java код смешанный с естественным языком называется
Написание простой программы
Ключевой момент: Написание программы предполагает разработку стратегии решения проблемы, а затем использование языка программирования для реализации этой стратегии.
Проблема
Рассмотрим сначала простую задачу вычисления площади круга. Как написать программу для решения этой проблемы?
Алгоритм
Написание программы включает в себя разработку алгоритмов и перевод алгоритмов в инструкции программирования или код. Алгоритм описывает, как проблема решается путем перечисления действий, которые необходимо предпринять, и порядка их выполнения. Алгоритмы могут помочь программисту распланировать программу, прежде чем писать ее на языке программирования.
Псевдокод
Алгоритмы могут быть описаны в естественных языках или в псевдокоде (естественный язык, смешанный с некоторым программным кодом). Алгоритм вычисления площади круга можно описать следующим образом:
1. Прочитать радиус круга.
2. Вычислить площадь используя следующую формулу:
площадь = радиус * радиус * π
3. Показать результаты.
Совет: всегда полезно описать свою программу (или ее основную проблему) в виде алгоритма перед началом кодирования.
Когда вы кодите, то есть, когда вы пишете программу, вы переводите алгоритм в программу. Вы уже знаете, что каждая Java программа начинается с определения класса, в котором за ключевым словом class следует имя класса. Предположим, что вы выбрали ComputeArea как имя класса. Схема программы будет выглядеть так:
Как вы знаете, каждая программа Java должна иметь основной (main) метод, в котором начинается выполнение программы. Следовательно, программа расширяется следующим образом:
Программе необходимо прочитать радиус, введенный пользователем с клавиатуры. Это поднимает два важных вопроса:
Сначала рассмотрим второй вопрос. Чтобы сохранить радиус, программе нужно объявить символ, который называется переменной. Переменная представляет значение, хранящееся в памяти компьютера.
Вместо использования x и y в качестве имен переменных выбирайте описательные имена: в этом случае radius для радиуса и area для площади. Чтобы компилятор знал, чем являются radius и area, укажите их типы данных. Это тип данных, хранящихся в переменной, будь то целое, действительное число или что-то еще. Это называется объявлением переменных. Java предоставляет простые типы данных для представления целых чисел, действительных чисел, символов и булевых типов. Эти типы известны как примитивные типы данных или фундаментальные типы.
Реальные числа (т. е. числа с десятичной точкой) представлены с использованием метода, известного в компьютерах как плавающая точка. Таким образом, реальные числа также называются числами с плавающей точкой. В Java вы можете использовать ключевое слово double для объявления переменной с плавающей запятой. Объявите radius и area как double. Следовательно, программа может быть расширена следующим образом:
Программа объявляет переменные radius и area. Зарезервированное слово double указывает, что radius и area являются значениями, которые хранятся на компьютере с плавающей запятой.
Первый шаг – предложить пользователю обозначить радиус круга. Вскоре вы узнаете, как запрашивать у пользователя информацию. Пока, чтобы узнать, как работают переменные, вы можете назначить фиксированное значение радиусу (переменной radius) в программе при написании кода; позже вы измените программу, чтобы запросить у пользователя это значение.
Второй шаг – посчитать площадь и присвоить результат выражения radius * radius * 3.14159 переменной area.
На последнем этапе программа отобразит значение area на консоли с помощью метода System.out.println.
В результате полная программа имеет вид:
Программа показывает площадь круга:
Листинг в NetBeans (с номерами строк):
Переменные, такие как radius и area, соответствуют местам памяти. Каждая переменная имеет имя, тип, размер и значение. Строка под номером 5 объявляет, что radius может хранить значение double. Значение не определено, пока вы его неназначили. Строка 9 назначает 20 в переменную radius. Аналогично, строка 6 объявляет переменную area, а строка 12 присваивает значение area. В следующей таблице показано значение в памяти для radius и area при выполнении программы. Каждая строка в таблице показывает значения переменных после выполнения оператора в соответствующей строке в программе. Этот метод рассмотрения работы программы называется трассировкой программы. Программы трассировки полезны для понимания того, как работают программы, и они являются полезными инструментами для поиска ошибок в программах.
Объединение строк
Знак плюс (+) имеет два значение: одно – это сложение, а второе – это конкатенация (объединение) строк. Знак плюса (+) в строках 15-16 называется оператором конкатенации строк. Он соединяет две строки в одну.
Объединение строк с числами
Если строка соединяется с числом, то число конвертируется (преобразовывается) в строку и объединяется с другой строкой. Следовательно, знак плюс (+) в строках 15-16 конкатенирует строки в одну более длинную строку, которая отображается в выводе. Строки и объединение строк будет рассмотрено в одной из последующих глав.
Внимание: в исходном коде строка не может быть разбита на несколько строк. Следовательно, следующая инструкция приведёт к ошибке компиляции:
Для исправления этой ошибки, разбейте строку на две отдельные подстроки и используйте оператор конкатенации (+) для их объединения:
Проверь себя:
Найдите и исправьте ошибки в следующем коде:
Что такое дженерики в Java?
