Розробка уроку

Тема: cтворення й використання бібліотек (модулів) мовою Ruby. Застосовання методу функціональної декомпозиції задачі.

Мета:

Після вивчення теми учень:

Обладнання: комп'ютери з встановленими ОС, інтерпретатором мови Ruby і бібліотекою Ruby 2D, (дана) інструкція.

Структура уроку

  1. Організаційний момент.
  2. Актуалізація опорних знань.
  3. Вивчення нового матеріалу.
  4. Інструктаж з ТБ.
  5. Вироблення практичних навичок.
  6. Підбиття підсумків уроку.
  7. Домашнє завдання.

Хід уроку

1. Організаційний момент
Вітання з класом. Перевірка присутності і готовності учнів до уроку. Перевірка виконання домашнього завдання.

2. Актуалізація опорних знань
Дати означення понять, виділені жирним шрифтом, та порівняти з очікуваним.

Об'єктце те, на що спрямована певна діяльність (на противагу суб'єкту, який здійснює таку діяльність). Кожний об'єкт має свою назву та низку властивостей (параметрів), значення яких описує об'єкт.

Подіязміна властивостей об'єкта, взаємодія між об'єктами, утворення нового об'єкта або знищення наявного об'єкта.

Методдія, яку об'єкт може виконувати.

Клас визначає властивості деякої сутності та методи (дії, які вона здатна виконувати).

Об'єктокремий представник класу з окремим варіантом значень властивостей та їх значень.

Функціяце відокремлена ділянка коду, яку можна викликати, звернувшись до неї за даною їй назвою. Після виклику відбувається виконання команд тіла функції.

3. Вивчення нового матеріалу

Програмісти — дуже прагматичні люди. Їм не хотілося писати одне і те саме в одній і тій самій програмі кілька разів — вони придумали цикли і методи. Потім вони усвідомили, що вони не хочуть писати одне й те саме в різних програмах, і придумали класи. Згодом програмісти почали запозичувати код один в одного. Так з'явилися бібліотеки.

Бібліотека (модуль) у мові програмування — файл з кодом програми, призначений для зберігання часто використовуваних функцій, класів, сталих.

Програми призначено для безпосереднього запуску на виконання, а бібліотеки — для імпортування їх або їхніх частин у програми. Бібліотеки — це чудовий інструмент для управління складністю програми. Основна ідея полягає у тому, що на кожному етапі розробки програмного забезпечення складність проекту не має «вийти з берегів». Показником цього є можливість одночасно утримати в уяві основні складові проекту на всіх рівнях деталізації. Для цього використовують декомпозицію — поділ цілого на частини. Це можна здійснити на логічному та на фізичному рівнях. Для останнього — декомпозиції на фізичному рівні — у програмі мовою Ruby використовують бібліотеки.

Загальновживані бібліотеки як правило пишуть вже дуже досвідчені розробники. Але користуватися бібліотеками можна і потрібно всім, навіть новачкам у програмуванні. Це скорочує час написання програм і не вимагає знання, як власне працює бібліотека. Інакше кажучи, використання бібліотеки для написання програм нагадує використання смартфону: пересічна людина не розуміє, як він працює, але через певний час вже не може уявити життя без нього.

RubyGems (англійською Gems — коштовне каміння) — система роботи з бібліотеками Ruby з використанням центрального сховища. Її зазвичай встановлюють разом з Ruby. Перевірити її наявність і встановити версію можна, виконавши таку вказівку:

gem -v

і отримати версію (наприклад, 3.1.2). Щоб оновити утиліту до останньої версії, використовують таку вказівку:

gem update --system

Список завантажених бібліотек можна переглянути після виконання вказівки:

gem list

Встановлення нової бібліотеки здійснюють такою вказівкою Терміналу:

gem install назва_бібліотеки

Документація RubyGems (англійською) — на сайті https://guides.rubygems.org/.

Місце збереження бібліотек — сайт rubygems.org. Їх зручно шукати на сайті ruby-toolbox.com, де найпопулярніші бібліотеки мовою Ruby описано і розподілено за категоріями. Пошук назв і місця розташування за призначенням можна здійснити за допомогою традиційних пошукових систем, наприклад, google.com.

