Файл: Обзор языков программирования высокого уровня.pdf

ВВЕДЕНИЕ

Практически каждый (алгоритмический) язык программирования предназначен для записи некоторого множества алгоритмов. Соответственно, учитывая, что алгоритмом, как правило, называют набор инструкций, понятных исполнителю, и то, что исполнителем в данном случае является ЭВМ, легко определить набор механизмов (средств управления исполнителем), которыми обязан обладать каждый язык программирования. Знание этих базовых механизмов позволяет программисту довольно легко переходить с одного языка на другой (хотя бы по той простой причине, что в любом новом языке эффективнее искать известные вещи, чем натыкаться на неизвестные). Кроме того, зачастую оно (знание) позволяет легче понять структуру языка в целом.

Классическое операционное и/или процедурное программирование требует от программиста детального описания того, как решать задачу, т.е. формулировки алгоритма и его специальной записи. При этом ожидаемые свойства результата обычно не указываются. Основные понятия языков этих групп - оператор и данные. При процедурном подходе операторы объединяются в группы - процедуры. Струк­турное программирование в целом не выходит за рамки этого направления, оно лишь дополнительно фиксирует некоторые полезные приемы технологии програм­мирования.

Принципиально иное направление в программировании связано с методоло­гиями (иногда говорят «парадигмами») непроцедурного программирования. К ним можно отнести объектно-ориентированное и декларативное программирование. Объектно-ориентированный язык создает окружение в виде множества независимых объектов. Каждый объект ведет себя подобно отдельному компьютеру, их можно использовать для решения задач как «черные ящики», не вникая во внутренние механизмы их функционирования. Из языков объектного про­граммирования, популярных среди профессионалов, следует назвать, прежде всего, Си++, для более широкого круга программистов предпочтительны среды типа Delphi и Visual Basic.

Целью курсовой работы является обзорный анализ языков программирования высокого уровня.

Предметом исследования представлены языки программирования высокого уровня.

Исходя из цели были определены задачи исследования:

1. Дать общую характеристику структуры языков программирования;
2. Определить общее понятие о языках программирования, проанализировать алгоритмические механизмы и механизмы управления данными.
3. Рассмотреть различные уровни языков программирования (низкий и высокий). Провести обзор языков программирования высокого уровня, охарактеризовать их.

---

Структура работы включает введение, две главы, разбитые на параграфы, заключение, список использованной литературы, приложение.

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ СТРУКТУРА ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Общие понятия о языках программирования

Процессор компьютера – это большая интегральная микросхема. Все команды и данные он получает в виде электрических сигналов, но их можно представить и как совокупности нулей и единиц, т. е. числами. Поэтому реально программа, с которой работает процессор, представляет собой последовательность чисел, называемых машинным кодом .

Написать программу в машинном коде достаточно сложно, причем сложность работы непропорционально возрастает с увеличением размера программы. Условно можно считать, что машинный код приемлем, если размер программы не превосходит нескольких десятков байтов и нет потребности в операциях ручного ввода и вывода данных. Такая ситуация встречается, например, при программировании простейших автоматов.

Более сложные программы создают с помощью так называемых языков программирования. Теоретически программу можно написать и средствами обычного человеческого языка – это называется программированием на метаязыке, но автоматически перевести в машинный код обычный человеческий язык пока невозможно. Перевод выполняют специальные служебные программы, называемые трансляторами , а трансляторов, способных перевести в машинный код обычный человеческий язык, пока не существует (из-за высокой неоднозначности естественного языка).

Языки программирования – искусственные языки. Они отличаются от естественных человеческих языков малым количеством слов, значение которых понятно транслятору (эти слова называются ключевыми ), и довольно жесткими требованиями по форме записи операторов (совокупность этих требований образует грамматику и синтаксис языка программирования). Нарушения формы записи приводят тому, что транслятор не может правильно выполнить перевод и выдает сообщение об ошибке.

Что же нужно, чтобы «создать язык программирования»? На первый взгляд, для этого необходимо определить какие инструкции в нем могут использоваться (их называют операторами ), жестко утвердить список ключевых слов, которые допустимо использовать, и разработать правила записи каждого из операторов (правила синтаксиса). Однако этого не достаточно. Это лишь идея языка программирования. Для того, чтобы он имел практическое применение, следует разработать программу, способную транслировать текст, записанный по всем правилам данного языка в машинный код, то есть создать транслятор. Таким образом, именно транслятор представляет собой конкретную реализацию идеи языка программирования.

---

По принципу действия различают два вида трансляторов: компиляторы и интерпретаторы. Соответственно с этим можно выделить два класса языков программирования: компилируемые и интерпретируемые.

Трансляция – это перевод. Если мы посмотрим, как работают переводчики с иностранных языков, то тоже увидим, что существует два подхода: синхронный перевод и перевод текстов.

Синхронный переводчик «ловит» услышанную фразу и переводит ее как можно ближе к смыслу. В момент перевода он не знает, какая фраза последует далее, и не успевает учитывать фразы, высказанные ранее. Он как бы в любой момент времени работает с одной конкретной фразой. Для перевода каких-либо специфических понятий ему приходится выстраивать целые конструкции. Фразы синхронного перевода обычно длиннее, чем их оригинал, и не отличаются изяществом.

Литературный переводчик сначала несколько раз прочитает весь текст, подлежащий переводу. Он заранее найдет в нем все особо сложные для перевода места, построит нужные конструкции и будет ими пользоваться всякий раз, когда возникнет необходимость. При переводе одной конкретной фразы переводчик должен учитывать особенность всей книги в целом и даже особенности других произведений того же автора.

