Языки программирования это формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна для исполнителя.
Классификация языков программирования
Языки низкого уровня
Языки высокого уровня
Машинно-ориентированные языки (машинные коды, Ассемблер)
Алгоритмические языки
Каждый язык программирования предназначен для решения определенного класса задач:
2. Системы программирования
Системы программирования – это комплексы программ и прочих средств, предназначенных для разработки и их эксплуатации на конкретном языке программирования для конкретного вида ЭВМ.
Система программирования включает:
текстовый редактор
программа-отладчик
транслятор (программа переводчик с конкретного алгоритмического языка на машинного ориентированный)
компоновщик (редактор связей)
программа, обеспечивающая запуск программы
текст программы, написанный на конкретном алгоритмическом языке.
отладка исходного текста программы (поиск и устранение ошибок)
программа на машинно-ориентированном языке
объединяются оттранслированные модули в единые загрузочные, готовые к выполнению
+ библиотека подпрограмм, + Help
Выделяют два вида трансляторов: интерпретатор и компилятор.
Интерпретатор переводит на язык машинных кодов поочередно каждый оператор исходной программы, проверяет правильность записи оператора и немедленно выполняет его. В отличие от интерпретатора компилятор осуществляет перевод на машинный язык всей исходной программы.
Преимуществом компиляторов по сравнению с интерпретаторами является быстродействие, а недостатком – громоздкость. Большинство современных компиляторов работают в режиме трансляции.
Например: Программы на Java выполняются в два этапа. Сначала исходный текст компилятором переводится на промежуточный аппаратно-независимый язык. В таком виде полуфабрикат программы (байт-код) хранится на интернет-сервере, откуда по запросу клиента пересылается ему по сети. У клиента байт-код исполняется специальным интерпретатором, этот интерпретатор называется виртуальной Java-машиной, он встроен во все современные браузеры.
Среда визуальной разработки — среда разработки программного обеспечения, в которой наиболее распространённые блоки программного кода представлены в виде графических объектов. Применяются для создания прикладных программ и любительского программирование.
3. Синтаксис и семантика
Каждый язык программирование обладает своими лексическими, синтаксическими и семантическими правилами, которые необходимо соблюдать при составлении компьютерной программы.
Синтаксис – описывает структуру программ как наборов символов (обычно говорят — безотносительно к содержанию).
Пример синтаксической ошибки: Употребление оператора цикла For без To или Next, или отсутствие знака равенства в приведенной на рисунке программе.
Синтаксису языка противопоставляется его семантика. Синтаксис языка описывает «чистый» язык, в то же время семантика приписывает значения (действия) различным синтаксическим конструкциям.
Семантика – определяет смысловое значение предложений алгоритмического языка.
Поиск этих ошибок происходит с помощью логического анализа работы программы и ее тестирования.
4.Классы языков программирования
Императивное
Декларативное
функциональное
логическое
Императивные языки программирования – Бейсик, Паскаль, Си и прочие (включая объектно-ориентированные).
Императивное программирование наиболее популярное. Характеризуются последовательным, пошаговым изменением состояния вычислителя. При этом управление изменениями полностью определено и полностью контролируемо.
Одна из характерных черт императивного программирования – наличие переменных с операцией «разрушающего присвоения». То есть, была переменная А, было у нее значение Х. Алгоритм предписывает на очередном шаге присвоить переменной А значение Y. То значение, которое было у А, будет «навсегда забыто».
Если задача описывается последовательным исполнением операций («открыть кран, набрать воды»), то такие задачи идеальные кандидаты на императивную реализацию.
Декларативные языки программирования:
Функциональные языки программирования – LISP, ISWIM (If you See What I Mean), ML (Meta Language), Miranda
В языках функционального программирования основными конструктивными элементами являются функции. Тексты программ на функциональных языках программирования описывают «как решить задачу», но не предписывают последовательность действий для решения.
