Лекция 8

Операторный базис

С точки зрения операторного базиса во всех современных ЯП достигнут консенсус, конечно, есть некие синтаксические отличия, однако по семантике различные конструкции практически эквивалентны. Поэтому, как правило, человеку, который свободно владеет одним или двумя ЯП, перейти на новый операторный базис нового языка достаточно просто. Основные дискуссии по поводу операторов в ЯП свёлся к тому, что соответствующие управляющие структуры должны представлять собой некий «чёрный ящик» с одним входом и одним выходом.

С этой точки зрения, развернулись дискуссии по поводу таких конструкций как цикл, из-за сложности управляющих вычислений. И тут достигнут такой консенсус: в ЯП сейчас есть три вида циклов - два цикла с условием: «до» и «пока»; и, так называемый, цикл с управлением пользователем. Ну и бесконечный цикл. Мы их рассмотрим позже.

А в общем случае все операторы в ЯП, за исключением некоторых слишком специфичных можно разделить на следующие группы:

логические (if)

1.Ветвления дискретные (case)

многовариантные логические (if…elsif…)

с условием («до»/«пока»)

2.Циклы со счётчиком

с управлением пользователем

Цикл с управлением пользователем - это цикл, выход из которого допустим из любой точки. С точки зрения общей структуры вход всё равно один, ну а выход всегда идёт в конец. Необходимость в управляющих структурах такого рода, конечно же, есть. При этом в простейшем языке, скажем в Паскале, можно моделировать подобного рода семантику с помощью операторов «goto», но современные ЯП содержать достаточное количество конструкций, которые в купе с операторами ветвления и циклов позволяют моделировать произвольные структурированные прототипы.

3.Переходы

4.Составной оператор

Есть ещё некие экзотические, специфичные для некоторых ЯП структуры, например, частный случай оператора цикла со счётчиком, а именно «foreach». Есть, скажем, связанный с параллелизмом в Аде специфический оператор «select». Но мы рассмотрим только общие операторы, которые имеют общее назначение и необходимы во всех парадигмах.

1)Простейшие логические ветвления появились впервые в языке Алгол 60, и в этом виде они были скопированы во многие другие ЯП, прежде всего в язык Паскаль, Си и, основанный на Си, С++, Java, C#. Его структура:

if условие then S1 [else S2] //[…]- «часть может отсутствовать»

И если синтаксис может быть совершенно разным, в языках, основанных на Си, синтаксис следующий:

if (B) S1 [else S2]

Семантика его совершенно общеупотребительна. Отличие Си от С++ в том, что в этих языках нет логического типа данных. Ну в С++ он уже появился, но тем не менее для совместимости со старыми стилем программирования это условие приводится, как вы помните, поскольку существуют неявные операторы приведения к целому типу практически любого типа данных, это условие сводится к целому типу данных, проверяется на ноль или не ноль. Во всех остальных языках под B понимается логическое (булевское) выражение, а такой тип данных есть во всех современных ЯП. И тут особых проблем нет. Ну, правда, первая же проблема возникла сразу после появления Алгола 60, а именно, случай когда у нас комбинируется укороченный оператор if без else и комбинированный оператор, иначе говоря, у нас есть два if и только один else:

if B1 then

if B2 then

S1

else

S2

Как вы понимаете такого рода конструкцию можно трактовать по-разному. То ли B1 является укороченным, то ли B2. Многие компиляторы ЯП, реализации компиляторов, в случае обнаружения подобного рода конструкций в этой части выдают предупреждение, советуя программисту, сказать, что именно в явном виду имеется в виду. Впервые, кстати, даже при описании Алгола 60 подобного рода проблема не была замечена. Её заметили только в 63 году, ну и тогда же в 63 году была достигнута некая договорённость, выпущено новое описание к Алголу 60, которое и применяют все языки, основанные на Алгольской схеме, а именно, то, что else принадлежит ближайшему if. В любом случае, профессиональный программист, по крайней мере, с помощью отступов, выравниваний, то есть некоторого визуального стиля программирования, должен, вообще говоря, указывать, о чём идёт речь. А ещё лучше - расставлять скобки.

