Локальные и глобальные переменные и подпрограммы

Если переменная или константа описана в основной программе, она считается глобальной, и ее могут использовать любые процедуры и функции данной программы. Переменные, описанные внутри подпрограммы, называются локальными и могут быть использованы только внутри данной подпрограммы. Локальные переменные могут быть описаны как в заголовке подпрограммы, так и в разделе описания переменных. При совпадении имен глобальных и локальных переменных, локальные определения в пределах своего действия отменяют действия глобальных, и эти переменные никак не связаны между собой.

Рассмотрим две почти одинаковые программы.

Program Variant1; Var X: real; Procedure writeX; Var X: real; Begin write(X) End; Begin X:= Pi;; writeX End.

 

Program Variant2; Var X: real; Procedure writeX; Begin write(X) End; Begin X:= Pi; writeX End.

Нетрудно догадаться о содержании решаемой задачи: присвоить глобальной переменной X некоторое значение, а затем напечатать это число через специальную процедуру.

Во втором варианте программы переменная с именем Х описана только в основной программе, поэтому она, как глобальная переменная, доступна в подпрограмме. В результате будет напечатано значение числа Пи.

В первом варианте переменная X переопределена в подпрограмме, таким образом, в подпрограмме имеется локальная переменная X, ничем не связанная с переменной Х основной программы. Поскольку этой локальной переменной не присвоено значение, будет напечатано случайное число, содержащееся в соответствующей ячейке памяти.

Возникает вопрос, какова роль локальных переменных, нельзя ли все переменные описать как глобальные?

Процедура должна быть, по возможности, независима от основной программы, поэтому все переменные, нужные только в пределах процедуры, должны описываться как локальные. Общение основной программы с подпрограммой должно, как правило, идти через список параметров процедуры, что придает подпрограммам необходимую гибкость. Вместе с тем, излишне большое число параметров, передаваемое в подпрограмму при ее вызове, замедляет работу программы, поэтому не следует пренебрегать использованием в подпрограммах глобальных переменных.

Кроме локальных переменных, в подпрограммах могут быть и локальные подпрограммы. Это подпрограммы, текст которых размещен внутри текста подпрограммы более высокого уровня. Использование таких подпрограмм, как и локальных переменных, ограничивается подпрограммой, к которой они принадлежат.

Локальность или глобальность являются понятиями относительными. Программа с вложенными в нее подпрограммами представляет собой иерархическое дерево. Объект, локальный по отношению к более высокому уровню иерархии, ведет себя как глобальный по отношению к подпрограммам более низкого уровня.

 

МОДУЛЬНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ.ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ.СТРУКТУРА МОДУЛЯ В ЯЗЫКЕ ПАСКАЛЬ.

Стандартный Паскаль не предусматривает механизмов раздельной компиляции частей программы с последующей их сборкой перед выполнением. Вполне понятно стремление разработчиков коммерческих компиляторов Паскаля включать в язык средства, повышающие его модульность.

Модуль Паскаля – это автономно компилируемая программная единица, включающая в себя различные компоненты раздела описаний (типы, константы, переменные, процедуры и функции) и, возможно, некоторые исполняемые операторы инициирующей части.

Основным принципом модульного программирования является принцип «разделяй и властвуй». Модульное программирование – это организация программы как совокупности небольших независимых блоков, называемых модулями, структура и поведение которых подчиняются определенным правилам.

Использование модульного программирования позволяет упростить тестирование программы и обнаружение ошибок. Аппаратно-зависимые подзадачи могут быть строго отделены от других подзадач, что улучшает мобильность создаваемых программ.

Термин «модуль» в программировании начал использоваться в связи с внедрением модульных принципов при создании программ. В 70-х годах под модулем понимали какую-либо процедуру или функцию, написанную в соответствии с определенными правилами. Например: «Модуль должен быть простым, замкнутым (независимым), обозримым (от 50 до 100 строк), реализующим только одну функцию задачи, имеющим одну входную и одну выходную точку».