Интерпретаторы работают как синхронные переводчики. Они берут один оператор из программы, транслируют его в машинный код (или в какой-то промежуточный код, близкий к машинному коду) и исполняют его. Если какой-то оператор многократно используется в программе, интерпретатор всякий раз будет добросовестно выполнять его перевод так, как будто встретил его впервые.

Компиляторы обрабатывают программу в несколько приемов. Сначала они несколько раз просматривают исходный текст (обычно он называется исходным кодом), находят общие места, выполняют проверку на отсутствие ошибок синтаксиса и внутренних противоречий, и лишь потом переводят текст в машинный код. В результате программа получается компактной и эффективной.

Если программа написана на интерпретируемом языке программирования, то ее можно выполнить только на том компьютере, на котором предварительно будет установлен интерпретатор, ведь он должен участвовать в исполнении программы. Программы, написанные на компилируемых языках программирования, в посредниках не нуждаются – после компиляции уже получен машинный код, в котором есть все необходимее для работы процессора. Поэтому такие программы работают на любом компьютере и делают это в сотни раз быстрее. Это достоинство компилируемых языков программирования.

---

Однако у программ, написанных на интерпретируемых языках программирования, есть другое преимущество. Так как мы можем исполнять их только под управлением интерпретатора, то соответственно мы можем в любой момент времени остановить работу программы, посмотреть ее операторы, внести нужные изменения, вновь запустить и т. д. Содержание программы открыто для пользователя. Для откомпилированных программ все это сделать практически невозможно. После компиляции программы ее исходный текст остается только у автора. Все остальные пользователи получают машинный код, который можно исполнять, но практически нельзя ни посмотреть, ни изменить.

Хотя теоретически это сделать можно, но для этого необходимы огромные затраты времени, наличие специальных программ и высокий уровень знаний и опыта.

Алгоритмические механизмы (управляющие структуры)

Естественно, что основными механизмами любого языка программирования являются механизмы управления данными и процессом выполнения операторов.

Давно доказано, что для реализации алгоритма любой сложности достаточно совсем небольшого набора средств (к примеру условного оператора и оператора перехода или оператора цикла с условием и оператора переходов). Однако, ограничить язык наличием какого бы то ни было «алгоритмического минимума» нецелесообразно с точки зрения эффективности реализации большинства алгоритмов (каждый может проверить это, попытавшись нарисовать блок-схему некоторого циклического алгоритма с использованием только условных вершин для ветвления, даже не пытаясь реализовать его на каком либо языке программирования). Даже максимально редуцированные языки - ассемблеры - обладают помимо условных операторов операторами параметрических циклов. Поэтому в большинство языков программирования включается примерно следующий набор операторов изменения порядка следования операторов. Каждый оператор следует сопровождать примером из какого-либо языка.

1. Оператор условия. Необходимость его присутствия в языке очевидна. Предоставляет возможность выполнить то или иное действие в зависимости от истинности некоторого логического условия. Практически во всех языках называется if.

Условный оператор практически всегда имеет две формы - усеченную, когда указывается лишь действие, выполняемое при истинности логического условия, и полную когда указываются действия выполняемые при обоих значениях логических условий.

---

Типичный пример:

if (a=4) a=a+1; 
else a=b-2; //C++

1. Оператор множественного выбора. Некоторые алгоритмы требуют выполнения более двух различных действий в зависимости от некоторого условия (всегда не логического; к примеру от значения некоторой переменной), то есть ветвления более чем на 2 ветки. Реализация такого ветвления с помощью условного оператора нецелесообразна. Как следствие в большинство языков программирования включен оператор множественного выбора.

Суть его, как правило, в следующем. Некоторое выражение (как правило это просто переменная), которое к моменту выполнения оператора может принимать несколько различных значений, сравнивается с одним из заранее определенных программистом значений, и в случае совпадения выполняется соответствующий оператор.

case c of
3: c: =8;
4: c:= b-3;
else b:= 4;
end; {Pascal}

1. Параметрический цикл. Часто некоторые действия необходимо повторять более одного раза, причем количество повторений можно заранее вычислить. К примеру - обработать последовательно элементы некоторого массива. Для эффективной реализации такого рода алгоритмов в язык программирования включают циклы с параметром.

Наиболее часто такие циклы имеют следующий смысл. Некоторой переменной, называемой параметром присваивается некоторое начальное значение. Затем выполняются повторяемые операторы, называемые телом цикла, после чего параметр изменяется на некоторое значение, называемое шагом. Новое значение параметра сравнивается с конечным значением, и, если значение параметра не превысило конечное значение, все (выполнение тела цикла и изменение параметра) повторяется; в противном случае цикл считается завершенным.

Do 100 I=3,8,1
*операторы тела цикла
100 Continue 
* Fortran IV

4. Операторы цикла с условием. Однако не всякий алгоритм позволяет заранее предсказать количество повторений тех или иных действий: довольно часто некоторые действия следует повторять вплоть до достижения некоторой цели (некоторого условия). Соответственно, для предоставления программисту возможности простой и эффективной реализации такого рода алгоритмов в языки программирования высокого уровня включают циклы с условием окончания.

Суть их в следующем. Повторяемые операторы, называемые все так же телом цикла, повторяются до тех пор пока выполняется некоторое логическое условие.

Здесь следует отметить, что в зависимости от того, когда производится проверка логического условия - до или после выполнения тела цикла - различают циклы с предпроверкой и постпроверкой условия. Небольшие размышления позволяют сделать вывод о некоторых свойствах такого рода циклов.

---