Непейвода Н.Н., Скопин И.Н. Основания программирования

Подождите немного. Документ загружается.

1.1. ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Программа 1.1.5

Лисп

( PRINT “Hello World!”)

Программа 1.1.6

Рефал

$ENTRY GO{=<Prout ’Hello World!’>};

Программа 1.1.7

Prolog

:-Print(’Hello World!’);

Сравним все эти программы. Что у них является общим?

1. Все они представлены в виде текстов: последовательностей символов,

размещенных на нескольких строчках.

2. В каждом языке имеется понятие строки (последовательности симво-

лов нефиксированной длины).Строки оформляются во всех языках при-

мерно одинаково: с использованием кавычек как обрамляющих симво-

лов. Правда, вид конкретных кавычек меняется от языка к языку.

3. Каждая из этих программ имеет конструкцию,выполнение которой при-

водит к распечатыванию строки.

4. Все они при их выполнении делают одно и то же: печатают строку

«Hello World!»

В чем же их отличия? Видны некоторые различия в записи, а также в пра-

вилах построения. Таким образом, напрашивается вывод, что, освоив один

язык программирования, можно понимать тексты программ на большинстве

других языков практически так же легко, как образованный русский человек

может читать украинский либо, в крайнем случае, польский (это чуть труд-

нее) текст.

Казалось бы, что все эти программы, естественно, после преобразования

каждого текста в исполняемый код, приводят к одной и той же машинной

программе, исполняемой компьютером. Как мы дальше увидим, это не так.

Конечно же, и здесь могут быть исключения, но это верно практически для всех т. н.

языков высокого уровня

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

1.1.2. Язык, его реализация и среда программирования

Начнем с анализа понятия программы. Существуют различные взгляды

на то, что такое программа. Например:

1. Запись алгоритма в виде, однозначно понятном для человека.

2. Последовательность символов из заданного (конечного)множества сим-

волов V ,построенная в соответствии с определенными правилами (фор-

мально это записывается L ⊆ V

∗

, где L — множество правильно по-

строенных выражений,которое в данном контексте называется языком,

а V

∗

— множество всех возможных последовательностей символов).

3. Последовательность команд некоторого абстрактного вычислителя, ко-

торый специально определен для данного языка. То есть сам текст про-

граммы может рассматриваться как изображение команд этого вычи-

слителя.

4. Текст, который может быть преобразован в исполнимый код на машин-

ном языке.

Мы видим, что программа должна удовлетворять следующим требова-

ниям:

1. Должна быть однозначно понятна для человека.

2. Должна удовлетворять точно определенным правилам построения (на-

зываемым формальным синтаксисом языка).

3. Должна быть понятна для исполнителя (абстрактного или конкретного

вычислителя), что может достигаться различными средствами.

Понятия исполнитель и вычислитель в данном тексте (точно так же, как и в

абсолютном большинстве работ по информатике) понимаются как синони-

мы.

Минимальная осмысленная для исполнителя последовательность симво-

лов называется лексемой. Например, в языке

С "Ник

— не лексема, поскольку

такая последовательность символов не осмыслена, а

"Ник"

— уже лексема.

Заметим, что понятие лексемы зависит от контекста. В операторе

x=x1;

сим-

вол

лексемой является только в первом своем вхождении, но не во втором,

где он всего лишь часть лексемы

1.1. ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Минимальная последовательность лексем,которая способна вызывать дей-

ствия вычислителя, называется конструкцией языка. Во многих языках про-

граммирования среди конструкций языка выделяются так называемые опе-

раторы, обозначающие законченные действия.

Понятие оператора характерно для т. н. операционных языков, к числу

которых относятся языки

FORTRAN, ALGOL 60, Алгол 68, C/C++/C#, Pascal,

Object Pascal, Ada, Modula-2

. Только что перечисленные языки имеют, по-

мимо общей основы, целый ряд общих второстепенных признаков, которые

делают их настолько же близкими, насколько близки естественные языки од-

ной и той же группы (например, славянские), и очень многие замечания мож-

но высказать сразу для всех данных языков. Поэтому перечисленные выше

языки в данной книге будут называться языками традиционного типа или

просто традиционными языками.

Пример 1.1.1. В языках традиционного типа переменная

является кон-

струкцией, поскольку она может вызвать действия чтения ее значения либо

записи значения в нее. Вызов функции

sin(x)

означает вычисление соответ-

ствующего значения имеющейся в системе программирования реализации

математической функции sin . Этот вызов оператором не является, а вот при-

сваивание

y=sin(x);

или

y:=sin(x);

или

Y=SIN(X)

или

y:=sin(x)

уже оператор.