Первым основные свойства программного модуля более-менее четко сформулировал Парнас (Parnas): «Для написания одного модуля должно быть достаточно минимальных знаний о тексте другого». Таким образом, в соответствии с определением, модулем могла быть любая отдельная процедура (функция) как самого нижнего уровня иерархии (уровня реализации), так и самого верхнего уровня, на котором происходят только вызовы других процедур-модулей.

Таким образом, Парнас первым выдвинул концепцию скрытия информации (information hiding) в программировании. Однако существовавшие в языках 70-х годов только такие синтаксические конструкции, как процедура и функция, не могли обеспечить надежного скрытия информации, поскольку подвержены влиянию глобальных переменных, поведение которых в сложных программах бывает трудно предсказуемым.

Решить эту проблему можно было только разработав новую синтаксическую конструкцию, которая не подвержена влиянию глобальных переменных.

Такая конструкция была создана и названа модулем. Изначально предполагалось, что при реализации сложных программных комплексов модуль должен использоваться наравне с процедурами и функциями как конструкция, объединяющая и надежно скрывающая детали реализации определенной подзадачи.

Таким образом, количество модулей в комплексе должно определяться декомпозицией поставленной задачи на независимые подзадачи. В предельном случае модуль может использоваться даже для заключения в него всего лишь одной процедуры, если необходимо, чтобы выполняемое ею локальное действие было гарантировано независимым от влияния других частей программы при любых изменениях.

Впервые специализированная синтаксическая конструкция модуля была предложена Н. Виртом в 1975 г. и включена в его новый язык Modula. Насколько сильно изменяются свойства языка, при введении механизма модулей, свидетельствует следующее замечание Н.Вирта, сделанное им по поводу более позднего языка Модула-2: «Модули – самая важная черта, отличающая язык Модула-2 от его предшественника Паскаля».

По своей организации и характеру использования в программе модули Паскаля близки к модулям-пакетам (PACKAGE) языка программирования Ада. В них так же, как и в пакетах Ады, явным образом выделяется некоторая «видимая» интерфейсная часть, в которой сконцентрированы описания глобальных типов, констант, переменных, а также приводятся заголовки процедур и функций. Появление объектов в интерфейсной части делает их доступными для других модулей и основной программы. Тела процедур и функций располагаются в исполняемой части модуля, которая может быть скрыта от пользователя.

Значение модулей для технологии разработки программного проекта может быть продемонстрировано диаграммой на рис. 2.

Модули представляют собой прекрасный инструмент для разработки библиотек прикладных программ и мощное средство модульного программирования. Важная особенность модулей заключается в том, что компилятор размещает их программный код в отдельном сегменте памяти. Длина сегмента не может превышать 64 Кбайт, однако количество одновременно используемых модулей ограничивается лишь доступной памятью, что позволяет создавать большие программы.

Структура модулей Паскаля

Всякий модуль Паскаля имеет следующую структуру:

Unit <имя_модуля>;
interface <интерфейсная часть>;
implementation < исполняемая часть >;
begin
<инициирующая часть>;
end.

Здесь UNIT – зарезервированное слово (единица); начинает заголовок модуля;

· <имя_модуля> - имя модуля (правильный идентификатор);

· INTERFACE – зарезервированное слово (интерфейс); начинает интерфейсную часть модуля;

· IMPLEMENTATION – зарезервированное слово (выполнение); начинает исполняемую часть модуля;

· BEGIN – зарезервированное слово; начинает инициирующую часть модуля; причем конструкция begin <инициирующая часть> необязательна;

· END – зарезервированное слово – признак конца модуля.

Таким образом, модуль Паскаля состоит из заголовка и трех составных частей, любая из которых может быть пустой.

Заголовок модуля Паскаля и связь модулей друг с другом

Заголовок модуля Паскаля состоит из зарезервированного слова unit и следующего за ним имени модуля. Для правильной работы среды Турбо Паскаля и возможности подключения средств, облегчающих разработку больших программ, имя модуля Паскаля должно совпадать с именем дискового файла, в который помещается исходный текст модуля. Если, например, имеем заголовок модуля Паскаля

Unit primer;

то исходный текст этого модуля должен размещаться на диске в файле primer.pas.

