Файл: Современные языки программирования (История возникновения и развития).pdf

- стоимость выполнения программы. На заре компьютерных вычислений стоимость связывалась в основном только с выполнением программы. Большое значение имели исследования по разработке оптимизирующих компиляторов, эффективного использования регистров и механизмов эффективного выполнения программ. Хотя стоимость выполнения программ учитывается и в процессе разработки языка, но в первую очередь она важна для больших производственных программ, которые многократно выполняются. Однако на сегодняшний день для большинства приложений вопрос скорости выполнения не является первостепенным.

- стоимость трансляции программы. В случаях, когда языки программирования используются в процессе обучения, важнее иметь быстрый и эффективный компилятор. Это связано с тем, что студенческие программы многократно транслируются, а выполняются всего несколько раз.

- стоимость создания, тестирования и использования программы. Для определенного класса задач решение может быть разработано, закодировано, протестировано, изменено и использовано с минимальными затратами времени и сил программиста. Эффективность в смысле стоимости можно увидеть на примере языков Perl и Smalltalk. Объясняется это тем, что в них минимизировано общее время и объем усилий, требующихся программисту на решение на компьютере какой-либо задачи, даже если время выполнения программы может быть больше, чем для других языков.

- стоимость сопровождения. Поддержка включает в себя и исправление ошибок, выявленных уже после того, как программа отдана в эксплуатацию, и изменения, которые необходимо внести в программу в связи с обновлением аппаратной части или операционной системы, и усовершенствование и расширение возможностей программы для удовлетворения новых потребностей. Язык, который позволяет без особых проблем вносить многочисленные изменения и исправления в программу и создавать различные расширения (причем разными программистами и в течение многих лет), оказывается в конечном счете более выгодным, чем любой другой.

Языки программирования можно разбить на 3 группы: процедурные, функциональные и логические. Основой всех языков программирования являются процедурные языки, поскольку в основе работы компьютера (центрального процессора) на самом низком уровне лежит возможность исполнять только примитивные команды, явно указывающие, что делать процессору. Языки других типов можно рассматривать как надстройки над процедурными языками программирования. В этих языках (функциональные и логические) заложены и реализованы определенные математические модели, позволяющие более эффективно программировать некоторые специфические типы задач. Но трансляторы, библиотеки и другие средства этих языков программирования все равно реализованы посредством процедурных языков программирования.

Процедурные языки программирования. Программа состоит из последовательности императивных команд (явно, задающих какие преобразования выполнять над данными). Данные хранятся в виде переменных. Примером процедурного языка является язык программирования Паскаль. Языки низкого уровня (машинный код и Ассемблер) являются по принципам работы процедурными языками программирования. Но, это языки такого низкого уровня, что к ним даже не подходит термин “процедурные”. Скорее, лучше называть их императивными языками программирования.

Логические языки программирования. Языки программирования данного типа основываются на формальной логике и булевой алгебре. Программа не содержит в себе явных алгоритмов. Задаётся описание условий задачи и логических соотношений, по которым система программирования строит дерево вывода и находит решения задачи. Язык Пролог является логическим языком программирования.

Функциональные языки программирования Функциональное программирование основывается на использование списков и функций. Переменные могут отсутствовать вообще. Язык Лисп есть функциональный язык программирования.

Программы на логических и функциональных языках программирования обладают относительно низким быстродействием из-за сложности реализации.

Большинство современных процедурных языков программирования развивается в направлении объектно-ориентированного программирования.

Типы программирования.

Алгоритмическое (модульное) программирование

Основная идея алгоритмического программирования — разбиение программы на последовательность модулей, каждый из которых выполняет одно или несколько действий. Единственное требование к модулю — чтобы его выполнение всегда начиналось с первой команды и всегда заканчивалось на самой последней (то есть, чтобы нельзя было попасть на команды модуля извне и передать управление из модуля на другие команды в обход заключительной).

Алгоритмом называется точная инструкция исполнителю в понятной для него форме, определяющая процесс достижения поставленной цели на основе имеющихся исходных данных за конечное число шагов.

Алгоритм на выбранном языке программирования записывается с помощью команд описания данных, вычисления значений и управления последовательностью выполнения программы^[5].

Текст программы представляет собой линейную последовательность операторов присваивания, цикла и условных операторов. Таким способом можно решать не очень сложные задачи и составлять программы, содержащие несколько сот строк кода.

В таком программировании используются следующие элементы:

- Переменные и константы.

- Типы данных числовой, логический, строковый.

- Арифметические операции и выражения.

- Логические выражения (результат – только истина или ложь).

- Сложные структуры данных (составляющиеся из базовых и определенных ранее сложных типов): массивы, списки, деревья и т. п. При этом структура объединяет группу разных данных под одним названием.

Структурное программирование

При создании средних по размеру приложений (несколько тысяч строк исходного кода) используется структурное программирование, идея которого заключается в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. Для этого надо иметь средства для создания программы не только с помощью трех простых операторов, но и с помощью средств, более точно отражающих конкретную структуру алгоритма. С этой целью в программирование введено понятие подпрограммы— набора операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода. Программа разбивается на множество мелких подпрограмм (занимающих до 50 операторов — критический порог для быстрого понимания цели подпрограммы), каждая из которых выполняет одно из действий, предусмотренных исходным заданием. Комбинируя эти подпрограммы, удается формировать итоговый алгоритм уже не из простых операторов, а из законченных блоков кода, имеющих определенную смысловую нагрузку, причем обращаться к таким блокам можно по названиям. Получается, что подпрограммы — это новые операторы или операции языка, определяемые программистом.

