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

Подождите немного. Документ загружается.

1.2. МОДЕЛЬ ВЫЧИСЛЕНИЙ ФОН НЕЙМАНА И ТРАДИЦИОННЫЕ ЯЗЫКИ

одного языка варианте, причем специально разработанном с учетом осуще-

ствимости построения

Java

-машины. Именно эти дополнительные условия

(точнее — квалифицированное сужение исходного языка и довольно высо-

кий уровень команд-конструкций языка

Java

-машины) в сочетании с практи-

чески унифицированной архитектурой массовых компьютеров (см. выше) и

с очень существенным ростом чисто технических возможностей машин по-

зволило воплотить старую идею в промышленной разработке

В контексте обсуждения традиционности языков необходимо рассмотреть

вопрос о том, насколько далеко язык

Java

-машина отходят от фон

Неймановской модели вычислений. Совместная разработка этих двух ком-

понентов системы программирования для нового языка позволила прийти к

достаточно практичным компромиссам, удовлетворить условиям выбранной

схемы реализации, о которых шла речь выше.

Условие (a) выполняется почти автоматически, и, т. к. нет нужды забо-

титься о других языках, можно сосредоточить внимание на том, чтобы обес-

печить наиболее рациональное вложение модели вычислений языка в модель

машины. Что касается условия (b), то здесь ставка делалась на фактическое

сходство архитектуры конкретных вычислителей, для которой уже накоплен

опыт программистских решений во многих типовых ситуациях. В резуль-

тате отход от фон Неймановской модели вычислений в

Java

-системе, хотя

и заметен, но не распространяется далее того, что уже было при разработ-

ке трансляторов и языков. Достаточно сказать, что

Java

-машина построена

на принципах, предложенных еще в 1963 году для организации вычислений

в рабочей программе Ветстоунского компилятора для

Algol 60

[68]. Схема,

представленная в этом проекте, стала классической, и именно она воспроиз-

водится в

Java

-машине, естественно существенно более развитой по сравне-

нию с первоначальным прототипом

Важным новым качеством

Java

-машины является поддержка работы про-

граммиста с потенциально неограниченной памятью. При выполнении кон-

Про новые условия данного проекта говорят обычно с неохотой или же вовсе замалчива-

ют их. К примеру в книге «

Java

технология» успех старой идеи в новом проекте объясняется

тем, что в прежние времена эту идею изучали в университетах, тогда как сегодня за нее взя-

лись промышленники.

В этой связи уместно следующее замечание. Если бы книга [68] не была бы сегодня би-

блиографической редкостью, то ее главу 2 «Рабочая программа» можно было бы рекомен-

довать в качестве первоначального введения для тех, кто желает изучить устройство

Java

машины. После прочтения этого изложения понимание

Java

-машины окажется более глубо-

ким.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

кретной программы на языке

Java

можно не заботиться о том, что какая-то

часть памяти перестает быть нужной. Система программирования сама сде-

лает так, что та память, которая оказалась недоступной, а значит, ненужной,

возвращается для использования в новых запросах. Такие ситуации выявля-

ются в процессе вычислений, когда фактические ресурсы, предоставляемые

для размещения данных, требуется пополнить для переиспользования.В уго-

ду этому соглашению принесен в жертву ряд приемов организации ручного

переиспользования памяти, необходимых,например,при программировании

на

Модель вычислений

Java

в точности соответствует тому, что требуется от

объектно-ориентированного программирования:активность памяти на уров-

не методов объектов, совместное описание данных и программ методов, от-

деление предоставляемых средств от их реализации. Все это сочетается с

традиционной схемой управления вычислениями при описании алгоритмов

обработки. Следует отметить, что разработчики языка не стали включать в

него средства, с трудом укладывающиеся в концептуальную схему

Java

-ма-

шины и обычно, как, например, в

С++

, предоставляемые через довольно про-

извольные реализационные соглашения. Ориентация

Java

-машины на схему

организации вычислений, ставшую классической со времен

Algol 60

, повли-

яла на язык в том отношении, что все, что выходит за рамки принятой моде-

ли, представлено таким образом, чтобы это можно было вычислить в период

трансляции. К примеру, проблемы статической типизации в данном языке ре-

шены радикально: в нем просто нет средств конструирования структурных

типов, отличных от классов объектов. В результате, язык стал лаконичнее по

сравнению, например, с

С++

Благодаря совокупности отмеченных и других нововведений, которые в

разрозненном виде появлялись в различных языках, программирование на

Java

, относящееся в целом к объектно-ориентированному стилю, обретает

самостоятельность. Характерным для нового стиля является принципиаль-

ный отход от учета особенностей конкретных вычислителей в предположе-

нии (далеко не всегда оправданном!) о том, что используемые машины вы-

полняют требуемые действия с приемлемым уровнем эффективности.