Интересно, что ряд языков, особенно те, которые претендовали на надёжность, они несколько изменили синтаксическую схему условного оператора, а именно, ну это такие языки, как Модула 2 и её наследник Оберон, а также Ада. Эти языки, в отличие от языков, которые основаны на С++, то есть Java, C#, ну и, соответственно, Delphi, который основан на Паскале (они используют старую конструкцию), в этих же языках (Модула, Ада, Оберон) принята другая схема, а именно каждый оператор, отличный от оператора присваивания и оператора процедуры, то есть в котором есть вложенные конструкции, этот оператор должен заканчиваться своим ключевым словом. Впервые эта идея была предложена в языке Алгол 68 довольно оригинально, а именно: начинается оператор с if, давайте его заканчивать ключевым словом fi, если, соответственно, case, тогда – красивым словом esac, ну и так далее. Ну, вообще говоря, это решение довольно оригинальное, но создатели последующих ЯП пошли по другому принципу. В Модуле 2 каждый подобного рода оператор, который может включать в себя другие операторы, обязательно должен заканчиваться ключевым словом end. То же самое приняла Ада, только Ада многословный язык, если есть возможность написать больше, значит надо писать, а именно endif. В результате проблемы с вложенными if’ами просто не возникает:

if B1 then

if B2 then

S1

endif

else

S2

endif

или

if B1 then

if B2 then

S1

else

S2

endif

endif

То есть в любом случае программисту не дадут уйти, если он не напишет соответствующего endif’а. Кстати, как следствие, если в ЯП, основанных на Алгольском стиле условного оператора if, если нам внутри нужна некая последовательность операторов, то мы её заменяем на составной оператор, ну соответственно, begin end в Алголе или {…}. При этом и в Алголе 60 и в Си в качестве составного оператора можно использовать более общую его схему, а именно блок, то есть с вложенными объявлениями переменных и с локальными областями видимости. В случае же если мы принимаем решение заканчивать каждый оператор с вложенными операторами явным ключевым словом (как говорят языки с явными терминаторами), так вот языки с явными терминаторами не требуют ограничения, чтобы внутри стоял только один оператор, а именно у нас естественным ограничителями последовательности операторов выступают скобки then … else, либо скобки then … endif; else …endif. В любом случае, с точки зрения компилятора if синтаксически разрешается. Вспомним тот же цикл

repeat

...

until B;

в языке Паскаль, где внутри могла стоять произвольная последовательность операторов, и это было достаточно удобно.

Довольно часто у нас возникает необходимость в развилке не на два направления, а на несколько и вот тут, вообще говоря, в ЯП вместо одной конструкции ветвления появилось две, а именно дискретный оператор ветвления и оператор ветвления общего вида. Дискретный оператор ветвления появился впервые в языке Алгол 68. В принципе любую последовательность ветвлений можно запрограммировать с помощью последовательности условных операторов. Общая схема многовариантного ветвления:

где Si – составной оператор. В общем случае, ветвление реализуется с помощью вложенных конструкций if. И на Си естественным образом программисты изображают это так:

if (B1)

S1

else if (B2)

S2

…

else if (BN)

SN

else

SN+1

Хотя синтаксически это дерево вложенных операторов, мы выравниваем влево, из-за ограниченности экрана и психологической причины, то есть из-за того, что люди не любят вложенные структуры (об этом можно судить по примеру русского языка), а более естественны структуры из последовательных переходов (вопрос …, вопрос …, …). Но в языках с явными терминаторами, кроме появления N штук then’ов, что не существенно, в конце мы должны записать подряд столько endif’ов, сколько у нас было if’ов. Впервые подобная вещь была отмечена ещё в языке PL|I, где можно было ставить метку END (перед else if …) и в конце всего один end. Но она сразу была забракована, как страшно ненадёжная.

