И.Г. Головин, И.А. Волкова - Языки и методы программирования (1160773), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Особенно этоотносится к третьей части учебника.1.2. Языки и основные парадигмыпрограммированияКак уже отмечалось, спектр применения современных компью­теров очень широк, поэтому общая совокупность разработанныхкомпьютерных программ весьма велика и с трудом поддается клас­сификации. Тем не менее, все программы (как и деятельность по ихсозданию) можно разделить на дна больших типа: программы «длясебя» и программы «для других».Создание программ «для себя» назовем (несколько условно)научно-развлекательным программированием. Люди создают про­граммы для развлечения (когда развлечением является сам процесспрограммирования, а не использование уже готовых программ),для изучения программирования (студенты, выполняющие заданияпрактикума работы на ЭВМ), для экспериментальных расчетов,демонстрирующих работоспособность математических моделей (фи­зики, математики, химики, биологи и т.д.), для решения каких-либосиюминутных задач (ученые, инженеры).При научно-развлекательном программировании число создателейпрограммы крайне невелико (как правило, один-два человека), так­же невелико число пользователей программы (как правило, толькоавторы и небольшое число коллег).

Такие программы невелики поразмеру (тысячи и реже несколько десятков тысяч строк), «живут»(т.е. активно используются) они недолго (дни, месяцы, реже годы)и в процессе жизни редко модифицируются.Языки научно-развлекательного программирования должныбыть легко изучаемыми, несложными для понимания и реализации.6Основной критерий их качества — удобство применения для соот­ветствующих целей (учебы, науки, развлечения).

Самые известныеи широко используемые до сих пор языки — Фортран, Бейсик,Паскаль.Создание программ «для других», т. е. программ, специальносоздаваемых в расчете на эксплуатацию пользователями, не имею­щими отношения к авторам, значительно отличается от научно­развлекательного. Такие программы называют программнымипродуктами, а процесс их создания — индустриальным програм­мированием.Число разработчиков программного продукта варьируется в ши­роких пределах (как правило, их десятки, а иногда и сотни), то жеотносится и к его размерам (сотни тысяч и миллионы строк кода),и к числу пользователей. Успешные программные продукты «живут»годы (иногда десятилетия) и в процессе использования активно мо­дифицируются (исправляются обнаруженные в ходе их эксплуатацииошибки, добавляются новые функции, выполняется адаптация кновому оборудованию или программному окружению).Языки индустриального программирования отличаются от язы­ков научно-развлекательного программирования.

Первые сложнее визучении и реализации, включают в себя большое число концепцийи понятий, обладают объемными библиотеками.В рамках нашего курса сосредоточимся на основных понятияхсовременных языков индустриального программирования.Важным свойством индустриальных языков является наличиеизобразительных средств, поддерживающих различные стили про­граммирования.

Совокупность идей и понятий, определяющих стильпрограммирования, называется парадигмой программирования.Основополагающую роль в парадигме программирования играетименно язык программирования, поскольку именно на нем мы вы­ражаем то, как мы «мыслим».В настоящее время в индустриальном программировании активноиспользуются императивная и объектная парадигмы. Есть основанияполагать, что в ближайшее время начнет активно использоватьсяфункциональная парадигма.Рассмотрим вкратце эти парадигмы и соответствующие приме­ры программ.

Для иллюстрации приведем небольшие программы,решающие одну и ту же задачу, используя разные стили програм­мирования.Задача состоит в обращении входной последовательности. В стан­дартном канале ввода (обычно это клавиатура компьютера) заданапоследовательность символов. Требуется выдать в стандартный каналвывода элементы входной последовательности в обратном порядке(т. е. последний элемент входной последовательности первым, пред­последний — вторым и т.д.).

Будем считать, что эта последователь­ность «не очень длинная», точнее предполагаем, что все элементы7могут поместиться в оперативную память компьютера. Такое пред­положение упрощает решение задачи.Императивная парадигмаИмперативная парадигма (другое ее название процедурная)основана на фон-неймановской модели компьютера, названной вчесть предложившего ее математика Дж. фон Неймана. Модель фонНеймана до сих пор является основой большинства современныхархитектур, что обусловило популярность и доминирование импе­ративной парадигмы.Модель содержит три основных компонента:• центральное процессорное устройство (ЦПУ);• оперативная память (ОН);• устройства ввода-вывода (У ВВ).Оперативная память — это однородная последовательность ячеек.Каждая ячейка имеет свой номер, называемый адресом.

Адресацияначинается с нуля. ЦПУ считывает или записывает информациюв ячейку, используя ее адрес. Скорость доступа ко всем ячейкамодинаковая и она не зависит от адреса. Такие последовательности впрограммировании называют массивами. Ячейки могут содержатькак данные (числа или символы), так и команды (т.е. команды за­кодированы с помощью чисел).Устройства ввода-вывода позволяют обмениваться информациеймежду ЦПУ и окружающей средой.«Мозг» компьютера — ЦПУ состоит из двух частей: арифметикологического устройства (АЛУ), которое выполняет арифметическиеи логические команды (сложение, вычитание, умножение, деление,побитовые сдвиги, побитовая инверсия и т.д.), и устройства управ­ления, которое отвечает за порядок выборки, декодирование ивыполнение команд.

