Файл: Современные языки в программировании.pdf

Современные языки программирования не ограничиваются какой-то одной парадигмой, а используют их несколько или являются мультипарадигмальными. Это связано со стремлением разработчиков языка расширить области их применения, и сделать его языком общего назначения, а не ориентированным на решение узкого круга задач.

Пользоваться почти всеми языками объектно-ориентированного подхода наряду с процедурным, обусловлено сложностью современных задач. Создание больших систем просто невозможно без создания структурной модели, а работа с объектами значительно облегчает разработку и отладку таких систем.

Глава 3. Трансляторы

Так как текст, который написан на языке программирования, непонятен компьютеру, то необходимо перевести на машинный код. Перевод программы с языка программирования на язык машинного кода называется трансляцией и выполняется специализированными программами – трансляторами.

Транслятор – это специальная обслуживающая программа, которая преобразовывает исходную программу, представленную на языке программирования, в рабочую программу, представленную на объектном языке.

На сегодняшний день трансляторы разделяют на две группы:

• • компиляторы;
  • интерпретаторы.

3.1. Компилятор

Компилятор – это специальная обслуживающая программа, выполняющая трансляцию на машинный код, записанный на исходном языке программирования.

Компилятор обеспечивает преобразование программы с одного языка на другой. Команды исходного языка отличаются по организации и мощности от команд машинного языка. Есть языки, в которых одна команда исходного языка транслируется в 7-10 машинных команд. В исходном языке часто используется строгая типизация данных, которая осуществляется через их предварительное описание. Процесс трансляции с таких языков обычно называется компиляцией, а исходные языки обычно относятся к высокоуровневым языкам.[6]

3.2. Интерпретатор

Интерпретатор – это устройство или программа, которая осуществляет пооператорную трансляцию и выполнение исходной программы.

Интерпретатор на выходе не порождает программу на машинном языке. Распознав команду исходного языка, он тут же выполняет ее.

Типы интерпретаторов:

• Простой интерпретатор – анализирует и тут же выполняет программу покомандно.
  • Достоинством является мгновенная реакция;
  • Недостаток – обнаруживает ошибки в тексте программы только при попытке выполнении команды с ошибкой.
• Интерпретатор компилирующего типа – система из компилятора, превосходящего исходный код программы в промежуточное направление.
  • Достоинством является большее быстродействие выполнение программ;
  • Недостаток – большее требование к ресурсам и требование на корректность исходного кода.[6]

Достоинства интерпретаторов:

• Переносимость интерпретируемых программ – программа будет работать на всех платформах, на которых есть соответствующий интерпретатор;
• Простая отладка исходных кодов программ – интерпретатор позволяет начать обработку данных после написания даже после одной команды;
• Небольшие размеры кода по сравнению с машинным кодом, полученным после обычных компиляторов.

Недостатки интерпретаторов:

• Программа не может выполняться отдельно при отсутствии программы-интерпретатора. При этом сам интерпретатор может быть не очень компактным;
• Интерпретируемая программа выполняется медленнее, поскольку промежуточный анализ исходного кода и его выполнения требуют дополнительного времени в сравнении с исполнением машинного кода, в который мог бы быть скомпилирован исходный код.
• Практически отсутствует оптимизация кода, что приводит к дополнительным потерям в скорости работы интерпретируемых программ.

Какие трансляторы применяются в современных языках программирования, представлены в таблице 3.

Таблица 3. Трансляторы современных языках программирования

Современные языки программирования используют в равной степени компиляцию и интерпретацию.

Большее использование компиляторов связано с большой скоростью работы программ и создание машинно-зависимых участков кода и программ.

Использование интерпретации, позволяет оградить программиста от особенностей конкретных платформ, и очень востребовано в связи с развитием Интернет-технологий.

Среди всех интерпретируемых языком используются в основном интерпретаторы компилирующего типа, что обусловлено значительным увеличением скорости работы программ в сравнении с простыми интерпретаторами. При разработке большого и сложного программного обеспечения такое увеличение скорости может быть очень существенным.

Глава 4. Типизация данных

Тип – это устойчивая и независимая совокупность элементов, которую можно выделить во всём рассматриваемом множестве.

Математически тип может быть определен двумя способами:

• • Множеством всех значений, принадлежащим типу;
  • Предикатной функцией, определяющей принадлежность объекта к данному типу.

Тип данных – это понятие теории программирования. Он определяет множество значений, набор операций, которые можно применять к таким значениям, а так же способ реализации хранения значений и выполнение операций. Все данные, которыми оперируют программы, относятся к определенным типам данных.

Типы данных различаются так же и на нижних уровнях системы. Даже в Ассемблере x86 различают такие типы как «целое число» и «вещественное число». Это объясняется тем, что для чисел разных типов отводятся разные объемы памяти, используются различные регистры микропроцессора, и для операций над ними применяются разные команды Ассемблера и разные ядра микропроцессора.

В языках программирования типы данных не всегда соответствуют подобным математическим типам. Например, тип “целое число” большинства языков программирования не соответствует принятому в математике типу “целое число”, так как в математике указанный тип не имеет ограничений ни сверху, ни снизу, а в языках программирования эти ограничения есть. Как правило, в языках и системах имеется множество целых типов, отличающихся допустимым диапазоном значений (определяемым объёмом занимаемой памяти).

