CC BY
24
Красилъников Николай Николаевич, Парфенов Владимир Глебович, Царев Федор Николаевич, Шалыто Анатолий Абрамович
ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ДЛЯ ПЕРВОНАЧАЛЬНОГО ОБУЧЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЮ ПРОГРАММ
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время школьников даже старших классов не учат проектированию программ, а студентов обучают лишь в некоторых вузах и только на старших курсах.
Так же как до последнего времени программированию учили на Паскале как языке, наиболее удобном для первоначального обучения профессиональному программированию, так авторами настоящей работы предлагается первоначально обучать проектированию на основе автоматного подхода. По мнению авторов, автоматы являются ес-
тественной формой описания поведения сущностей, так как состояния и переходы из одного состояния в другое присущи и естественны для человека.
Этот подход в течение уже нескольких лет используется на кафедре «Компьютерные технологии» СПбГУ ИТМО студентами третьего курса, которые разрабатывают проекты и проектную документацию к ним на основе автоматного подхода [1]. Документация и проекты публикуются на сайте http://is.ifmo.ru. Для поддержки автоматного программирования создано инструментальное средство итЫой [2]. Однако для первоначального знакомства с проектированием это средство является достаточно сложным.
Поэтому в рамках настоящей работы предложен упрощенный подход к обучению проектированию программ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Разработана «Виртуальная лаборатория для обучения проектированию программ», в которой предлагается создать программные модули для управления различными сущностями.
При этом по словесному описанию сущности проектируется граф переходов ко-
нечного автомата, по которому текст программы строится формально и изоморфно. Для такой реализации разработан текстовый язык автоматного программирования.
ТЕКСТОВЫЙ ЯЗЫК АВТОМАТНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Предлагаемый язык позволяет в простой форме описывать графы переходов автоматов Мили - состояния и переходы между ними.
В языке предусмотрены следующие конструкции:
• automata <name> - объявление автомата, за которым должна следовать его реализация, заключенная в фигурные скобки. Начальное состояние - нулевое.
• state <name> - объявление состояния, за которым в фигурных скобках должно следовать описание его переходов.
• on <event name> if(<logic statement>) do {<job1>, <job2>,...} go to <state name>; -описание перехода из текущего состояния в состояние <state name> по событию <event name> при выполнении логического условия <logic statement>. При переходе выполняются действия <job1>,... В этой конструкции допускается пропуск if(<logic statement>), do {<job1>, <job2>,...} и go to <state name>.
Рассмотрим пример описания автомата на этом языке (листинг 1).
Здесь описывается автомат Auto, состоящий из двух состояний stateO и statel. С состояниями связаны переходы, выполняю-
щиеся в зависимости от условий, и действия, производимые во время переходов.
Аналогичный язык уже был предложен в работе [3], но он был реализован только в среде MPS (Meta Programming System) от компании JetBrains, что сильно затрудняет его использование.
Для языка, описанного в настоящей работе, была написана формальная грамматика и реализован простой компилятор.
КОМПИЛЯТОР ДЛЯ ТЕКСТОВОГО ЯЗЫКА АВТОМАТНОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Компилятор преобразует текст программы на языке автоматного программирования в экземпляр класса языка Java. Полученный экземпляр класса сразу готов к использованию.
Описание процесса построения компилятора и описание тонкостей его работы
"Комиъфйо^ ¿некой ц/Ьтрлмми...
á экземпляр кллом Java...
Листинг 1
automata Auto {
state stateO {
on eventO if(stmt0 && stmtl) do {jobO}; on eventO if(!stmt2) do {jobl} go to statel;
}
state state1 {
on eventO if(stmtl) go to stateO; on eventO do {jobl};
}
■ 1—' ^ Г— ь- - - Ь лжи I О
, — Ш . Р Ч "4+1 ■ ■■ 1-
7 ЯП
■44« * 1- 9- V » » И- ■■V»! -.¿»ч. Р
№ я л л р ■ II в ■ « в « -а й в 1 1
V Р
и ■ ■ ■ .„ -— _Ш
Рис. 1
выходит за рамки дайной статьи, так как о построении компиляторов подробно написано в книге [4].
ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ
В «Виртуальной лаборатории для обучения проектированию программ» представлен набор заданий, в каждом из которых предлагается самостоятельно реализовывать (по спроектированному учащимися графу переходов) поведение соответствующей сущности на предложенном текстовом языке автоматного программирования. В лаборатории можно найти и готовые программы, которые легко модифицируются пользователем.
Кеобх&римое обугеКсф осКо&яж
Ял «фи&их» х/мо/лх...
В состав виртуальной лаборатории входит редактор кода для редактирования текстов программ и указанный выше компилятор. Поскольку результатом работы компилятора является готовый для использования экземпляр класса, то имеется возможность наблюдать за изменениями поведения объектов без перекомпиляции остальных модулей виртуальной лаборатории.
Таким образом, виртуальная лаборатория содержит все необходимое для обучения основам проектирования на «живых» примерах непосредственно в окне интернет-браузера.
Виртуальная лаборатория расположена на сайте http://is.ifmo.ru в одноименном разделе.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Покажем, как использовать возможности, предоставляемые виртуальной лабораторией, на примере задачи об «Умном муравье» [5].
УСЛОВИЕ ЗАДАЧИ
Игра происходит на поверхности тора размером 32 на 32 клетки (рис. 1). В некоторых из них находятся яблоки. Всего на поле 89 клеток с яблоками. В левой верхней клетке находится муравей, который смотрит направо. В любой момент времени он занимает одну клетку и может смотреть в одном из четырех направлений.