Пошук за назвою:

Підключення бібліотеки у програмі здійснюють такою вказівкою:

require назва_бібліотеки

(англійською require — запросити, вимагати). Якщо бібліотеку не встановлено, то замість назви потрібно вказати (повний) шлях до файлу бібліотеки.

Після створення власного файлу бібліотеки з описом потрібних функцій, класів та сталих потрібно імпортувати й використати створену бібліотеку у головній програмі.

Наприклад, якщо файл library.rb з таким вмістом:

def f(x,y) # задача на обчислення частки
  if y!=0
    print(x,'/',y,'=',x.to_f/y.to_f,"\n")
  else
    print("Частку не визначено, бо дільник допівнює 0.\n")
  end
end

розташовано у теці /home/chief/Завантаження/, то програма, що його використовує, може мати такий вигляд:

require '/home/chief/Завантаження/library.rb'
f(3,4)
f(3,0)

Її можна розташувати будь-де, а результат виконання матиме такий вигляд.

3/4=0.75
Частку не визначено, бо дільник допівнює 0.

Декомпози́ціяметод вирішення проблем, що використовує структуру завдання і полягає у заміні вирішення одного великого завдання вирішенням послідовності менших завдань (нехай і взаємопов'язаних).

Декомпозиція розглядає досліджувану систему як складну, що містить з окремі взаємопов'язані підсистеми, які, у свою чергу, також можна поділити на частини. У якості системи можуть виступати не лише матеріальні об'єкти, а й процеси, явища і поняття. Вихідна система вважають нульовим рівнем. Після її поділу отримують підсистеми першого рівня. Розділення цих підсистем або деяких з них призводить до появи підсистем другого рівня і т. д. Таким чином виникає ієрархічна структура, що відображає процес декомпозиції і містить усі системи, що виникають у процесі її здійснення і зв'язки належності до її елементів.

Таку ієрархічну структуру можна зобразити у вигляді блок-схеми. Для її аналізу можна застосовувати теорію графів. Це дозволяє перейти від наочної графічної моделі до абстрактної математичної. Ієрархічну структуру подають деревом (графом без циклів — замкнутих маршрутів) з дугами (орієнтованими ребрами) і розташуванням вершин на певних рівнях, що визначають за кількістю переходів від кореня вихідної системи.

Глибина декомпозиціїкількість рівнів деталізації — визначається, виходячи з вимог щодо видимості й зручності сприйняття ієрархічної структури, її відповідності рівням знання фахівця. Зазвичай за нижній (елементарний) рівень підсистем беруть такий, на якому розташовують підсистеми, розуміння природи яких або їхній опис доступний виконавцю. Таким чином, ієрархічна структура декомпозиції завжди суб'єктивно орієнтована.

Велика кількість рівнів створює враження, що завдання складне. Велика кількість підсистем однієї системи (на одному рівні) спричиняє складність встановлення зв'язків між ними. Зазвичай виділяють 3-6 рівнів.

Наприклад, механічний привід містить колеса, вали, підшипники, двигун. Підшипники і двигун є складними за будовою і трудомісткими у проектуванні. Але як готові вироби для розробника приводу вони є елементарними частинами. Але при проектуванні й виробництві двигуна його потрібно розкласти на простіші підсистеми.

Будь-яке завдання, яке виконують програмісти, — це створення проектів на основі їхньої декомпозиції. Ієрархічна структура робіт (Work Breakdown Structure, WBS) — це інструмент, що дозволяє розбити проект на складові частини. Саме вона встановлює ієрархічно структурований розподіл робіт з реалізації проекту для всіх задіяних в ньому працівників.

У ході побудови WBS здійснюється послідовна декомпозиція проекту на підпроекти — пакети робіт різного рівня, пакети детальних робіт. Декомпозиція повинна бути коректною: елементи будь-якого рівня повинні бути необхідні й достатні для створення відповідного елемента верхнього рівня.