Рассмотрим пример, в котором вы должны составить список живых существ в местности. Неважно, человек это, животное или растение. Все, что имеет значение, является живым существом. В этом случае вы бы сгруппировали их как «живые существа», а не классифицировали их.
Точно так же, когда вам нужно хранить некоторые данные, для вас важен контент, а не тип данных, и именно здесь вы используете дженерики. Обобщения в Java – это языковая функция, которая позволяет использовать универсальные типы и методы.
Что такое Generics в Java?
Дженерики в Java – это термин, обозначающий набор языковых возможностей, связанных с определением и использованием общих типов и методов. Общие методы Java отличаются от обычных типов данных и методов. До Generics мы использовали коллекцию для хранения любых типов объектов, т.е. неуниверсальных. Теперь Generics заставляет программиста Java хранить объекты определенного типа.
Если вы посмотрите на классы платформы Java-коллекции, то увидите, что большинство классов принимают параметр / аргумент типа Object. По сути, в этой форме они могут принимать любой тип Java в качестве аргумента и возвращать один и тот же объект или аргумент. Они в основном неоднородны, т.е. не похожего типа.
Иногда в приложении Java тип данных ввода не является фиксированным. Входными данными могут быть целое число, число с плавающей запятой или строка. Чтобы назначить ввод переменной правильного типа данных, необходимо было провести предварительные проверки.
В традиционном подходе после получения ввода проверяется тип данных ввода, а затем назначается переменная правого типа данных. При использовании этой логики длина кода и время выполнения были увеличены. Чтобы избежать этого, были введены дженерики.
Когда вы используете Generics, параметры в коде автоматически проверяются во время компиляции, и он устанавливает тип данных по умолчанию. Так что это то место, где вам нужна концепция обобщений в Java.
Существует 4 различных способа применения:
1. Типовой класс
Класс называется дженериком, если он объявляет одну или несколько переменных типа. Эти типы переменных известны как параметры типа класса Java. Давайте разберемся с этим на примере. В приведенном ниже примере я создам класс с одним свойством x, а типом свойства является объект.
Здесь, как только вы инициализируете класс с определенным типом, класс должен использоваться только с этим конкретным типом. Например, если вы хотите, чтобы один экземпляр класса содержал значение x типа ‘String’, программист должен установить и получить единственный тип String.
Поскольку я объявил тип свойства для объекта, нет никакого способа применить это ограничение. Программист может установить любой объект и может ожидать любой тип возвращаемого значения от метода get, поскольку все типы Java являются подтипами класса Object.
Чтобы применить этот тип ограничения, мы можем использовать обобщенные значения, как показано ниже:
Теперь вы можете быть уверены, что класс не будет неправильно использоваться с неправильными типами. Простой пример «Genericclass» выглядит так, как показано ниже:
Эта аналогия верна и для интерфейса.
2. Интерфейс
Интерфейс в Java относится к абстрактным типам данных. Они позволяют манипулировать коллекциями Java независимо от деталей их представления.
Кроме того, они образуют иерархию в объектно-ориентированных языках программирования.
3. Методы
Универсальные методы очень похожи на универсальные классы. Они отличаются друг от друга только одним аспектом, заключающимся в том, что информация о области действия или типе находится только внутри метода. Универсальные методы вводят свои параметры типа.
Если вы передадите список String для поиска в этом методе, он будет работать нормально. Но если вы попытаетесь найти число в списке строк, это даст ошибку времени компиляции.
4. Конструктор
Конструктор Java – это блок кода, который инициализирует вновь созданный объект. Конструктор напоминает метод экземпляра в Java, но это не метод, поскольку он не имеет возвращаемого типа. Конструктор имеет то же имя, что и класс, и выглядит так в коде Java.
В приведенном выше примере конструктор класса Dimension содержит информацию о типе. Таким образом, вы можете иметь экземпляр измерения со всеми атрибутами только одного типа.
Преимущества дженериков в Java
1. Повторное использование кода.
Вы можете составить стратегию, класс или интерфейс один раз и использовать их для любого типа или любым другим способом.
2. Кастинг отдельных типов не требуется.
По сути, вы восстанавливаете информацию из ArrayList каждый раз, когда вам нужно ее типизировать.
Типирование при каждой задаче восстановления является серьезной задачей. Чтобы искоренить этот подход, были введены дженерики.
3. Реализация неуниверсального алгоритма.
Он может рассчитывать алгоритмы, которые работают с различными типами элементов, которые также являются безопасными типами.
Java код смешанный с естественным языком называется
System.out.println(«April has » + month_days[3] + » days.»);
При запуске эта программа печатает количество дней в апреле, как это показано ниже. Нумерация элементов массива в Java начинается с нуля, так что число дней в апреле — это month_days [3].