Часто используемые типы данных:

• Простые:
  • Перечисляемый тип – хранит значения прямо указанные в его описании.
  • Целочисленный тип – хранит целое число и без знака.
  • Вещественный тип – хранит вещественное число с запятой и с плавающей точкой.
  • Символьный тип – хранит один символ в разных кодировках.
  • Множество – совпадает с обычным математическим понятием множества.
  • Логический тип – принимает только два значения ложь(false)=0 и истина(true)=1.
  • Указатель – хранит адрес в памяти, который указывает на какую-либо информацию, как правило – указатель на переменную.
• Составные:
  • Массив – хранит индексированный набор элементов одного типа.
  • Строковый тип – хранит строку набора символов.
  • Запись или структура – хранит набор разных элементов или полей, который хранится как единое целое.
  • Файловый тип – хранит только однотипные значения, к которым доступ осуществляется только последовательно.
  • Класс, метакласс и интерфейс – хранит абстрактные типы данных в объектно-ориентированном программировании.

Типы переменных и параметров должны совпадать с присваиваемыми им значениями или вызываемыми для них функциями. Для совместимости типов переменных и их значений во всех языках программирования осуществляется контроль типов и называется типизацией. Типизация – это процесс проверки и накладывания ограничений использование типов.

Существует всего два вида контроля типов данных:

• • Статистическая типизация, – при которой переменная, параметр подпрограммы, возвращаемое значение функции связывается с типом в момент объявления и тип не может быть изменён позже. Переменная или параметр будут принимать, а функция возвращать значения только этого типа.
  • Динамическая типизация, - при которой переменная связывается с типом в момент присваивания значения, а не в момент объявления переменной. Таким образом, в различных участках программы одна и та же переменная может принимать значения разных типов.

Подходы для определения соответствия типов данных:

• • Строгая типизация – совместимость типов автоматически контролируется транслятором, она должна быть явно наследована при определении типа или определятся структурой самого типа.
  • Слабая типизация – совместимость типов транслятором не контролируется. В языках программирования со слабой типизацией обычно используется подход, который называется «утиная типизация» - это когда совместимость определяется и реализуется общим интерфейсом доступа к данным типа.

На сегодняшний день не существует единого мнения о том, какой вид типизации лучше.

4.1. Динамическая типизация данных

Так как переменная связывается с типом в момент присваивания и в ходе выполнения программы может менять свой тип, контролировать на этапе проектирования соответствие такой переменной вызываемым для нее функциям и методам невозможно. Поэтому транслятор встраивает в программу операции связанные с динамической проверкой типа.

Недостатки динамической типизации:

• • Низкая скорость выполнения, которая связана с динамической проверкой типа переменной перед каждым использованием.
  • Возникают ошибки, связанные с опечатками при использовании имени переменной.
  • Масса возможностей для простых ошибок, для обнаружения которых необходимо, как минимум выполнить данный участок кода.
  • В объектно-ориентированных языках программирования не действуют или действует с ограничениями автодополнение: невозможно или совсем трудно понять, к какому типу относится переменная, и вывести ее набор методов и полей.

Если учесть эти недостатки, то для написания сложного кода нужна особая культура программирования: венгерская нотация или юнит-тестирование. Кроме этого, в таких языках программирования отсутствует интерфейсная часть модуля, которая сама по себе является существенной частью документации, а иногда вообще позволяет обойтись и без документирования.

Отсутствие проверки типов данных на этапе написания и трансляции программы ведет к появлению некоторых достоинств:

• Ускоряется работа – а это значит, цикл «написать - проверить», что для больших проектов может быть существенным.
• Повышается гибкость языка – возможна реализация функций, вычисляющей значение выражения произвольного типа.

Отсутствуют дополнительные строки, связанные с определением типа данных и даже с объявлением переменных и операции приведения типа. Соответственно упрощается написания простых программ. В разных языках программирования динамический контроль типов реализован по-разному. Благодаря этому в некоторых языках недостатки данного вида типизации могут быть сведены к нулю, так же как и достоинства.

4.2. Статическая типизация данных

При этом виде контроля переменная связывается с типом в момент объявления еще при написании программы и проверяется на соответствие при каждом ее использовании программистом.

Недостатки:

• • Понижается гибкость языка – для каждого типа переменной необходима реализация собственной функции.
  • Значительно замедляется работа компилятора.

Достоинства:

• • Высокая скорость выполнения программы, которая связана с отсутствием проверки типов на этапе выполнения. Зная тип переменной транслятор, может использовать для нее более простые команды.
  • Уменьшается количество ошибок, которые связаны с некорректным использованием типа переменной, такие как присваивание значений, операции над переменными и передача параметров в функции.
  • При явном объявлении переменных и типов повышается читабельность и понятность кода, а так же упрощается документирование программы.

Так же как и для динамического контроля, статический контроль типов данных в языках программирования реализован по-разному, что с учетом строгой или слабой типизации может налагать ряд дополнительных достоинств и недостатков.

Виды типизации в современных языках программирования представлены в таблице 4.