Теоретическая часть по изучению языков программирования

История развития и классификация языков программирования

Программа — упорядоченная последовательность инструкций компьютера для решения задачи. Задание для компьютера таких инструкций обеспечивают операторы, которые являются базовой единицей действия любого языка программирования.

Оператор — это совокупность символов, указывающих операцию и значения или местонахождение ее операндов.

Язык программирования — это способ записи программ решения различных задач на ЭВМ в понятной для компьютера форме. В связи с бурным ростом областей применения ЭВМ увеличивается количество, и совершенствуются возможности современных языков программирования. На рисунке приведена условная классификация языков программирования в зависимости от уровня их машинной зависимости и ориентации для решения определенных проблем.

Языки программирования можно разделить на две группы: машинные языки и символические.

Машинный язык — это язык программирования, операторы которого состоят из машинных команд. Машинная команда оператором, опознаваемым и выполняемым техническими средствами вычислительной машины. Каждая машинная команда, представленная в виде цифрового кода, задает для ЭВМ информацию об одной операции: указывает вид операции (сложение, вычитание, сравнение и т. д.), адреса области памяти, в которых хранятся исходные данные и результаты операции. Программа в данном случае состоит из последовательности машинных команд. Процесс составления человеком программ на машинном языке конкретной ЭВМ принято называть ручным программированием.

Программирование на ЯМК — дело сложное, т. к. программист должен знать числовые коды всех машинных команд, должен сам распределять память под команды программы и данные.

В 1955 — х гг. появляются первые средства автоматизации программирования — языки Автокоды. Позднее для языков этого уровня стало применяться название «Ассемблеры». Язык ассемблера является языком программирования, ориентированным на конкретное семейство ЭВМ (с учетом структуры команд, памяти и т. д.). Вместе с тем переменные величины стали изображаться символическими именами. Числовые коды операций заменились на мнемонические (словесные) обозначения.

Алгоритмические языки программирования высокого уровня являются языками программирования, которые позволяют записывать алгоритмы решения задач независимо от структуры конкретной ЭВМ. Их преимущество заключается также в компактности и наглядности записи алгоритма в формульно-словесном виде. Трудоемкость программирования значительно снижается.

Языки программирования высокого уровня делятся на три группы:

Проблемно-ориентированный язык программирования предназначен для использования в частной области обработки данных. Характерной особенностью этих языков является наличие средств, позволяющих определить, что должно быть сделано алгоритмом, а не как. К данному классу относятся: Симула, Симскрипт, генераторы сортировок, ДИСОД (для формирования отчетов).

Процедурно-ориентированные языки, в отличие от проблемных, имеют в своем составе средства для представления алгоритма в виде таких последовательных шагов, как ввод-вывод данных, вычислений выражений по формулам, присваивание значений переменным, организация управления отдельными участками программ, повторное выполнение определенных фрагментов и т. д. К данному классу относятся: Алгол-60, Фортран, Бейсик — для решения математических и научно-технических задач; Кобол, АЛГЭК экономических задач; ЛИСП — задач искусственного интеллекта и т. д.

К группе универсальных языков программирования относятся Си, Паскаль и др., которые включают средства для выполнения научных и инженерных расчетов, обработки экономической информации и различных структур данных Трансляторы. Назначение, виды Чтобы компьютер мог исполнять программы потребовался специальный переводчик — транслятор.

Транслятор — это системная программа, переводящая текст программы с языка программирования высокого уровня на машинные коды.

Реализовать тот или иной язык программирования на ЭВМ — это, значит, создать транслятор с этого языка программирования для данной ЭВМ. Существуют два метода трансляции: компиляция и интерпретация.

Компиляция — полный предварительный перевод.

Интерпретация — аналог синхронного перевода.

Компилятор-транслятор, работающий по принципу компиляции.

Интерпретатор-транслятор, работающий по принципу интерпретации.

При компиляции исполнение программы разбирается на два этапа: трансляцию и выполнение. При интерпретации, поскольку трансляция и выполнение совмещены, программа проходит в один этап. Но откомпилированная программа выполняется быстрее, чем интерпретируемая.

В последнее время развитие аппаратных средств существенно опережало развитие систем и средств программирования. Чтобы выправить положение, в 70−80-х годах были предложены различные подходы к увеличению производительности труда программиста. Среди этих попыток выделяется такое направление, как объектно-ориентированный подход к конструированию и кодированию программ. Особую роль в популярности этого подхода сыграло как его тесная связь с интерфейсами пользователя (особенно графическими), так и включение элементов этого подхода в популярные (на персональных компьютерах фирмы IBM) реализации гибридных языков программирования C++ и Pascal with Objects фирмы Borland.

До сих пор большинство используемых программных систем построены на принципах структурного подхода, суть которого состоит в декомпозиции системы на ряд модулей, процедур, функций и структур данных, связанных общим алгоритмом функционирования. Но распространение мощных персональных компьютеров (сравнимых с рабочими станциями 70−80-х годов) создало в 90-х годах основу для широкого применения объектно-ориентированного подхода на практике. В последнее время более широко начинают использоваться языки программирования, созданные в рамках объектно-ориентированной методологии, такие как Smalltalk и Java.

Объектно-ориентированная методология (ООМ) ориентирована, прежде всего, на создание больших систем, коллективную их разработку, последующее активное сопровождение при эксплуатации и регулярные модификации. Среди типовых задач, для которых ООМ является перспективной, можно выделить такие:

• · автоматизация эксперимента, робототехника;
• · диспетчеризация, планирование;
• · интерфейс пользователя, анимация;
• · коммуникации, связь;
• · медицина, экспертные системы;
• · обработка коммерческой информации;
• · операционные системы;
• · системы управления;
• · тренажеры, моделирование.

В основе объектно-ориентированной методологии программирования лежит объектный подход, когда прикладная предметная область представляется в виде совокупности объектов, которые взаимодействуют между собой посредством передачи сообщений. Объект — это совокупность данных (переменных) и способов работы с ними (компонентных процедур и функций). Состояние объекта характеризуется перечнем всех его возможных (обычно статических) свойств и значениями каждого из этих свойств (обычно динамических). Состояние объекта описывается его переменными. Поведение объекта (или его функциональность) характеризует то, как объект взаимодействует с другими объектами или подвергается взаимодействию других объектов, проявляя свою индивидуальность. Индивидуальность — это такие свойства объекта, которые отличают его ото всех других объектов. Поведение объекта реализуется в виде функций, которые называют методами. При этом структура объекта доступна только через его методы, которые в совокупности формируют интерфейс объекта.

Такой подход позволяет локализовать принимаемые решения рамками объекта, объединяя в нем и структуру, и поведение, а, следовательно, снижая сложность отдельной программы (реализующей объект). Эта идея объединения структуры и поведения в одном месте и сокрытия всех данных внутри объекта, что делает их невидимыми для всех, за исключением методов самого объекта называется инкапсуляцией. Это позволяет объектам функционировать совершенно независимо друг от друга, скрывая за интерфейсом детали реализации. Инкапсуляция позволяет рассматривать объекты, как изолированные «черные ящики», которые знают и умеют выполнять определенные действия. С этой точки зрения, внутреннее устройство «черных ящиков» для нас значения не имеет, нам все равно, что происходит внутри. Важно только знать, что надо положить в ящик при обращении к нему и что мы при этом из него получим. Таким образом, объекты объектно-ориентированных систем — это минимальные единицы инкапсуляции.

Но как управлять таким миром объектов, когда их становиться достаточно много? Ведь многие из них будут очень сильно отличаться друг от друга, а другие объекты будут очень похожи друг на друга. Здесь на сцену выходит одна из ключевых концепций объектно-ориентированного программирования — идея группировки объектов в классы, в соответствии с тем как они устроены и действуют. Такая идея впервые была реализована еще в 60-ые годы в языке Simula. Под классом понимается множество объектов, связанных общностью структуры и поведения. Класс можно сравнить с шаблоном, по которому создаются объекты. Именно класс вначале описывает переменные и методы объекта, то есть структуру и поведение объекта, и определяет механизмы создания реально существующего в системе объекта, который, когда создается, представляет собой экземпляр класса.

Наведение с помощью классов порядка в мире объектов — большое достижение, но можно пойти дальше, определяя некоторый порядок и среди классов. Достигается это с помощью введения механизма наследования — пожалуй, самого мощного средства в любой объектно-ориентированной системе, поскольку оно позволяет многократно использовать однажды созданный код. Механизм наследования очень прост: один класс, называемый в рамках этих отношений суперклассом, полностью передает другому классу, который называется подклассом, свою структуру и поведение, то есть все свои переменные и все методы. Что далее делать с этим богатством определяет только подкласс: он может добавить в структуру что-то свое, что-то из наследуемого интерфейса он может использовать без изменений, что-то изменить, и, разумеется, может добавить свои собственные методы. То есть класс с помощью подклассов расширяется, и как результат, создаваемые объекты становятся все более и более специализированными. Классы, расположенные по принципу наследования, начиная с самого общего, базового класса, образуют иерархию классов.

Разумеется, система, реализующая такие принципы построения, предъявляет более жесткие, чем при структурном подходе, требования к производительности вычислительной системы.

После краткого описания некоторых ключевых понятий объектно-ориентированной методологии, можно сделать вывод, что концептуально объектно-ориентированная методология программирования опирается на объектный подход, который включает четыре основных принципа:

Абстрагирование.

Выделение таких существенных характеристик объектов, которые отличают его ото всех других объектов и которые четко определяют особенности данного объекта с точки зрения дальнейшего рассмотрения и анализа. Только существенное для данной задачи и ничего более. Минимальной единицей абстракции в ООМ является класс.

Ограничение доступа.

Процесс защиты отдельных элементов объекта, не затрагивающий существенных характеристик объекта, как целого.

Модульность.

Свойство системы, связанное с возможностью декомпозиции на ряд тесно связанных частей (модулей). Модульность опирается на дискретное программирование объектов, которые можно модернизировать или заменять, не воздействуя на другие объекты и систему в целом.

Существование иерархий.

Ранжирование, упорядочивание по некоторым правилам объектов системы. Объектно-ориентированная методология (ООМ) состоит из следующих частей:

• · объектно-ориентированный анализ (OOA),
• · объектно-ориентированное проектирование (OOD),
• · объектно-ориентированное программирование (OOР).

ООА — методология анализа сущностей реального мира на основе понятий класса и объекта, составляющих словарь предметной области, для понимания и объяснения того, как они (сущности) взаимодействуют между собой.

Модели OOA в дальнейшем преобразуются в объектно-ориентированный проект. OOD — методология проектирования программного продукта, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции, опирающийся на выделение классов и объектов, и приемы представления моделей, отражающих логическую (структура классов и объектов) и физическую (архитектура моделей и процессов) структуру системы. Следующие понятия являются в OOD фундаментальными:

Инкапсуляция.

Инкапсуляция является важнейшим свойством объектов, на котором строится объектно-ориентированное программирование. Инкапсуляция — это объединение в одном классе данных и действий над ними. При этом включенные в объект подпрограммы (методы) напрямую работают с данными этого объекта, обращаются к другим методам этого объекта или методам объектов-предков.

Инкапсуляция позволяет во многом изолировать класс от остальных частей программы, сделать его «самодостаточным» для решения конкретной задачи. В результате класс всегда несет в себе некоторую функциональность. Например, класс TForm в Delphi содержит (инкапсулирует в себе) все необходимое для создания Windows-окна, класс TTimer обеспечивает работу таймера и т. д.

Единицей инкапсуляции в OOD является объект.

Наследование позволяет создавать иерархию классов, начиная с некоторого первоначального базового класса (предка) и продолжая более сложными, включающими (наследующими) элементы предшествующих классов (потомков или производных классов).

Любой класс может быть порожден от другого класса. Для этого при его объявлении указывается имя класса-родителя:

TChildClass = class (TParentClass) (язык Object Pascal).

Порожденный класс автоматически наследует поля, методы и свойства своего родителя и может дополнять их новыми. Таким образом, принцип наследования обеспечивает поэтапное создание сложных классов и разработку собственных библиотек классов.

Класс, поведение которого наследуется, называется суперклассом, а класс, который наследует поведение, называется подклассом.

Принцип наследования приводит к созданию постоянно разрастающегося ветвящегося дерева классов. Каждый потомок дополняет возможности своего родителя новыми и передает их своим потомкам.

Полиморфизм — это свойство родственных классов решать схожие по смыслу проблемы разными способами. Для различных родственных классов можно задать единый образ действия (например, вывод на экран любой геометрической фигуры). Затем для каждого конкретного класса составляется своя подпрограмма, выполняющая это действие непосредственно для него (отображение точки отличается от отображения линии и т. д.), причем все эти подпрограммы должны иметь одно имя. Когда потребуется отобразить конкретную фигуру, будет выбрана из всего множества одноименных подпрограмм та, которая соответствует типу конкретного объекта. Если выводимый объект является точкой, то выбирается его подпрограмма, если линия — то ее.

Таким образом, полиморфизм проводит идею «один интерфейс — множество методов». Выбор конкретного действия зависит от ситуации.

Созданный проект превращается в программный продукт в процессе объектно-ориентированного программирования — такой методологии программирования, которая основана на представлении программного продукта в виде совокупности объектов, каждый из которых является слепком (экземпляром) определенного класса, а классы образуют иерархию на принципах наследования. Таким образом, при объектно-ориентированном подходе исчезает понятие исполняемой программы. Решение поставленной задачи сводится к построению необходимых классов, и управлению создаваемыми ими объектами-экземплярами.

Фундаментальная концепция OOP состоит в том, что объекты и классы взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений. Для этого необходимо, чтобы объекты определялись вместе с сообщениями, на которые они реагируют, в отличие от процедурного стиля программирования, когда сначала определяются данные, которые затем передаются в процедуры (функции) как параметры. При этом средством программирования выступает один из объектно-ориентированных языков программирования.

Язык программирования называется объектно-ориентированным, если.

• · есть поддержка объектов как абстракций данных, имеющих интерфейсную часть в виде поименованных операций, и защищенную область локальных данных;
• · все объекты относятся к соответствующим типам (классам);
• · классы могут наследовать от суперклассов.
• · любые данные хранятся как объекты, размещаемые с автоматическим выделением и освобождением памяти. Объект существует с системе до тех пор, пока его можно именовать.

Последний принцип отличает чистые объектно-ориентированные языки такие как Smalltalk, Actor, от гибридных языков программирования, выросших из ранее существовавших процедурных языков (Object Pascal, C++). Эти подходы — как бы крайности в семействе объектно-ориентированных языков. Ближе к середине лежит совершенно новый, полностью построенный на принципах объектно-ориентированной идеологии, но все же нарушающий последний принцип, язык Java.

Таким образом, мы рассмотрели историю развития и классификации языков программирования.