Имеется возможность автоматически инициализировать массивы способом, во многом напоминающим инициализацию переменных простых типов. Инициализатор массива представляет собой список разделенных запятыми выражений, заключенный в фигурные скобки. Запятые отделяют друг от друга значения элементов массива. При таком способе создания массив будет содержать ровно столько элементов, сколько требуется для хранения значений, указанных в списке инициализации.
public static void main(String args[]) <
System.out.println(«April has » + month_days[3] + » days.»);
В результате работы этой программы, вы получите точно такой же результат, как и от ее более длинной предшественницы.
Java строго следит за тем, чтобы вы случайно не записали или не попытались получить значения, выйдя за границы массива. Если же вы попытаетесь использовать в качестве индексов значения, выходящие за границы массива — отрицательные числа либо числа, которые больше или равны количеству элементов в массиве, то получите сообщение об ошибке времени выполнения. В главе 10 мы подробно расскажем о том, что делать при возникновении подобных ошибок.
На самом деле, настоящих многомерных массивов в Java не существует. Зато имеются массивы массивов, которые ведут себя подобно многомерным массивам, за исключением нескольких незначительных отличий. Приведенный ниже код создает традиционную матрицу из шестнадцати элементов типа double, каждый из которых инициализируется нулем. Внутренняя реализация этой матрицы — массив массивов double.
double matrix [][] = new double [4][4];
Следующий фрагмент кода инициализирует такое же количество памяти, но память под вторую размерность отводится вручную. Это сделано для того, чтобы наглядно показать, что матрица на самом деле представляет собой вложенные массивы.
double matrix [][] = new double [4][];
matrix [0] = new double[4];
matrix[1] = new double[4];
В следующем примере создается матрица размером 4 на 4 с элементами типа double, причем ее диагональные элементы (те, для которых х==у) заполняются единицами, а все остальные элементы остаются равными нулю.
public static void main(String args[]) < double m[][];
System.out.println(m[0][0] +» «+ m[0][1] +» «+ m[0][2] +» «+ m[0][3]);
System.out.println(m[1][0] +» «+ m[1][1] +» «+ m[1][2] +» «+ m[1][3]);
System.out.println(m[2][0] +» «+ m[2][1] +» «+ m[2][2] +» «+ m[2][3]);
System.out.println(m[3][0] +» «+ m[3][1] +» «+ m[3][2] +» «+ m[3][3]);
Запустив эту программу, вы получите следующий результат:
Обратите внимание — если вы хотите, чтобы значение элемента было нулевым, вам не нужно его инициализировать, это делается автоматически.
Для задания начальных значений массивов существует специальная форма инициализатора, пригодная и в многомерном случае. В программе, приведенной ниже, создается матрица, каждый элемент которой содержит произведение номера строки на номер столбца. Обратите внимание на тот факт, что внутри инициализатора массива можно использовать не только литералы, но и выражения.
public static void main(String args[]) < double m[][] = <
System.out.println(m[0][0] +» «+ m[0][1] +» «+ m[0][2] +» «+ m[0][3]);
System.out.println(m[1][0] +» «+m[1][1] +» «+ m[1][2] +» «+ m[1][3]);
System.out.println(m[2][0] +» «+m[2][1] +» «+ m[2][2] +» «+ m[2][3]);
System.out.println(m[3][0] +» «+m[3][1] +» «+ m[3][2] +» «+ m[3][3]);
Запустив эту программу, вы получите следующий результат:
С: \> Java AutoMatrix
Теперь вы знаете, как работать с восьмью простыми типами языка Java. Вы видели, как нужно создавать объекты этих типов и знаете разрядности каждого из них. Вы знаете, как эти типы взаимодействуют и какие из них подходят для арифметических вычислений. Вы познакомились с типом boolean и почувствовали, что от символов мало пользы пока нет возможности группировать их вместе, образуя слова — к этому вопросу мы вернемся в главе 9, где познакомимся со строками. Мы не обошли своим вниманием массивы и видели, как можно создавать массивы из массивов. В следующей главе мы научимся выполнять над всеми этими типами различные операции.
Что такое дженерики в Java?
Рассмотрим пример, в котором вы должны составить список живых существ в местности. Неважно, человек это, животное или растение. Все, что имеет значение, является живым существом. В этом случае вы бы сгруппировали их как «живые существа», а не классифицировали их.
Точно так же, когда вам нужно хранить некоторые данные, для вас важен контент, а не тип данных, и именно здесь вы используете дженерики. Обобщения в Java – это языковая функция, которая позволяет использовать универсальные типы и методы.
Что такое Generics в Java?
Дженерики в Java – это термин, обозначающий набор языковых возможностей, связанных с определением и использованием общих типов и методов. Общие методы Java отличаются от обычных типов данных и методов. До Generics мы использовали коллекцию для хранения любых типов объектов, т.е. неуниверсальных. Теперь Generics заставляет программиста Java хранить объекты определенного типа.
Если вы посмотрите на классы платформы Java-коллекции, то увидите, что большинство классов принимают параметр / аргумент типа Object. По сути, в этой форме они могут принимать любой тип Java в качестве аргумента и возвращать один и тот же объект или аргумент. Они в основном неоднородны, т.е. не похожего типа.
