Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 211

Сразу после появления Лисп стал очень

популярным прежде всего как язык для реше-

ния логических задач. Он очень легко реализу-

ется на аппаратном уровне, в настоящее время

специализированные Лисп-процессоры широ-

ко используются в системах искусственного

интеллекта для военных применений, напри-

мер, в системах самонаведения крылатых ра-

кет. Более того, Лисп, несмотря на некоторую

громоздкость, широко применяется в США

как вычислительный язык, уступая по распро-

страненности только Фортрану. В частности, в

знаменитой системе автоматизированного

проектирования AutoCAD используется диа-

лект Лиспа под названием AutoLisp.

В качестве эпиграфа

к этому разделу приведем выдержку из пре-

дисловия Патрика Уинстона к учебнику по

Прологу: «В Средние века знание латинского

и греческого языков являлось существенной частью образования любо-

го ученого. Ученый, владеющий только одним языком, неизбежно чув-

ствовал свою неполноценность... Таким же неполноценным ощущает

себя исследователь в области искусственного интеллекта, если он не

обладает основательным знакомством как с Лиспом, так и с Прологом –

этими двумя основополагающими языками искусственного интеллекта,

без знания которых невозможен более широкий взгляд на предмет ис-

следования».

Язык Prolog (PROgramming

for LOGic – программирование

для логики) был создан в Евро-

пе в начале 70-х годов. Теория

была разработана в Эдинбурге

(Великобритания) Робертом

Ковальским и Маартеном ван

Эмденом, первая реализация

осуществлена Аленом Коль-

мари (Colmerauer, Alain) из

Марселя (Франция).

Лисп-машина в музее

Массачусетсского тех-

нологического институ-

та. Фото автора, 2004 г.

Prolog –

несбывшаяся мечта

ЭВМ V поколения

Роберт Ковальский (слева)

и Ален Кольмари

212 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

В отличие от всех предыдущих языков, включая Лисп, Пролог не

является алгоритмическим языком, то есть он не описывает КАК нужно

получить результат. Он является

декларативным языком, то есть пока-

зывает ЧТО дано и ЧТО нужно получить.

Программа на Прологе состоит из

фактов некоторой предметной

области и

правил. Интерпретирующая система сама делает логический

вывод, то есть применяет правила к фактам, для этого используется ап-

парат математической логики (логика предикатов первого порядка).

В качестве примера рассмотрим простейшую предметную область

родственных отношений между пятью членами семьи – тремя мужчи-

нами и двумя женщинами. Эта схема описывается девятью фактами:

муж (петя),

муж (ваня),

муж (коля),

жен (таня),

жен (маша),

мать (ваня, таня),

отец (ваня, петя),

отец (маша, ваня),

отец (коля, ваня).

Зададим следующие очевидные правила родства,

используя синтаксис Пролога. Знак «:–» символизиру-

ет «есть по определению», запятая означает одновре-

менное выполнение нескольких высказываний, а два исключающих

друг друга знака < и > заменяют знак неравенства.

родитель (X, Y) :— отец (X, Y)

родитель (X, Y) :— мать (X, Y)

дед (X, Y) :— родитель (X, Z), отец (Z, Y)

брат (X, Y) :— муж (Y), родитель (X, Z),

родитель (Y, Z), X<>Y

Введя текст фактов и правил в Пролог-систему, можно задавать ей

вопросы. Диалог пользователя с системой выглядит следующим обра-

зом (справа от вопроса на Прологе приведена его расшифровка на есте-

ственно языке):

GOAL> дед (коля, X) Кто дед Коли?

X = Петя

GOAL> брат (маша, X) Кто брат Маши?

X = Коля

Таня

Петя

Ваня

Маша Коля

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 213

Пролог – очень мощный и красивый язык, с ним в 80-е годы были

связаны очень большие надежды. Речь идет о весьма амбициозном про-

екте ЭВМ пятого поколения, заявленном Японией в 1981 году и разрек-

ламированном в печати под названием «Японский вызов». Предполага-

лось, что в 1980–90-х годах будут созданы компьютеры, имеющие

принципиальные отличия от всех предыдущих:

• новая технология производства микросхем, знаменующая пере-

ход от кремния к арсениду галлия и дающая возможность на

порядок повысить быстродействие основных логических эле-

ментов;

• новая архитектура (не фоннеймановская);

• новые способы ввода-вывода информации – распознавание и

синтез речи и образов;

• отказ от традиционных алгоритмических языков программиро-

вания (Фортрана, Алгола и т.п.) в пользу декларативных;

• ориентация на задачи искусственного интеллекта с автоматиче-

ским поиском решения на основе логического вывода.

