2. Эквивалентность

Определение. Операция, выражаемая связками “тогда и только тогда”, "необходимо и достаточно”, “... равносильно ...”, называется эквиваленцией или двойной импликацией и обозначается знаком  или ~ . Высказывание А В истинно тогда и только тогда, когда значения А и В совпадают.

Например, высказывания

“24 делится на 6 тогда и только тогда, когда 24 делится на 3”, “23 делится на 6 тогда и только тогда, когда 23 делится на 3”

истинны, а высказывания

“24 делится на 6 тогда и только тогда, когда 24 делится на 5”, “21 делится на 6 тогда и только тогда, когда 21 делится на 3”

ложны.

Данные таблицы можно рассматривать как определение вышеупомянутых операций

Высказывания А и В, образующие составное высказывание А В, могут быть совершенно не связаны по содержанию, например: “три больше двух” (А), “пингвины живут в Антарктиде” (В). Отрицаниями этих высказываний являются высказывания “три не больше двух” ( ), “пингвины не живут в Антарктиде” ( ). Образованные из высказываний А, В составные высказывания AB и  истинны, а высказывания A и B — ложны.

Итак, нами рассмотрены пять логических операций: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция, импликация и эквиваленция.

Импликацию можно выразить через дизъюнкцию и отрицание:

А  В = v В.

Эквиваленцию можно выразить через отрицание, дизъюнкцию и конъюнкцию:

А  В = ( v В) • ( v А).

Таким образом, операций отрицания, дизъюнкции и конъюнкции достаточно, чтобы описывать и обрабатывать логические высказывания.

Порядок выполнения логических операций задается круглыми скобками. Но для уменьшения числа скобок договорились считать, что сначала выполняется операция отрицания (“не”), затем конъюнкция (“и”), после конъюнкции — дизъюнкция (“или”) и в последнюю очередь — импликация.

Контрольные вопросы

2. Понятие алгебры логики

3. Определение логического высказывания, примеры

4. Таблица истинности

5. Операция отрицания, примеры, логическая схема и таблица истинности для отрицания

6. Логическое умножение, примеры, схема, таблица истинности

7. Логическое сложение, примеры, схема, таблица истинности

8. Логическое следствие, пример, схема, таблица истинности.

9. Эквивалентность, пример, схема, таблица истинности.

Самостоятельная работа

Изучить самостоятельно следующий материал:

Тема 1.3.1. Языки и системы программирования

Эволюция языков программирования. Классификация языков программирования. Элементы языков программирования. Понятие системы программирования. Исходный, объектный и загрузочный модули. Интегрированная среда программирования.

В результате изучения темы студент должен знать:

• Основные этапы в эволюции языков программирования

• классификацию языков программирования;

• основные элементы языка программирования;

• понятие системы программирования.

Эволюция языков программирования

Язык программирования — набор ключевых слов (словарь) и система правил (грамматических и синтаксических) для конструирования операторов, состоящих из групп или строк чисел, букв, знаков препинания и других символов, с помощью которых люди могут сообщать компьютеру набор команд.

Первые универсальные языки

Итак, начнем. Обратимся к истокам развития вычислительной техники. Вспомним самые первые компьютеры и программы для них. Это была эра программирования непосредственно в машинных кодах, а основным носителем информации были перфокарты и перфоленты. Программисты обязаны были знать архитектуру машины досконально. Программы были достаточно простыми, что обуславливалось, во-первых, весьма ограниченными возможностями этих машин, и, во-вторых, большой сложностью разработки и, главное, отладки программ непосредственно на машинном языке. Вместе с тем такой способ разработки давал программисту просто невероятную власть над системой. Становилось возможным использование таких хитроумных алгоритмов и способов организации программ, какие и не снились современным разработчикам. Например, могла применяться (и применялась!) такая возможность, как самомодифицирующийся код. Знание двоичного представления команд позволяло иногда не хранить некоторые данные отдельно, а встраивать их в код как команды. И это далеко не полный список приемов, владение хотя бы одним из которых сейчас сразу же продвигает вас до уровня «гуру» экстра-класса.

Ассемблер

Первым значительным шагом представляется переход к языку ассемблера (позволим себе маленькое лирическое отступление: английское название assembly language, или assembler, на русский переводят именно тем термином, который был использован выше. При этом у новичка создается впечатление, что язык назван в честь некоего человека по имени ассемблер. Достаточно забавная ситуация, не правда ли?). Не очень заметный, казалось бы, шаг — переход к символическому кодированию машинных команд — имел на самом деле огромное значение. Программисту не надо было больше вникать в хитроумные способы кодирования команд на аппаратном уровне. Более того, зачастую одинаковые по сути команды кодировались совершенно различным образом в зависимости от своих параметров (широко известный пример из мира современных компьютеров — это кодирование инструкции mov в процессорах Intel: существует несколько совершенно по-разному кодируемых вариантов команды; выбор того или иного варианта зависит от операндов, хотя суть выполняемой операции неизменна: поместить содержимое (или значение) второго операнда в первый). Появилась также возможность использования макросов и меток, что также упрощало создание, модификацию и отладку программ. Появилось даже некое подобие переносимости — существовала возможность разработки целого семейства машин со сходной системой команд и некоего общего ассемблера для них, при этом не было нужды обеспечивать двоичную совместимость.