Иногда в приложении Java тип данных ввода не является фиксированным. Входными данными могут быть целое число, число с плавающей запятой или строка. Чтобы назначить ввод переменной правильного типа данных, необходимо было провести предварительные проверки.
В традиционном подходе после получения ввода проверяется тип данных ввода, а затем назначается переменная правого типа данных. При использовании этой логики длина кода и время выполнения были увеличены. Чтобы избежать этого, были введены дженерики.
Когда вы используете Generics, параметры в коде автоматически проверяются во время компиляции, и он устанавливает тип данных по умолчанию. Так что это то место, где вам нужна концепция обобщений в Java.
Существует 4 различных способа применения:
1. Типовой класс
Класс называется дженериком, если он объявляет одну или несколько переменных типа. Эти типы переменных известны как параметры типа класса Java. Давайте разберемся с этим на примере. В приведенном ниже примере я создам класс с одним свойством x, а типом свойства является объект.
Здесь, как только вы инициализируете класс с определенным типом, класс должен использоваться только с этим конкретным типом. Например, если вы хотите, чтобы один экземпляр класса содержал значение x типа ‘String’, программист должен установить и получить единственный тип String.
Поскольку я объявил тип свойства для объекта, нет никакого способа применить это ограничение. Программист может установить любой объект и может ожидать любой тип возвращаемого значения от метода get, поскольку все типы Java являются подтипами класса Object.
Чтобы применить этот тип ограничения, мы можем использовать обобщенные значения, как показано ниже:
Теперь вы можете быть уверены, что класс не будет неправильно использоваться с неправильными типами. Простой пример «Genericclass» выглядит так, как показано ниже:
Эта аналогия верна и для интерфейса.
2. Интерфейс
Интерфейс в Java относится к абстрактным типам данных. Они позволяют манипулировать коллекциями Java независимо от деталей их представления.
Кроме того, они образуют иерархию в объектно-ориентированных языках программирования.
3. Методы
Универсальные методы очень похожи на универсальные классы. Они отличаются друг от друга только одним аспектом, заключающимся в том, что информация о области действия или типе находится только внутри метода. Универсальные методы вводят свои параметры типа.
Если вы передадите список String для поиска в этом методе, он будет работать нормально. Но если вы попытаетесь найти число в списке строк, это даст ошибку времени компиляции.
4. Конструктор
Конструктор Java – это блок кода, который инициализирует вновь созданный объект. Конструктор напоминает метод экземпляра в Java, но это не метод, поскольку он не имеет возвращаемого типа. Конструктор имеет то же имя, что и класс, и выглядит так в коде Java.
В приведенном выше примере конструктор класса Dimension содержит информацию о типе. Таким образом, вы можете иметь экземпляр измерения со всеми атрибутами только одного типа.
Преимущества дженериков в Java
1. Повторное использование кода.
Вы можете составить стратегию, класс или интерфейс один раз и использовать их для любого типа или любым другим способом.
2. Кастинг отдельных типов не требуется.
По сути, вы восстанавливаете информацию из ArrayList каждый раз, когда вам нужно ее типизировать.
Типирование при каждой задаче восстановления является серьезной задачей. Чтобы искоренить этот подход, были введены дженерики.
3. Реализация неуниверсального алгоритма.
Он может рассчитывать алгоритмы, которые работают с различными типами элементов, которые также являются безопасными типами.
Информационные технологии копия 2
Языки программирования
Как мы уже знаем, компьютерная программа представляет собой логически упорядоченную последовательность команд, предназначенных для управления компьютером. Процессор компьютера – это большая интегральная схема. Все данные и команды он получает в виде электрических сигналов. В двоичном коде наличие сигнала описывается понятием «1», а его отсутствие – понятием «0». Команды, обрабатываемые процессором, можно интерпретировать как ряд чередующихся определенным образом единиц и нулей. То есть любая команда преобразуется в двоичное число. Таким образом, процессор исполняет программы, представляющие собой последовательность чисел и называемые машинным кодом.
Писать программы в машинных кодах очень сложно, причем с ростом размера программы эта задача усложняется. В компьютерах первого поколения использовались программы, написанные в машинных кодах, причем для каждого компьютера существовал свой собственный машинный код. Числовая кодировка команд, адресов ячеек и обрабатываемых данных, зависимость вида про граммы от ее места в памяти не давали возможность следить за смыслом программы. Это во многом ограничивало область применения компьютеров первого поколения. В тот период (начало 50-х гг.) средства программирования и программное обеспечение только зарождались и были еще не развиты. Для того чтобы сделать программу читабельной и иметь возможность следить за ее смысловой структурой, придумали символический язык ассемблер, близкий к машинному (конец 50-х – начало 60-х гг.), в котором появилось понятие переменной. Ассемблер стал первым полноценным языком программирования. Благодаря этому заметно уменьшилось время разработки и возросла надежность программ. Для записи кодов операций и обрабатываемой информации в ассемблере используются стандартные обозначения, позволяющие записывать числа и текст в общепринятом Виде, для кодов команд приняты мнемонические обозначения для обозначения величин, размещаемых в памяти, можно применять имена. После ввода программы ассемблер сам заменяет символические имена на адреса памяти, а символические коды команд на числовые. Использование ассемблера сделало процесс программирование более наглядным. Дальнейшее развитие этой идеи привело к созданию языков программирования высокого уровня, в которых длинные и сложные последовательности машинных кодов были заменены одним единственным обозначающим их словом – операторы.
