Лекция № 3 (4 часа)
Первые программы заключались в установке ключевых переключателей на передней панели вычислительного устройства. Очевидно, таким способом можно было составить только небольшие программы.
С развитием компьютерной техники появился машинный язык, с помощью которого программист мог задавать команды, оперируя с ячейками памяти, полностью используя возможности машины. Однако использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. Поэтому от его использования пришлось отказаться.
«Слова» на машинном языке называются инструкции, каждая из которых представляет собой одно элементарное действие для центрального процессора, такое, например, как считывание информации из ячейки памяти.
На протяжении 60-х годов запросы на разработку программного обеспечения возросли и программы стали очень большими. Люди начали понимать, что создание программного обеспечения – гораздо более сложная задача, чем они себе представляли. Это привело к тому, что было разработано структурное программирование. Основой метода структурного программирования являются принцип модульности разработки сложных программ и использование композиции трех базовых элементов – линейной, ветвления и циклической структур. С развитием структурного программирования следующим достижением были процедуры и функции. К примеру, если есть задача, которая выполняется несколько раз, то ее можно объявить как функцию или процедуру и в выполнении программы просто вызывать ее. Общий код программы в данном случае становиться меньше. Функции позволяют создавать модульные программы. Появление функционального программирования привело к созданию языка Пролог. Этот язык программирования разрабатывался для задач анализа и понимания естественных языков на основе языка формальной логики и методов автоматического доказательства теорем.
В 80-х г. 20 века был создан язык Ада. Этот язык в дополнение к классическим свойствам, обеспечивает программирование задач реального времени и моделирования параллельного решения задач.
Примечание: Ада — это структурный, модульный язык программирования, содержащий высокоуровневые средства программирования параллельных процессов. Синтаксис Ады унаследован от языков типа Algol или Паскаль, но расширен, а также сделан более строгим и логичным.
Следующим достижением было использование структур, благодаря которым перешли к классам. Структуры – это составные типы данных, построенные с использованием других типов. Например, структура время. В нее входит: часы, минуты, секунды. Программист мог создать структуру время и работать с ней, как с отдельной структурой. Класс – это структура, которая имеет свои переменные и функции, которые работают с этими переменными. Это было очень большое достижение в области программирования. Теперь программирование можно было разбить на классы и тестировать не всю программу, состоящую из 10’000 строк кода, а разбить программу на 100 классов, и тестировать каждый класс. Это существенно облегчило написание программного продукта. Главная идея структурного программирования состоит в том, что оно использует инкапсуляцию и наследование объектов.
Инкапсуляция означает сочетание структур данных с методами их обработки в абстрактных типах данных — классах объектов.
Класс может иметь образованные от него подклассы. При построении подклассов осуществляется наследование данных и методов обработки объектов исходного класса. Наследование — возможность создания на его основе новых классов с наследованием всех его свойств и методов и добавлением собственных. Механизм наследования позволяет переопределить или добавить новые данные и методы их обработки, создать иерархию классов.
Существует почти столько же разных машинных языков, сколько и компьютеров, но все они суть разновидности одной идеи: простые операции производятся со скоростью молнии на двоичных числах. На заре компьютеризации (в начале 1950-х г.г.), машинный язык был единственным языком, большего человек к тому времени не придумал. Для спасения программистов от сурового машинного языка программирования, были созданы языки высокого уровня (т.е. немашинные языки), которые стали своеобразным связующим мостом между человеком и машинным языком компьютера. Языки высокого уровня работают через трансляционные программы, которые вводят исходный код (гибрид английских слов и математических выражений, который считывает машина), и в конечном итоге заставляет компьютер выполнять соответствующие команды, которые даются на машинном языке. Существует два основных вида трансляторов: интерпретаторы, которые сканируют и проверяют исходный код в один шаг, и компиляторы, которые сканируют исходный код для производства текста программы на машинном языке, которая затем выполняется отдельно.
Языки программирования — это формальные языки специально созданные для общения человека с компьютером. Каждый язык программирования, точно также как и «естественный» язык (русский, английский и т.д.), имеет алфавит, словарный запас, свои грамматику и синтаксис, а также семантику.