Ієрархічна структура робіт є переліком завдань проекту. Її можна подати графічно або у вигляді опису, що відображає вкладення робіт. Ієрархічна структура робіт організовує і визначає весь зміст проекту. Роботи, не включені у неї, не є роботами проекту.

Поширеною проблемою для управління проектами є нераціональний розмір пакетів робіт, якщо вони стають занадто великими для ефективного керування. Щоб забезпечити раціональний розмір пакетів робіт, необхідно дотримуватися такого.

Правила декомпозиції

Ієрархічна структура робіт (WBS) створюють або згори донизу, або знизу догори, або використовують обидва підходи. Зазвичай застосовують «рухому хвилю» — чим віддаленіший за часом той чи інший елемент, тим менше глибина його декомпозиції.

У результаті побудови ієрархічної структури робіт потрібно врахувати всі цілі проекту і створити всі необхідні передумови для його успішного втілення.

Підстави для розбиття проекту:

Мистецтво декомпозиції проекту полягає в узгодженні основних структур проекту:

Ієрархічна структура робіт повинна відображати структуру створюваного об'єкта на верхньому рівні керування і надавати можливість переходити до структур, що характеризує специфічні роботи нижніх рівнів. Завдання нижнього рівня роботи входять до календарного плану робіт, за ними оцінюють час виконання проекту і витрати на проект. При цьому для кожного рівня потрібно передбачити процедури визначення відповідальних менеджерів і процедури вирішення конкретних ситуацій з урахуванням пріоритетів вищого рівня.

Набір робіт на нижньому рівні повинен бути необхідним і достатнім для виконання проекту, а декомпозиція виступає одним з найголовніших завдань керівника проекту. Реалізацію змісту проекту відстежують за ієрархічною структурою робіт (WBS), продукт проекту порівнюєть з вимогами до нього, тому WBS потрібно побудувати таким чином, щоб результатом проектних робіт стало створення заданого змісту продукту проекту.

Правила побудови ієрархічної структури робіт (WBS)

  1. На основі попередньої інформації проводять послідовну декомпозиція робіт проекту. Її продовжують до тих пір, поки всі складові не буде визначено таким чином, щоб їх могли планувати, скласти для них бюджет і т.п.

  2. Кожному елементу WBS надають унікальний ідентифікатор — WBS-код. Коди організовано відповідно до плану рахунків — системи відстеження витрат проекту за категоріями, що грунтується на плані рахунків організації і прийнятої в ній системі управлінського обліку.

Всі елементи WBS описують у словнику. Словник містить короткий опис кожного елемента, що входить в ієрархічну структуру робіт, тобто:

На основі WBS будують інші структурні моделі проекту:

Як правило, для успішного виконання завдання програміст (чи колектив програмістів) вимушений використати декомпозицію до того рівня деталізації, при якому кожну складову можна подати окремим класом чи функцією (процедурою).

На прикладах задач зі шкільного курсу інформатики користь від декомпозиції можна отримати лише на етапі розробки програми. Можливість паралельних (одно­часних) обчислень призводить до можливості отримати користь на етапі виконання, підвищивши ефективність розв'язання за часом. Наприклад, у царині векторної алгебри, при використанні різнецевих схем для наближення рівнянь аеро- та гідро­динаміки, при розпізнаванні образів. Останнє, крім цивільного застосування, має і військове. Тому надзвичайно актуальними є поняття й міркування, подані далі. Хоча з ними реально зіткнутися як розробник можна лише при роботі у провідних (у цірині інформаційних технологій) організаціях і корпораціях.

Розглянемо процес створення алгоритму і місце у ньому декомпозиції, яка особливо важлива для створення ефективних паралельних обчислень.

  1. Декомпозиція. На цьому етапі початкову задачу аналізують щодо можливості й доцільності її розкладу й розпаралелювання. При можливості й доцільності задачу й пов’язані з нею дані розділяють підзадачі й структури даних.

  2. Проектування обміну даними між задачами. На цьому етапі визначають зв’язки, необхідні для пересилання вхідних даних, проміжних результатів і вказівок для керування виконанням, обирають методи й алгоритми комунікацій.