Понятие «язык программирования»
Сегодня практически все программы создаются с помощью языков программирования. Теоретически программу можно написать и на естественном языке (говорят: программирование на метаязыке), но из-за неоднозначности естественного языка автоматически перевести такую программу в машинный код пока невозможно.
Языки программирования – это формальные искусственные языки. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику.
Алфавит – разрешенный к использованию набор символов, с помощью которого могут быть образованы слова и величины данного языка.
Синтаксис – система правил, определяющих допустимые конструкции языка программирования из букв алфавита.
Семантика – система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработки данных.
Взаимодействие синтаксических и семантических правил определяет основные понятия языка, такие как операторы, идентификаторы, константы, переменные, функции, процедуры и т.д. В отличие от естественных, язык программирования имеет ограниченный запас слов (операторов) и строгие правила их написания, а правила грамматики и семантики, как и для любого формального языка, явно однозначно и четко сформулированы.
Языки программирования, ориентированные на команды процессора и учитывающие его особенности, называют языками низкого уровня. «Низкий уровень» не означает неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.
Языком самого низкого уровня является ассемблер. Программа, написанная на нем, представляет последовательность команд машинных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С помощью языков низкого уровня создаются компактные оптимальные программы, так как программист получает доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой программы на компьютере с процессором другого типа невозможно. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность, быстродействие, прямой доступ к аппаратным ресурсам.
Языки программирования, имитирующие естественные, обладающие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня. Чем выше уровень языка, тем ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в программе, к понятиям исходной задачи. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому исходные тексты программ легко переносимы на другие платформы, имеющие трансляторы этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, число ошибок, допускаемых в процессе программирования, намного меньше. В настоящее время насчитывается несколько сотен таких языков (без учета их диалектов).
Таким образом, языки программирования высокого уровня, ориентированные на решение больших содержательных прикладных задач, являются аппаратно-независимыми и требуют использования соответствующих программ-переводчиков для преобразования текста программы в машинный код, который в итоге и обрабатывается процессором.
Компиляторы и интерпретаторы
С помощью языка программирования создается текст программы, описывающий разработанный алгоритм. Чтобы программа была выполнена, надо либо весь ее текст перевести в машинный код (это действие и выполняет программа – компилятор) и затем передать на исполнение процессору, либо сразу выполнять команды языка, переводя на машинный язык и исполняя каждую команду поочередно (этим занимаются программы – интерпретаторы).
Интерпретатор функционирует следующим образом: берет очередной оператор языка из текста программы, анализирует его структуру и затем сразу исполняет. После успешного выполнения текущей команды интерпретатор переходит к анализу и исполнению следующей. Если один и тот же оператор в программе выполняется несколько раз, интерпретатор всякий раз воспринимает его так, будто встретил впервые. Поэтому программы, в которых требуется произвести большой объем повторяющихся вычислений, будут работать медленно. Для выполнения программы на другом компьютере также необходимо установить интерпретатор, так как без него программа представляет собой набор слов и работать не может.
Компиляторы полностью обрабатывают весь текст программы (его называют исходным кодом или source code). Они осуществляют поиск синтаксических ошибок, выполняют семантический анализ и только затем, если текст программы в точности соответствует правилам языка, его автоматически переводят (транслируют) на машинный язык (говорят: генерируют объектный код или object code). Нередко при этом выполняется оптимизация с помощью набора методов, позволяющих повысить быстродействие программы. Сгенерированный объектный код обрабатывается специальной программой сборщиком или редактором связей, который производит связывание объектного и машинного кодов. Текст программы преобразуется в готовый к исполнению ЕХЕ-файл (исполнимый код), его можно сохранить в памяти компьютера или на диске. Этот файл имеет самостоятельное значение, и может работать под управлением операционной системы. Его можно перенести на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код.
Основной недостаток компиляторов – трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры, заранее неизвестной или динамически меняющейся во время работы программы. Для таких программ в машинный код вводятся дополнительные проверки и анализ наличия ресурсов операционной системы, средства динамического захвата и освобождения памяти компьютера, что на уровне статически заданных машинных инструкций осуществить достаточно сложно, а для которых задач практически невозможно.