Алфавит — фиксированный для данного языка набор основных символов, допускаемых для составления текста программы на этом языке.
Синтаксис — система правил, определяющих допустимые конструкции программирования из букв алфавита.
Семантика — система правил однозначного толкования отдельных языковых конструкций, позволяющих воспроизвести процесс обработки данных. При описании языка и его применении используют понятия языка. Понятие подразумевает некоторую синтаксическую конструкцию и определяемые ею свойства программных объектов или процесса обработки данных.
Взаимодействие синтаксических и семантических правил определяют те или иные понятия языка, например, операторы, идентификаторы, переменные, функции и процедуры, модули и т.д. Правила грамматики и семантики для языков программировании должны быть явно, однозначно и четко сформулированы.
Классификация языков программирования. Существуют различные классификации языков программирования. По наиболее распространенной классификации все языки программирования делят на языки низкого, высокого и сверхвысокого уровня.
В группу языков низкого уровня входят машинные языки и языки символического кодирования: (Автокод, Ассемблер). Операторы этого языка – это те же машинные команды, но записанные мнемоническими кодами, а в качестве операндов используются не конкретные адреса, а символические имена. Ассемблерные языки — являются символьным представлением машинных языков конкретного компьютера, т. е. являются машинно-зависимыми. Машинно-ориентированные языки – это командные языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Метаязыки — языки, используемые для формального описания других языков. Язык командного файла может считаться метаязыком.
Работа с МЯ достаточно сложна и требует специальной подготовки, поэтому следующий шаг был сделан в 1954 году, когда был создан первый язык высокого уровня — Фортран (англ. FORTRAN — FORmula TRANslator). Языки высокого уровня имитируют естественные языки, используя некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические символы. Эти языки более удобны для человека, с помощью них, можно писать программы до нескольких тысяч строк длиной. Однако легко понимаемый в коротких программах, этот язык становился нечитаемым и трудно управляемым, когда дело касалось больших программ. Решение этой проблемы пришло после изобретения языков структурного программирования (structured programming language), таких как Алгол(1958), Паскаль(1970), Си (1972), Ада (1983Эти языки машинно-независимы, т.к. они ориентированы не на систему команд той или иной ЭВМ, а на систему операндов, характерных для записи определенного класса алгоритмов. Однако программы, написанные на языках высокого уровня, занимают больше памяти и медленнее выполняются, чем программы на машинных языках.
К языкам сверхвысокого уровня можно отнести лишь Алгол-68 и APL. Повышение уровня этих языков произошло за счет введения сверхмощных операций и операторов.
Другая классификация делит языки на вычислительные и языки символьной обработки. К первому типу относят Фортран, Паскаль, Алгол, Бейсик, Си, ко второму типу — Лисп, Пролог, Снобол и др.
В современной информатике можно выделить два основных направления развития языков программирования: процедурное и непроцедурное.
Процедурное программирование возникло на заре вычислительной техники и получило широкое распространение. В процедурных языках программа явно описывает действия, которые необходимо выполнить, а результат задается только способом получения его при помощи некоторой процедуры, которая представляет собой определенную последовательность действий.
Среди процедурных языков выделяют в свою очередь структурные и операционные языки. В структурных языках одним оператором записываются целые алгоритмические структуры: ветвления, циклы и т.д. В операционных языках для этого используются несколько операций. Широко распространены следующие структурные языки: Паскаль, Си, Ада, ПЛ/1. Среди операционных известны Фортран, Бейсик, Фокал.
Непроцедурное (декларативное) программирование появилось в начале 70-х годов 20 века, но стремительное его развитие началось в 80-е годы, когда был разработан японский проект создания ЭВМ пятого поколения, целью которого явилась подготовка почвы для создания интеллектуальных машин. Декларативные языки — языки, оперирующие инструкциями данным и отношениями между ними. Алгоритм скрывается семантикой языка. Это аппликативные языки, языки логики и объектно-ориентированные языки. К непроцедурному программированию относятся функциональные и логические языки.
В функциональных языках программа описывает вычисление некоторой функции. Обычно эта функция задается как композиция других, более простых, те в свою очередь разлагаются на еще более простые и т.д. Один из основных элементов в функциональных языках — рекурсия, то есть вычисление значения функции через значение этой же функции от других элементов. Присваивания и циклов в классических функциональных языках нет.Функциональные языки — оперируют функциями высокого порядка. В них манипуляции совершаются напрямую функциями, а не данными. К категории функциональных языков относятся Lisp, FP, APL, Nial, Krc.
В логических языках программа вообще не описывает действий. Она задает данные и соотношения между ними. После этого системе можно задавать вопросы. Машина перебирает известные и заданные в программе данные и находит ответ на вопрос. Порядок перебора не описывается в программе, а неявно задается самим языком. Классическим языком логического программирования считается Пролог. Построение логической программы вообще не требует алгоритмического мышления, программа описывает статические отношения объектов, а динамика находится в механизме перебора и скрыта от программиста.
Можно выделить еще один класс языков программирования — объектно- ориентированные языки высокого уровня. На таких языках не описывают подробной последовательности действий для решения задачи, хотя они содержат элементы процедурного программирования. Методика анализа, проектирования и написания приложений с помощью классов, каждый из которых является целостным фрагментом кода и обладает свойствами и методами, называется объектно-ориентированным программированием.
Объектно-ориентированные языки, благодаря богатому пользовательскому интерфейсу, предлагают человеку решить задачу в удобной для него форме. Примером такого языка может служить язык программирования визуального общения Object Pascal. В основе объектно-ориентированного стиля программирования лежит понятие объекта, а суть его выражается формулой: «объект = данные + процедуры». Каждый объект интегрирует в себе некоторую структуру данных и доступные только ему процедуры обработки этих данных, называемые методами. Объединение данных и процедур в одном объекте называется инкапсуляцией и присуще объектно-ориентированному программированию.
Для описания объектов служат классы. Класс определяет свойства и методы объекта, принадлежащего этому классу. Соответственно, любой объект можно определить как экземпляр класса. Методом в объектно-ориентированном программировании является процедура, реализующая действия (операции) над объектом.
Программирование рассматриваемого стиля заключается в выборе имеющихся или создании новых объектов и организации взаимодействия между ними. При создании новых объектов свойства объектов могут добавляться или наследоваться от объектов-предков. В процессе работы с объектами допускается полиморфизм — возможность выбирать внутренний метод, исходя из типа данных, с одинаковыми именами для задания общих для класса действий. К наиболее современным объектно-ориентированным языкам программирования относятся C++ и Java.
Языки описания сценариев, такие как Perl, Python, Rexx, Tcl и языки оболочек UNIX, предполагают стиль программирования, весьма отличный от характерного для языков системного уровня. Они предназначаются не для написания приложения с нуля, а для комбинирования компонентов, набор которых создается заранее при помощи других языков. Развитие и рост популярности Internet также способствовали распространению языков описания сценариев. Так, для написания сценариев широко употребляется язык Perl, а среди разработчиков Web-страниц популярен JavaScript.
На практике языки программирования не являются чисто процедурными, функциональными, логическими, или объектно-ориентированными. Они содержат в себе черты различных языков. Поэтому зачастую на процедурном языке можно написать функциональную или объектно-ориентированную программу. Из-за этого вместо типа языка точнее говорить о стиле (или методе) программирования. Конечно не все языки поддерживают вышеперечисленные стили в равной степени.
Грамматика языков программирования.Описанию грамматики языка предшествует описание его алфавита.
Алфавиты большинства языков программирования близки друг другу и основываются на буквах латинского алфавита, арабских цифрах и общепринятых спецсимволах таких как знаки препинания, математических операциях, сравнениях и обозначениях.
Несмотря на значительные различия между языками программирования, ряд фундаментальных понятий в большинстве из них схожи.
Оператор — одно из ведущих понятий всех языков программирования. Каждый оператор представляет собой законченную фразу языка и определяет однозначно трактуемый этап обработки данных. В соответствии с теорией алгоритмов выделяют основные (базисные) операторы языка: присвоения, условный и безусловный переход, пустой оператор. К производным, не основным, относят составной оператор, оператор выбора, оператор цикла и оператор присоединения.
Большая часть операторов ведет обработку величин. Величины могут быть постоянными и переменными. Значения постоянных величин не изменяются в ходе выполнения программы. Величина характеризуется типом, именем и значением. Наиболее распространенные типы величин — числовые (целые и вещественные), символьные, логические. Тип величины определяется ее значением.
Другая важная классификация величин — простые и структурированные. Простая величина в каждый момент может иметь не более одного значения. Ей соответствует одна ячейка памяти («машинное слово») или ее эквивалент во внешней памяти компьютера. Структурированная величина, имея одно имя, может иметь разом несколько значений. Эти значения представляют собой элементы (компоненты) величины. Самый широко известный пример — массив, у которого элементы различаются по индексам (номерам).
Важнейшие характеристики структурированной величины таковы: упорядоченность (да или нет), однородность (да или нет), способ доступа к элементам, фиксированность числа элементов (да или нет). Так, массив является упорядоченной однородной структурой с прямым доступом к элементам и фиксированным их количеством.
Всем программным объектам в языках даются индивидуальные имена. Имя программного объекта называют идентификатором (от слова «идентифицировать»). Чаще всего идентификатором является любая конечная последовательность букв и цифр, начинающаяся с буквы. В последнее время слово «идентификатор» заменяют словом «имя», поскольку
Переменные играют важнейшую роль в системах программирования. Понятие «переменная» в языках программирования называется именованная область памяти, в которой хранится некоторое значение. В ходе выполнения программы значения переменной могут неоднократно изменяться. Каждая переменная после ее описания — отождествляется с некоторой ячейкой памяти, содержимое которой является ее значением. Семантический смысл переменной заключается в хранении некоторого значения, соответствующего ее типу (например, переменная целого типа может принимать значение произвольного целого числа), а также в выполнении с ней операций пересылки в нее и извлечения из нее этого значения. Тип переменной в языках программирования высокого уровня определяет время её поиска в программе, востребованность в программе, объём выделяемой памяти
Функция — это программный объект, задающий вычислительную процедуру определения значения, зависимого от некоторых аргументов. Вводится в языки программирования для задания программистом необходимых ему функциональных зависимостей. В каждом языке высокого уровня имеется в наличии библиотека стандартных функций: арифметических, логических, символьных, файловых и т. п. Функции стандартные и задаваемые программистом — используются в программе в выражениях.
Выражения строятся из величин — постоянных и переменных, функций, скобок, знаков операций и т.д. Выражение имеет определенный тип, определяемый типом принимаемых в итоге его вычисления значений. Возможны выражения арифметические, принимающие числовые значения, логические, символьные, строковые и т.д. Выражение 5 + 7 является, несомненно, арифметическим, выражение А + В может иметь самый разный смысл — в зависимости от того, что стоит за идентификаторами А и В.
Процедура — это программный объект, представляющий некоторый самостоятельный этап обработки данных. По сути, процедуры явились преемниками подпрограмм, которые были введены для облегчения разработки программ еще на самых ранних стадиях формирования алгоритмических языков. Процедура имеет входные и выходные параметры, называемые формальными. При использовании процедуры формальные параметры заменяются на фактические.
Модуль (Unit) — это специальная программная единица, предназначенная для создания библиотек и разделения больших программ на логически связанные блоки. По сути, модуль — это набор констант, типов данных, переменных, процедур и функций. В состав модуля входят разделы: заголовок, интерфейс, реализация, инициализация. 3аголовок необходим для ссылок на модуль. Интерфейс содержит объявления, включая процедуры и функции. Раздел «реализация» содержит тела процедур и функций, перечисленных в интерфейсной части. Раздел «инициализация» содержит операторы, необходимые для инициализации модуля. Каждый модуль компилируется отдельно, и каждый элемент модуля можно использовать в программе без дополнительного объявления.