Вместе с тем, переход к новому языку таил в себе и некоторые отрицательные (по крайней мере, на первый взгляд) стороны. Становилось почти невозможным использование всяческих хитроумных приемов сродни тем, что упомянуты выше. Кроме того, здесь впервые в истории развития программирования появились два представления программы: в исходных текстах и в откомпилированном виде. Сначала, пока ассемблеры только транслировали мнемоники в машинные коды, одно легко переводилось в другое и обратно, но затем, по мере появления таких возможностей, как метки и макросы, дизассемблирование становилось все более и более трудным делом. К концу ассемблерной эры возможность автоматической трансляции в обе стороны была утеряна окончательно. В связи с этим было разработано большой количество специальных программ-дизассемблеров, осуществляющих обратное преобразования, однако в большинстве случаев они с трудом могут разделить код и данные. Кроме того, вся логическая информация (имена переменных, меток и т.п.) теряется безвозвратно. В случае же задачи о декомпиляции языков высокого уровня примеры удовлетворительного решения проблемы и вовсе единичны.

Фортран

В 1954 году в недрах корпорации IBM группой разработчиков во главе с Джоном Бэкусом (John Backus) был создан язык программирования Fortran.

Значение этого события трудно переоценить. Это первый язык программирования высокого уровня. Впервые программист мог по-настоящему абстрагироваться от особенностей машинной архитектуры. Ключевой идеей, отличающей новый язык от ассемблера, была концепция подпрограмм. Напомним, что это современные компьютеры поддерживают подпрограммы на аппаратном уровне, предоставляя соответствующие команды и структуры данных (стек) прямо на уровне ассемблера, в 1954 же году это было совершенно не так. Поэтому компиляция Fortran’а была процессом отнюдь не тривиальным. Кроме того, синтаксическая структура языка была достаточно сложна для машинной обработки в первую очередь из-за того, что пробелы как синтаксические единицы вообще не использовались. Это порождало массу возможностей для скрытых ошибок, таких, например:

В Фортране следующая конструкция описывает «цикл for до метки 10 при изменении индекса от 1 до 100»: DO 10 I=1,100 Если же здесь заменить запятую на точку, то получится оператор присваивания: DO10I = 1.100 Говорят, что такая ошибка заставила ракету взорваться во время старта!

Язык Фортран использовался (и используется по сей день) для научных вычислений. Он страдает от отсутствия многих привычных языковых конструкций и атрибутов, компилятор практически никак не проверяет синтаксически правильную программу с точки зрения семантической корректности (соответствие типов и проч.). В нем нет поддержки современных способов структурирования кода и данных. Это осознавали и сами разработчики. По признанию самого Бэкуса, перед ними стояла задача скорее разработки компилятора, чем языка. Понимание самостоятельного значения языков программирования пришло позже.

Появление Фортрана было встречено еще более яростной критикой, чем внедрение ассемблера. Программистов пугало снижение эффективности программ за счет использования промежуточного звена в виде компилятора. И эти опасения имели под собой основания: действительно, хороший программист, скорее всего, при решении какой-либо небольшой задачи вручную напишет код, работающий быстрее, чем код, полученный как результат компиляции. Через некоторое время пришло понимание того, что реализация больших проектов невозможна без применения языков высокого уровня. Мощность вычислительных машин росла, и с тем падением эффективности, которое раньше считалось угрожающим, стало возможным смириться. Преимущества же языков высокого уровня стали настолько очевидными, что побудили разработчиков к созданию новых языков, все более и более совершенных.

Cobol

В 1960 году был создан язык программирования Cobol.

Он задумывался как язык для создания коммерческих приложений, и он стал таковым. На Коболе написаны тысячи прикладных коммерческих систем. Отличительной особенностью языка является возможность эффективной работы с большими массивами данных, что характерно именно коммерческих приложений. Популярность Кобола столь высока, что даже сейчас, при всех его недостатках (по структуре и замыслу Кобол во многом напоминает Фортран) появляются новые его диалекты и реализации. Так недавно появилась реализация Кобола, совместимая с Microsoft .NET, что потребовало, вероятно, внесения в язык некоторых черт объектно-ориентированного языка.

PL/1

В 1964 году все та же корпорация IBM создала язык PL/1, который был призван заменить Cobol и Fortran в большинстве приложений. Язык обладал исключительным богатством синтаксических конструкций. В нем впервые появилась обработка исключительных ситуаций и поддержка параллелизма. Надо заметить, что синтаксическая структура языка была крайне сложной. Пробелы уже использовались как синтаксические разделители, но ключевые слова не были зарезервированы. В частности, следующая строка — это вполне нормальный оператор на PL/1:

IF ELSE=THEN THEN THEN; ELSE ELSE

В силу таких особенностей разработка компилятора для PL/1 была исключительно сложным делом. Язык так и не стал популярен вне мира IBM.