С помощью интерпретатора, наоборот, для исследования содержимого памяти допустимо в любой момент прервать работу программы, организовать диалог с пользователем, выполнить любые сложные преобразования данных и при этом постоянно контролировать программно-аппаратную среду, что и обеспечивает высокую надежность работы программы. Интерпретатор при выполнении каждой команды подвергает проверке и анализу необходимые ресурсы операционной системы, при возникающих проблемах выдает сообщения об ошибках. В реальных системах программирования смешаны технологии компиляции и интерпретации. В процессе отладки программу можно выполнять по шагам (трассировать), а результирующий код не обязательно будет машинным, он может быть, например, аппаратно-независимым промежуточным кодом абстрактного процессора, который в дальнейшем будет транслироваться в различных компьютерных архитектурах с помощью интерпретатора или компилятора в соответствующий машинный код.
Процесс создания программы включает:
Все перечисленные выше действия требуют наличия специальных программных средств.
Совокупность этих программных средств входит в состав системы программирования:
Классификация и обзор языков программирования
Современное состояние языков программирования можно представить в виде следующей классификации (рис. 2).
Процедурное программирование
Процедурное или императивное (от лат. Imperativus – повелительный) программирование есть отражение фон Неймановской архитектуры компьютера. Программа на процедурном языке состоит из последовательности команд, определяющих процедуру решения задачи. Основным является оператор присваивания, предназначенный для определения и изменения содержимого памяти компьютера. Концепция памяти как места хранения данных, значения которых можно изменять операторами программы, является фундаментальным в императивном программировании.
Выполнение программы сводится к последовательному выполнению операторов с целью преобразования исходного состояния памяти, т.е. программа последовательно обновляет содержимое памяти, изменяя его от исходного состояния до результирующего.
Кобол ( СОmmon Вusiness Oriented Language – общепринятый деловой язык) – язык программирования, ориентированный на решение задач обработки данных. Широко используется для решения учетно-экономических и управленческих задач. Разработан в США в 1958-1960 гг. Программа на Коболе имеет вид ряда предложений на английском языке и напоминает обычный текст. Группы последовательно записанных операторов объединяются в предложения, предложения – в параграфы, параграфы – в· секции. Программист присваивает параграфам и секциям имена (метки), что облегчает непосредственное обращение к нужному участку программы. В СССР был принят русский вариант языка. В Коболе были реализованы мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано много приложений; некоторые из них активно эксплуатируются и сейчас. Достаточно сказать, что одной из высокооплачиваемых категорией граждан в США являются программисты на Коболе.
Алгол (ALGOrithmic Language) разработан группой зарубежных специалистов в 1960 г., явился результатом международного сотрудничества конца 50-х гг. (Алгол-60). Алгол предназначался для записи алгоритмов, построенных в виде последовательности процедур, применяемых при решении поставленных задач. Специалисты-практики воспринимали этот язык неоднозначно, но тем не менее, он как признанный международный язык сыграл большую роль в становлении основных понятий программирования и для обучения программистов. В нем впервые введены понятия «блочная структура программы», «динамическое распределение памяти». Внутри блока в Алголе можно вводить локальные обозначения, которые не зависят от остальной части программы. Несмотря на свое интернациональноe происхождение, Алгол-60 получил меньшее распространение, чем Фортран. Например, не на всех зарубежных ЭВМ имелись трансляторы с Алгола-60. В 1968 г. в результате дальнейшего развития и усовершенствования Алгола-60 была создана версия Алroл-68. Это многоцелевой универсальный расширенный язык программирования. Последнее свойство позволяло с помощью одной и той же программы транслятора осуществлять трансляцию с различных расширенных версий языка без дополнительных затрат на приспособление этого языка к различным категориям пользователей, на получение проблемно-ориентированных диалектов языка. По своим возможностям Алгол-68 и сегодня опережает многие языки программирования, однако из-за отсутствия эффективных компьютеров для него не удалось своевременно создать хорошие компиляторы. В нашей стране в те годы под руководством академика Андрея Петровича Ершова был создан транслятор Альфа, который представлял достаточно удачную русифицированную версию Алгола.
В середине 60-х гг. сотрудники математического факультета Дартмутского колледжа Томас Курц и Джон Кемени создали специализированный язык программирования, который состоял из простых английских слов. Новый язык назвали универсальным символическим кодом для начинающих ( Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) или сокращенно BASIC (Бейсик). 1964 г. считают годом рождения этого языка. Он получил самое широкое распространение при работе на персональных компьютерах в режиме интерактивного диалога.
Популярность Бейсика объясняется как простотой его освоения, так и наличием достаточно мощных универсальных средств, пригодных для решения научных, технических и экономических задач, а также задач бытового характера, игровых и т.д. Согласно концепциям, заложенным в Бейсике, в нем широко распространены различные правила умолчания, что считается плохим тоном в большинстве языков программирования подобного типа. Возникло множество версий языка, зачастую мало совместимых друг с другом. Однако, зная одну из версий, можно без особого труда освоить любую другую. Бейсик активно поглощает многие концепции и новинки из других языков. Первоначально интерактивный режим осуществлялся с использованием интерпретатора, в настоящее время для этого языка имеются также и компиляторы.
