Язык программирования — это фиксированная система обозначений и правил, предназначенная для описания алгоритмов и структур данных.
Все языки программирования делятся на два вида — языки низкого и высокого уровня.
Языки низкого уровня (law-level languages) — это средство записи инструкций для компьютера на аппаратном языке, т.е. в машинных кодах (в виде последовательности нулей и единиц). Языки низкого уровня жестко ориентированы на определенный тип аппаратуры (систему команд процессора, у каждого типа процессоров — свой машинный код).
Языки высокого уровня (high-level languages) – это языки программирования, позволяющие записывать программу в удобном для человека виде. Данные языки ориентированы не на систему команд того или иного процессора, а на систему операторов (команд), характерных для записи определенного класса алгоритмов.
Языки высокого уровня проще в обращении, поскольку их задача состоит в обслуживании потребностей программиста, а не в выявлении возможностей компьютера. Написанные на этих языках программы следует перекодировать — перевести на машинный язык (machine code), так, чтобы до запуска программ компьютер мог их понять. Поэтому в системы программирования на ЯВУ входит либо интерпретатор (interpreter) языка, либо компилятор (compiler).
Работу интерпретатора можно сравнить с синхронным переводом — компьютерная программа выполняет программу, написанную на языке программирования без её предварительного перевода в машинный код. Программа действует значительно медленнее. Интерпретатор обычно позволяет оператору прерывать программу и проверять или изменять величины или переменные.
Компилятор работает как литературный переводчик. Это компьютерная программа, переводящая программу, написанную на языке высокого уровня, в подробные команды, которые компьютер может выполнить. Программа должна быть транслирована (переведена) в набор команд до того, как она начнет выполняться; однако, будучи один раз транслирована, она может запускаться неограниченное количество раз.
Низкоуровневые языки, близкие к машинному, позволяют создать программы, которые запускаются быстрее и позволяют эффективнее использовать ресурсы компьютера.
Проведём небольшой исторический экскурс (от машинных кодов до языков программирования высокого уровня).
Программа для машин первого поколения вводилась с перфоленты, а данные — с перфокарт. Нетрудно догадаться, что программированием занимались профессора математики. Необходимо было знать всю систему команд компьютера в непривычных человеку двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления, при этом свободно совершая над этими числами сложные математические преобразования. Людей, занимающихся этим, называли не иначе как «шаманами в белых халатах».
Первым шагом вперед был отказ от числового обозначения команд. Каждая команда стала обзначаться мнемоническим буквенным кодом: так появился язык ассемблера. Программы, переводящие язык ассемблера на машинный код называются ассемблерами, а сам процесс — ассемблированием.
mov ah, 9
mov al, 33
mov bl, 1
mov bh,0
int 10h
Пример 1: Отрывок кода на языке ассемблера
Данный пример демонстрирует язык ассемблера. Этот отрывок кода помещает синий символ восклицательного знака в текущую позицию курсора на экран. В регистры процессора заносится номер функции, код символа, цвет и номер видеостраницы, а затем вызывается прерывание BIOS (Basic Input-Output System — Базовая Система Ввода Вывода) отвечающее за вывод изображения на экран. Это, несомненно, гораздо понятнее и проще машинных кодов, но чтобы доказать многословность и сложность, которая все ещё присуща языку ассемблера, достаточно привести пример, выполняющий то же действие, но записанный на языке высокого уровня, например Паскале:
TextColor(1);
Write('!');
Также все еще необходимо было владеть шестнадцатеричной и двоичной арифметикой, знать регистры процессора и функции прерываний.
Языки высокого уровня были следующей ступенью развития средств программирования. Существует огромное количество языков программирования: от 2000 до 4000. Языки высокого уровня подразделяются на группы по типу парадигмы, которую поддерживают. Существуют императивные языки, функциональные языки, логические языки, объектно-ориентированные языки, а также многие другие. Итак, с появлением языков высокого уровня программы стали выглядеть более понятно.
Императивные языки предоставляют собой мощное средство программирования, с помощью которого можно решить большинство задач. Но прогресс не стоит на месте, и на смену императивной пришла новая, объектно-ориентированная концепция программирования. Данная концепция заслуженно пользуется самой большой популярностью на IBM-совместимых микрокомпьютерах. Подобный подход позволяет абстрагироваться от машины и мыслить в терминах задачи, что является наиглавнейшим преимуществом объектно-ориентированного подхода.
В операционной системе Windows фирмы Microsoft на практике реализована концепция объектно-ориентированного программирования. Windows является графической системой. В ней реализован стандартный пользовательский интерфейс, доступный каждой прикладной программе через вызов функций Windows-API, представляющие собой набор классов описывающих объекты системы, например, кнопку, или поле ввода. Данный подход имеет ряд преимуществ. При использовании обычной текстовой операционной системы, например, MS-DOS разработчику приходилось каждый раз программировать пользовательский интерфейс с нуля. Задача значительно усложнялась, если приходилось проектировать графический интерфейс с пользователем. Так как программа MS-DOS работает непосредственно с аппаратурой компьютера (в частности, с видеоконтроллером), она должна учитывать наличие у потребителей большого количества самой разнообразной и несовместимой аппаратуры. Windows дисциплинирует разработчика приложений, предлагая стандарт на диалоговый интерфейс с пользователем. Если приложение будет соответствовать стандарту, на его изучение и освоение со стороны пользователя будет затрачено минимальное время.
Структура программы для Windows существенно отличается от классической программы. Костяк программы представляет собой цикл обработки сообщений. Сообщения — это способ, при помощи которого в Windows организован обмен информацией между отдельными подсистемами, приложениями или между отдельными модулями одного и того же приложения. Windows содержит в себе системную очередь сообщений, куда последние могут поступать от драйверов устройств ввода/вывода, а также или от приложений, а также несколько очередей сообщений для каждого приложения. Окно приложения Windows содержит множество органов управления. Действие, выполненное над любым из них, приводит к генерации соответствующего сообщения. Приложение Windows должно постоянно анализировать содержимое очереди и обрабатывать полученные сообщения. Такой механизм значительно упрощает программирование, так как приложение не занимается отслеживанием устройств ввода, а уже получает сообщение о том, что, например, нажата кнопка на панели или выбран пункт меню.
Несмотря на очевидную простоту и удобство программирование для Windows считается довольно сложным. Одновременно с увеличением возможностей увеличилась сложность и громоздкость кода программы. Значительную часть времени стало занимать проектирование и описание в программе ее интерфейса, внешнего вида. В связи с этим были созданы Системы Быстрого Проектирования Приложений — RAD. Рассмотрим такую систему на примере, пожалуй, самого популярного пакета MS Visual C++.
Visual C++ представляет собой сложный инструмент для создания приложений Windows. Несмотря на то, что сложность программ увеличилась, интегрированная среда MS Developer Studio пакета Visual C++ позволяет в считанные секунды создать вполне работоспособное приложение Windows. Включенная в состав VC++ библиотека классов Microsoft Foudation Classes (MFC) уже стала фактическим стандартом для разработчиков компиляторов на языке С++. Визуальные средства разработки интерфейса превращают это сложное занятие в увлекательную игру. VC++ не просто компилятор программного кода — это генератор программного кода. С его помощью можно в считанные минуты создать приложение Windows из готовых фрагментов программного кода. Генератор приложений формирует прототип вполне работоспособной программы.
Несмотря на то, что концепция объектно-ориентированного программирования появилась довольно давно, системы построенные на ее основе пользуются сейчас наибольшей популярностью. Интеграция этой концепции в операционную систему позволило создать удобный и эффективный программный интерфейс, а сочетание его с RAD системами открыло дорогу потоку мощных, удобных, дружественных пользователю приложений.
Другие виды языков программирования используются для решения более узких задач (например, язык запросов (query language); генератор программ печати отчетов (report program generator)).
Основные понятия программирования
Программирование — это раздел информатики, изучающий методы и приемы составления программ для компьютеров. Кроме того, программирование — это подготовка задачи к решению ее на компьютере.
Программа — это последовательность команд, понятных компьютеру. Программазаписывается в виде символов, к числу которых относятся латинские и русские буквы, цифры, знаки препинания и знаки операций. К программе могут быть предъявлены определённые требования:
- минимальные требования к компьютеру, на котором работает программа.
- ясность входных и выходных данных и простота программы.
- минимальное время создания программы и простота её изменения.
- минимальное время работы программы, минимум занимаемой памяти и минимум использованных в программе операторов.
Чтобы программа удовлетворяла этим противоречивым требованиям, необходимо обладать искусством программирования.
Свойства программ — выполнимость, мобильность, правильность, эффективность. Выполнимость — возможность выполнения программы на данном типе компьютеров. Мобильность — возможность переноса программы на другой тип компьютеров. Правильность программы — правильность результатов, получаемых с помощью данной программы. Эффективность — минимум времени выполнения, минимум машинной памяти и других ресурсов компьютера.
Программа на языке высокого уровня состоит из команд, обычно имеющих осмысленные имена, а также управляющих структур, таких как циклы и условные операторы. Команды выполняются последовательно, сверху вниз. Циклы необходимы для того, чтобы определенный отрезок программы повторялся несколько раз. Обычно различают циклы с фиксированным числом повторений, циклы с предусловием и циклы с постусловием.
Второй важной управляющей структурой является условный оператор или оператор ветвления. В случае оператора ветвления, если условие истинно, то выполняется группа операторов, следующая за условием, а если ложно, то операторы, находящиеся на ветке «иначе». В случае оператора выбора, значение выражения проверяется на эквивалентность с каждой из констант выбора, и если они равны, то выполняются соответствующие операторы. Если же среди всех констант выбора не будет найдена константа равная какому-нибудь выражению, то выполняются операторы, следующие за ключевым словом «альтернатива».
for (int I=0; I>=10; I++) printf("Интерация цикла N\%d",I);
if (x < 0) printf("X-меньше нуля");
switch (MenuItem){
case 1:printf("выбран первый пункт");
break;
case 2:printf("выбран второй пункт");
default:error();
}
Пример 2: Оператор цикла, условный оператор и оператор выбора на языке С
Используя подобный набор операций, в принципе, возможно создать программу любой сложности. Можно упомянуть такие черты современного императивного языка, как модульность, подпрограммы и интегрированная среда разработки, сочетающая текстовый редактор, компилятор, линкер и отладчик в одной системе.
Основная идея объектно-ориентированных языков в том, что программисту дается инструмент для создания своего типа данных — объекта или класса.
Класс — это некая структура данных объединяющая данные и методы их обработки в одном объекте. То есть методы класса, и только методы класса имеют доступ к полям данных класса, не требуя передачи их в качестве параметров. Методы подразделяются на статические и виртуальные. Виртуальный метод отличается от статического тем, что реализующий его код присоединяется к вызову не в процессе компиляции, а в процессе выполнения, что достигается, так называемым, поздним связыванием. Это дает возможность стоить иерархию классов с одинаковыми названиями методов, реализуемыми различными кодами. Кроме обычных методов внутри класса могут использоваться конструкторы и деструкторы. Конструктор — это специальный метод, инициализирующий класс, содержащий виртуальные методы. Конструктор инициализирует класс установлением связи между классом и специальной таблицей виртуальных методов, содержащей адреса кодов, реализующих виртуальные методы. Конструктор может также использоваться для инициализации полей данных класса. Деструктор — это специальный метод, освобождающий память кучи от динамических объектов.
Основными отличительными свойствами классов являются:
- инкапсуляция — объединение полей данных с функциями-методами, работающими с этими данными;
- наследование — задание класса, затем использование его для построения иерархии порожденных классов с наследованием доступа каждого из порожденных классов к коду и данным предка;
- полиморфизм — задание одного имени действию, которое передается вверх и вниз по иерархии классов, с реализацией этого действия способом, соответствующим каждому классу в иерархии.
Допустим, наши практические интересы лежат в области построений изображений звездных тел в двумерной проекции. Очевидно, что основой всякого изображения является положение (позиция) отдельного элемента на экране, описываемая координатами X и Y. Что можно сделать с парой координат? Во-первых, может потребоваться задать значения координат. Во-вторых, нам может потребоваться знание фактических значений координат. При обычном подходе нам необходимо было бы объявить структуру данных описывающую координаты, а также функции, получающие эту структуру в качестве параметра. Логично было бы связать данные и функции в одну структуру. Объектно-ориентированный язык программирования предоставляет для этого мощный и удобный инструмент.
class position{
private:
int x,y;
public:
void Init(int CoordX, int CoordY);
int GetX();
int GetY();
};
Эта структура лишь объявляет класс, реализация методов обычно выполняется после. Теперь рассмотрим объект звезду с координатами X и Y. Ее можно сделать видимой или невидимой, ей можно задать цвет, ее можно переместить. Заметим, что поля X, Y и методы GetX, GetY класса position подходят и нашему объекту - звезде. Объектно-ориентированный язык предоставляет возможность учесть эту ситуацию. Новый класс следует считать порожденным от класса position.
class star: position{
private:
int Visible;
unsigned int Color;
public:
void Init(int, int, int);
int IsVisible();
void Show();
void Blind();
void Move(int, int);
}
Класс star теперь наследует свойства класса position. Поля X, Y явно не заданы в star, но star ими обладает благодаря наследованию.
