Файл: Современные языки программирования ( Стандартизация языков программирования ).pdf

Введение

Связь между языком, на котором мы думаем, программируем, и задачами и решениями, которые можно представлять в своем воображении, очень тесна. Язык дет программисту набор концептуальных инструментов, если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Грамотное проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться чисто за счет языковых средств. На данный момент большинство программ создаются с помощью языков программирования.

Неотъемлемая часть современных ЭВМ – системы программного обеспечения, которые являются логическим продолжением логических средств ЭВМ, расширяющим возможности аппаратуры и область их применения. Основное назначение программного обеспечения – повышение эффективности труда пользователя, а также повышение пропускной способности ЭВМ путем сокращения времени и затрат на подготовку и выполнение программ.

В своей работе мне хотелось бы разобрать несколько основных современных языков, а именно C, C++, Java, Python, а также системы программирования и их составляющие.

Сложно поспорить с тем, что рынок программного обеспечения не стоит на месте. Однако, судя по всему, языки программирования этот факт не слишком заботит. Сравнивая ТОП-10 текущего индекса TIOBE с рейтингом 10-ти летней давности, можно отметить, что он почти не изменился.

Судя по тому, какую динамику роста популярности занял язык программирования Java в 2015 году, другим языкам программирования будет довольно сложно посоперничать с ним в ближайшем будущем. В 2015 году в общем рейтинге он прибавил почти 6%, заняв почти 22% рынка.

Меньший интерес разработчики проявляли к С и С++. Их доля на рынке составила 16% и 7% соответственно. Четвертую позицию данного рейтинга занял C# с долей рынка менее 5%.

Говоря об остальных языках программирования, представленных в рейтинге, стоит отметить, что приличную динамику роста в 2015 году продемонстрировали Python, VisualBasic .NET и Delphi.

Глава 1. Основы программирования

1.1 Стандартизация языков программирования

Концепция языка программирования неотрывно связана с его реализацией. Для того чтобы компиляция одной и той же программы различными компиляторами всегда давала одинаковый результат, разрабатываются стандарты языков программирования. Существует ряд организаций, которые целенаправленно занимаются вопросами стандартизации. Это Американский национальный институт стандартов ANSI (American National Standards Institute), Институт инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers), Организация международных стандартов ISO (International Organization for Standardization).

При создании языка, как правило, выпускается частный стандарт, определяемый разработчиками языка. Если язык получает широкое распространение, то со временем появляются различные версии компиляторов, которые не точно следуют частному стандарту. В большинстве случаев идет расширение зафиксированных первоначально возможностей языка. Для приведения наиболее популярных реализаций языка в соответствие друг с другом разрабатывается согласительный стандарт. Очень важным фактором стандартизации языка программирования является своевременность появления стандарта – до широкого распространения языка и создания множества несовместимых реализаций. В процессе развития языка могут появляться новые стандарты, отражающие современные нововведения. Так, язык FORTRAN первоначально был стандартизирован в 1966 году. В результате был издан стандарт FORTRAN 66. Далее этот стандарт несколько раз пересматривался (в 1977 году был выпущен FORTRAN 77, затем появился и FORTRAN 90).

Язык Java, ставший в последнее время весьма распространенным, постепенно был значительно расширен и модифицирован: новая спецификация получила название Java 2.

В процессе развития языка некоторые его конструкции и функции устаревают. Однако с целью обратной совместимости новые версии должны поддерживать и все устаревающие возможности. Это ведет к "разбуханию" компиляторов. В последнее время в реализациях введено понятие не рекомендуемой и устаревшей возможности. В первом случае следующий стандарт еще будет поддерживать не рекомендуемую возможность, но может перевести ее в категорию устаревшей. Во втором случае стандарт может исключить поддержку возможности, объявленной ранее как устаревшая. Введение не рекомендуемых и устаревших возможностей предоставляет разработчикам временной интервал, в течение которого они могут модифицировать код в соответствии с новыми требованиями стандарта.

1.2 Типы данных

Тип данных — фундаментальное понятие теории программирования. Тип данных определяет множество значений, набор операций, которые можно применять к таким значениям и, возможно, способ реализации хранения значений и выполнения операций. Любые данные, которыми оперируют программы, относятся к определённым типам.

Тип (сорт) — относительно устойчивая и независимая совокупность элементов, которую можно выделить во всём рассматриваемом множестве (предметной области).

Полиморфный тип — представление набора типов как единственного типа.

Математически тип может быть определён двумя способами:

- Множеством всех значений, принадлежащим типу.

- Предикатной функцией, определяющей принадлежность объекта к данному типу

Типы данных различаются начиная с нижних уровней системы. Так, например, даже в Ассемблере х86 различаются типы «целое число» и «вещественное число». Это объясняется тем, что для чисел рассматриваемых типов отводятся различные объёмы памяти, используются различные регистры микропроцессора, а для операций с ними применяются различные команды Ассемблера и различные ядра микропроцессора.

Концепция типа данных появилась в языках программирования высокого уровня как естественное отражение того факта, что обрабатываемые программой данные могут иметь различные множества допустимых значений, храниться в памяти компьютера различным образом, занимать различные объёмы памяти и обрабатываться с помощью различных команд процессора.