ЦПУ содержит ряд специальных ячеек (не изОП), называемых регистрами, каждая из которых выполняет своюроль в работе ЦПУ. Например, регистр команд содержит текущуювыполняемую команду, регистр адреса — адрес этой команды, а варифметико-логических регистрах находятся операнды арифметикологических команд.Команды ЦПУ подразделяются следующим образом:• пересылки между ОП и регистрами ЦПУ;• арифметико-логические команды;• команды управления, включающие в себя команды перехода и не­которые специальные команды (например, команду останова);• команды ввода-вывода — концептуально они похожи на командыпересылки (в некоторых архитектурах команды ввода-вывода от­сутствуют и реализуются как команды пересылки для выделеннойобласти ОП).8Команды выбираются из памяти и выполняются последователь­но одна за другой.

Исключение составляют команды условного ибезусловного переходов, содержащие адрес команды, которая будетвыполняться следующей, и позволяющие изменять нормальную по­следовательность выполнения команд.Основные понятия императивных языков программирования(ИЯП) представляют собой абстракции основных понятий фоннеймановской модели. В самом деле, любой ИЯП включает в себяпонятие переменной (в языке Паскаль — VAR X: Integer, в языкеС — i n t х), понятие операции (А * в — в любом языке), понятиеоператора (оператор цикла, оператор присваивания и др.).Понятие простой переменной абстрагирует понятие ячейкипамяти. Кроме простых переменных в императивном языке содер­жатся составные (т.

е. состоящие из других переменных) массивы изаписи (в ряде языков записи называются структурами). Понятиеоперации обобщает арифметико-логические команды. Неслучайнопочти для любой операции в ИЯП можно найти прототип — ко­манду в машинном языке. Понятие оператора абстрагирует общеепонятие команды. Операторы в императивном языке делятся натри группы:• оператор присваивания;• операторы управления;• операторы ввода-вывода.Основным оператором в любом императивном языке являетсяоператор присваивания, имеющий видV :=Егде V — это переменная; Е — выражение.Выражение — это средство комбинирования операций для вычис­ления некоторого значения (например, X * (Y+1)/2).

Выполнениеоператора присваивания состоит в вычислении значения выраженияЕ и пересылке вычисленного значения в ячейку (или ячейки) ОП,соответствующую переменной V. Таким образом, оператор при­сваивания в ИЯП может представляться последовательностью ко­манд пересылки и арифметико-логических команд (и даже командперехода). Это действительно основной оператор в императивныхязыках.Операторы управления (циклы, операторы выбора, перехода и т.п.)абстрагируют машинные команды перехода.Операторы ввода-вывода обобщают машинные команды вводавывода.Подробнее основные понятия ИЯП разбираются в гл. 5 нашегоучебника.Мы видим, что императивные языки концептуально близки ма­шинной архитектуре, поэтому программирование на таких языкахпозволяет весьма эффективно управлять поведением компьютеров.9Это объясняет популярность и распространенность ИЯП.

В инду­стриальном программировании в настоящее время доминируют либочисто императивные языки (такие, как С), либо языки со смешаннойобъектно-императивной парадигмой (C++, Java, С#, Delphi, ObjectiveС и многие другие).Решим нашу пробную задачу реверсирования входной после­довательности в императивном стиле на языке С. Для этого стиляхарактерно представление алгоритма решения задачи в виде последо­вательности шагов, каждый из которых в свою очередь представляетсяпоследовательностью более мелких шагов, и т.д., пока не получимшаг «размером» в один оператор.Многие задачи по обработке данных (в том числе и наша) сводятсяк следующим трем шагам:• подготовить данные;• обработать данные;• завершить.Условие нашей задачи позволяет хранить всю входную последо­вательность в ОП, поэтому шаг подготовки данных сводится к вводуданных в некоторую структуру данных, которая позволяет выбиратьданные и в прямом порядке, и в обратном (для обращения).Шаг обработки сводится к реверсированию этой структуры дан­ных, шаг завершения — к выводу обращенной структуры.Основной вопрос — какую структуру данных выбрать? Нашимтребованиям отвечает, например линейный двунаправленный спи­сок, однако такой встроенной структуры в языке С нет.

Работу сосписками в языке С должен реализовывать сам программист. Един­ственное понятие в языке С, соответствующее последовательностиоднородных элементов, это массив. Проблема в том, что массивыв языке С — это последовательности фиксированной и заранееизвестной длины. Для того чтобы упростить решение задачи, пред­положим, что «не очень длинная» последовательность содержит неболее 1024 символов. Тогда мы можем использовать массив символовсоответствующей длины.Прежде чем привести полное решение, заметим, что можно объ­единить шаг обработки и завершения: вместо обращения элементовв массиве, можно сразу перейти к выводу, только выводить элементыследует не с начала, а с конца.

В этом случае выполнение становитсянесколько более быстрым (вместо двух операторов цикла мы имеемодин в объединенном шаге).#include <stdio.h>#define MAX_ELEMENTS 1024char Input[MAX_ELEMENTS];int m a i n (){int current, count = 0;10while ((current = getcharO) != EOF)if (count == MAX_ELEMENTS) {fprintf(stderr, "Слишком много символов");return 1;} elseInput[count++] = current;for (int i = count-1; i >= 0; i--)putchar(Input[i] ) ;return 0;}Первая строка данной программы сообщает о включении инфор­мации о библиотеке стандартного ввода-вывода, в следующих двухстроках объявляются константа MAX_ELEMENTS (предельная длинавходной последовательности) и массив Input для хранения последова­тельности (заметим, что в языке С элементы массива индексируются снуля).

Характеристики

Список файлов книги