Программа, порядок ее разработки и исполнения

Для решения задачи на компьютере требуется написать программу. Программа на языке высокого уровня состоит из исполняемых операторов и операторов описания.

Исполняемый оператор задает законченное действие, выполняемое надданными. Примеры операторов: вывод на экран, занесение числа в память, выход из программы.

Оператор описания, как и следует из его названия, описывает данные, над которыми в программе выполняются действия. Примером описания (конечно, не на ПАСКАЛЕ, а на естественном языке) может служить предложение «В памяти следует отвести место для хранения целого числа, и это место мы будем обозначать А».

Описания должны предшествовать операторам, в которых используются соответствующие данные. Операторы программы исполняются последовательно, один за другим, если явным образом не задан иной порядок.

Для того чтобы лучше представлять себе, о чем идет речь, рассмотрим простейшую программу на ПАСКАЛЕ. Все, что она делает, это вычисляет и выводит на экран сумму двух целых чисел, введенных с клавиатуры:

vara, b, sum: integer; {1}.

begin {2}.

readln (a, b); {3}.

sum:= a + b; {4}.

writeln ('Сумма чисел a, ' и b, ' равна sum); {5}.

end. {6}.

В программе шесть строк, каждая из них для удобства рассмотрения помечена комментарием с номером.

В первой строке располагается оператор описания величин, которые будут использоваться в программе. Для каждой величины задается имя, по которому к ней будут обращаться, и ее тип. «Волшебным» словом vaг обозначается тот факт, что а, b и sum — переменные, т. е. величины, которые во время работы программы могут изменять свои значения. Для всех переменных задан целый тип, он обозначается integer. Тип необходим, для того чтобы переменным в памяти было отведено соответствующее место.

Исполняемые операторы программы располагаются между служебными словами begin и end, которые предназначены для объединения операторов и сами операторами не являются. Операторы отделяются друг от друга точкой с запятой.

Ввод с клавиатуры выполняется в третьей строке с помощью стандартной процедуры с именем readln. В скобках после имени указывается, каким именно переменным будут присвоены значения. Для вывода результатов работы программы в пятой строке используется стандартная процедура writeln. В скобках через запятую перечисляется все, что надо вывести на экран, при этом пояснительный текст заключается в апострофы. Например, если ввести в программу числа 2 и 3, результат будет выглядеть так:

Сумма чисел 2 и 3 равна 5.

В четвертой строке выполняется вычисление суммы и присваивание ее значения переменной sum. Справа от знака операции присваивания, обозначаемой символами :=, находится так называемое выражение. Выражение — это правило вычисления значения. Выражения являются частью операторов.

Компиляция и интерпретация. Исходный и объектный модули, исполняемая программа и библиотеки (модули) программ Для того чтобы выполнить программу, написанную на языке программирования высокого уровня, требуется перевести ее на язык, понятный процессору — в машинные коды. Этим занимаются специальные программы, которые называются языковыми процессорами, или трансляторами. Различают два вида языковых процессоров: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретатор — это программа, которая получает исходную программу на языке высокого уровня и по мере распознавания его операторов выполняет описываемые ими действия.

Интерпретатор в течение всего времени работы программы находится в оперативной памяти компьютера наряду с исходным текстом программы. Интерпретатор считывает ее первый оператор, переводит его в машинные команды и тут же организует выполнение этих команд. Затем переходит к переводу и выполнению следующего оператора, и так до конца программы. При этом результаты предыдущих переводов в памяти не сохраняются. При повторном выполнении одного и того же оператора в цикле оператор снова будет переводиться в машинные коды, перед этим происходит его синтаксический анализ.

Трансляция (от лат. «translatio» — передача) — в соответствии с ГОСТ 19 781–90 преобразование программы, представленной на одном языке программирования, в программу на другом языке программирования, в определенном смысле равносильную первой.

Транслятор — это программа, которая получает на вход исходную программу и формирует на выходе объектную программу (программу на объектном языке программирования). В частном случае объектным кодом может служить машинный язык, и в этом случае полученную на выходе транслятора программу можно сразу же выполнить на компьютере.

В общем случае объектный язык необязательно должен быть машинным или близким к нему (автокодом). В качестве объектного языка может служить и некоторый промежуточный язык. Для промежуточного языка может быть использован другой компилятор или интерпретатор — с промежуточного языка на машинный. Схему трансляции, когда исходная программа переводится на промежуточный язык, который затем интерпретируется, называют гибридной. Такая схема используется в языках Java и С#.

