 10а). Однако ее всегда можно превратить в хорошую (рис. 10б).

В тех случаях, когда признак “лучше—хуже” не работает, вместо него следует выбрать какой-либо другой разумный критерий, чтобы смещение вправо от главного маршрута всегда было не произвольным и хаотичным, а продуманным и упорядоченным. Например, при решении математических задач выходы развилки и варианты переключателя можно расположить слева направо в порядке увеличения или уменьшения математической величины (характеристики), соответствующей этим выходам (рис. 11, 12).

ГЛАВНЫЙ МАРШРУТ СИЛУЭТА

В предыдущем параграфе мы узнали, как упорядочить маршруты примитива. Теперь настала очередь силуэта.

Шампуром ветки называется вертикаль, соединяющая икону “имя ветки” с иконой “адрес”, а если у ветки несколько выходов — с левым из них. Для ветки сохраняют силу оба “царских” правила:

  • главный маршрут ветки должен идти по шампуру;
  • побочные маршруты ветки следует упорядочить слева направо по какому-либо критерию.

Предположим, в качестве критерия выбран принцип “чем правее — тем хуже”. В этом случае каждая ветка силуэта должна быть построена по единому правилу: чем правее (чем дальше от шампура данной ветки) расположена очередная вертикаль, тем менее успешные действия она выполняет.

Например, на рис. 6а ветка “посадка в автобус” имеет три вертикали. Левая вертикаль (главный маршрут) описывает наибольший успех, так как вы будете ехать в автобусе сидя. Правая вертикаль означает наименьший успех, поскольку вы вышли из автобуса и поездка откладывается. Средняя вертикаль (расположенная выше иконы “Есть желание ехать стоя?”) занимает промежуточное положение, потому что — в зависимости от ответа — может иметь место либо частичный успех (вы будете ехать, но не сидя, а стоя), либо неудача, поскольку вы выходите из автобуса несолоно хлебавши.

Главный маршрут силуэта — последовательное соединение главных маршрутов поочередно работающих веток. Таким образом, ДРАКОН позволяет читателю моментально увидеть главный маршрут любого, сколь угодно сложного и разветвленного алгоритма и, сверх того, делает смещение всех побочных маршрутов относительно “царского” не случайным, а осмысленным и предсказуемым, т. е. легким для восприятия.

ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ЛИНИЙ? — БОЖЕ УПАСИ!

Некоторые специалисты, склонные к резким выражениям, называют традиционные блок-схемы алгоритмов “помоечными блок-схемами”, потому что изображенные на них хитросплетения блоков, соединенные хаосом куда угодно гуляющих рваных линий больше напоминают кучу мусора, нежели регулярную структуру. ДРАКОН выгодно отличается тем, что его графический узор имеет строгое математическое и когнитивно-эргономическое обоснование и подчиняется жестким и тщательно продуманным правилам. Среди них особое место занимает правило: “пересечения и обрывы соединительных линий запрещены”.

При вычерчивании обычных блок-схем допускаются два типа пересечения линий: явное, изображенное крестом линий, и замаскированное, выполняемое с помощью так называемых соединителей. Как известно, соединитель “используется для обрыва линии и продолжения ее в другом месте... для избежания излишних пересечений”.

В языке ДРАКОН все перечисленные ухищрения (пересечения, обрывы, соединители) по эргономическим соображениям считаются вредными и категорически запрещены, так как они засоряют поле чертежа ненужными деталями, создают визуальные помехи для глаз и отвлекают внимание от главного.

Поскольку запрет пересечений является серьезным топологическим ограничением, возникает вопрос: можно ли произвольный алгоритм изобразить в виде дракон-схемы?

Теорема 1. Любая структурная программа может быть изображена на языке ДРАКОН двумя способами: в виде примитива и в виде силуэта.

Теорема 2. Произвольная (неструктурная) программа в ряде случаев не может быть изображена в виде примитива; однако с помощью эквивалентных преобразований, допускающих введение дополнительных переменных (идентификаторов ветки), она всегда может быть изображена в виде силуэта.

Чтобы прояснить вопрос, обратимся к примерам. На рис. 13а приведена запрещенная дракон-схема: примитив, в котором имеется неустранимое (без введения дополнительных переменных) пересечение. На рис. 13б изображен силуэт, который, как нетрудно убедиться, эквивалентен примитиву на рис. 13а и вместе с тем не содержит ни одного пересечения. Таким образом, пример на рис. 13 подтверждает справедливость теоремы 21.

Подведем итоги. Язык ДРАКОН обладает важным достоинством: он позволяет изобразить любой алгоритм, полностью отказавшись от таких эргономически неудачных приемов, как пересечения, обрывы, соединители. Отсутствие “паразитных элементов” создает дополнительные удобства для читателя, делает дракон-схему прозрачной, облегчает понимание.

