263

Кауфман В.Ш.

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

(концепции и принципы)

АННОТАЦИЯ

Систематически рассмотрены критерии, концепции и принципы, помогающие

оценивать, использовать, разрабатывать и реализовывать языки

программирования (ЯП): модульность, типы, исключения, наследуемость,

целостность, инкапсуляция, защита авторского права и др. Половина книги - о

тенденциях развития ЯП. Рассмотрены операционное, ситуационное,

функциональное, доказательное, реляционное, параллельное и объектно-

ориентированное программирование. В качестве конкретных языков-примеров

привлекаются и "классические" ЯП (Фортран, Алгол-60, Бейсик, Симула-67,

ПЛ/1, Паскаль), и в особенности перспективные (Ада, Модула-2, Оберон, Турбо

Паскаль 5.5, Оккам-2, Пролог, Эль-76, Том, SDL/PLUS, Смолток, Си++ и др.).

Заключительная часть книги посвящена более специальным проблемам -

стандартизации, реализации и преподаванию ЯП.

Для университетских студентов, аспирантов и преподавателей

программирования, программистов и специалистов в области ЯП. Основана на

материале лекций, читаемых автором на факультете ВМиК МГУ.

Студент получит доходчивое и систематическое изложение основных

концепций и принципов, воплощенных в современных и перспективных языках

массового программирования. Преподаватель сможет воспользоваться книгой как

источником материала, соответствующего программе, одобренной Научно-

методическим Советом Гособразования для дисциплины "Языки программирования и

языковые процессоры". Программист обнаружит проверенные на практике и

воплощенные в изучаемых ЯП принципы, позволяющие повышать качество программ

при использовании любых средств программирования. Читатель любой из

названных категорий обнаружит в книге концепции и принципы, нигде ранее не

сформулированные.

КАУФМАН В.Ш.

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

концепции и принципы

октябрь 1990

Предисловие

Эта книга возникла из лекций автора в МГУ по предмету "Языки

программирования". Стимулом к написанию книги послужило отсутствие доступной

литературы, в которой были бы систематически изложены, во-первых, ключевые

принципы, концепции и понятия, составляющие основу предмета и поэтому

претендующие на относительную стабильность, и, во-вторых, перспективные идеи

и тенденции, помогающие ориентироваться в огромном и быстро меняющемся мире

современных языков программирования (ЯП).

Автор столкнулся с немалыми проблемами, несмотря на то, что становление

современных ЯП происходило, можно сказать, на его глазах. (Пришлось пережить

и восторги от изобретения первых "языков высокого уровня", быть среди тех,

кто увлекался их "усовершенствованием" и созданием первых трансляторов,

опираясь только на здравый смысл и собственную смекалку, пришлось пережить и

надежды на создание "универсального ЯП" объединенными усилий международного

программистского братства, и разочарования от бездарной траты сил и средств

на бесперспективные и даже опасные начинания).

Когда в результате преодоления части этих проблем выяснилось, что

удается существенно прояснить суть дела (частично отбирая, частично

изобретая принципы, концепции и понятия), фрагменты книги к удивлению автора

оказались интересны не только студентам и коллегам-преподавателям, но и

программистам-профессионалам, и специалистам по ЯП. По-видимому, проблемы, с

которыми столкнулся автор, осмысливая один из важнейших аспектов

информатики, оказались жизненно важными проблемами для существенно более

широкого круга потенциальных читателей, а отражение опыта их преодоления в

тексте книги - достаточно интересным и поучительным.

Заметив это обстоятельство, автор уже сознательно стал иногда

рассчитывать не только на студенческую аудиторию, но и на более искушенного

читателя, позволяя себе намеки и аналогии, подразумевающие личный опыт

программирования и даже экспертной деятельности в области ЯП. Более того,

стало очень трудно отделить то, что известно, признано, устоялось, от того,

что удалось только что понять, систематизировать, придумать. В результате

жанр книги стал менее определенным, "поплыл" от первоначально задуманного

учебного пособия в сторону научно-технической монографии.

Вначале это доставляло автору определенное беспокойство, но по здравому

размышлению он пришел к выводу, что писать надо так, как пишется, как

требует суть дела. Во всяком случае автор старался без особой нужды не

писать о том, о чем достаточно хорошо написано другими. Заимствования идей,

примеров, положений по возможности снабжены соответствующими ссылками и

часто имеют целью освещение заимствованного под иным, чем в оригинале, углом

зрения. К сожалению, в этом тонком деле неизбежны упущения, за которые автор

приносит искренние извинения тем, чьи интересы, возможно, неосторожно

затронул.

С точки зрения принципов, определяющих современное состояние и

перспективы в области ЯП, конкретные ЯП, даже выдающиеся, интересны не сами

по себе, а прежде всего как источники примеров при обсуждении излагаемых

положений. Поэтому систематически применяется метод моделирования ЯП -

изучаются не ЯП в целом, а только их модели. Конечно, автор старался дать

необходимый минимум сведений о ЯП, позволяющий понимать написанные на нем

примеры без привлечения дополнительной литературы. В качестве основного

метода знакомства с ЯП в книге принят метод "погружения", столь популярный

при ускоренном обучении иностранным языкам - сведения о ЯП читателю

предлагается извлекать непосредственно из примеров написанных на этом ЯП

программ (естественно, с подробными комментариями). Опыт показывает, что

такой путь обеспечивает достижение основной цели с приемлемыми затратами

времени и сил. Поэтому в книге нет подробных описаний конкретных ЯП -

желающие могут воспользоваться официальными сообщениями, фирменной

документацией или учебниками по ЯП.