  3. Укрупнення (агрегування). Інколи підзадачі доцільно об’єднати у більші блоки, якщо це підвищує ефективність алгоритму і знижує трудоємкість розробки.

  4. Планування обчислень. На цьому етапі розподіляють обчислювальні ресурси на виконання окремих підзадач. Основний критерій вибору — ефективне використання з мінімальними витратами часу на обмін даними.

Іноді декомпозиція поставленої задачі природним чином випливає з умови задачі і є очевидною, іноді — ні. Чим менший розмір підзадач, отриманих у результаті декомпозиції, тим більша їхня кількість, тим гнучкішим можна зробити паралельний алгоритм і тим легше забезпечити рівномірне завантаження процесорів обчислювальної системи.

Розділяти (сегментувати) можна як обчислювальний алгоритм, так і дані.

Декомпозиція даних полягає у поділі даних з наступним відповідним поділом алгоритму їхнього опрацювання. Дані розбиваються на частини приблизно однакового розміру. З ними пов’язують операції їхнього опрацювання, з яких і формують підзадачі. Визначаються необхідні правила обміну даними. Перекриття частин, на які розбивають задачу, має бути мінімальним. Це дозволяє уникнути дублювання обчислень. Зазвичай спочатку аналізують структури даних (можливо й динамічні) найбільшого розміру або ті, до яких найчастіше звертаються.

Функціональна декомпозиція полягає у поділі алгоритму з наступним підбором схеми декомпозиції даних. Успіх (підвищення ефективності) в цьому випадку не завжди гарантовано, оскільки схема може вимагати багатьох додаткових пересилань даних. Але цей метод декомпозиції може виявитися корисним у випадку, якщо немає структур даних, які можна розпаралелити очевидним чином.

Розмір блоків програми може бути різним. Залежно від розміру блоків вказівок, які виконують паралельно (одночасно), розпаралелення алгоритму може мати різну «зернистість». Її виміром у найпростішому випадку є кількість операцій у блоці. Зазвичай виділяють три ступеня «зернистості» дрібно­зернистий, середньо­блоковий і велико­блоковий:

Обмін даними через спільні змінні використовують на рівнях дрібнозернистого й середньоблокового паралелізму, а на великоблоковому — засобами передачі повідомлень.

Частини програми (підзадачі) можна виконувати паралельно (одночасно), якщо вони незалежні за даними, за керуванням і за введенням/виведенням:

Історичний нарис. У 1974 р. на конгресі ІFІP Глушков виступив із доповіддю про рекурсивні ЕОМ, засновані на нових принципах організації обчислювальних систем (співавтори В.А.Мясніков, І.Б.Ігнатьєв, В.А.Торгашев). Він висловив думку про те, що лише розробка принципово нової не неймановської архітектури обчислювальних систем, дозволить вирішити проблему побудови супер-ЕОМ із необмеженим ростом продуктивності при нарощуванні апаратних засобів. Подальші дослідження показали, що повна і безкомпромісна реалізація принципів побудови рекурсивних ЕОМ і мозкоподібних структур при наявному тоді рівні електронної технології передчасна. Компромісні рішення було знайдено Глушковим і покладено в основу оригінальної структури високопродуктивної ЕОМ, названої макроконвеєром.

Глушков не зміг побачити створені за його ідеями макроконвеєрні ЕОМ ЄС-2701 і ЄС-1766, які не мали аналогів у світовій практиці (за оцінкою Державної комісії, яка приймала роботи). Це були найпотужніші обчислювальні системи на початку 1990-х років. Продуктивність ЄС 1766 при використанні повного комплекту процесорів (256 пристроїв) оцінювали два мільярди операцій на секунду. На жаль, ці потужні й конкурентноспроможні щодо кращих американських ЕОМ комп'ютери було випущено малою серією.

У період з 1990 по 1993 роки понад 90% експлуатованих у СРСР мейнфреймів ЄС ЕОМ було демонтовано й утилізовано з метою вилучення з них дорогоцінних металів (кілька десятків грамів золота і близько одного або декількох кілограмів срібла в одній ЕОМ).