Транслятор, использующий в качестве входного языка близкий к машинному (автокод или язык АССЕМБЛЕР), традиционно называют ассемблером.

Компилятор работает следующим образом. Получив на вход исходный текст программы, компилятор выделяет из него лексемы, а затем на основе грамматики языка распознает выражения и операторы, построенные из этих лексем. При этом компилятор выявляет синтаксические ошибки и в случае их отсутствия строит объектный модуль.

Каждый оператор языка переводится компилятором в последовательность машинных команд, которая может быть весьма длинной, поэтому языки типа ПАСКАЛЬ и С+ + и называются языками высокого уровня. В языках низкого уровня, например в АССЕМБЛЕРЕ, каждая команда переводится в одну или несколько машинных команд.

Кроме того, компилятор планирует размещение данных в оперативной памяти в соответствии с описаниями величин, используемых в программе. Попутно он ищет синтаксические ошибки, т. е. ошибки записи операторов. В ПАСКАЛЕ на компилятор возложена еще одна обязанность — подключение к программе стандартных подпрограмм (например, ввода данных или вычисления синуса угла), а в С-подобных языках эту функцию выполняет специальная программа, называемая компоновщиком, или редактором связей.

Компоновщик, или редактор связей, формирует исполняемый модуль программы, подключая к объектному модулю другие объектные модули, в том числе содержащие функции библиотек, обращение к которым содержится в любой программе (например, для осуществления вывода на экран). Если программа состоит из нескольких исходных файлов, они компилируются по отдельности и объединяются на этапе компоновки. Исполняемый модуль имеет расширение. ехе и запускается на выполнение обычным образом, при этом присутствия компилятора в памяти компьютера не требуется.

Таким образом, при компиляции трансляция и исполнение программы идут последовательно друг за другом. При интерпретации — параллельно. Один раз откомпилированная программа может быть сохранена во внешней памяти и затем исполняться многократно.

На компиляцию машинное время тратиться больше не будет. Программа на интерпретируемом языке при каждом выполнении подвергается повторной трансляции. Кроме того, интерпретатор может занимать значительное место в оперативной памяти.

В самом языке программирования, вообще говоря, не заложен способ его реализации, однако одни языки почти всегда компилируются, например C+ +, другие, например Smalltalk, почти всегда интерпретируются; Java компилируется в байт-код и затем интерпретируется.

В настоящее время практически любая реализация языка представлена как среда разработки, которая включает в себя:

• 1) компилятор (или интерпретатор);
• 2) отладчик — специальную программу, которая облегчает процесс поиска ошибок; пользуясь ею, разработчик может выполнять программу «по шагам», отслеживать изменение значений переменных в процессе выполнения и др.;
• 3) встроенный текстовый редактор;
• 4) специальные средства для просмотра структуры программы;
• 5) библиотеку готовых модулей, классов, например для создания пользовательского интерфейса (окна, кнопки и т. д.).

В 1980;е гг. активно прорабатывалась идея визуального программирования, основной смысл которой состоит в том, чтобы процесс «сборки» программы осуществлялся на экране дисплея из программных конструкций-картинок. В результате появились среды разработки четвертого поколения (4GL), в которых разрабатываемый программный продукт строится из готовых крупных блоков при помощи мыши. Примерами таких сред являются: Delphi, Visual Java, Microsoft Visual Studio .NET.

Порядок разработки ^C помощью компьютера можно решать программы задачи различного характера, например научно-инженерные, задачи разработки системного программного обеспечения, программ для обучения, для управления производственными процессами и т. д.

Разные задачи требуют различных технологий своей разработки, различающиеся принципами, количеством и составом этапов, областями применения и назначением. Для создания относительно простых программ успешно применяется классический жизненный цикл разработки, когда очередной этап начинается после полного завершения предыдущего. Обычно выделяют следующие этапы:

• 1) постановка задачи;
• 2) математическое описание задачи;
• 3) выбор и обоснование метода решения;
• 4) выбор структур данных и алгоритмов решения задачи;
• 5) составление (кодирование) программы;
• 6) тестирование и отладка программы;
• 7) анализ результатов.

Некоторые этапы могут отсутствовать, например в задачах разработки системного программного обеспечения отсутствует математическое описание.

Подробнее об этом рассказывается в гл. 6.