В значительной степени для того, чтобы перехватить инициативу у языка

Java

, и был создан

, стремящийся сохранить в новой области эффектив-

ность

С/C++

1.3. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЯЗЫКА

§ 1.3. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЯЗЫКА

1.3.1. Линейные программы и их компоненты

Рассмотрим несколько простых примеров программ в языке

. Последо-

вательность действий всех рассматриваемых программ линейная: оператор

за оператором, так, как это записано в тексте. Такие программы называются

линейными программами.

Программа 1.3.1

Печатается N-ая степень (7-ая) вводимого числа для данного N

Прямолинейный алгоритм

#include <stdio.h>

int X, Y;

int main(void)

{

scanf("%d", &X );

Y = X*X*X*X*X*X*X;

printf("\n7 power of %d is %d\n", X, Y);

return 0;

}

Программа 1.3.2

Печатается N-ая степень (7-ая) вводимого числа для данного N.

Улучшенный алгоритм 1

#include <stdio.h>

int X, Y, X23;

int main (void)

{ /* начало блока */

scanf ( "d", &X );

X23 = X * X;

X23 = X23 * X;

Y = X23 * X23 * X;

printf (“\n7 power of %d is %d\n”, X, Y);

return 0;

} /*

конец блока

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

Программа 1.3.3

Печатается N-ая степень (7-ая) вводимого числа для данного N

Улучшенный алгоритм 2

/* */

#include <stdio.h>

int main (void)

{ /*

начало блока

Такой стиль лучше для комментариев к переменным:

int X; /*

для задания входного значения

int Y; /*

для промежуточного и окончательного результата

scanf( "%d", &X );

Y = X * X * X;

Y = Y * Y * X;

printf ("\n7 power of %d is %d\n", X, Y );

return 0;

} /*

конец блока

Что мы видим, анализируя эти программы? Программа содержит компо-

ненты, обсуждению которых мы посвятим следующие абзацы (порядок раз-

бора следует порядку, в котором компоненты содержатся в обсуждаемых про-

граммах 1.3.1, 1.3.2 и 1.3.3).

1.3.2. Не выполняемые вычислителем фрагменты программы

Эти фрагменты с точки зрения вычислителя языка не несут никакой ин-

формации, но они очень полезны для человека, читающего программу, изме-

няющего ее, использующего программу при составлении другой программы.

1. Комментарий. Комментарии служат:

— Для облегчения чтения и восприятия программы путем дополни-

тельного выделения и графического оформления ее структур.

— Для понимания того, зачем нужна программа, какие у нее особен-

ности, а также что делает программа или какой-либо ее фрагмент

(документирование);

1.3. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЯЗЫКА

При чтении программы вычислителем комментарии удаляются препро-

цессором.

2. Пробельные символы: концы строк, пробелы, табуляции.

В данном случае рассматриваются лишь явно обозначенные комментарии.

они начинаются с последовательности “

” и завершаются “

”, В

С++

используются также комментарии, начинающиеся с последовательности “

”

и завершающиеся вместе с текущей строкой.

В некоторых языках могут быть не обозначенные явно комментарии

куски текста, пропускаемые транслятором. Сейчас все большую популяр-

ность приобретает идея программ, вложенных в поясняющий их и описыва-

ющий общую задачу текст. В таком случае комментарии занимают основную

часть текста.

Текст программы на языке

сам по себе не нуждается ни в разбиении на

строки, ни в специальном расположении своих составляющих в строках. Но

без пробельных символов реальные программы неудобно читать человеку!

Существуют и форматные языки, где пробельные символы являются зна-

чащими (это обычно происходит при табличном задании программ и привяз-

ке смысла выражений к структуре текста).

1.3.3. Подключение внешней информации (библиотек)

Строка

#include <stdio.h>

дает возможность пользоваться операторами

scanf

printf

(которые позволя-

ют вводить данные и распечатывать результаты выполнения программы), а

также другими средствами стандартной библиотеки

stdio

. На данном приме-

ре можно показать, как препроцессор подключает библиотеки к исходному

Практически в каждом языке программирования в качестве такого комментария может

использоваться текст, идущий после синтаксического конца программы.

