Основные модели программирования

Парадигма программирования — это совокупность идей и понятий, определяющая стиль написания программ. Парадигма программирования определяет то, в каких терминах программист описывает логику программы.

Например, в императивном (процедурном) программировании программа описывается как последовательность действий, а в функциональном программировании представляется в виде выражения и множества определений функций. В популярном объектно-ориентированном программировании программу принято рассматривать как набор взаимодействующих объектов.

Важно отметить, что парадигма программирования не определяется однозначно языком программирования — многие современные языки программирования являются мультипарадигменными, т. е. допускают использование различных парадигм.

Так, на языке Си, который не является объектно-ориентированным, можно писать объектно-ориентированным образом, а на языке Ruby, в основу которого в значительной степени положена объектно-ориентированная парадигма, можно писать согласно стилю функционального программирования.

Приверженность определенного человека какой-то одной парадигме иногда носит настолько сильный характер, что споры о преимуществах и недостатках различных парадигм относятся в околокомпьютерных кругах к разряду так называемых религиозных войн.

Рассмотрим основные парадигмы и модели программирования, а также различные группы языков программирования высокого уровня, которые можно (иногда достаточно условно) отнести к той или иной модели.

Процедурное (императивное) программирование — это парадигма программирования, которая описывает процесс вычисления в виде инструкций, изменяющих состояние программы.

Императивная программа очень похожа на приказы, выражаемые повелительным наклонением в естественных языках, т. е. это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер.

Программа на процедурном языке программирования состоит из последовательности операторов (инструкций), задающих процедуру решения задачи. Основным является оператор присваивания, служащий для изменения содержимого областей памяти.

Концепция памяти как хранилища значений, содержимое которого может обновляться операторами программы, является фундаментальной в императивном программировании.

Выполнение программы сводится к последовательному выполнению операторов с целью преобразования исходного состояния памяти, т. е. значений исходных данных, в заключительное, т. е. в результаты. Таким образом, с точки зрения программиста имеются программа и память, причем первая последовательно обновляет содержимое последней.

Такие языки, как Алгол, Фортран, Бейсик, Паскаль, Си, можно отнести к процедурным.

Структурное программирование — методология разработки программ, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков.

Основные положения этой методологии таковы.

• 1. Любая программа представляет собой структуру, построенную из трех типов базовых конструкций (уже рассмотренных нами выше):
• 1) последовательность операторов — однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы;
• 2) ветвление — однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия;
• 3) цикл — многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие (условие продолжения цикла).

В программе базовые конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом, но никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

2. Повторяющиеся фрагменты программы либо фрагменты, представляющие собой логически целостные вычислительные блоки, могут оформляться в виде подпрограмм (процедур или функций). В этом случае в тексте основной программы вместо помещенного в подпрограмму фрагмента вставляется оператор вызова подпрограммы.

При выполнении такой инструкции выполняется вызванная подпрограмма, после чего исполнение программы продолжается с оператора следующей за командой вызова подпрограммы.

3. Разработка программы ведется пошагово, методом «сверху вниз». Сначала пишется текст основной программы, в котором вместо каждого связного логического фрагмента текста вставляется вызов подпрограммы, которая будет выполнять этот фрагмент.

Вместо настоящих, работающих подпрограмм в программу вставляются «заглушки», которые ничего не делают. Полученная программа проверяется и отлаживается.

После того как программист убедится, что подпрограммы вызываются в правильной последовательности (т.е. общая структура программы верна), подпрограммы-заглушки последовательно заменяются на реальные. Разработка каждой подпрограммы ведется тем же методом, что и основной программы.

Такая организация гарантирует, что на каждом этапе работы программист одновременно имеет дело с обозримым и понятным ему множеством фрагментов и может быть уверен, что общая структура всех более высоких уровней программы верна.

При внесении изменений в программу выясняется, в какие именно процедуры нужно внести изменения, и изменения вносятся, не затрагивая части программы, непосредственно с ними не связанные.

Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач и соответственного усложнения программного обеспечения. В 1970;е гг. объемы и сложность программ достигли такого уровня, что «интуитивная» (неструктурированная, или «рефлекторная») разработка программ, которая была нормой в более раннее время, перестала удовлетворять потребностям практики.

Программы становились слишком сложными, чтобы их можно было нормально сопровождать, поэтому потребовалась какая-то систематизация процесса разработки и структуры программ.

Наиболее сильной критике со стороны разработчиков структурного подхода к программированию подвергся оператор безусловного перехода GOTO (оператор безусловного перехода), имевшийся тогда почти во всех языках программирования. Неправильное и необдуманное использование произвольных переходов в тексте программы приводит к получению запутанных, плохо структурированных программ.

Следование принципам структурного программирования сделало тексты программ, даже довольно крупных, нормально читаемыми. Серьезно облегчилось понимание программ, появилась возможность разработки программ в нормальном промышленном режиме, когда программу может без особых затруднений понять не только ее автор, но и другие программисты.

В структурированных программах логически связанные операторы находятся визуально ближе, а слабо связанные — дальше, что позволяет обходиться без блок-схем и других графических форм изображения алгоритмов (по сути, сама программа является собственной блоксхемой) .

В информатике декларативное программирование — это парадигма программирования, которая выражает логику вычислений, но не предписывает пошагового алгоритма их осуществления, как это делает императивное программирование. Можно сказать, что программа «декларативна», если она описывает, что именно должно быть создано, а не как его создать.

Декларативное программирование часто рассматривает программы как теоремы в формальной логике, а вычисления — как способ доказательства этих теорем. Вместо алгоритмов в декларативных языках используются правила логического вывода, которые позволяют исполнителю находить заранее не определенные решения.