Имя модуля Паскаля служит для его связи с другими модулями и основной программой. Эта связь устанавливается специальным предложением:

uses<список модулей>

Здесь USES – зарезервированное слово (использует);

<список модулей> - список модулей, с которыми устанавливается связь; элементы списка – имена модулей через запятую.

Если в Паскале модули используются, то предложение uses <список модулей> должно стоять сразу после заголовка программы, т.е. должно открывать раздел описаний основной программы. В модулях Паскаля могут использоваться другие модули. В модулях предложение uses <список модулей> может стоять сразу после слова interface или сразу после слова implementation. Допускается и два предложения uses, т.е. оно может стоять и там, и там.

Интерфейсная часть

Интерфейсная часть открывается зарезервированным словом INTERFACE. В этой части содержатся объявления всех глобальных объектов модуля (типов, констант, переменных и подпрограмм), которые должны быть доступны основной программе и (или) другим модулям Паскаля. При объявлении глобальных подпрограмм в интерфейсной части указывается только их заголовок, например:

Пример фрагмента программы

Unit complexn;
Interface Type Complex= record
Re, im: real;
End;
Procedure AddC(x,y: complex, var z: complex);
Procedure MulC (x,y: complex, var z: complex);

Если теперь в основной программе написать предложение

Uses complexn;

то в программе станут доступными тип cmplex и две процедуры – AddC и MulC из модуля complexn.

Отметим, что объявление подпрограмм в интерфейсной части автоматически сопровождается их компиляцией с использованием дальней модели памяти. Таким образом, обеспечивается доступ к подпрограммам из основной программы и других модулей Паскаля.

Следует учесть, что все константы и переменные, объявленные в интерфейсной части модуля Паскаля, равно как и глобальные константы и переменные основной программы, помещаются компилятором Турбо Паскаля в общий сегмент данных (максимальная длина сегмента 65536 байт).

Порядок появления различных разделов объявлений и их количество может быть произвольным. Если в интерфейсной части объявляются внешние подпрограммы или подпрограммы в машинных кодах, их тела (т.е. зарезервированное слово EXTERNAL, в первом случае, и машинные коды вместе со словом INLINE – во втором) должны следовать сразу за их заголовками в исполняемой части модуля (не в интерфейсной!). В интерфейсной части модулей Паскаля нельзя использовать опережающее описание.

Исполняемая часть модуля Паскаля

Исполняемая часть модуля Паскаля начинается зарезервированным словом IMPLEMENTATION и содержит описания подпрограмм, объявленных в интерфейсной части. В ней могут объявляться локальные для модуля объекты – вспомогательные типы, константы, переменные и блоки, а также метки.

Описанию подпрограммы, объявленной в интерфейсной части модуля Паскаля, в исполняемой части должен предшествовать заголовок, в котором можно опустить список формальных параметров и тип результата для функции, так как они уже описаны в интерфейсной части. Но если заголовок подпрограммы приводится в полном виде, т.е. со списком параметров и объявлением типа результата для функции, то он должен полностью совпадать с заголовком подпрограммы в интерфейсной части, например:

Пример модуля Паскаля

Unit complexn;
{--------------------------------}
Interface
Type
Complex= record
Re, im: real;
End;
Procedure AddC(x,y: complex, var z: complex);
{---------------------------------}
Implementation
Procedure AddC;
z.re:= x.re + y.re;
z.im:= x.im + y.im;
end;
end.

Инициирующая часть модуля Паскаля

Инициирующая часть завершает модуль Паскаля. Она может отсутствовать вместе с начинающим ее словом BEGIN или быть пустой – тогда вслед за BEGIN сразу следует признак конца модуля.

В инициирующей части размещаются исполняемые операторы, содержащие некоторый фрагмент программы. Эти операторы исполняются до передачи управления основной программе и обычно используются для подготовки ее работы. Например, в инициирующей части могут инициироваться переменные, открываться файлы, устанавливаться связи с другими компьютерами и т.п.:

Пример модуля Паскаля

Unit fileText;
{-------------------------------}
Interface
Procedure print(s: string);
{-------------------------------}
implementation
var f: text;
const
name= ‘output.txt’;
procedure print;
begin
writeln(f, s)
end;
{---------------------------------}
{начало инициирующей части}
begin
assign(f, name);
rewrite (f);
{конец инициирующей части}
end.