Возможность применения подпрограмм относит язык программирования к классу процедурных языков.

Наличие подпрограмм позволяет вести проектирование и разработку приложения сверху вниз — такой подход называется нисходящим проектированием. Сначала выделяется несколько подпрограмм, решающих самые глобальные задачи (например, инициализация данных, главная часть и завершение), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь в свою очередь на небольшое число других подпрограмм, и так происходит до тех пор, пока вся задача не окажется реализованной.

Такой подход удобен тем, что позволяет человеку постоянно мыслить на предметном уровне, не опускаясь до конкретных операторов и переменных. Кроме того, появляется возможность некоторые подпрограммы не реализовывать сразу, а временно откладывать, пока не будут закончены другие части. Например, если имеется необходимость вычисления сложной математической функции, то выделяется отдельная подпрограмма такого вычисления, но реализуется она временно одним оператором, который просто присваивает заранее выбранное значение. Когда все приложение будет написано и отлажено, тогда можно приступить к реализации этой функции.

Немаловажно, что небольшие подпрограммы значительно проще отлаживать, что существенно повышает общую надежность всей программы.

Очень важная характеристика подпрограмм — это возможность их повторного использования.  С интегрированными системами программирования поставляются большие библиотеки стандартных подпрограмм, которые позволяют значительно повысить производительность труда за счет использования чужой работы по созданию часто применяемых подпрограмм.

Событийно-ориентированное программирование

С активным распространением системы Windows и появлением визуальных RAD-сред широкую популярность приобрел событийный подход к созданию программ — событийно-ориентированное программирование.

Идеология системы Windows основана на событиях. Щелкнул человек на кнопке, выбрал пункт меню, нажал на клавишу или кнопку мыши - в Windows генерируется подходящее сообщение, которое отсылается окну соответствующей программы. Структура программы, созданной с помощью событийного программирования, следующая. Главная часть представляет собой один бесконечный цикл, который опрашивает Windows, следя за тем, не появилось ли новое сообщение. При его обнаружении вызывается подпрограмма, ответственная за обработку соответствующего события (обрабатываются не все события, их сотни, а только нужные), и подобный цикл опроса продолжается, пока не будет получено сообщение «Завершить работу».

События могут быть пользовательскими, возникшими в результате действий пользователя, системными, возникающими в операционной системе (например, сообщения от таймера), и программными, генерируемыми самой программой (например, обнаружена ошибка и ее надо обработать).

Событийное программирование является развитием идей нисходящего проектирования, когда постепенно определяются и детализируются реакции программы на различные события.

Объектно-ориентированное программирование

Развитие идей структурного и событийного программирования существенно подняло производительность труда программистов и позволило в разумные сроки (несколько месяцев) создавать приложения объемом в сотни тысяч строк. Однако такой объем уже приблизился к пределу возможностей человека, и потребовались новые технологии разработки программ.

Объектно-ориентированное программирование базируется на понятиях объекта, класса и на трех ключевых концепциях — инкапсуляции, наследовании и полиморфизме.

В языках программирования и реализовано понятие объекта как совокупности свойств (структур данных, характерных для этого объекта), и методов их обработки (подпрограмм изменения свойств) и событий, на которые данный объект может реагировать и которые приводят, как правило, к изменению свойств объекта.

Объекты могут иметь идентичную структуру и отличаться только значениями свойств. В таких случаях в программе создается новый тип, основанный на единой структуре объекта (по аналогии с тем, как создаются новые типы для структур данных). Он называется классом, а каждый конкретный объект, имеющий структуру этого класса, называется экземпляром класса.

Объединение данных c методами в одном типе (классе) называется инкапсуляцией. Помимо объединения, инкапсуляция позволяет ограничивать доступ к данным объектов и реализации методов классов. В результате у программистов появляется возможность использования готовых классов в своих приложениях на основе только описании этих классов.

Важнейшая характеристика класса — возможность создания на его основе новых классов с наследованием всех его свойств и методов и добавлением собственных. Класс, не имеющий предшественника, называется базовым.

Например, класс «студент» имеет свойства «ФИО», «год поступления», методы «посещать занятия» и «сдавать экзамены». Созданный на его основе класс «студент-заочник» наследует все эти свойства и методы, к которым дополнительно добавляется свойство «место работы» и метод «приезжать на сессию»Наследование позволяет создавать новые классы, повторно используя уже готовый исходный код и не тратя времени на его переписывание.

В большинстве случаев методы базового класса у классов-наследников приходится переопределять — объект класса «студент-заочник» выполняет метод «посещать занятия» совсем не так, как объект класса «студент-очник». Все переопределяемые методы по написанию (названию) будут совпадать с методами базового объекта, однако компилятор по типу объекта (его классу) распознает, какой конкретно метод надо использовать, и не вызовет для объекта класса «студент-заочник» метод «посещать занятия» класса «студент». Такое свойство объектов переопределять методы наследуемого класса и корректно их использовать называется полиморфизмом.

Визуальное программирование

Технологии объектного, событийного и структурного программирования сегодня объединены в RAD-системах, которые содержат множество готовых классов, представленных в виде визуальных компонентов, которые добавляются в программу одним щелчком мыши. Программисту надо только спроектировать внешний вид окон своего приложения и определить обработку основных событий — какие операторы будут выполняться при нажатии на кнопки, при выборе пунктов меню или щелчках мышкой. Весь вспомогательный исходный код среда сгенерирует сама, позволяя программисту полностью сосредоточиться только на реализации алгоритма.