Коль скоро мы приняли решение о явном терминаторе, то нам нужна некая конструкция для моделирования вложенных if’ов, а именно в Аде и в Модуле 2 появилось ключевое слово elsif. То есть общий вид условного оператора принял несколько более хитрую форму, а именно:

if B1 then

S1

{elsif Bi then //{…} «произвольная последовательность,

Si // в том числе и пустая»

}

[else BN then

SN

]

endif

В языке Паскаль такой конструкции не было, так как её можно было промоделировать вложенными if’ами, но уже в языке Паскаль появился так называемый дискретный выбор, а именно, если каждое условие Bi имеет вид: e = const. Где e – выражение какого-то дискретного типа, а const – это константа такого же дискретного типа. В программировании такая необходимость появляется достаточно часто. И ещё одна причина: на ассемблере при просмотре N значений, то есть при выборе от 0 до N-1, мы реализуем не последовательный просмотр, когда нам приходится проверять все условия до искомого включительно, а такую конструкцию можно запрограммировать весьма эффективно с помощью встроенных ассемблерных операций перехода. В ранних ЯП для этих целей вводились специальные виды операторов перехода (Фортран: 4 вида операторов перехода и 2 вида условных операторов, которые тоже сводились явно или неявно к оператору перехода).

В Паскале:

сase e of

e1: S1;

…

en: SN;

end;

С явным терминатором end. В Турбо Паскале добавилась только else часть, если e не попадает не в одно из этих значений:

.

.

.

else

SN+1

end;

И возможность использования нескольких констант вместо одной. Так как в Модуле 2 требуются явные терминаторы, то последовательности операторов заканчиваются «|»:

сase e of

e1: S1; … |

…

en: SN; … |

else

SN+1

end;

В Модуле 2 разрешён в левой части список констант и список диапазонов: 1,2,5..10; что перешло во все расширения Паскаля. В Аде case выглядит следующим образом:

case e of

when 1|2|5..10 => S1;

when 3|12 => S…,

when others =>

…

end case

Естественно, when others может отсутствовать, что равносильно пустому оператору для других значений e.

В Си с помощью оператора switch был внесён неявный оператор перехода, который вследствие популярности языка С++ был перенесён во многие другие ЯП, которые внешне понятием совместимость не были обременены, а именно синтаксис оператора switch практически без изменений перешёл в оператор С++ по наследствию, а в операторы Java и C#, только потому, что создатели Java ориентировались на аудиторию программистов на С++, а создатели C# на аудиторию Java и С++.

switch (e) {

case c:

…

default:

}

Где e – это выражение, приводимое к целому типу. Вычисляется значение e и если e = с, то делается оператор goto case c; если у нас не находится метки case c, то тогда делается goto default;. Если ничего не находится (в том числе и default’а), то это эквивалентно пустому оператору. Выбор сводится строго к операторам перехода. Формально и сase тоже сводится к операторам перехода, но там компилятор неявно вставляет goto end;, чтобы выйти на конец. В случае Си это не так. Следовательно, следующая конструкция допустима (и некоторые программисты её используют):

…

case 0:case 1:

S1;

case 2:

S2;

}

И, если e равно либо 0, либо 1 у нас последовательно выполняются S1и S2 и так далее. Писать каждый раз goto не очень хорошо, так как появляется большое количество меток нужно придумать (по одной на каждый switch), хотя создатели языка Си против меток и не возражали:

…

case 0:case 1:

S1;

goto end1;

case 2:

S2;

}

end1:

Специально был изобретён частный случай оператора перехода, а именно: оператор break; - выход из соответствующего переключателя. Семантика оператора break; позже была расширена на оператор цикла, для того, чтобы моделировать выход из цикла. И это вполне хорошая концепция с точки зрения структурного программирования, но вся проблема в том, что программисты иногда break; забывают ставить. Вообще говоря, вышеприведённая конструкция крайне редко полезна, и ей всегда можно придумать какой-то альтернативный вариант. Но программистов на Си и С++ так много, что Java был вынужден принять Сишную форму оператора switch, которая сводится исключительно к оператору goto (Даже в руководстве нет объяснений почему надо ставить break;, так как в Java слово из четырёх букв употреблять нельзя, и соответствующее слово даже специально зарезервировано, то есть нельзя объявить индификатор goto, а без этого неприличного слова полную семантику переключателя не объяснишь).