Муравей умеет определять, находится ли непосредственно перед ним яблоко (входная переменная а). За один ход муравей может совершить одно из четырех действий: сделать шаг вперед (действие д), съедая яблоко, если оно там находится; повернуть налево (действие и); повернуть направо (действие ничего не делать.
Съеденные муравьем яблоки не пополняются, а муравей жив на протяжении всей игры. Расположение яблок фиксировано. Игра длится 200 ходов, по истечении которых подсчитывается число яблок, съеденных муравьем. Цель игры - создать муравья, который за указанное число ходов съест как можно больше яблок.
Листинг 2
automata Auto2 {
state s0 {
on e0 if(a) do {g}; on e0 if(!a) do {tr};
}
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАДАЧИ В ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Рис. 2
Опишем поведение муравья графами переходов автоматов Мили с различным числом состояний и проанализируем поведение автоматов.
Автомат с одним состоянием
Простейший муравей (граф переходов которого для экономии места опущен) должен съесть 42 яблока (листинг 2).
Далее открываем соответствующую страницу виртуальной лаборатории с задачей об умном муравье, выбираем режим редактирования программы (Change Programm...) и в окно редактора кода копируем записанную программу (рис. 2).
Откомпилировав и запустив программу, получаем ожидаемый результат - за 200 ходов съедено 42 яблока (рис. 3).
Автомат с пятью состояниями
Особенность разработанной лаборатории состоит в том, что в ней легко выпол-
нять редактирование программы. Поэтому рассмотрим муравья, поведение которого описывается автоматом с пятью состояниями (рис. 4).
Автоматная программа, реализующая этот автомат, приведена в листинге 3.
Эта программа задачу не решает, так как муравей за 200 ходов съедает только 83 яблока (рис. 5).
Автомат с семью состояниями
Рассматриваемая задача может быть решена с помощью автомата с семью состояниями (рис. 6).
Рис. 6
Рис. 5
Этот автомат построен в работе [5]. В листинге 4 приведена автоматная программа, реализующая этот автомат.
Листинг 4
automata Auto4 {
state s0
on e0 if on e0 if
a) do {g} go to s4; !a) do {tr} go to s2;
Листинг
automata {
state {
on on
}
state {
on on
}
state s2 {
on on
}
state {
on on
}
state {
on on
}
}
3
Auto3 s0
e0 if(a) do {g};
e0 if(!a) do {tr} go to s3;
si
e0 if(a) do {g}; e0 if(!a) do {g} go to s0;
e0 if(a) do {g} go to s0; e0 if(!a) do {tl} go to s4;
s3
e0 if(a) do {g} go to s2; e0 if(!a) do {tl} go to s2;
s4
e0 if(a) do {g} go to si; e0 if(!a) do {tr} go to si;
state si
on e0 if on e0 if
state s2
on e0 if on e0 if
state s3
on e0 if on e0 if
state s4
on e0 if on e0 if
state s5
on e0 if on e0 if
state s6
on e0 if on e0 if
a) do {g} go to s3; !a) do {g} go to s0;
a) do {g} go to s6; !a) do {tr} go to s4;
a) do {g} go to s4; !a) do {g} go to si;
a) do {g} go to si; !a) do {tr} go to s5;
a) do {g} go to s6; !a) do {tl} go to si;
a) do {g} go to si; !a) do {g} go to s3;
Этот муравей съедает все 89 яблок за 200 ходов (рис. 7).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Авторы надеются, что предложенный подход к начальному обучению проектированию программ окажется полезным, совмещая в себе увлекательность и интерактивность.
Кроме рассмотренной задачи, виртуальная лаборатория содержит еще несколько задач, состав которых пополняется и будет
пополняться в дальнейшем.
Рис. 7
Литература
1. Шалыто А. А. Технология автоматного программирования / Труды первой Всероссийской научной конференции «Методы и средства обработки информации». М.: МГУ, 2003. http://is.ifmo.ru/ works/tech aut prog/
2. Инструментальное средство Unimod. http://unimod.sourceforge.net/intro.html
3. Гуров B.C., Мазин М.А., Шалыто А.А. Текстовый язык автоматного программирования / Тезисы докладов международной научной конференции, посвященной памяти профессора А.М. Богомолова «Компьютерные науки и технологии». Саратов: СГУ, 2007. С. 66-69.
http://is.ifmo.ru/works/ 2007 10 05 mps textual language.pdf
4. Ахо А., Сети Р., Ульман Дж. Компиляторы. Принципы, технологии, инструменты. М.: Виль-ямс. 2003.
5. Царев Ф.Н., Шалыто А.А. О построении автоматов с минимальным числом состояний для задачи об «Умном муравье» / Сборник докладов X международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. Том 2. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. С. 88-91.
http://is.ifmo.ru/download/ant ga min number of state.pdf
; —
Наши авторы. 2Ü07 Our authors. 2007
Красилъников Николай Николаевич, магистрант кафедры «Компъютерные технологии» СПбГУ ИТМО,
Парфенов Владимир Глебович, доктор технических наук, профессор, декан факулътета «Информационные технологии и программирования», СПбГУ ИТМО,
Царев Федор Николаевич, магистрант кафедры «Компъютерные технологии» СПбГУ ИТМО, победителъ студенческого командного чемпионата России по программированию 2008 года,
Шалыто Анатолий Абрамович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии программирования» СПбГУ ИТМО.