Язык запросов

высокого уровня

Язык ядра

Естественный язык.

Общение голосом и

графикой

Система

управления

базами знаний

Система

решения задач

и получения

логического

вывода

Система

интеллектуального

интерфейса

Машина базы

знаний

Машина решения

задач и

получения

выводов

Машина

интеллектуального

интерфейса

Аппаратные

сре дства

Программ ные

сре дства

Вне

шний

инт

ерфейс

К сетям ЭВМ

поколения

Структура ЭВМ V поколения

214 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

В основу программного обеспечения будущих ЭВМ предполагалось

положить язык Пролог, а всю архитектуру ориентировать на реализа-

цию алгоритмов логического вывода.

К сожалению, этому проекту не суждено было сбыться. Основная

причина – не удалось добиться эффективной аппаратной интерпретации

Пролога. Отпущенное время истекло, а нетрадиционные элементная

база и архитектура компьютера до сих пор не вышли из стадии экспе-

риментов. Задача создания нового, революционного поколения компью-

теров явно откладывается на XXI век.

В заключение этого параграфа мы рассмотрим

еще один алгоритмический язык, предназна-

ченный не для «настоящего» программирова-

ния, а для обучения детей. Язык Logo был изо-

бретен выдающимся математиком и педагогом Сеймуром Пейпертом

(Papert, Seymour; р. 1928). Пейперт родился и вырос в Южной Африке,

учился в Кембридже, а в 1958–1963 годах работал в Женеве у знамени-

того психолога Жана Пиаже (Piaget, Jean), где занимался детьми и при-

родой их мышления.

Перейдя на работу в Массачусетсский технологический институт,

он поставил задачу создать такую среду общения человека с компьюте-

ром, которая была бы доступна даже ребен-

ку. Как известно, дети очень любят рисо-

вать. Отталкиваясь от этого тезиса и взяв за

основу язык Lisp, Пейперт в 1967 году соз-

дал гениальную в своей простоте систему

программирования Logo, в которой опера-

торы языка управляют движениями вирту-

альной (т.е. воображаемой) черепашки, пол-

зающей по экрану компьютера и оставляю-

щей за собой видимый след. Ребенок, начи-

ная с возраста 5–6 лет, рисуя черепашкой с

помощью команд «вперед на столько-то

шагов», «вправо на столько-то градусов» и

им подобных забавные картинки, сам не

осознавая того, постигает фундаментальные понятия цикла, подпро-

граммы, рекурсии и т.д.

Вот пример простейшей рекурсивной программы на русифициро-

ванном Logo, рисующей спираль из отдельных дуг окружности:

Logo –

язык для

самых маленьких

Сеймур Пейперт (р. 1928)

получает степень

почетного доктора

Софийского университета

(фото 1999 г.)

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 215

это дуга :шаг :число_шагов

повтори :число_шагов

[вперед :шаг направо 10]

конец

это спираль :шаг

если :шаг < 1 [стоп]

дуга :шаг 18

спираль :шаг / 2

конец

У Сеймура Пейперта нашлось очень много по-

следователей на всех континентах Земли. Эксперименты, проведенные

с тысячами детей, показали удивительные результаты. Работа с компь-

ютером в среде Logo стимулирует творческие способности, развивает

абстрактное мышление. Сама среда Logo постоянно совершенствуется.

Современная реализация системы для Wintel и Macintosh под названием

MicroWorlds – ЛогоМиры имеет еще более широкие возможности про-

граммирования: можно управлять сразу несколькими черепашками,

цветом, звуком, создавать мультипликации и т.д. Она представляет со-

бой универсальную учебно-развивающую среду, то есть открыта для

занятий любым школьным предметом.

Итак, какие общие выводы можно сделать из рассказан-

ных историй о развитии конкретных языков программиро-

вания?

Первое. Программирование в целом значительно более консерва-

тивно, чем аппаратная часть компьютера. Фундаментальные идеи рож-

даются очень редко – раз в 10–15 лет. За прошедшие полвека было

предложено пять основных концепций программирования:

1) процедурное программирование, реализованное в языках Фор-

тран, Кобол, Алгол, Паскаль и т.п.;

2) объектно-ориентирование программирование (ООП), в кристаль-

но чистом виде реализованное в языке Smalltalk и в смеси с процедур-

ным программированием присутствующее во всех современных языках

– Object Pascal, Visual Basic, C++, Java;

3) визуально-событийное программирование, являющееся развити-

ем ООП в части работы с особыми классами визуальных объектов (пик-

тограммами, кнопками, диалоговыми окнами), реагирующими на раз-

личные внешние события – щелчок или перетаскивание мышью и т.п.