В начале 60-х гг. каждый из существующих языков программирования был ориентирован на разные классы задач, но в той или иной мере привязан к конкретной архитектуре ЭВМ. Были предприняты попытки преодолеть этот недостаток путем создания универсального языка программирования. ПЛ/1 (PL/1- Programming Language Оnе) – первый многоцелевой универсальный язык, разработан в США фирмой IВM в 1963-1966 гг. Это один из наиболее распространенных универсальных языков, он хорошо приспособлен для решения задач в области вычислительной техники: исследования и планирования вычислительных процессов, моделирования, решения логических задач и исследования логических схем, разработки систем математического обеспечения. При разработке PL/1 были широко использованы основные понятия и средства языков Фортран, Алгол-60, Кобол. PL/1 – богатый и гибкий язык, дает возможность производить вставки, исправлять текст программы в процессе ее отладки. Язык получил широкое распространение, трансляторы с него имеются для многих типов компьютеров. Компания IBM и сегодня продолжает поддерживать этот язык.
Паскаль (Pascal) является одним из наиболее популярных процедурных языков программирования, особенно для персональных компьютеров. Созданный как учебный язык программирования в 1968-1971 гг. Никлаусом Виртом в Высшей технической школе (ЕТН) в Цюрихе (Швейцария), он был назван в честь французского математика и философа Блеза Паскаля (1623-1662). Целью работы Н. Вирта было создание языка, который строился бы на небольшом количестве базовых понятий; имел простой синтаксис; допускал перевод программ в машинный код простым компилятором.
Лингвистическая концепция Паскаля пропагандирует системный подход, выражающийся, в частности, в расчленении крупных задач на меньшие по сложности и размеру, легко поддающиеся решению. К основным принципам Паскаля следует отнести:
В основу разработки языка Паскаль был положен Алгол-60; но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его для создания крупных проектов, например, программ-трансляторов. Паскаль реализован для всех типов компьютеров, в настоящее время используется во многих учебных заведениях для обучения программированию, а также для создания больших реальных проектов.
Период с конца 60-х до начала 80-х гг. характеризуется бурным ростом числа различных языков программирования, сопровождавшим, как это ни парадоксально, кризис программного обеспечения. Этот кризис особенно остро переживало военное ведомство США. B январе 1975 г. Пентагон решил навести порядок среди бесчисленного множества трансляторов и создал комитет для разработки одного универсального языка. На конкурсной основе комитет рассмотрел сотни проектов и выяснил, что ни один из существующих языков не может удовлетворить их требованиям, для окончательного рассмотрения было оставлено два проекта. В мае 1979 г. был объявлен победитель – группа ученых во главе с Жаном Ихбиа. Победивший язык назвали АДА, в честь Ады Лавлейс, дочери великого поэта Байрона. Она в юности была увлечена идеями Чарльза Бэббиджа и помогала ему составлять описание машины, а в начале 40-х гг. XIX в. разработала первую в мире программу для вычислительной машины. Язык АДА – прямой наследник Паскаля. Он предназначен для создания и длительного сопровождения больших программных систем, управления процессами в реальном масштабе времени. В языке четко выражена модульность его конструкций, причем обеспечивается удобство организации разнообразных связей между модулями. Важным его достоинством является возможность параллельного программирования ветвей программы, которые затем могут реализоваться на многопроцессорных компьютерах. Язык АДА сложен для изучения.
Язык программирования С (Си) был разработан в лаборатории Bell для реализации операционной системы UNIX в начале 70-х гг. и не рассматривался как массовый. Он планировался для замены Ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффективные и компактные программы, и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора. В·С сочетаются достоинства современных высокоуровневых языков в части управляющих конструкций и структур данных с возможностями прямого доступа к аппаратным средствам компьютера. Синтаксис языка С обеспечивает краткость программы, его компиляторы генерируют эффективный объектный код. Одна из наиболее существенных особенностей С состоит в том, что различия между выражениями и операторами нивелируются, это приближает его к функциональным языкам. Например, выражение может обладать побочным эффектом присваивания, а также может использоваться в качестве оператора. Нет четкого различия между процедурами и функциями, более того, понятие процедуры вообще не вводится. Синтаксис языка затрудняет программирование и восприятие составленных программ. Отсутствует строгая типизация данных, что предоставляет дополнительные возможности программисту, но не способствует созданию надежных программ. Язык С приобрел большую популярность среди системных и прикладных программистов. В настоящее время этот язык реализован для большинства компьютерных платформ.
Функциональное программирование
Суть Функционального (аппликативного) программирования определена А. П. Ершовым как «способ составления программ, в которых единственным действием является вызов функции, единственным способом расчленения программы на части является введение имени функции, а единственным правилом композиции – оператор суперпозиции функций. Никаких ячеек памяти, ни операторов присваивания, ни циклов, ни, тем более, блок-схем, ни передачи управления».
Основной конструкцией в функциональных языках является выражение. К выражениям относятся константы, структурированные объекты, функции, их тела и вызовы функций. Аппликативный язык программирования включает следующие элементы:
Программа представляет собой последовательность описаний функций и выражения, которые необходимо вычислить. Выражение вычисляется методом редукции, т.е. проводится серия упрощений, до тех пор, пока это возможно по следующим правилам: вызовы базовых функций заменяются соответствующими значениями; вызовы не базовых функций заменяются их телами, в которых параметры заменены аргументами.