BASIC

В 1963 году в Дартмурском колледже (Dartmouth College) был создан язык программирования BASIC (Beginners’ All-Purpose Symbolic Instruction Code — многоцелевой язык символических инструкций для начинающих). Язык задумывался в первую очередь как средство обучения и как первый изучаемый язык программирования. Он предполагался легко интерпретируемым и компилируемым. Надо сказать, что BASIC действительно стал языком, на котором учатся программировать (по крайней мере, так было еще несколько лет назад; сейчас эта роль отходит к Pascal). Было создано несколько мощных реализаций BASIC, поддерживающих самые современные концепции программирования (ярчайший пример — Microsoft Visual Basic).

Algol

В 1960 году командой во главе с Петером Науром (Peter Naur) был создан язык программирования Algol. Этот язык дал начало целому семейству Алгол-подобных языков (важнейший представитель — Pascal). В 1968 году появилась новая версия языка. Она не нашла столь широкого практического применения, как первая версия, но была весьма популярна в кругах теоретиков. Язык был достаточно интересен, так как обладал многими уникальными на так момент характеристиками.

Дальнейшее развитие языков программирования

В этом месте я предпочту остановиться и сделать некоторые замечания. Создание каждого из вышеупомянутых языков (за исключением, может быть, Algol’а) было вызвано некоторыми практическими требованиями. Эти языки послужили фундаментом для более поздних разработок. Все они представляют одну и ту же парадигму программирования. Следующие языки пошли существенно дальше в своем развитии, в сторону более глубокого абстрагирования.

Сведения о более поздних языках я буду приводить в виде описания семейств языков. Это позволит лучше проследить взаимосвязи между отдельными языками

Pascal-подобные языки

В 1970 году Никлаусом Виртом был создал язык программирования Pascal. Язык замечателен тем, что это первый широко распространенный язык для структурного программирования (первым, строго говоря, был Алгол, но он не получил столь широкого распространения). Впервые оператор безусловного перехода перестал играть основополагающую роль при управлении порядком выполнения операторов. В этом языке также внедрена строгая проверка типов, что позволило выявлять многие ошибки на этапе компиляции.

Отрицательной чертой языка было отсутствие в нем средств для разбиения программы на модули. Вирт осознавал это и разработал язык Modula-2 (1978), в котором идея модуля стала одной из ключевых концепций языка. В 1988 году появилась Modula-3, в которую были добавлены объектно-ориентированные черты. Логическим продолжением Pascal и Modula являются язык Oberon и Oberon-2. Они характеризуются движением в сторону объектно- и компонентно- ориентированности.

C-подобные языки

В 1972 году Керниганом и Ритчи был создан язык программирования C. Он создавался как язык для разработки операционной системы UNIX. C часто называют «переносимым ассемблером», имея в виду то, что он позволяет работать с данными практически так же эффективно, как на ассемблере, предоставляя при этом структурированные управляющие конструкции и абстракции высокого уровня (структуры и массивы). Именно с этим связана его огромная популярность и поныне. И именно это является его ахиллесовой пятой. Компилятор C очень слабо контролирует типы, поэтому очень легко написать внешне совершенно правильную, но логически ошибочную программу.

В 1986 году Бьярн Страуструп создал первую версию языка C++, добавив в язык C объектно-ориентированные черты, взятые из Simula (см. ниже), и исправив некоторые ошибки и неудачные решения языка. C++ продолжает совершенствоваться и в настоящее время, так в 1998 году вышла новая (третья) версия стандарта, содержащая в себе некоторые довольно существенные изменения. Язык стал основой для разработки современных больших и сложных проектов. У него имеются, однако же, и слабые стороны, вытекающие из требований эффективности.

В 1995 году в корпорации Sun Microsystems Кеном Арнольдом и Джеймсом Гослингом был создан язык Java. Он наследовал синтаксис C и C++ и был избавлен от некоторых неприятных черт последнего. Отличительной особенностью языка является компиляция в код некоей абстрактной машины, для которой затем пишется эмулятор (Java Virtual Machine) для реальных систем. Кроме того, в Java нет указателей и множественного наследования, что сильно повышает надежность программирования.

В 1999–2000 годах в корпорации Microsoft был создан язык C#. Он в достаточной степени схож с Java (и задумывался как альтернатива последнему), но имеет и отличительные особенности. Ориентирован, в основном, на разработку многокомпонентных Интернет-приложений.

Языки Ada и Ada 95

В 1983 году под эгидой Министерства Обороны США был создан язык Ada. Язык замечателен тем, что очень много ошибок может быть выявлено на этапе компиляции. Кроме того, поддерживаются многие аспекты программирования, которые часто отдаются на откуп операционной системе (параллелизм, обработка исключений). В 1995 году был принят стандарт языка Ada 95, который развивает предыдущую версию, добавляя в нее объекно- ориентированность и исправляя некоторые неточности. Оба этих языка не получили широкого распространения вне военных и прочих крупномасштабных проектов (авиация, железнодорожные перевозки). Основной причиной является сложность освоения языка и достаточно громоздкий синтаксис (значительно более громоздкий, чем Pascal).

Языки обработки данных

Все вышеперечисленные языки являются языками общего назначения в том смысле, что они не ориентированы и не оптимизированы под использование каких-либо специфических структур данных или на применение в каких-либо специфических областях. Было разработано большое количество языков, ориентированных на достаточно специфические применения. Ниже приведен краткий обзор таких языков.

APL

В 1957 году была предпринята попытка создания языка для описания математической обработки данных. Язык был назван APL (Application Programming Language). Его отличительной особенностью было использование математических символов (что затрудняло применение на текстовых терминалах; появление графических интерфейсов сняло эту проблему) и очень мощный синтаксис, который позволял производить множество нетривиальных операций прямо над сложными объектами, не прибегая к разбиению их на компоненты. Широкому применению помешало, как уже отмечалось, использование нестандартных символов как элементов синтаксиса.

Snobol и Icon

В 1962 году появился язык Snobol (а в 1974 — его преемник Icon), предназначенный для обработки строк. Синтаксис Icon напоминает С и Pascal одновременно. Отличие заключается в наличии мощных встроенных функций работы со строками и связанная с этими функциями особая семантика. Современным аналогом Icon и Snobol является Perl — язык обработки строк и текстов, в который добавлены некоторые объектно-ориентированные возможности. Считается очень практичным языком, однако ему недостает элегантности.

SETL

В 1969 году был создан язык SETL — язык для описания операций над множествами. Основной структурой данных в языке является множество, а операции аналогичны математическим операциям над множествами. Полезен при написании программ, имеющих дело со сложными абстрактными объектами.

Lisp и ему подобные языки

В 1958 году появился язык Lisp — язык для обработки списков. Получил достаточно широкое распространение в системах искусственного интеллекта. Имеет несколько потомков: Planner (1967), Scheme (1975), Common Lisp (1984). Многие его черты были унаследованы современными языками функционального программирования.

Скриптовые языки

В последнее время в связи развитием Интернет-технологий, широким распространением высокопроизводительных компьютеров и рядом других факторов получили распространение так называемые скриптовые языки. Эта языки первоначально ориентировались на использование в качестве внутренних управляющих языков во всякого рода сложных системах. Многие из них, однако же, вышли за пределы сферы своего изначального применения и используются ныне в совсем иных областях. Характерными особенностями данных языков являются, во-первых, их интерпретируемость (компиляция либо невозможна, либо нежелательна), во-вторых, простота синтаксиса, а в-третьих, легкая расширяемость. Таким образом, они идеально подходят для использования в часто изменяемых программах, очень небольших программах или в случаях, когда для выполнения операторов языка затрачивается время, несопоставимое со временем их разбора. Было создано достаточно большое количество таких языков, перечислим лишь основные и наиболее часто используемые.

JavaScript

Язык был создан в компании Netscape Communications в качестве языка для описания сложного поведения веб-страниц. Первоначально назывался LiveScript, причиной смены названия получили маркетинговые соображения. Интерпретируется браузером во время отображения веб-страницы. По синтаксису схож с Java и (отдаленно) с C/C++. Имеет возможность использовать встроенную в браузер объектную функциональность, однако подлинно объектно-ориентированным языком не является.

VBScript

Язык был создан в корпорации Microsoft во многом в качестве альтернативы JavaScript. Имеет схожую область применения. Синтаксически схож с языком Visual Basic (и является усеченной версией последнего). Так же, как и JacaScript, исполняется браузером при отображении веб-страниц и имеет ту же степень объектно- ориентированности.

Perl

Язык создавался в помощь системному администратору операционной системы Unix для обработки различного рода текстов и выделения нужной информации. Развился до мощного средства работы с текстами. Является интерпретируемым языком и реализован практически на всех существующих платформах. Применяется при обработке текстов, а также для динамической генерации веб-страниц на веб-серверах.

Python

Интерпретируемый объектно-ориентированный язык программирования. По структуре и области применения близок к Perl, однако менее распространен и более строг и логичен. Имеются реализации для большинства существующих платформ.

Объектно-ориентированные языки

Объектно-ориентированный подход, пришедший на смену структурному, впервые появился отнюдь не в C++, как полагают некоторые. Существует целая череда чистых объектно-ориентированных языков, без сведений о которых наш обзор был бы неполным.

Simula

Первым объектно-ориентрованным языком был язык Simula (1967). Этот язык был предназначен для моделирования различных объектов и процессов, и объектно-ориентированные черты появились в нем именно для описания свойств модельных объектов.

Smalltalk

Популярность объектно-ориентированному программированию принес язык Smalltalk, созданный в 1972 году. Язык предназначался для проектирования сложных графических интерфейсов и был первым по-настоящему объектно-ориентированным языком. В нем классы и объекты — это единственные конструкции программирования. Большим недостатком Smalltalk являются большие требования к памяти и низкая производительность полученных программ. Это связано с не очень удачной реализацией объектно-ориентированных особенностей. Популярность языков C++ и Ada 95 связана именно с тем, что объектно- ориентированность реализована без существенного снижения производительности.

Eiffel

Существует язык с очень хорошей реализацией объектно- ориентированности, не являющийся надстройкой ни над каким другим языком. Это язык Eiffel (1986). Являясь чистым языком объектно-ориентированного программирования, он, кроме того, повышает надежность программы путем использования «контрольных утверждений».

Языки параллельного программирования

Большинство компьютерных архитектур и языков программирования ориентированы на последовательное выполнение операторов программы. В настоящее время, однако же, существуют программно-аппаратные комплексы, позволяющие организовать параллельное выполнение различных частей одного и того же вычислительного процесса. Для программирования таких систем необходима специальная поддержка со стороны средств программирования, в частности, языков программирования. Некоторые языки общего назначения содержат в себе элементы поддержки параллелизма, однако же программирование истинно параллельных систем требует подчас специальных приемов.

Язык Оccam

Язык Оccam был создан в 1982 году и предназначен для программирования транспьютеров — многопроцессорных систем распределенной обработки данных. Он описывает взаимодействие параллельных процессов в виде каналов — способов передачи информации от одного процесса к другому. Отметим особенность синтаксиса языка Щccam — в нем последовательный и параллельный порядки выполнение операторов равноправны, и их необходимо явно указывать ключевыми словами PAR и SEQ.

Модель параллельных вычислений Linda

В 1985 году была предложена модель параллельных вычислений Linda. Основной ее задачей является организация взаимодействия между параллельно выполняющимися процессами. Это достигается за счет использования глобальной кортежной области (tuple space). Процесс может поместить туда кортеж с данными (то есть совокупность нескольких, возможно разнородных, данных), а другой процесс может ожидать появления в кортежной области некоторого кортежа и, после его появления, прочитать кортеж с возможным последующим его удалением. Заметим, что процесс может, например, поместить кортеж в область и завершиться, а другой процесс может через некоторое время воспользоваться этим кортежем. Таким образом обеспечивается возможность асинхронного взаимодействия. Очевидно, что при помощи такой модели может быть сэмулировано и синхронное взаимодействие. Linda — это модель параллельных вычислений, она может быть добавлена в любой язык программирования. Существуют достаточно эффективные реализации Linda, обходящие проблему существования глобальной кортежной области с потенциально неограниченным объемом памяти.

Неимперативные языки

Все языки, о которых шла речь ранее, имеют одно общее свойство: они императивны. Это означает, что программы на них, в конечном итоге, представляют собой пошаговое описание решения той или иной задачи. Можно попытаться описывать лишь постановку проблемы, а решать задачу поручить компилятору. Существует два основных подхода, развивающие эту идею: функциональное и логическое программирование.

Функциональные языки

Основная идея, лежащая в основе функционального программирования, — это представление программы в виде математических функций (т.е. функций, значение которых определяется лишь их аргументами, а не контекстом выполнения). Оператор присваивания в таких языках не используется (или, как минимум, его использование не поощряется). Императивные возможности, как правило, имеются, но их применение обставлено серьезными ограничениями. Существуют языки с ленивой и с энергичной семантикой. Различие заключается, грубо говоря, в том, что в языках с энергичной семантикой вычисления производятся в том же месте, где они описаны, а в случае ленивой семантики вычисление производится только тогда, когда оно действительно необходимо. Первые языки имеют более эффективную реализацию, в то время как вторые — лучшую семантику.

Из языков с энергичной семантикой упомянем ML и два его современных диалекта — Standard ML (SML) и CaML. Последний имеет объектно-ориентированного потомка — Objective CaML (O’CaML).

Среди языков с ленивой семантикой наиболее распространены два: Haskell и его более простой диалект Clean.

Языки логического программирования

Программы на языках логического программирования выражены как формулы математической логики, а компилятор пытается получить следствия из них.

Родоначальником большинства языков логического программирования является язык Prolog (1971). У него есть ряд потомков — Parlog (1983, ориентирован на параллельные вычисления), Delta Prolog и др. Логическое программирование, как и функциональное, — это отдельная область программирования, и за более подробными сведениями мы отсылаем читателя к специальной литературе.

Основные определения

Программа это упорядоченный список команд, необходимых для решения некоторой задачи.

Для создания программ используют те или иные системы программирования.

Системой программирования это совокупность языка программирования и виртуальной машины, обеспечивающей выполнение на реальной машине программ, составленных на этом языке.

Языком программирования называют систему обозначений, служащую в целях точного описания алгоритмов для ЭВМ или по крайней мере достаточную для автоматического нахождения такого алгоритма. Эти языки являются искусственными языками со строго определенным синтаксисом.

Виртуальная машина это программный комплекс, эмулирующий работу реальной машины с определенным входным языком на ЭВМ с другим, машинным языком, а иными словами, реализующий входной язык программирования.

Такая техника реализации языка программирования позволяет сделать последний удобным для использования человеком. Виртуальная машина содержит транслятор и/или интерпретатор и может включать библиотеки стандартных подпрограмм, отладчик, компоновщик и другие сервисные средства.

Классификация языков программирования

Существуют различные классификации языков программирования. По наиболее распространенной классификации все языки программирования делят на языки низкого, высокого и сверхвысокого уровня.

В группу языков низкого уровня входят машинные языки и языки символического кодирования: (Автокод, Ассемблер). Операторы этого языка – это те же машинные команды, но записанные мнемоническими кодами, а в качестве операндов используются не конкретные адреса, а символические имена. Все языки низкого уровня ориентированы на определенный тип компьютера, т. е. являются машинно-зависимыми. Машинно-ориентированные языки – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.).

Следующую, существенно более многочисленную группу составляют языки программирования высокого уровня. Это Фортран, Алгол, Кобол, Паскаль, Бейсик, Си, Пролог и т.д. Эти языки машинно-независимы, т.к. они ориентированы не на систему команд той или иной ЭВМ, а на систему операндов, характерных для записи определенного класса алгоритмов. Однако программы, написанные на языках высокого уровня, занимают больше памяти и медленнее выполняются, чем программы на машинных языках.

К языкам сверхвысокого уровня можно отнести лишь Алгол-68 и APL. Повышение уровня этих языков произошло за счет введения сверхмощных операций и операторов.

Другая классификация делит языки на вычислительные и языки символьной обработки. К первому типу относят Фортран, Паскаль, Алгол, Бейсик, Си, ко второму типу - Лисп, Пролог, Снобол и др.

В современной информатике можно выделить два основных направления развития языков программирования: процедурное и непроцедурное.

Процедурное программирование возникло на заре вычислительной техники и получило широкое распространение. В процедурных языках программа явно описывает действия, которые необходимо выполнить, а результат задается только способом получения его при помощи некоторой процедуры, которая представляет собой определенную последовательность действий.

Среди процедурных языков выделяют в свою очередь структурные и операционные языки. В структурных языках одним оператором записываются целые алгоритмические структуры: ветвления, циклы и т.д. В операционных языках для этого используются несколько операций. Широко распространены следующие структурные языки: Паскаль, Си, Ада, ПЛ/1. Среди операционных известны Фортран, Бейсик, Фокал.

Непроцедрное (декларативное) программирование появилось в начале 70-х годов 20 века, но стремительное его развитие началось в 80-е годы, когда был разработан японский проект создания ЭВМ пятого поколения, целью которого явилась подготовка почвы для создания интеллектуальных машин. К непроцедурному программированию относятся функциональные и логические языки.

В функциональных языках программа описывает вычисление некоторой функции. Обычно эта функция задается как композиция других, более простых, те в свою очередь разлагаются на еще более простые и т.д. Один из основных элементов в функциональных языках - рекурсия, то есть вычисление значения функции через значение этой же функции от других элементов. Присваивания и циклов в классических функциональных языках нет.

В логических языках программа вообще не описывает действий. Она задает данные и соотношения между ними. После этого системе можно задавать вопросы. Машина перебирает известные и заданные в программе данные и находит ответ на вопрос. Порядок перебора не описывается в программе, а неявно задается самим языком. Классическим языком логического программирования считается Пролог. Построение логической программы вообще не требует алгоритмического мышления, программа описывает статические отношения объектов, а динамика находится в механизме перебора и скрыта от программиста.

Можно выделить еще один класс языков программирования - объектно-ориентированные языки высокого уровня. На таких языках не описывают подробной последовательности действий для решения задачи, хотя они содержат элементы процедурного программирования. Объектно-ориентированные языки, благодаря богатому пользовательскому интерфейсу, предлагают человеку решить задачу в удобной для него форме. Примером такого языка может служить язык программирования визуального общения Object Pascal.

Языки описания сценариев, такие как Perl, Python, Rexx, Tcl и языки оболочек UNIX, предполагают стиль программирования, весьма отличный от характерного для языков системного уровня. Они предназначаются не для написания приложения с нуля, а для комбинирования компонентов, набор которых создается заранее при помощи других языков. Развитие и рост популярности Internet также способствовали распространению языков описания сценариев. Так, для написания сценариев широко употребляется язык Perl, а среди разработчиков Web-страниц популярен JavaScript.

Основные элементы языка программирования

Основными понятиями в алгоритмических языках являются следующие.

• Имена (идентификаторы) - последовательность символов для обозначения объектов программы (переменных, массивов, функций и дp.).

• Операции. Существуют следующие типы операций:

- арифметические операции: сложение, обозначается символом “+”; вычитание, обозначается символом “-”; умножение, обозначается символом “*”; деление, обозначается символом “/” и дp. ;

- логические операции: операции “логическое и”, “логическое или”, “логическое не” и др.;

- операции отношения: меньше, обозначается символом “<”; больше, обозначается символом “>”; меньше или равно, обозначается символами “<=”; больше или равно, обозначается символами “>=”; равно, обозначается символом “=”; не равно, обозначается символами “<>”.

- операция конкатенации символьных значений дpуг с другом, изображается знаком "+".

• Ключевые слова – это слова языка, имеющие строго определенное назначение, которые не могут использоваться в качестве идентификаторов.

• Данные - величины, обрабатываемые программой. Имеется тpи основных вида данных: константы, переменные и массивы.

• Константы - это данные, которые зафиксированы в тексте программы и не изменяются в процессе ее выполнения.

Примеры констант:

числовые: 7.5, 12;

логические: true(истина), false(ложь);

символьные: "А", "+";

строковые: "abcde", "информатика".

• Переменные – это данные, которые могут изменять свои значения в ходе выполнения программы. Они обозначаются именами. Переменные бывают целые, вещественные, логические, символьные и строковые.

• Массивы - последовательности однотипных элементов, число которых фиксировано и которым присвоено одно имя. Положение элемента в массиве однозначно определяется его индексами - одним в случае одномерного массива, или несколькими, если массив многомерный.

• Выражения – элементы языка, которые предназначаются для выполнения необходимых вычислений, состоят из констант, переменных, указателей функций, объединенных знаками операций. Выражения записываются в виде линейных последовательностей символов (без подстрочных и надстрочных символов, "многоэтажных" дробей и т. д.), что позволяет вводить их в компьютер, последовательно нажимая на соответствующие клавиши клавиатуры.

Различают выражения арифметические, логические и строковые.

Арифметические выражения служат для определения одного числового значения. Арифметические выражения записываются по следующим правилам:

1. Нельзя опускать знак умножения между сомножителями и ставить рядом два знака операций.

2. Индексы элементов массивов записываются в скобках.

3. Операции выполняются в порядке старшинства: сначала вычисление функций, затем возведение в степень, потом умножение и деление и в последнюю очередь - сложение и вычитание.

4. Операции одного старшинства выполняются слева направо.

Логические выражения описывают некоторые условия, которые могут удовлетворяться или не удовлетворяться. Таким образом, логическое выражение может принимать только два значения - "истина" или "ложь" (да или нет).

В записи логических выражений помимо арифметических операций сложения, вычитания, умножения, деления и возведения в степень используются операции отношения и логические операции.

Значения строковых выражений - тексты. В них могут входить строковые константы, строковые переменные и строковые функции, разделенные знаком операции конкатенации.

• Оператор – это элемент языка, который задает полное описание некоторого действия, которое необходимо выполнить. Оператор - это наиболее крупное и содержательное понятие языка: каждый оператор представляет собой законченную фразу языка программирования и определяет некоторый вполне законченный этап обработки данных. В состав операторов входят ключевые слова; данные; выражения и т.д.

• Стандартная функция – подпрограмма, заранее встроенная в транслятор языка для вычисления часто употребляемых функций. В качестве аргументов функций можно использовать константы, переменные и выражения.

• Программа - это последовательность инструкций, предназначенных для выполнения компьютером. В настоящее время программы оформляются в виде текста, который записывается в файлы.

• Программирование – это теоретическая и практическая деятельность решения задачи средствами конкретного языка программирования и оформления полученных результатов в виде программы.

На стадии программирования возникает этап отладки программы – процесс обнаружения и устранения ошибок в программе, производимой по результатам ее тестирования на компьютере.

После окончательной отладки программа документируется, т.е. к ней прилагается описание назначения программы и инструкция по эксплуатации. Только после этого программа становится законченным программным продуктом, подготовленным к реализации как любой иной вид промышленной продукции.

Языки высокого уровня работают через трансляционные программы -трансляторы, которые преобразуют исходный код в последовательность команд машинного языка. Существует два основных вида трансляторов: интерпретаторы, которые сканируют и проверяют исходный код в один шаг, и компиляторы, которые сканируют исходный код для создания текста программы на машинном языке, которая затем выполняется отдельно.

В общем случае программа может иметь модульную структуру, т.е. состоять из нескольких программных единиц, связанных между собой командами передачи управления. Такой принцип построения программ называется модульным. Программная единица, с первой команды которой начинается выполнение программы, называется головной программой. Остальные программные единицы, входящие в единую программу, называются подпрограммами.

• Подпрограмма - это последовательность операторов, которые определены и записаны только в одном месте программы, однако их можно вызвать для выполнения из одной или нескольких точек программы.

• Функция - это программная единица, которая может быть употреблена в выражении. Функция прямо возвращает величину, которая используется при вычислении этого выражения, и, кроме того, может возвращать величины через параметры.

Процесс разработки многомодульных программ эффективнее, особенно если разрабатывается программа большого размера, когда над реализацией проекта может работать несколько программистов, каждый из которых имеет возможность модифицировать фрагменты программы, не мешая работе остальных.

Подпрограммы и функции позволяют создавать большие структурированные программы, которые можно делить на части. Это дает преимущества в следующих ситуациях:

1. Если программа большая, разделение ее на части облегчает создание, тестирование и ее сборку.

2. Если программа большая и повторная компиляция всего исходного текста занимает много времени, разделение ее на части экономит время компиляции.

3. Если процедуру надо использовать в разных случаях разным образом, можно записать ее в отдельный файл и скомпилировать отдельно.

Понятие системы программирования (инструментальная система программирования)

Для популярных языков программирования на ЭВМ существует множество систем программирования. Программисты предпочитают те системы, которые легки в использовании, позволяют получить эффективные программы, имеют богатые библиотеки функций (подпрограмм) и мощные возможности для отладки разрабатываемых программ. В качестве примеров таких систем программирования можно назвать Delphi, Visual C++, Visual Basic.

Системы программирования прежде всего различаются по тому, какой язык программирования они реализуют. Среди программистов, пишущих программы для персональных компьютеров, наибольшей популярностью пользуются языки Си, Паскаль и Бейсик.

Сначала программу записывают в обычном текстовом редакторе и получают текстовый файл. Такой программный код, записанный на языке программирования высокого уровня, называют исходным модулем ( кодом, текстом). Исходный текст программы состоит из специальных команд - операторов языка программирования.

Затем, исходный код преобразуют в инструкции процессора. Это преобразование (перевод) выполняют специальные программы-переводчики (трансляторы).

Транслятор представляет собой программу, осуществляющую перевод текстов с одного языка на другой.

В системе программирования транслятор переводит программу с входного языка этой системы на машинный язык реальной ЭВМ (на которой функционирует данная система программирования или будет функционировать разрабатываемая программа) либо на промежуточный язык программирования, уже реализованный или подлежащий реализации.

Есть два вида трансляторов: компиляторы и интерпретаторы.

Компилятор преобразует исходный код в машинный. В результате получается так называемый объектный модуль, затем к нему подключаются стандартные процедуры, которые использовал программист. Эти процедуры выбираются из библиотек, прилагающихся к языку программирования.

Компилятор, обеспечивающий перевод программ с языка высокого уровня (приближенного к человеку) на язык более низкого уровня (близкий к ЭВМ), или машинозависимый язык.

Операцию выбора из библиотек и подключения их к объектному коду выполняет специальная программа - редактор связей. Также эту операцию называют компоновкой программы. Только после этого получается работающая программа, ее называют рабочим кодом или исполняемым кодом.

Другая разновидность транслятора - ассемблер, осуществляющий перевод программ с языка низкого уровня (языка Ассемблера) на машинный язык, имеющий примерно тот же уровень. Некоторые трансляторы служат для переноса программ с одной машины на другую.

Программа, подающаяся на вход транслятора, называется исходной, а результат трансляции - объектной программой.

Использование трансляторов обеспечивает высокую скорость выполнения полученных с их помощью программ, однако затрудняет и удлиняет процесс отладки программных продуктов. Последнее обстоятельство объясняется относительно большим временем трансляции и сложностью создания отладчиков, которые должны отображать машинную программу в программу на исходном языке.

Диаметрально противоположными характеристиками обладает альтернативное средство реализации языка - интерпретатор

Интерпретаторы - это такие трансляторы, которые обрабатывают текст не заранее, а непосредственно во время работы программы, "на ходу".

Интерпретатор представляет собой программный продукт, выполняющий предъявленную программу путем одновременного ее анализа и реализации предписанных ею действий.

При использовании интерпретатора отсутствует разделение на две стадии (перевод и выполнение) и, более того, отсутствует явный перевод программы даже по частям перед очередным этапом выполнения. В действительности же распознается очередная конструкция программы и интерпретатором выполняются определяемые ею действия.

Откомпилированные программы работают в 20-50 раз быстрее, чем программы, выполняемые под управлением интерпретатора. Это происходит потому, что интерпретатор играет роль посредника между программой и процессором и забирает себе большую часть ресурсов компьютера. К тому же он много раз выполняет одни и те же операции. Поэтому практически все прикладные и служебные программы поставляются в откомпилированном виде. Файлы таких программ имеют расширение .EXE или .COM.

Возможны и смешанные стратегии реализации языков программирования, например, трансляция на промежуточный язык с последующей интерпретацией промежуточной программы.

Преобразование исходного кода

При выполнении инструкций программ, написанных на языках программирования, компьютеру необходимо преобразовать удобные для человеческого восприятия операторы в форму, понятную для компьютера. Системное программное обеспечение включает специальную программу, транслирующую (translate) текст программ, написанных на различных языках программирования, в машинные коды, которые и выполняются компьютером. Этот вид программного обеспечения называется компилятором или интерпретатором.

Текст программы, написанный на языке программирования высокого уровня, до того как быть преобразованным в машинные коды, называется исходным кодом (source code). Компилятор (compiler) преобразует исходный код в машинные коды, называемые объектным кодом (object code), то есть программой на выходном языке транслятора. Перед выполнением протекает процесс редактирования связей (linkage editing), когда модули выходной программы объединяются с другими модулями объектного кода, содержащими, например, данные. Результирующий загрузочный модуль – это команды, непосредственно выполняемые компьютером. На Рис. 2.3 показан процесс трансляции кода программы.

Рис. 2.3 Процесс трансляции кода программы. Исходный код программы, состоящий из команд языка программирования высокого уровня, транслируется компилятором в объектный код, "понятный" компьютеру. Затем модуль объектного кода посредством редактора объединяется с другими модулями, после чего создается загрузочный модуль. Загрузочный модуль содержит команды в машинных кодах, которые и выполняет

Языки программирования, для которых существуют программы-компиляторы, называют компилируемыми языками. К ним относятся Паскаль, С++, Delphi, Fortran и другие.

Интегрированная система Турбо Паскаль состоит из языка программирования и среды программирования. В эту систему входят необходимые части Turbo Pascal:

• текстовый редактор

• компилятор

• компоновщик

• загрузчик

Интегрированная среда Турбо Паскаль запускается программой TURBO.EXE (Bp.exe)

Контрольные вопросы

1. Понятие языка программирования

2. Классификация языков программирования

3. Понятие виртуальной машины и системы программирования

4. Перечислите основные элементы языка программирования

5. Идентификаторы, их назначение в программе?

6. Операции, типы операций

7. Данные и константы, примеры

8. Переменные, их назначение, приведите примеры

9. Выражения, типы выражений, приведите примеры

10. Понятия оператора,

11. Понятие функции

12. Понятие программы, подпрограммы, программирования

13. Схема преобразования исходного кода, поясните схему

14. Что включает в себя интегрированная среда Турбо Паскаль, поясните каждый пункт и его назначение.

Самостоятельная работа

1. Создайте презентацию на тему:

Эволюция языков программирования.