Уроки

истории

216 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

Оно реализовано в визуальных технологических средах Delphi, Visual

Basic, Visual C++, Visual Java, Visual FoxPro и др.;

4) функциональное программирование, представленное языком

Lisp;

5) логическое программирование, положенное в основу языка

Prolog.

Поэтому будущему профессиональному программисту чрезвычайно

важно изучать классику.

Второе. Новые идеи в программировании часто рождаются не в ре-

зультате инженерного прозрения, а на основе фундаментальных мате-

матических теорий; такова судьба Лиспа, Пролога, Лого. Поэтому сис-

темный программист обязан быть хорошим математиком.

Третье. Самый хороший и элегантный язык ничего не стоит без

реализации, которая должна быть эффективной. Вспомним, например,

как Филипп Кан удачной реализацией дал вторую жизнь Паскалю. По-

строение же эффективного транслятора (компилятора или интерпрета-

тора) невозможно без глубокого знания теории формальных языков и

методов трансляции.

§ 3.3. Операционные системы

Операционная система (ОС) – важнейшая часть системного про-

граммного обеспечения. ОС – это совокупность программ, организую-

щих и обслуживающих вычислительный процесс на ЭВМ. Без ОС не-

мыслима работа компьютера. Собственно говоря, современный пользо-

ватель не видит саму машину, он общается только с ОС. Однако так

было не всегда. Операционные системы прошли длительный и сложный

путь эволюции, анализ этого пути исключительно полезен для понима-

ния современного состояния и тенденций развития ОС.

Вернемся к истокам вычислительной техники.

50-е годы – время ЭВМ первого поколения.

Машины тогда были громоздкими сооруже-

ниями, занимавшими целые здания вычислительных центров (ВЦ). В

полумраке главного машинного зала тысячами огоньков светились

электронные лампы, гудели мощные вентиляторы, подававшие потоки

охлажденного воздуха на многометровые стойки с ячейками ЭВМ. В

50-е годы:

человек-оператор

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 217

середине зала возвышался центральный пульт управления. Он внешне

походил на пульт управления электростанцией или прокатным станом,

насчитывал сотни клавиш, кнопок, переключателей и индикаторных

лампочек.

Разобраться во всем этом хозяйстве мог

только специально подготовленный человек.

В первые годы, когда машины только учи-

лись считать, ими управляли сами програм-

мисты. Каждому пользователю отводилось

определенное время, стоимость одного часа

машинного времени в России примерно рав-

нялась месячной зарплате инженера. Про-

граммист садился за пульт и оставался с

машиной один на один. Никаких операци-

онных систем и файлов на диске – «все свое

ношу с собой». Первое его действие за пуль-

том – нажатие кнопки «Стирание ОЗУ», за-

тем в пустую машину вводилась колода

перфокарт и управление передавалось в

ячейку с адресом 0001. Когда программа заканчивала работу, машина

останавливалась и загоралась лампочка «Останов», а если возникала

особая ситуация – деление на нуль или переполнение, – то вспыхивала

лампочка аварийного останова «Авост»

. Вот и все управление вычис-

лительным процессом.

В таких условиях отладка программ была очень медленным и мало-

продуктивным делом. Пока программист думал, почему произошел ос-

танов, машина простаивала, драгоценное время тратилось впустую. В

самом начале 50-х годов это было еще терпимо, но скоро политика от-

крытых дверей себя изжила. Машин было еще мало, а программистов

стало очень много, буквально каждая минута машинного времени была

на счету. Думать за пультом ЭВМ стало недопустимой роскошью. Две-

ри машинных залов наглухо закрыли, туда допускались только люди с

экзотической и престижной профессией «оператор ЭВМ».

Программист заранее продумывал и планировал все действия по от-

ладке программы, писал подробную инструкцию оператору и вместе с

колодой перфокарт сдавал ее диспетчеру вычислительного центра.

Диспетчер в соответствии с приоритетами формировал «живую оче-

редь» заданий, укладывал колоды друг за другом в специальные длин-

ные и узкие ящики и относил их в машинный зал оператору.