В классических процедурных (императивных) языках последовательность команд, которые будут выполнены исполнителем, однозначно определяется входными данными программы. Таким образом, поведение исполнителя императивной программы полностью детерминировано.

Декларативные программы не предписывают выполнение определенной последовательности операций, в них лишь дается разрешение совершать эти операции. Исполнитель должен сам найти способ достижения поставленной перед ним (составителем программы — программистом) цели, причем иногда это можно сделать различными способами.

Приведем пример. Пусть нужно проехать на автомобиле из пункта В в пункт Е по улицам города. Процедурная программа будет представлять собой список команд, предписывающий последовательность операций: сколько метров или кварталов проехать в данном направлении, на каком именно перекрестке повернуть направо или налево и т. п.

Декларативная программа будет состоять из карты города, на которой указаны оба пункта, и из правил дорожного движения. Руководствуясь этими правилами и планом, водитель сам найдет дорогу из пункта В в пункт Е.

Термин «декларативное программирование» на самом деле объединяет в себе несколько парадигм программирования. Упомянем две из них, функциональное программирование и логическое программирование.

В функциональном программировании процесс вычисления трактуется как вычисление значений функций в математическом понимании этого определения (в отличие от функций как подпрограмм в процедурном программировании).

Противопоставляется парадигме императивного программирования, которая описывает процесс вычислений как последовательность изменения состояний (в значении, подобном таковому в теории автоматов).

Функциональное программирование предполагает обходиться вычислением результатов функций от исходных данных и результатов других функций и не предполагает явного хранения состояния программы.

Соответственно, не предполагает оно и изменяемость этого состояния (в отличие от императивного, где одной из базовых концепций является переменная, хранящая свое значение и меняющая его по мере выполнения алгоритма).

В функциональных языках нет ни операторов присваивания, ни циклов, ни передачи управления. Все действия выполняются при помощи вызовов функций, а единственным правилом композиции является суперпозиция функций. Одним из первых функциональных языков был язык Лисп (LISP).

Логическое программирование — парадигма программирования, основанная на автоматическом доказательстве теорем и принципах логического вывода информации на основе заданных фактов и правил вывода. Логическое программирование использует теорию и аппарат математической логики.

Первым языком логического программирования был язык Planner, в котором была заложена возможность автоматического вывода результата из исходных данных и заданных правил перебора вариантов (методом проб и ошибок, поиском с возвратом к предыдущим шагам). Затем был разработан язык Пролог, который не требовал плана перебора вариантов и был в этом смысле упрощением языка Planner. Пролог является самым известным языком логического программирования.

Объектно-ориентированное программирование — парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов, классов и наследования.

Объекты представляют собой упрощенное, идеализированное описание (модель) реальных сущностей предметной области.

Каждый объект относится к некоторому классу, которому присущи определенные свойства и определенные процедуры управления объектом (методы). Говорят, что объект — это экземпляр класса. Класс можно сравнить с чертежом, согласно которому создаются объекты. Обычно классы разрабатывают таким образом, чтобы их объекты соответствовали объектам предметной области.

Методы — это процедуры и функции, связанные с классом. Они определяют действия, которые можно выполнять над объектом данного типа, и действия, которые сам объект может выполнять.

Наследованием называется возможность порождать один класс от другого с сохранением всех свойств и методов класса-предка (прародителя, иногда его называют суперклассом), добавляя, при необходимости, новые свойства и методы. Набор классов, связанных отношением наследования, называют иерархией наследования.

По мнению Алана Кея, создателя языка Smalltalk, которого считают одним из «отцов-основателей» ООП, объектно-ориентированный подход заключается в следующем наборе основных принципов.

• 1. Все является объектом.
• 2. Вычисления осуществляются путем взаимодействия (обмена данными) между объектами, при котором один объект требует, чтобы другой объект выполнил некоторое действие. Объекты взаимодействуют, посылая и получая сообщения. Сообщение — это запрос на выполнение действия, дополненный набором аргументов, которые могут понадобиться при выполнении действия.
• 3. Каждый объект имеет независимую память, которая состоит из других объектов.
• 4. Каждый объект является представителем (экземпляром) класса, который выражает общие свойства объектов.
• 5. В классе задается поведение (функциональность) объекта. Тем самым все объекты, которые являются экземплярами одного класса, могут выполнять одни и те же действия.
• 6. Классы организованы в единую древовидную структуру с общим корнем, называемую иерархией наследования. Память и поведение, связанное с экземплярами определенного класса, автоматически доступны любому классу, расположенному ниже в иерархическом дереве.

Таким образом, программа представляет собой набор объектов, имеющих состояние и поведение. Объекты взаимодействуют посредством сообщений. Естественным образом выстраивается иерархия объектов: программа в целом — это объект, для выполнения своих функций она обращается к входящим в нее объектам.

Например, объект «геометрическая фигура на экране компьютера» можно отнести к классу, которому присущи три свойства (цвет, а также координаты х и у, определяющие начальную точку рисования данной фигуры на экране) и два метода (поменять цвет и переместить фигуру в точку с заданными координатами).

Для введенного класса можно определить классы-потомки, описывающие частные случаи геометрических фигур. Это можно сделать за счет добавления новых свойств. Подклассу «круг» можно добавить свойство — радиус, подклассу «прямоугольник» — свойства ширина и высота, и т. д. И к прямоугольнику, и к кругу будут применимы общие свойства и методы, заданные для класса «геометрическая фигура».

Типичными представителями объектно-ориентированных языков программирования являются языки C++, Java, Visual Basic.