Конец примера 1.1.1.

Имея в виду операторы, осмысленно говорить и о порядке действий вы-

числителя,и о его соответствии или несоответствии порядку следования опе-

раторов-конструкций в тексте программы; о том, какие команды конкретного

вычислителя выполняются при исполнении оператора как команды абстракт-

ного вычислителя.

Определение 1.1.2. Реализация языка — это комплект программ, которым

обеспечиваются:

Конечно же, это не формальные определения, а указания на то, что в языке программи-

рования, как и в естественном языке, выделены структурные составляющие, за которыми

закрепляется их смысл.

Не все операционные языки мы относим к языкам традиционного типа. В частности, язык

Java

является операционным, но из-за некоторых принципиальных отличий данного языка

и языков, перечисленных выше, мы его к традиционным языкам не относим.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

— Поддержка операций с исходной программой: ввод, редактирование и

сохранение текста, анализ синтаксических ошибок.

— Подготовка синтаксически правильной программы к исполнению на

конкретном вычислителе.

— Поддержка на конкретном вычислителе всех возможных действий аб-

страктного вычислителя.

Кроме того, в комплект реализации языка могут включаться другие програм-

мы,удовлетворяющие требованиям,логически связанным с вышеперечислен-

ными.

Конец определения 1.1.2.

Реализация языка неразрывно связана с окружающей ее операционной

средой, т. е. с базовыми средствами, доступными при работе на данном ком-

пьютере в данной системе. Вместе они составляют систему программиро-

вания для данного языка. Система программирования обязательно включает

следующие компоненты:

1. Файловая система для хранения текстов программ — как правило, это

общая часть программного обеспечения для различных систем на дан-

ном компьютере.

2. Редактор для ввода текста программы как последовательности симво-

лов и исправления ее (редактирование). Возможно как использование

редактора, специализированного для составления программ на данном

языке, так и универсального, предназначенного для набора различных

текстов.

3. Транслятор для преобразования текста программы к виду, в котором

она может исполняться, и указания ошибок, если преобразование не

удается. Транслятор — это не обязательно одна программа.

4. Библиотеки периода трансляции, которые используются в процессе

преобразования программного текста, например, для включения в него

стандартизованных фрагментов (чтобы программисту не нужно было

их повторять в своих программных текстах).

1.1. ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

5. Библиотеки периода исполнения, которые содержат программы стан-

дартных действий абстрактного вычислителя (стандартная библиоте-

ка, иногда называемая библиотекой поддержки языка). Они связывают

язык с операционной средой.

6. Отладчик — программа, позволяющая отслеживать ход вычислений

программ на данном языке.

Кроме перечисленного, системы программирования обычно включают в себя

еще:

7. Пользовательские библиотеки, которые содержат программы на дан-

ном языке (в текстовом или преобразованном виде), используемые в

составляемых программах для задания специальных вычислений (за-

висят от среды программирования);

8. Средства поддержки разработки программ — разнообразные инстру-

ментальные программы, которые применяются в процессе проектиро-

вания, составления и отладки программ.

Из перечисленного выше видно, что конкретная реализация языка обычно

привязывается к операционной среде и, соответственно, к конкретному вы-

числителю.

Теперь разберем по очереди, как подготавливается к исполнению и ис-

полняется каждый из текстов программ, рассмотренных в предыдущем па-

раграфе.

Пояснение к программе 1.1.1.

Язык

C:*/

#include <stdio.h>

int main(void)

{printf("Hello World!");

return 0;}

Строка

#include <stdio.h>

В принципе это не исключает переносимости (т. е. возможности исполнять программу

без всяких изменений в разных вычислительных обстановках), и уже были эксперименты

по созданию переносимых систем программирования.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

отражает то, что написанный текст программы должен быть расширен путем

вставки вместо этой строки текста, именуемого

stdio.h

, и уже такой расши-

ренный текст подается транслятору. одно из правил формирования текстов

программ на языке

). Таким образом,

stdio.h

является библиотекой периода

трансляции. Фактически

stdio.h

содержит все то, что нужно для организации

ввода и вывода данных, описывая компоненты библиотеки периода исполне-

ния.