Программисты за пультом

управления ЭВМ

218 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

Работа оператора была невероятно напряженной. Подходя к ящику

с заданиями, он брал очередную колоду, вставлял ее в считывающее

устройство, затем в соответствии с инструкцией набирал на пульте ко-

манды, записывал показания лампочек, сматывал в рулон выдачу с пе-

чатающего устройства и вместе с отработанной колодой складывал все

в ящик для пропущенных задач, который возвращался назад в диспет-

черскую ВЦ.

Несмотря на все старания оператора, избежать потерь машинного

времени все равно не удавалось. Пока он бегал от ввода к выводу, ма-

шина простаивала. К тому же оператор часто допускал ошибки, поэто-

му естественной и необходимой стала постановка задачи об автомати-

зации труда операторов.

Первые операционные системы для автома-

тизации работы оператора ЭВМ назывались

автооператорами, мониторными систе-

мами

или супервизорами. Они появились

вместе с машинами второго поколения в

начале 60-х годов. Для их реализации в

конструкцию ЭВМ пришлось внести изменения: при окончании про-

граммы или исключительной ситуации происходил не физический ос-

танов, а

прерывание (interrupt) – принудительная передача управления

мониторной программе, которая постоянно хранилась в защищенной

области памяти (еще одно новшество в конструкции ЭВМ) и не стира-

лась перед вводом новой программы.

Вместо того чтобы бегать с каждым новым заданием к читающему

устройству, операторы стали складывать колоды перфокарт, соответст-

вующие отдельным заданиям, в пакеты заданий. Каждое задание снаб-

жалось управляющими картами, задающими правила поведения авто-

оператора на специальном языке управления заданиями (Job Control

Language – JCL).

Основные понятия пакетной ОС – задание

и задача.

Задание (job) – та самая колода перфокарт, которая передана про-

граммистом на ВЦ. Задание содержит: 1) карты управления заданием на

языке JCL, 2) программу на любом языке программирования, 3) исход-

ные данные к программе.

Задача (task) – вычислительный процесс, требующий определен-

ных ресурсов (процессора, памяти). Одно задание состоит, как правило,

60-е годы:

от автооператора

до пакетных ОС

с мульти-

программированием

§ 3.3] ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 219

из нескольких задач, например компиляция модулей программы, редак-

тирование межпрограммных связей, исполнение программы, печать

результатов.

Пакеты целиком загружались в читающее устройство, операцион-

ная система поодиночке считывала задания из пакета и сама организо-

вывала последовательное исполнение задач каждого задания.

Появление первых однопрограммных пакетных операционных сис-

тем резко увеличило коэффициент полезного действия ЭВМ. Были уст-

ранены внешние простои из-за оператора, однако обнаружились другие

– внутренние.

Карты управления заданием 2

Программа 2

Исходные данные к программе 2

Программа 1

Исходные данные к программе 1

Задание 1

Задание 2

Карты управления заданием 1

Шаг 1. Считать карты программы

Шаг 2.

Скомпилировать программу

Шаг 3

. Если ошибок компиляции нет,

отредактировать внешние

связи программы

Шаг 4.

Запустить программу на счет

Шаг 5.

Если аварийное завершение,

распечатать область памяти

Пакет заданий

Загрузка пакета заданий в читающее устройство

220 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

На рисунке слева изображена загрузка двух блоков компьютера –

процессора и устройства печати – при последовательном решении трех

задач в обычном однопрограммном режиме. Каждая новая задача ждет

окончания предыдущей, поэтому ресурсы ЭВМ используются неэффек-

тивно.

Для того чтобы уменьшить внутренние простои, был предложен

режим

мультипрограммирования (multiprogramming), реализованный

в пакетных операционных системах 60-х годов.

В мультипрограммной ОС в память машины сразу загружается па-

кет заданий. Система сама разбирается с ними и самостоятельно орга-

низует вычислительный процесс. Основные функции пакетной ОС сво-

дятся к следующему:

1) управление заданиями: формирование очередей, образование за-

дач. Этим занимается компонент ОС, назывемый

главным планиров-

щиком;

2) управление задачами – выделение им ресурсов, защита задач друг

от друга, обработка прерываний. Это – прерогатива

супервизора ОС;

3) управление файлами. При решении сложных задач невозможно

все необходимые для их работы внешние данные (библиотеки стан-

дартных программ, промежуточные результаты) каждый раз носить с

собой. Поэтому в ОС образовался отдельный компонент, ответственный

за коллективное хранение данных на внешних устройствах – с

истема

управления файлами

Легко усмотреть аналогию между операционной системой ЭВМ и

системой управления промышленным производством: главный плани-

1 2

Процессор Процессор

Печать

Однопрограммный Мультипрограммный