В современных технологиях индустриального программирования значительное место от-

водится требованиям к комментариям и к оформлению программ. Одна из лучших похвал

тексту программы — что он самодокументирован, не требует никакого внешнего описания.

В ряде случаев принимается регламент оформления комментариев,который позволяет вы-

делять их автоматически; существуют программы, позволяющие строить из таких коммен-

тариев вполне осмысленную документацию (примером может служить библиотечное для

Java

средство

JavaDoc

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

тексту программы (см.рис.1.2, на котором простые стрелки изображают ука-

затели мест хранения нужных текстовых фрагментов, а жирные стрелки по-

казывают процесс включения файла в текст).Из схемы видно, что в

С/С++/C#

подключение внешних библиотек — двухступенчатый процесс: в исходном

тексте программы указывается только заголовочный файл. Встраивание его

в тест позволяет транслятору корректно работать с именами, т. е. считать их

описанными и доступными в исходном тексте. Для выполнения транслируе-

мой программы нужно иметь следующую ступень: тексты или отдельно от-

транслированные фрагменты программ, представленных внутри заголовоч-

ных файлов. В

С/С++

задачу обеих ступеней решает препроцессор.

В других языках подключение библиотек организовано по-разному. Так,

Algol 60

понятие внешней библиотеки вообще никак не определялось. Счи-

талось, что достаточно говорить об отдельных процедурах. То же можно ска-

зать и про большинство других ранних языков.

Для внешних библиотек, которые определены языком, нет проблемы, как

указать их подключение — система программирования их “знает”, а потому

может считать их частью программы, которую программист писать не дол-

жен. Эта идея в законченном виде представлена в

Алголе 68

, в котором лю-

бая программа считается блоком, погруженным в стандартный блок, начина-

ющийся библиотечным вступлением и заканчивающийся библиотечным за-

ключением (см. § 1.1.1). Проблема может возникнуть, когда в распоряжении

программиста есть несколько библиотек, выполняющих похожие функции и

поименованных одинаково. В этом случае нужно явно указывать, какую из

библиотек подключать

В ряде языков приняты более строгие соглашения: программисту пред-

писывается указывать источник подключения (подобно тому, как в

С/С++/C#

указывается заголовочный файл) и конкретные подключаемые средства, в

дальнейшем используемые в программе. Если это соглашение оформляется

в виде языковой конструкции, то появляется возможность на уровне языка

конструировать библиотеки. В таком случае можно корректно подключать

не только процедуры и функции, но иные программные фрагменты (напри-

мер, описания переменных). В законченном виде этот подход представлен в

языке

Modula-2

, в котором программа рассматривается как набор модулей,

Именно это сделано в

С/С++/C#

, причем для всех, как стандартизованных языком, так

и для других доступных библиотек. С точностью до того, что подключение выполняется в

С/С++

с помощью препроцессора, который не может ничего знать о заказываемых файлах,

это достаточно хорошее решение.

1.3. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЯЗЫКА

Файлы

заголовков

...

scanf

...

#include <stdio.h>

...

scanf

...

stdio.h

string.h

mem.h

Исходный текст программы

Библиотека stdc

Реализация

scanf

...

Результат работы препроцессора

...

scanf

...

Рис. 1.2. Схема включения файла в текст программы (работа препроцессора

для языков семейства

)

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

явно содержащих разделы описания импорта — то, что используется в мо-

дуле из других модулей, в том числе и внешних, подключаемых, и экспор-

та — то, что данный модуль предоставляет для использования. В результате

единообразно описываются все связи между модулями, в том числе и связи

составляемой программы с окружением, которые естественно трактовать как

подключение библиотек (см. рис. 1.3).

Подключение внешних библиотек возможно в виде текстов на транслиру-

емом языке и/или в виде готовых к сборке модулей. Второй режим, по край-

ней мере в принципе, позволяет говорить об использовании библиотек, напи-

санных на других языках. Но он не в состоянии обеспечить совместимость

форматов данных и программ. Контроль за совместимостью, а при необходи-

мости и преобразование форматов в этом случае возлагается на окружающую

систему. Наличие этого режима ставит перед разработчиками системы про-

граммирования проблему: необходимость различения текстов и оттрансли-

рованных библиотечных программ. Если есть оттранслированная библио-

тека и ее текст, то возникает двусмысленность: какой из вариантов должен

подключаться к программе. Разрешение этой двусмысленности делается по-

разному. В

С/С++/C#

указание того, какого вида библиотека требуется дается

на синтаксическом уровне, а двухступенчатая схема подключения дает опре-

деленную гибкость использования: заголовочные файлы могут (и должны!)