Функциональное программирование не рассматривает память как хранилище значений. Понятие оператора присваивания отсутствует, поэтому переменные обозначают объекты программы, что полностью соответствует понятию переменной в математике. Можно составлять программы и без переменных. Нет существенных различий между константами и функциями, т.е. между программами и данными. В результате этого функция может быть значением вызова другой функции и может быть элементом структурированного объекта. Число аргументов при вызове функции не обязательно должно совпадать с числом параметров, указанных при ее описании.
Первым таким языком стал Лисп (LISP, LISt Processing – обработка списков), созданный в 1959 г. Джоном Маккарти. Этот язык ориентирован на структуру данных в форме списка и позволяет организовать эффективную обработку больших объемов текстовой информации. Существенная черта языка – унификация программных структур и структур данных: все выражения записываются в виде списков.
Логическое программирование
Создание языка искусственного интеллекта Пролог (PROLOG, PROgramming in LOGic – программирование в терминах· логики) в 1973 г. французским ученым Аланом Кольмероэ открыло новую область – логическое или реляционное программирование.
Центральным понятием в логическом программировании является отношение. Программа представляет собой совокупность определений отношений между объектами и цели. Процесс выполнения программы трактуется как процесс общезначимости логической формулы, построенной из программы по правилам, установленным семантикой используемого языка. Результат вычисления является побочным продуктом этого процесса. В логическом программировании нужно только специфицировать факты, на которых основывается алгоритм, а не определять последовательность шагов, которые требуется выполнить. Это свидетельствует о декларативности языка логического программирования. Логические программы имеют небольшое быстродействие, так как вычисления. осуществляются методом проб и ошибок, поиском с возвратами к предыдущим шагам.
Программа на языке Пролог, в основу которой положена математическая модель теории исчисления предикатов, Строится из последовательности фактов и правил, затем формулируется утверждение, которое Пролог будет пытаться доказать с помощью введенных правил. Пользователь только описывает структуру задачи, а внутренний механизм Пролога сам ищет решение с помощью методов поиска и сопоставления.
Объектно-ориентированное программирование ( ООП)
Пионером данного направления явился язык Смолток (Smalltalk), первоначально предназначенный для реализаций функций машинной графики. Работа над языком началась в 1970 г. в исследовательской лаборатории XEROX (США), а закончилась в 1980 г. окончательным вариантом интерпретатора Smalltalk-80. Данный язык оригинален тем, что его синтаксис очень компактен и базируется исключительно на понятии объекта. В нем отсутствуют операторы или данные, все, что входит в Смолток, является объектами, а объекты общаются друг с другом исключительно с помощью сообщений. В настоящее время версия Vis u a l Age for Smalltalk активно развивается компанией IBM.
Основой объектно-ориентированного программирования (ООП) является понятие объект. Его сущность выражается формулой «объект = данные + процедуры». Каждый объект содержит некоторую структуру данных и доступные только ему процедуры (методы) обработки этих данных. Используя эту методологию, можно создать свой собственный абстрактный тип и отобразить проблемную область в эту созданную абстракцию вместо традиционного ее отображения в предопределенные управляющие структуры и структуры данных языка программирования. Объединение данных и свойственных им процедур обработки в одном объекте называется инкапсуляцией и присуще ООП.
Другим фундаментальным понятием ООП является класс. Класс – это шаблон, на основе которого может быть создан конкретный программный объект, он определяет свойства и методы объекта, принадлежащего этому классу. Соответственно, любой созданный объект становится экземпляром класса. Класс обеспечивает скрытие данных, их гарантированную инициализацию, неявное преобразование типов для типов, определенных пользователем, динамическое задание типа, контролируемое пользователем управление памятью и механизмы перегрузки операций.
ООП является более естественным, так как предоставляет возможность выбрать имеющиеся или создать новые объекты и организовать взаимодействия между ними. Следовательно, объектно-ориентированные языки по сравнению с процедурными являются языками более высокого уровня.
К наиболее современным объектно-ориентированным языкам программирования относятся С++ и Java.
По определению автора, Java является простым объектно-ориентированным и архитектурно-нейтральным языком интерпретирующего типа, обеспечивающим надежность, безопасность и переносимость, обладает высокой производительностью, многопоточностью и динамичностью.
Идеи ООП проникли во многие процедурные языки. Например, в состав интегрированной системы программирования Паскаль (корпорации Borland International), начиная с версии 5.5, входит специальная библиотека ООП Turbo Vision.
С середины 90-х гг. многие объектно-ориентированные языки реализуются как система визуального программирования. Такие системы имеют интерфейс, позволяющий при составлении текста программы видеть те графические объекты, для которых она пишется. Отличительной особенностью этих систем является наличие в них среды разработки программ из готовых «строительных блоков» позволяющих создавать интерфейсную часть программного продукта в диалог