4. Інструктаж з ТБ
5. Вироблення практичних навичок


При виконанні завдання 1 корисними будуть такі елементи мови Ruby:

Зчитування рядка з кирилецею отримують як значення виразу

STDIN.gets.encode('UTF-8').chomp

а без кирилиці — як значення виразу STDIN.gets.chomp

Приховування символів пароля здійснюють методом noecho бібліотеки io/console.

STDIN.noecho(&:gets).chomp

Завдання 1. Написати і протестувати програму для відправлення електронної пошти з консолі.

Для відправки пошти в Ruby існує багато різних за складністю і можливостям бібліотек. Вказівки до виконання (див. далі) зроблено для найпростішої з них — pony. Опис цієї бібліотеки англійською мовою подано на сторінці https://github.com/benprew/pony.

Вказівки до виконання (при використанні поштового сервера gmail.com)

  1. Вивести перелік встановлених бібліотек мовою Ruby за допомогою вказівки:

    gem list

  2. Встановити бібліотеку pony за допомогою вказівки:

    gem install pony

    якщо цього не було зроблено раніше. Можливо, зі службовим словом sudo на початку.

  3. У коді створюваної програми замовити під'єднання бібліотек:
    • pony — для віправлення електронних листів;
    • io/console — для роботи с консоллю.
  4. У коді створюваної програми передбачити виведення повідомлень про введення і введення значень змінних з такими тлумаченням:

    • subject — тема листа;
    • body — текст листа;
    • attachments — адреса приєднаного файлу;
    • to — адреса електронної пошти, на яку буде надіслано лист;
    • user_name — адреса електронної пошти, з якої буде надіслано лист;
    • password — пароль від електронної пошти, з якої буде надіслано лист.
  5. У код створюваної програми вставити виклик методу mail класу Pony для надсилання листа з облікового запису gmail.com. Параметри методу передати асоціативним масивом таким чином.

     
    Pony.mail({
      :subject     => subject,
      :body        => body,
      :attachments => {attachments => File.read(attachments)},
      :to          => to,
      :via         => :smtp,
      :via_options => {
        :address              => 'smtp.gmail.com',
        :port                 => '587',
        :enable_starttls_auto => true,
        :user_name            => user_name,
        :password             => password,
        :authentication       => :plain
      }
    })

    Примітка. Налаштуванні такого виклику для іншої поштової служби здійснюють згідно з документацією поштового провайдера про під'єднанн клієнтів до сервера вихідної пошти за протоколом SMTP (Simple Mail Transfer Protocol — простий протокол пересилання пошти).

  6. Порівняти створений код з очікуваним.

  7. Надіслати на свою адресу й адресу вчителя листи зі своєї електронної адреси листа поштового сервера gmail.com і такими властивостями:

    • "Лист з програми мовою Ruby" — тема листа;
    • "Цей лист створено з використаннням бібліотеки pony" — текст листа;
    • файл зображення — вкладення.

Наявність кирилічних літер у тексті листа призведе до появи у консолі такого повідомлення:

Non US-ASCII detected and no charset defined.
Defaulting to UTF-8, set your own if this is incorrect.

Незважаючи на це, лист буде отримано у належниму стані.

Примітка. На момент упорядкування тексту політика безпеки поштового сервера gmail.com була такою, що як усталено замість відправлення листа користувач отримував таке повідомлення:

При переході за посиланням Докладніше користувач потрапляв на сторінку, що надавала можливість змінити налаштування безпеки й успішно відправляти повідомлення.

Завдання 2. Створити програму й використовуваний нею модуль, що містить опис функцій (далі на вибір вчителя):

Використати метод функціональної декомпозиції при роботі у групах. Програми й використовувані модулі розташувати у різних теках.

6. Підбиття підсумків уроку
Виставлення оцінок.

7. Домашнє завдання

  1. Вивчити матеріал уроку.
  2. При потребі доробити завдання.

Текст упорядкував Олександр Рудик.