Не рекомендуется делать инициирующую часть пустой, лучше ее опустить.

Компиляция модулей Паскаля

В среде Турбо Паскаль имеются средства, управляющие способом компиляции модулей и облегчающие разработку больших программ. Определены три режима компиляции: COMPILE, MAKE, BUILD. Режимы отличаются способом связи компилируемого модуля или основной программы с другими модулями, объявленными в предложении USES.

При компиляции модуля или основной программы в режиме COMPILE все, упоминаемые в предложении USES модули, должны быть предварительно откомпилированы, и результаты компиляции должны быть помещены в одноименные файлы с расширением TPU (от англ. Turbo Pascal Unit). Файл с расширением TPU создается автоматически при компиляции модуля Паскаля.

В режиме MAKE компилятор проверяет наличие TPU -файлов для каждого объявленного модуля. Если какой-либо файл не найден, система ищет одноименный файл с расширением PAS, т.е. файл с исходным текстом модуля Паскаля. Если таковой файл найден, система приступает к его компиляции. Кроме того, в этом режиме система следит за возможными изменениями исходного текста любого используемого модуля. Если в PAS -файл внесены изменения, то независимо от того, есть ли в каталоге соответствующий TPU -файл или нет, система откомпилирует его перед компиляцией основной программы. Более того, если изменения внесены в интерфейсную часть, то будут откомпилированы все другие модули, обращающиеся к нему. Режим MAKE существенно облегчает процесс разработки крупных программ с множеством модулей Паскаля: программист избавляется от необходимости следить за соответствием TPU -файлов их исходному тексту, т.к. система делает это автоматически.

В режиме BUILD существующие TPU -файлы игнорируются, система пытается отыскать и откомпилировать соответствующие PAS - файлы для каждого модуля Паскаля. После компиляции можно быть уверенным, что учтены все сделанные в текстах модулей Паскаля исправления и изменения.

Подключение модулей Паскаля к основной программе и их компиляция происходит в порядке их объявления в предложении USES. При переходе к очередному модулю Паскаля система предварительно ищет все модули, на которые он ссылается. Ссылки модулей Паскаля друг на друга могут образовывать древовидную структуру любой сложности, однако запрещается явное или косвенное обращение модуля к самому себе. Например, недопустимы следующие объявления:

Пример ошибок модуля Паскаля

Unit A; Unit B;
interface interface
uses B;Uses A;
……. ……
implementation implementation
…….. ……
end. end.

Это ограничение можно обойти, если «спрятать» предложение USES в исполняемые части зависимых модулей:

Пример исправленных ошибок модуля Паскаля

Unit A; Unit B;
interface interface
……. ……
implementation implementation
uses B;Uses A;
…….. ……
end. end.

Дело в том, что Турбо Паскаль разрешает ссылки на частично откомпилированные модули, что приблизительно соответствует опережающему описанию подпрограммы. Если интерфейсные части независимы (это обязательное условие!), Турбо Паскаль сможет идентифицировать все глобальные объекты в каждом модуле, после чего откомпилирует тела модулей обычным способом.

Доступ к объявленным в модуле Паскаля объектам

Пусть, например, мы создаем модуль Паскаля, реализующий сложение и вычитание комплексных чисел с помощью процедур:

Пример модуля реализующий сложение и вычитание комплексных чисел

Unit complexn;
Interface
type
complex= record
re, im: real;
end;
procedure AddC (x, y: complex; var z: complex);
procedure SubC (x, y: complex; var z: complex);
const c: complex= (re: 0.1; im: -1);
implementation
procedure AddC;
begin
z.re:= x.re + y.re;
z.im:= x.im + y.im;
end; {AddC}
procedure SubC;
begin
z.re:= x.re - y.re;
z.im:= x.im - y.im;
end; {SubC}
end.

Текст этого модуля следует поместить в файл complexn. pas. Вы можете его откомпилировать, создав TPU -файл.

В следующей программе осуществляются арифметические операции над комплексными числами: