Аверянов Основы современной информатики 2007
.pdfзапись программ без привязки к конкретным адресам ЭВМ значительно облегчают работу программиста. При этом часть работы возлагается на компьютер, который с помощью программы транс- лятор-ассемблер переводит текст программы на машинный язык и определяет его место в поле оперативной памяти. Дальнейшее совершенствование Асемблеров связано с появлением макроассемблеров (или макросов), позволяющих писать более компактные программы. Это объясняется тем, что в макроассемблерах часто повторяющиеся последовательности команд Ассемблера объединяются и им присваиваются новые символы. Транслятор с языка Ассемблера является необходимым атрибутом любого современного компьютера, так как программирование на этом языке позволяет в полной мере использовать ресурсы вычислительных систем. В то же время использование этого языка предполагает доскональное изучение технических средств и архитектурных особенностей программируемой машины.
Появление языков высокого уровня вызвано стремлением упростить процедуру программирования, создать средства, отражающие структуру алгоритма задачи и не требующие от программиста детального изучения компьютера. Разработка машинно-зависимых систем автоматизации экспериментов, изготовление программ реального времени, зависящих от окружающей среды и времени, а также программирование нестандартных периферийных устройств означает наивысший уровень разработки программ. Тестирование изготовленных систем методически менее уточнено и трудно реализуемо. В то же время ошибки, остающиеся в готовых системах, вызывают очень тяжелые последствия. Машинная зависимость языков программирования реального времени высокого уровня хотя и затрудняет мобильность («переносимость») программ, но, безусловно, улучшает характеристики выполнения. В то же время мобильность программ управления не является актуальной задачей, так как эти системы аппаратно ориентируются на отдельные классы ЭВМ.
Если во многих применениях сравнительно рано были созданы языки высокого уровня, каждый из которых стал мировым стандартом в своей области, то ни одному из языков реального времени высокого уровня не удалось стать таковым. В Великобритании необходимость в языке программирования задач в реальном масштабе времени привела к появлению языка Корал (сокращение от «язык про-
171
граммирования для реализации радиолокационных систем»), построенного на идеях Алгола. Корал – один из немногих языков данного типа, на который имеется стандартное определение.
В США использовался Фортран реального времени (разработка университета Purdue), во Франции – язык Прокол (также на основе Фортрана), в Германии – Пеарл. Программирование задач реального времени для микропроцессорных систем привело к появлению таких языков высокого уровня, как PL/M, PLZ, MPL, предназначенных для семейств микропроцессоров фирм Intel, Zilog и Motorola соответственно. У этих языков было много приверженцев и они получили высокую оценку пользователей. Особое место в списке языков реального времени занимает Форт: он не имеет аналогов в машинно-независимых языках и позволяет сочетать программирование на языках высокого и низкого уровней.
Машинно-ориентированные языки высокого уровня применялись и при системном программировании – разработке операционных систем и инструментов программной поддержки компьютерных систем. Так, фирма IBM для этих целей использовала языки
PLS (диалект PL/1), DEC-BLISS (на базе ALGOL), Burroughs – Extended ALGOL. В настоящее время в качестве основного инструмента для создания операционных систем используется язык С.
Следующую категорию составляют машинно-независимые языки высокого уровня. Они, в свою очередь, могут быть разделены на непроцедурные (дескриптивные или описательные) и процедурные. Процедурные языки, представляющие основу языков современного программирования, составляют наиболее солидную группу, и ими пользуется наибольшее число программистов для решения различных прикладных задач, связанных с расчетами, проектированием, экономикой и т.п. Процедурные языки можно условно разделить на проблемно-ориентированные и универсальные. К первым относятся такие традиционные языки научного и инженерного программирования, как Фортран и Алгол.
К этой же категории можно отнести Паскаль, который вначале применялся как язык для обучения программированию, но благодаря появлению микросистем стал одним из наиболее популярных языков решения инженерных задач. В экономических приложениях своеобразным стандартом являлся Кобол (Common Business Oriented Language).
172
Специализация языков связана с развитием технических средств, расширением разновидностей приложений и появлением новых информационных технологий. Так, совершенствование языков научно-технических приложений привело к появлению языков машинной графики, совершенствование программных интерфейсов связано со средствами разработки графических интерфейсов в среде Windows. Развитие глобальных вычислительных сетей привело к появлению средств разработки сетевых приложений.
Среди основных направлений специализации языков можно выделить следующие.
Языки подготовки сценариев. Первый такой язык – Sh (Shell – обо-
лочка), изначально состоявший из набора команд, интерпретируемых как вызов системных программ, выполняющих служебные функции (например, управление файлами) и их простую фильтрацию. Затем на этой основе были добавлены переменные операторы потока управления, функции и т.п., в результате получили универсальный язык программирования, разработанный в Bell Lab., – AWK.
Разработанный Лари Уоллом язык Perl изначально составлял комбинацию Sh и АWК, затем получил значительное развитие и сейчас является достаточно мощным, выходящим за рамки сценариев, особенно в связи с развитием WWW, языком. Он очень удобен для программирования интерфейса CGI (Common Gatway Intertace – общий шлюзовой интерфейс).
Программирование в среде Windows. Создание графических оболочек связано с такими инструментальными средствами, как
Turbo Vision, VB, VBA, VC++, Delphy, .NETVision.
Программирование в компьютерных сетях. Программирование связано с рядом специфических требований, предъявляемых к разрабатываемым программам, а следовательно, и к инструментальным средам. Основные из этих требований:
платформенная независимость; защита информации от несанкционированного доступа; обеспечение высокого быстродействия.
Для программирования активных Web-серверов в наибольшей степени удовлетворяют перечисленным требованиям язык Java (C-), разработанный фирмой Sun, а также платформа .NET(DOT NET), включающая язык С# фирмы Microsoft.
173
Для разметки гипертекста, создания Web-сценариев (Web-
дизайна) применяются: HTML(H(yper) T(ext) M(arkup) L(anguage)), XTML, Perl, Java Script, VB Script, используемые для программиро-
вания со стороны клиента, для программирования серверной части сценариев используется ASP (Active Server Payes).
Основные языки для работы с данными. Таким языком в рамках стандарта ANSI является SQL (Structured Query Language – язык структурированных запросов).
Среди узкоспециализированных языков, которых за последние 50 лет появилось великое множество, можно отметить APG, используемый для генерации деловых отчетов, АРТ, созданный для управления программируемыми устройствами, GPSS, разработанный для моделирования больших систем (включая большие информационные системы) и т.п.
Однако узкоспециализированные языки, как правило, вызывают неприятие у большинства программистов. Поэтому основной подход к расширению возможностей программирования на сегодняшний день связан с включением в традиционные, наиболее популярные языки дополнительных средств, расширяющих их функции. Таким образом, исходный язык становится некоторым подмножеством группы новых языков.
Практически все языки научно-технического применения обеспечены средствами программирования графического вывода. Общим для всех языков являются средства программирования в среде
Windows (Visual Basic, Delphy, Visual C т.п.), создание новых типов данных – объектно-ориентированное программирование.
К универсальным языкам на начальном этапе относили, прежде всего, PL/I (Programming Language I), CPL (Combined PL), APL, кото-
рые, хотя и используются, не получили широкого распространения. Основным, всеми признанным де-факто, стандартом универ-
сального языка стал разработанный в недрах Bell Laboratory крупнейшего американского концерна AT&T язык Си (С). Примечательно, что разработчики (отнюдь, не представляющие ведущие компьютерные фирмы) не ставили своей целью разработку универсального языка. Они создавали инструментальные средства для написания переносимой на различные компьютеры операционной системы UNIX (Кен Томпсон и Денис Ритчи). На первом этапе этот язык считался языком системного программирования. В 1980 г.
174
Бьярн Страуструп разработал объектно-ориентированное расширение этого языка – Си ++.
Вдальнейшем различными фирмами созданы средства программирования графических интерфейсов в рамках языка Си. Язык сетевого программирования Java также создан на основе языка Си.
В1979 г. было объявлено о языке Ада, разработанном для министерства обороны США с его задачами реального времени. Однако до настоящего времени этот язык не вошел в практику широкого применения.
Необходимо отметить определенную условность приведенной классификации. Машинно-независимые языки не отвечают такому названию в полной мере, так как при реализации языка на конкретных компьютерах фирмы вводят дополнительные возможности, выходящие за рамки стандартов на тот или иной язык. Однако программа, написанная в рамках стандартных определений, как правило, может выполняться на компьютерах любого типа, имеющих соответствующий транслятор.
Следует отметить, что чем ближе язык к прикладным задачам пользователей, тем большую работу должен выполнять компьютер по его реализации, т.е. при повышении эффективности работы программиста понижается эффективность работы компьютера, так как один и тот же алгоритм, закодированный в машинных кодах и написанный на языке высокого уровня, использует различный ресурс компьютера. Во втором случае программы, естественно, выполняются медленнее и занимают значительно больше оперативной памяти.
Однако некоторые непроцедурные языки возникли задолго до появления персональных компьютеров и связаны со стремлением исключить рутину процедурного программирования и приблизить язык
кприложениям. И хотя эти языки не получили массового распространения, они включают ряд новых идей, полезных для дальнейшего совершенствования лингвистического обеспечения информатики.
К таким языкам относятся функциональные языки (другое название – аппликативные). Типичным представителем этих языков является LISP (L(ist) I(nformation) S(ymbol) P(rocessing)) – язык об-
работки списков, разработанный Дж. Маккарти в 1961 г. для символьной обработки. Потребность в языках, работающих с символами, ощущалась в лингвистике, философии, математике. У психологов необходимость в таких средствах связана с моделированием
175
человеческого мышления, у лингвистов – с обработкой текстов на естественном языке, у математиков – это язык доказательства теорем, дифференцирование, интегрирование и т.п. Кстати, такие математические пакеты, как Macsyma Reduce, Scratchpad, разработаны с помощью LISP.
К непроцедурным языкам относятся и языки логического программирования, которые являются декларативными. Разработка программы на этих языках заключается в представлении программы в виде символьной логики и использовании для получения результата процесса логического вывода (алгебра Буля – исчисление предиктов, см. гл. 1).
Логическое программирование является не процедурным, а декларативным. Это означает, что в них указывается лишь описание желаемого результата, а не детальная процедура его получения. Одним из представителей таких языков является разработанный на базе LISP язык PROLOG – PRO(gramming) in LOG(ic).
Оба указанных выше языка используются при разработке систем искусственного интеллекта.
Развитие непроцедурных языков связано со стремлением разработчиков исключить прикладное программирование, т.е. применение традиционных языков программирования, которые не являются естественными языками программирования ни для компьютеров, ни для человека, так как они ориентированы на алгоритмы и требуют адаптации и к компьютеру, и к пользователю компьютера.
Непроцедурные языки в последнее время очень широко распространены. К ним относятся ставшие уже традиционными языки управления заданиями (средствами общения с компьютером), входящие в состав операционных систем, и средства подготовки текстов. Интерес к персональным компьютерам и их интенсивное внедрение в деловую практику самых разнообразных организаций связан с появлением электронных таблиц и локальных баз данных (значительно уменьшивших интерес к Коболу), в состав которых также входят непроцедурные лингвистические средства. Математические пакеты, системы автоматизированного проектирования, экспертные системы и т.п. также имеют лингвистические средства такого типа.
Сегодня в полной мере задачу повышения уровня языка решить не удается, поскольку конкретные приложения пользователей значительно шире возможностей, предоставленных стандартными
176
средствами. Практически все непроцедурные языки имеют средства традиционного программирования. Так, пакеты прикладных программ, разработанные фирмой Microsoft, имеют в своем составе Visual Basic. В то же самое время в языки LISP и Prolog при их практическом применении включаются элементы традиционных (императивных) языков.
5.3. Структура и сравнительные характеристики процедурно-ориентированных (императивных) языков программирования
Важнейшим из факторов, влияющих на разработку языков программирования, является архитектура компьютера. Большинство популярных языков последних 40 лет разрабатывалось на основе архитектуры, которая используется практически во всех современных компьютерах, названной по имени одного из ее авторов Джона фон Неймана и описанной в гл. 2. Эти языки программирования называются императивными.
Главным элементом императивных языков программирования, основанных на неймановской архитектуре компьютера, являются переменные, которые моделируют ячейки памяти: операторы присваивания, основанные на операциях пересылки данных, а также итеративная форма повторений, являющаяся наиболее эффективным методом в этой архитектуре. Операнды выражений передаются из памяти в процессор, а результат вычисления выражений возвращается в ячейку памяти, представляемую левой частью оператора присваивания.
Поскольку команды и данные хранятся в соседних ячейках, то операции на компьютере выполняются быстро. Стремление повысить уровень программирования, исключив влияние архитектуры и приблизив его к конечным приложениям с помощью входных языков пакетов прикладных программ, функциональных языков или в языках логического программирования в большинстве случаев реализовано и получило широкую применительную практику. Однако использование этих средств в полной мере потребовало включение в их состав основных элементов императивных языков.
В связи с этим по-прежнему актуально понимание основных принципов и структуры этих языков. Именно эти языки являются основным инструментом большинства программистов, занимающихся прикладным программированием и использующих либо
177
FORTRAN в рамках научно-технических задач, либо С со всеми его расширениями (С++, С builder, С# и т.п.), который позволяет опуститься на более низкий уровень и осуществлять как прикладное, так и системное программирование. Определенной популярностью пользуется и Pascal (особенно в рамках среды Delphy).
Несмотря на постоянное развитие и определенные различия в императивных языках (иногда существенных), определяющих сферу их приложения, они имеют ряд общих принципов, которые и будут рассмотрены далее.
Так же, как и любые языки, о чем уже говорилось, языки программирования имеют алфавит, словарь, способ конструирования выражений (синтаксис), а также разъяснение смысла конструкций из слов и выражений (семантику). В отличие от других языков назначение языка программирования состоит в хранении и передаче упорядоченной последовательности инструкций или алгоритмов. Словарь их значительно меньше, чем у естественных, а выражения точны и однозначны.
Все популярные языки программирования используют латинский алфавит, ряд специальных символов, которые имеются на клавиатуре, а также английские слова и выражения (real, integer, if, then, else, do и т.п.), представляющие собой ключевые, или зарезервированные слова. Существуют некоторые различия в ключевых и зарезервированных словах.
Ключевые слова (Keyword) используются в Фортране и имеют свое функциональное предназначение, находясь, как правило, в неисполняемой части программы (описательной). Так, указание REAL L в начальной части программы указывает, что значение переменной L – действительное. В то же самое время слово «REAL» в исполняемой части может рассматриваться в некоторых языках как обычный идентификатор, например, для обозначения арифметического выражения.
Зарезервированные слова (reserved word) могут использоваться только в контексте, предусмотренном правилами (семантикой) языка.
Ряд языков (например, ADA) могут содержать так называемые предопределенные слова, значения которых могут переопределяться пользователями.
Программы оперируют с объектами данных. Объект данных – комбинация данных, атрибутов, описывающих их свойства, и методов, раскрывающих их поведение.
178
Объектам данных, а также программам или отдельным их частям и т.п. сопоставляются имена (или идентификаторы), правила образования которых несколько различны в разных языках. Все языки имеют достаточно традиционный набор объектов данных – типов данных, встроенных в трансляторы языков. Все типы данных разделяются на две категории – на константы, не изменяемые в процессе работы программы, оформленные по определенным правилам, и переменные. Например, Фортраном константы определяются следующим образом:
PARAMETER (MILE=5280, FOOT=12, METER=39.36)
имя значение
а в Паскале –
CONST MILE=5280; FOOT=12; METER=39.36;
Наиболее характерными типами данных, включаемых в рассматриваемые языки, являются следующие.
1.Элементарные типы данных – типы данных, не определяемые
вдругих типах и существующие практически во всех императивных языках:
числовые типы:
целые – Integer, действительные – REAL (с фиксированной и плавающей точкой);
комплексные (COMPLEX) и с двойной точностью (DOUBLE PRECISION) – только в Фортране;
булевские, или логические, типы – простейшие из всех типов, они имеют, прежде всего, значения – TRUE и FALSE (0, 1 для С);
символьные типы (литерные или CHAR), запоминаются с помощью цифрового кодирования, ввиду недостаточности восьмибитного кодирования в ASCII-кодах для всемирного обмена разработан 16-разрядный Unicode, в котором содержится большинство символов языков мира (первым языком, использующим Unicode, является Java).
2.Массивы (array, dimension), структурированные типы данных – однородное множество данных, в котором каждый элемент идентифицируется его положением по отношению к первому элементу.
К менее распространенным типам, которые используются в ряде языков, можно отнести: порядковые типы, символьные строки
179
(Character strings), запись (record), множества (set type), указатели (Pointer) и т.п.
Все языки имеют три типа выражений.
Арифметические выражения задают порядок действий над элементами данных и состоят из операндов (константы, переменные и т.п.), круглых скобок и знаков операций, традиционных (с очень небольшими отличиями) для всех языков +, -, *, /. Для Фортрана и Бейсика в стандарте предусмотрены знаки возведения в степень – **, ^. Арифметические операции могут быть унарными (unary), содержащими один операнд – U**2, бинарными (binary), содержащими два операнда – a + b, итернарными(ternary, триоперанда) вязыкахС, С++ иJava.
Логические выражения (булевские) состоят из операндов (констант, переменных, элементов массивов и т.п.), логических операций (not, and, or и т.п.) и операций отношения, которые приводятся ниже для языков Бейсик, Фортран и Паскаль. Операции отношения выполняют сравнение двух операндов, а с помощью логических операций составляются более сложные логические выражения. Результатом выполнения логических выражений являются значения
True или False.
Символьные выражения (литерные) порождают значения, имеющие литерный тип данных.
Разделители – элементы любого языка программирования, предназначенные для разделения отдельных элементов выражений внутри строки, для разделения строк, отдельных фрагментов программ и т.п. В качестве разделителей используются пробелы, точки, запятые, двоеточия, точки с запятой, разнообразные скобки и т.п.
Операторы в алгоритмических языках могут быть:
а) простыми (наиболее характерным оператором этого вида является оператор присваивания, он предписывает выполнить выражение, заданное в его правой части, и присвоить результат переменной, идентификатор которой расположен в левой части);
б) ввода-вывода, в качестве которых наиболее часто использу-
ются термины read, write, print;
в) структурными, или составными, которые представляют собой структуры, построенные из других операторов по строго определенным правилам (к таким операторам относятся условные операторы и операторы повтора).
Ниже представлены разновидности структурных операторов и логических отношений для языков Бейсик, Фортран и Паскаль.
180