ВИЗУАЛЬНЫЙ И ТЕКСТОВЫЙ СИНТАКСИС ДРАКОНА

ДРАКОН — визуальный язык, в котором используются два типа элементов: графические фигуры (графоэлементы) и текстовые надписи, расположенные внутри или снаружи графических фигур (текстоэлементы). Следовательно, синтаксис ДРАКОНА распадается на две части. Визуальный синтаксис охватывает алфавит графоэлементов, правила их размещения в поле чертежа и правила связи графоэлементов с помощью соединительных линий. Текстовый синтаксис задает алфавит символов, правила их комбинирования и привязку к графоэлементам (привязка необходима потому, что внутри разных графических фигур используются разные типы выражений). Оператором языка ДРАКОН является графоэлемент или комбинация графоэлементов, взятые вместе с текстовыми надписями.

Одновременное использование графики и текста говорит о том, что ДРАКОН адресуется не только к словесно-логическому мышлению автора и читателя программы, но сверх того активизирует интуитивное, образное, правополушарное мышление, стимулируя его не написанной, а именно нарисованной программой, т. е. программой-картинкой.

СЕМЕЙСТВО ДРАКОН-ЯЗЫКОВ

ДРАКОН — не один язык, а целое семейство, все языки которого имеют одинаковый визуальный синтаксис (что зрительно делает языки семейства почти близнецами) и отличаются текстовым синтаксисом.

ДРАКОН-1 — визуальный псевдоязык, визуальный аналог обычного текстового псевдокода. Он служит для описания структуры деятельности, создания технологий, алгоритмов и проектов программ, используется в методе пошаговой детализации, а также при формализации профессиональных знаний.

ДРАКОН-2 — язык визуального программирования реального времени. Он является элементом CASE-технологии для разработки программного обеспечения систем управления ракет и космических объектов, а также атомных электростанций, нефтехимических и металлургических заводов, биотехнологических производств и т. д.

Кроме того, семейство включает гибридные визуальные языки программирования: ДРАКОН-БЕЙСИК, ДРАКОН-ПАСКАЛЬ, ДРАКОН-СИ и т. д. Чтобы получить гибридный язык, например, ДРАКОН-СИ, необ-ходимо взять визуальный синтаксис ДРАКОНА и присоединить к нему по определенным правилам текстовый синтаксис языка СИ.

Строгое разграничение визуального и текстового синтаксиса позволяет в максимальной степени расширить сферу применения языка, обеспечивая его гибкость и универсальность. При этом единообразие правил визуального синтаксиса семейства ДРАКОН-языков обеспечивает их концептуальное единство, а разнообразие текстовых правил (т. е. возможность выбора любого текстового синтаксиса) определяет гибкость языка и легкую настройку на различные проблемные и предметные области.

В настоящей книге основное внимание уделяется визуальному псевдоязыку ДРАКОН-1. Что касается остальных языков ДРАКОН-семейства, даются лишь краткие пояснения.

ВЫВОДЫ

Приведем сводку эргономических правил, позволяющих улучшить когнитивное качество дракон-схем и сделать алгоритмы, программы и технологии более понятными.

  1. Сложный алгоритм следует рисовать в виде силуэта, простой — в виде примитива.
  2. В иконе “заголовок” запрещается писать слово “начало”; вместо этого следует указать понятное и точное название алгоритма.
  3. Разбейте сложный алгоритм на части, каждую часть изобразите в виде ветки. Дайте частям доходчивые и четкие названия и запишите их в иконах “имя ветки”.
  4. Вход в ветку возможен только через ее начало.
  5. В иконе “адрес” разрешается писать имя одной из веток, другие надписи запрещены.
  6. Ветки следует располагать в пространстве согласно правилу: чем правее, тем позже. Наличие веточного цикла модифицирует это правило.
  7. Примитив обязательно имеет шампур. Это значит, что у примитива иконы “заголовок” и “конец” всегда лежат на одной вертикали, которая и называется “шампур”.
  8. Каждая ветка обязательно имеет шампур. У правой ветки шампур — это вертикаль, соединяющая иконы “имя ветки” и “конец”. У остальных веток шампуром служит вертикальная линия, соединяющая иконы “имя ветки” и “адрес”, а если адресов несколько — с левым из них.
  9. Алгоритм всегда имеет главный маршрут, который должен идти по шампуру.
  10. Побочные маршруты должны быть упорядочены слева направо согласно одному из выбранных критериев, например: чем правее — тем хуже.
  11. В иконе “конец” следует писать слово “конец”.
  12. Соединительные линии могут идти либо горизонтально, либо вертикально. Наклонные линии не допускаются.
  13. Пересечения линий запрещены.
  14. Обрывы линий запрещены.
  15. Использование соединителей запрещено.

Comments (0)

You don't have permission to comment on this page.