Немыслимо в одной книге содержательно обсудить все (даже только

важнейшие) концепции и принципы, определяющие современные ЯП. Пришлось

выработать критерий отбора. Он касается и проблем программирования в целом,

и назначения ЯП, и их выбираемых для обсуждения свойств. Из всех проблем

программирования в качестве ключевой выбрана проблема сложности (самих

программ, их создания, средств их создания и т.п.). Основным источником

сложности считается семантический разрыв - рассогласование моделей мира у

потенциального пользователя и потенциального исполнителя программ

(компьютера). В качестве основных средств преодоления этого разрыва

выделены, с одной стороны, аппарат абстракции-конкретизации (аппарат

развития), а с другой стороны, аппарат прогнозирования-контроля (аппарат

защиты). Основной объект изучения - это концепции, принципы и понятия,

позволяющие строить концептуально целостные ЯП с мощным аппаратом развития и

надежной защитой.

Книга состоит из двух частей. Первая посвящена представлению в ЯП

основных абстракций, используемых в современных ЯП. В качестве основного

языка примеров здесь фигурирует ЯП Ада. Он удобен в этой роли потому, что в

той или иной форме содержит ответы практически на все технологические

проблемы. Другими словами, Ада служит примером "максимального" современного

ЯП. "Минимальные" ЯП представлены языками Никлауса Вирта - это Модула-2 и

Оберон (образца 1988 г.).

Вторая часть рассказывает о перспективных тенденциях в ЯП. Рассмотрены

ситуационное, функциональное, доказательное, реляционное, параллельное и

объектно-ориентированное программирование. Среди языков-примеров - Рефал,

функциональный язык Бэкуса, Оккам-2 для программирования транспьютеров,

объектно-ориентированный Турбо Паскаль и др.

В книге немало вопросов и упражнений (снабженных обычно подсказками),

призванных помочь читателю управлять своим вниманием и контролировать

уровень усвоения материала. Результаты упражнений при дальнейшем изложении

не используются.

Так как замысел книги возник восемь лет назад, и почти половина

материала написана еще в 1983-1985 гг., закономерно опасение, не устарела ли

книга еще до своего выхода в свет. Конечно, судить об этом читателю, однако

автор старался отбирать фундаментальные и по его мнению перспективные

концепции и принципы, которые по самой своей природе должны быть стабильнее

быстро меняющейся конъюнктуры.

Косвенным подтверждением такой стабильности послужил весьма

обрадовавший автора факт, что современный всплеск (своеобразный "бум")

интереса к объектно-ориентированному программированию - это в сущности

всплеск интереса к средствам программирования, обеспечивающим рациональное

развитие программных услуг при надежной защите авторского права. Но именно

средства развития и защиты в ЯП и были выбраны в качестве самого интересного

аспекта ЯП еще в начале работы над книгой. Такое знаменательное совпадение

придает уверенности в правильности выбора и позволяет считать объектно-

ориентированное программирование не просто очередной модой, а естественной

"закрывающей скобкой" как очередного этапа в осознании системы ценностей в

программировании, так и нашего рассмотрения концепций и принципов ЯП.

Создавать эту книгу помогали многие люди, которые, конечно, не несут

какой-либо ответственности за ее недостатки. Автору приятно выразить

признательность В.К.Мережкову за инициативу и огромную помощь при издании

первой части рукописи в НПО "Центрпрограммсистем", профессорам Е.Л.Ющенко,

М.Р.Шура-Буре, В.Н.Редько, И.М.Витенбергу, Я.Я.Осису, А.А.Красилову,

С.С.Лаврову, Г.С.Цейтину, Е.А.Жоголеву, Н.П.Трифонову за поддержку и ценные

советы, своим коллегам и первым читателям В.Л.Темову, В.Н.Агафонову,

В.И.Головачу, А.С.Маркову, Б.Г.Чеблакову, Анд.В.Климову, В.Н.Лукину,

И.В.Раковскому за содержательную критику, А.Л.Александрову, И.Н.Зейтленок,

И.З.Луговой и особенно С.И.Рыбину за помощь в подготовке рукописи, своим

слушателям и студентам за внимание, терпение и любознательность, своим

родным - за понимание и заботу.

Автор старался не изменить духу преданности сути дела и творческой

раскованности, воплощением которых для него остаются рано ушедшие из жизни

Андрей Петрович Ершов, успевший прочитать первый вариант рукописи и

поддержать настроение автора писать "как пишется", и Адольф Львович Фуксман,

который в свое время совместно с В.Л.Темовым и автором горячо обсуждал

совместный проект университетского учебника по программированию.

Часть 1. Современное состояние языков программирования

1. Концептуальная схема языка программирования

1.1. Что такое язык программирования (ЯП)

Для начала дадим экстенсиональное определение ЯП - явно перечислим те

конкретные языки, которые нас заведомо интересуют (их мы уверенно считаем

языками программирования). Это Фортран, Симула, Паскаль, Бейсик, Лисп, Форт,

Рефал, Ада, Си, Оккам, Оберон. Однако хочется иметь возможность на основе

определения предсказывать новые частные случаи, в определении не

перечисленные. Такое определение должно опираться на существенные свойства

выбираемых для изучения языков - оно должно быть интенсиональным. Дадим одно

из возможных интенсиональных определений ЯП.

Язык программирования - это инструмент для планирования поведения

исполнителя.

Однако, во-первых, перечисленные выше ЯП служат не только для

планирования поведения исполнителей (компьютеров), но и для обмена

программами между людьми. Такая важнейшая функция существенно влияет на

устройство и принципы создания ЯП (хотя она все-же вторична - можно

показать, что люди должны понимать и читать программы, даже не имея никаких