Текст после

#include <stdio.h>

— это описание функции без параметров,

вырабатывающей целое (ее заголовок —

int main (void)

), которая печатает

строку:

printf ("Hello World!");

После обработки этого текста транслятором, в частности, подключается би-

блиотечная функция периода исполнения

printf

, описание которой взято из

stdio.h

Пояснение к программе 1.1.2.

Java

public class HelloWorld {

public static void main (String[] args) {

System.out.println("Hello World!");

}}

Строка

public class HelloWorld

в тексте на языке

Java

указывает на то, что программа является публичным

(доступным всем) классом, поименованным как

HelloWorld

. К этому клас-

су можно будет обращаться для исполнения содержащихся в нем действий.

Внутри класса

HelloWorld

определяется функция

static void main

, с которой

начинаются вычисления. А внутри нее происходит обращение к системным

средствам вывода строк, содержащимся в классе

System.out

System.out.println("Hello World!");

Это обращение делается из объявляемой функции

main

Пояснение к программе 1.1.3.

Pascal

:*)

program First (Output);

1.1. ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

begin

writeln(’Hello World!’)

end.

(*PASCAL*)

PROGRAM FIRST (OUTPUT);

BEGIN

WRITELN(’Hello World!’)

END.

Последние два текста на стандартном

языке

Pascal

— даже с точки зре-

ния синтаксиса одна и та же программа. Из этого видно, что в языке не раз-

личаются заглавные и строчные буквы. Эта особенность восходит к исполь-

зованию древних печатающих устройств, для которых не было такого разли-

чия.

Возможность печатать что-либо для языка

Pascal

обусловлена указанием

Output

в заголовке программы, который подключает соответствующую би-

блиотеку периода исполнения и инициализирует ее.

Пояснение к программе 1.1.4.

Алгол 68:

begin

println(‘Hello World!’)

end

comment

Русский Алгол 68

comment

начало

печатать(‘Hello World!’)

конец

comment

Еще два представления

comment

(println(‘Hello World!’))

Мы специально не воспользовались здесь расширениями, предоставляемыми, например,

Delphi

, чтобы четко видеть разницу между эталонным, или стандартным языком, и его

диалектами. Диалекты существуют лишь в контексте данной машины и транслятора.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

(печатать(‘Hello World!’))

Алгол 68

демонстрирует четыре текста одной и той же программы. В язы-

ке предусмотрены и варианты нотации для национальных алфавитов (срав-

ните первый и второй тексты), и возможности скорописи (сравните первый

и третий тексты).

Для этого языка постулируется существования стандартного вступле-

ния и заключения, которые окружают написанный текст. Считается, что ис-

ходным текстом для трансляции является то, что получится в результате со-

единения текстов вступления, текста, написанного программистом, и текста

заключения. Здесь прослеживается аналогия с

#include

языка

, но название

файла, который должен расширять написанный текст, явно не задается.

Пояснение к программе 1.1.5.

( PRINT "Hello World!")

Программа на языке

Lisp

представляет собой функцию

с аргументом

"Hello World!"

. Вычисление этой функции — так называемое S-выражение,

представляющее аргумент самой функции. В данном случае это

"HelloWorld!"

При вычислении

происходит побочный эффект, т. е. действие, кото-

рое сопровождает получение значения. В данном случае это печать аргумен-

та функции, т. е. требуемое действие. Приведенная программа распечатает

строку дважды: в первый раз, когда выполняется указанный побочный эф-

фект, а во второй — из-за следующей причины. Лисп-программа всегда за-

вершает свои вычисления распечаткой значения функции, полученного в ка-

честве результата. S-выражение

"Hello World!"

и есть тот самый результат.

Пояснение к программе 1.1.6.

$ENTRY GO{=<Prout ’Hello World!’>};

Программа на

Рефале

представляет из себя функцию

. Эта функция ра-

ботает с полем зрения, которое уже не может быть прямо представлено как

совокупность ячеек вычислителя. Она проверяет, что поле зрения пусто, и

подставляет вместо пустого выражения то, что идет справа от знака равен-

ства: вызов стандартной функции, печатающей строку и опять очищающей

поле зрения. Поскольку в поле зрения функций больше не осталось, програм-

ма заканчивает работу, а поскольку поле зрения пусто, больше ничего не пе-

чатается.

Пояснение к программе 1.1.7.