объединять тематически связанные средства. В

Алголе 68

такое объединение

не предусматривается, и это один из недостатков языка для практического

применения.

Часто для внешних (библиотечных) средств требуются специальные опи-

сания с пометкой

external

вместо их реализации.Это дает возможность транс-

лятору программировать их использование без обращения к фактическому

описанию,а также упрощает организацию составления сведений о том,какие

внешние средства надо будет подключить на этапе сборки. Такой метод сего-

дня стал почти стандартом для языков программирования. Иногда он счита-

ется достаточным и дополнительных описаний для использования внешних

средств не предлагается, во многих случаях он сочетается с другими мето-

дами оперирования с библиотеками (в частности, в языках

С/С++/C#

Pascal

Алгол 68

Следует заметить, что когда стандарт языка не распространяется на ис-

пользуемые библиотеки (так было, например, в

Algol 60

), возможности ис-

пользования готовых программ в других операционных обстановках резко

сужаются.

Сбалансированное решение для задания подключения внешних библио-

1.3. БАЗОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЯЗЫКА

не используется

………………….

Модули, поставляемые системой

module M1;

...

A B C

module M2;

...

D E F

A X

M1.A M2.F

module MP1;

...

R Q T

module MP2; ...

...

MP1.A

M2.D

module M3;

...

G H

M3.H

A B C

module MP3; ...

MP2.R MP2.Q

module MP4; ...

M3.H MP1.A

MP1.X M1.B

Модули составляемой программы

module M4;

G H

MP2.T

Формат описания модуля (условный)

Имя модуля

Из модуля импортируются и

module

import

Mi1: a,b;

Mi2: x,y,z;

// Mi1 a b

// Из модуля Mi импортируются и

Модуль предоставляет и другим

На схеме импорт изображается на верхней кромке

прямоугольника, а экспорт на нижней

Тело модуля

. . .

2 x, y z

// M U V

export

begin

end

U, V;

Рис. 1.3. Схема взаимосвязей модулей программ на языке

Modula-2

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЯ

тек предложено в

Turbo Pascal

’е версий 5 и выше. Здесь к программе под-

ключается не просто текстовый файл заголовков — как в

С/С++/C#

, не какой-

то фрагмент-вступление к составляемой программе, который предлагает для

использования библиотеку — как в

Алголе 68

, а самостоятельная языковая

единица, конструкция, содержащая все, что нужно при работе с подключае-

мыми средствами — как в

Modula-2

. Эта конструкция, называемая модулем

(как в

Modula-2

), описывает как то, что можно использовать, так и то, что

нужно выполнить до и после использования с тем, чтобы применение би-

блиотечных средств было бы корректно. На рис. 1.4 схематически показаны

описание модуля

Turbo Pascal

’я (это программный текст, который начинает-

ся со служебного слова

unit

), программы, использующей модуль (начинается

со служебного слова

program

), и подключение модуля к программе как про-

цесс вставки в нее соответствующих фрагментов из модуля (показан серыми

стрелками).

В связи с задачей подключения внешней информации мы затронули очень

важный общий вопрос программирования, вопрос модульности разрабаты-

ваемой системы. К нему мы еще не раз будем возвращаться в связи с тем,

что модульность (в разном понимании этого слова) — основа технологии

разбиения решаемой задачи на подзадачи. Такое разбиение, получившее на-

звание декомпозиции программ, приходится проводить программисту посто-

янно, ибо сложность конструирования программ не позволяет охватывать

все стороны этого процесса одновременно. Искусство программирования во

многом состоит в том, чтобы добиваться такой декомпозиции, которая спо-

собствует более быстрому и эффективному пути к получению решения.

Применительно к использованию библиотек метод декомпозиции можно

продемонстрировать следующим образом. Для нашей задачи нужно выпол-

нить действие, для которого в системе программирования есть уже готовое

типовое решение (в обсуждаемых программах это две задачи: ввод данных

и вывод результатов счета). Именно его мы и используем. Иными словами,

с точки зрения декомпозиции нашей задачи библиотеки выступают в роли

заранее решенных подзадач.

1.3.4. Описания

В современных системах программирования, как правило, жестко прово-

дится в жизнь следующий принцип:

Bсе, что используется, должно быть предварительно описано!

Рассмотрим встретившиеся нам варианты описаний.