Ниже перечислены языки программирования по способу определения типов данных:

1) Языки с полиморфным типом данных: одни языки не связывают переменные, константы, формальные параметры и возвращаемые значения функций с определёнными типами, поддерживая единственный полиморфный тип данных. В чистом виде таких языков не встречается, но близкие примеры — MS Visual Basic — тип variant, Пролог, Лисп — списки. В этих языках переменная может принимать значение любого типа, в параметры функции можно передавать значения любых типов, и вернуть функция также может значение любого типа. Сопоставление типов значений переменных и параметров с применяемыми к ним операциями производится непосредственно при выполнении этих операций. Например, выражение a+b, может трактоваться как сложение чисел, если a и b имеют числовые значения, как конкатенация строк, если a и b имеют строковые значения, и как недопустимая (ошибочная) операция, если типы значений a и b несовместимы. Такой порядок называют «динамической типизацией» (соответствует понятиюполиморфизм в ООП, полиморфный тип в теории типов). Языки, поддерживающие только динамическую типизацию, называют иногда «бестиповыми». Это название не следует понимать как признак отсутствия понятия типов в языке — типы данных всё равно есть.

2) Языки с неявным определением типов: казалось бы, BASIC является примером языка без типов. Однако это строго типизированый язык: в нём различаются строковые типы (добавляется символ $), массивы (добавляется []) и числовые типы (ничего не добавляется).

3) Языки с типом, определяемым пользователем: также хорошо известны языки, в которых типы данных определяются автоматически, а не задаются пользователем. Каждой переменной, параметру, функции приписывается определённый тип данных. В этом случае для любого выражения возможность его выполнения и тип полученного значения могут быть определены без исполнения программы. Такой подход называют «статической типизацией». При этом правила обращения с переменными, выражениями и параметрами разных типов могут быть как очень строгими (С++), так и весьма либеральными (Си). Например, в классическом языке Си практически все типы данных совместимы — их можно применять совместно в любых выражениях, присваивать значение переменной одного типа переменной другого почти без ограничений. При таких операциях компилятор генерирует код, обеспечивающий преобразование типов, а логическая корректность такого преобразования остаётся на совести программиста. Подобные языки называют «языками со слабой типизацией». Противоположность им — «языки с сильной типизацией», такие как Ада. В них каждая операция требует операндов строго заданных типов. Никакие автоматические преобразования типов не поддерживаются — их можно выполнить только явно, с помощью соответствующих функций и операций. Сильная типизация делает процесс программирования более сложным, но даёт в результате программы, содержащие заметно меньше трудно обнаруживаемых ошибок.

На практике языки программирования поддерживают несколько моделей определения типов одновременно.

1.3 Структуры данных

Структура данных относится, по существу, к "пространственным" понятиям: ее можно свести к схеме организации информации в памяти компьютера. Алгоритм же является соответствующим процедурным элементом в структуре программы - он служит рецептом расчета.

Структуры данных, применяемые в алгоритмах, могут быть чрезвычайно сложными. В результате выбор правильного представления данных часто служит ключом к удачному программированию и может в большей степени сказываться на производительности программы, чем детали используемого алгоритма. Вряд ли когда-нибудь появится общая теория выбора структур данных. Самое лучшее, что можно сделать,- это разобраться во всех базовых "кирпичиках" и в собранных из них структурах. Способность приложить эти знания к конструированию больших систем - это прежде всего дело инженерного мастерства и практики.

Независимо от содержания и сложности любые данные в памяти ЭВМ представляются последовательностью двоичных разрядов, или битов, а их значениями являются соответствующие двоичные числа. Данные, рассматриваемые в виде последовательности битов, имеют очень простую организацию или, другими словами, слабо структурированы. Для человека описывать и исследовать сколько-нибудь сложные данные в терминах последовательностей битов весьма неудобно. Более крупные и содержательные, нежели бит, "строительные блоки" для организации произвольных данных получаются на основе понятия "структуры данного".

Под структурой данных в общем случае понимают множество элементов данных и множество связей между ними. Такое определение охватывает все возможные подходы к структуризации данных, но в каждой конкретной задаче используются те или иные его аспекты. Поэтому вводится дополнительная классификация структур данных, направления которой соответствуют различным аспектам их рассмотрения. Прежде чем приступать к изучению конкретных структур данных, дадим их общую классификацию по нескольким признакам.

Понятие "физическая структура данных" отражает способ физического представления данных в памяти машины и называется еще структурой хранения, внутренней структурой или структурой памяти.

Рассмотрение структуры данных без учета ее представления в машинной памяти называется абстрактной или логической структурой. В общем случае между логической и соответствующей ей физической структурами существует различие, степень которого зависит от самой структуры и особенностей той среды, в которой она должна быть отражена. Вследствие этого различия существуют процедуры, осуществляющие отображение логической структуры в физическую и, наоборот, физической структуры в логическую. Эти процедуры обеспечивают, кроме того, доступ к физическим структурам и выполнение над ними различных операций, причем каждая операция рассматривается применительно к логической или физической структуре данных.

Различаются простые (базовые, примитивные) структуры (типы) данных и интегрированные (структурированные, композитные, сложные). Простыми называются такие структуры данных, которые не могут быть расчленены на составные части большие, чем биты. С точки зрения физической структуры важным является то обстоятельство, что в данной машинной архитектуре, в данной системе программирования мы всегда можем заранее сказать, каков будет размер данного простого типа и какова структура его размещения в памяти. С логической точки зрения простые данные являются неделимыми единицами. Интегрированными называются такие структуры данных, составными частями которых являются другие структуры данных - простые или в свою очередь интегрированные. Интегрированные структуры данных конструируются программистом с использованием средств интеграции данных, предоставляемых языками программирования.