:-Print(’Hello World!’);

1.1. ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Программа на языке

Prolog

представляет собой цель, которая должна быть

достигнута. В типичной ситуации описываются еще и данные, необходимые

для достижения цели, в нашем простейшем случае таких данных не нуж-

но. Вызывается стандартная функция, которая печатает строку и исчезает.

Поскольку не недостигнутых целей более не остается, программа завершает

работу.

Prolog

так же, как

Рефал

, имеет дело сразу со сложными данными и

так же не имеет прямой связи с физическим строением машинной памяти.

Теперь мы видим, что действия, предписываемые языком, совершенно

по-разному достигают одних и тех же целей. С чем это связано? Ответ в том,

что каждый язык определяет свою модель вычислений. Иногда эти модели

довольно близки, несмотря на существенные различия в изобразительных

средствах языков. Для таких языков программист по существу пишет од-

но и то же, и функции систем программирования весьма близки. Различия в

оформлении связаны, например, с тем, как соотносится программа с ее окру-

жением и как задаются общие для всех программ действия. Именно поэтому

мы внесли наиболее распространенные из языков, имеющих близкие модели

вычислений, в список традиционных языков.

Существенные различия моделей вычислений возникают в случае разно-

го устройства данных, с которыми работают программы (сравните, напри-

мер,

Рефал

). Но стоит помнить, что одна и та же модель вычислений на

разных вычислительных машинах и в разных операционных средах реализу-

ется по-разному. Могут быть различны разрядные сетки, способы предста-

вления чисел, способы вызова процедур. Явно позаботились об учете опера-

ционной среды, чтобы обеспечить переносимость программного обеспече-

ния, пожалуй, лишь в языке

Ada

, являющемся стандартом для Министерства

Обороны США.

В свою очередь, операционная среда оказывает обратное влияние на язы-

ки, и сформировались следующие понятия, их связывающие.

Определение 1.1.3.

Эталонный (стандартный) язык программирования — язык, задавае-

мый безотносительно операционной среды и без привлечения знания об устрой-

стве конкретного вычислителя (компьютера).Именно эталонным языком фик-

сируется абстрактный вычислитель для данного языка.

Стандартные библиотеки, или стандартное библиотечное расширение

языка — комплект библиотечных средств, которые стандарт языка предпи-

сывает для всех его реализаций.

Прагматические расширения языка — конструкции, предписывающие

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

изменение поведения абстрактного вычислителя с теми или иными целями,

например, для ускорения выполнения программы. Различаются эталонные

прагматические расширения, задаваемые в его стандартном описании (руко-

водстве), и конкретные прагматические расширения, появляющиеся в связи с

реализацией языка на данном вычислительном оборудовании, в данной опе-

рационной системе.

Библиотеки конкретной системы программирования —комплект библио-

течных средств,которые реализованы в данной среде программирования (при

правильной реализации они включают в себя стандартные библиотеки).

Конкретный,или реализованный язык — диалект стандартного языка вме-

сте с его конкретной реализацией на данной вычислительной машине.

Конец определения 1.1.3.

К сожалению, иногда в описаниях языков, а в особенности в руководствах

для программиста сведения о разных аспектах языка и системы перемешаны,

и в результате трудно оценивать предлагаемые средства, сравнивать возмож-

ности различных языков.

Применительно к языку

, необходимыми и достаточными составляю-

щими реализации являются:

1. Препроцессор — программа,подготавливающая текст к обработке.Текст,

предъявляемый системе программирования,может,строго говоря,являть-

ся лишь заготовкой программы на этом языке. Он может содержать ряд

обозначений, которые должны быть раскрыты, прежде чем будут ис-

полнены вычислителем, включать в себя прямые указания на необходи-

мость расширения путем вставки других текстов. Все это ставит зада-

чу подготовки текста перед тем, как программа будет транслироваться,

решение которой возлагается на препроцессор. Некоторые фрагменты,

расширяющие строгий язык, вводятся в качестве скорописи или для

наглядности. В частности, с помощью таких вставок задаются указа-

ния стандартных библиотек, используемых программистом. Для языка

правила задания текстовых обозначений стандартизованы, и все пре-

процессоры этого языка должны оперировать с ними одинаково.

2. Компилятор — программа, переводящая (транслирующая) текст про-

граммы в машинный код, который затем по отдельному указанию мо-

жет быть исполнен.В результате компиляции строится так называемый

загрузочный модуль. Альтернативой компилятору является интерпре-

татор — программа, которая одновременно и анализирует, и испол-