Способ решения задачи описывается при помощи зависимости функций друг от друга (в том числе возможны рекурсивные зависимости) без указания последовательности шагов.
Функциональное программирование, как и другие модели «неимперативного» программирования, обычно применяется для решения задач, которые трудно сформулировать в терминах последовательных операций. Практически все задачи, связанные с искусственным интеллектом, попадают в эту категорию. Среди них следует отметить задачи распознавания образов, общение с пользователем на естественном языке, реализацию экспертных систем, автоматизированное доказательство теорем, символьные вычисления. Эти задачи далеки от традиционного прикладного программирования, поэтому им уделяется не так много внимания в учебных программах по информатике.
Логические языки программирования – Prolog.
Логическое программирование и язык Пролог появились в результате исследования группы французских ученых под руководством Колмерье в области анализа естественных языков. В последствии было обнаружено, что логическое программирование столь же эффективно в реализации других задач искусственного интеллекта, для чего оно в настоящий момент, главным образом, и используется. Но логическое программирование оказывается удобным и для реализации других сложных задач; например, диспетчерская система лондонского аэропорта Хитроу в настоящий момент переписывается на Прологе. Оказывается, логическое программирование является достаточно выразительным средством для описания сложных систем.
Программирование
Процедурное
Объектно-ориентированное
Процедурные языки программирования – используют процедуры (подпрограммы, методы или функции). Процедуры содержат последовательность шагов для выполнения. В ходе выполнения программы любая процедура может быть вызвана из любой точки.
Ада, Бейсик, Си, C++, С# (из Microsoft) КОБОЛ, Паскаль, Delphi, Фортран, Java, Перл, Visual Basic, PHP
При процедурном программировании программа разбивается на части в соответствии с алгоритмом: каждая часть (подпрограмма, функция, процедура) является составной частью алгоритма. При объектно-ориентированном программировании программа строится как совокупность взаимодействующих объектов.
Объект – это базовое понятие ООП. Любой объект принадлежит одному или нескольким классам, которые в свою очередь определяют, описывают поведение объекта.
Примеры классов: «Гном», «Хоббит», «Маг». Примеры объектов: «хоббит по имени Фродо Бэггинс», «маг по имени Гэндальф».
Каждый объект характеризуется свойствами, методами и событиями.
Свойства – описание объекта. Примеры атрибутов: «имя», «рост». Набор конкретных значений определяет текущее состояние объекта.
Метод – это действие объекта, изменяющее его состояние или реализующее другое его поведение. Пример методов: «назвать свое имя», «стать невидимым».
Объект, класс, метод, свойства, события – это базовые понятия ООП.
Рассмотрим ситуацию из обыденной жизни. Например, Вам надо сообщить поздравить своего родственника, живущего в другом городе с днем рождения. Для это Вы идете на почту и посылаете телеграмму. Вы сообщаете оператору, что хотите переслать данный текст по некоторому адресу. И Вы можете быть уверены, что ваше поздравление попадет по нужному адресу.
Итак, действие в ООП инициируется посредством передачи сообщений объекту, ответственному за действия. Сообщение содержит запрос на осуществление действия и сопровождается дополнительной информацией (аргументами), необходимой для его выполнения.
К концепции ООП относится:
Полиморфизм – это взаимозаменяемость объектов с одинаковым интерфейсом. Кратко смысл полиморфизма можно выразить фразой: «Один интерфейс, множество методов». В зависимости от типа объекта одно и то же сообщение может соответствовать различным действиям – методам для достижения требуемого результата.
Пример с почтой: Вы можете попросить своего товарища, летящего в город, где живут ваши родственники, поздравить их, и метод, который он изберет для решения этого запроса будет отличаться от того, который использовали на почте. Хотя родственники будут поздравлены. Если же Вы попросите коменданта общежития поздравить Ваших родственников, то у нее вероятно вообще не найдется метода для решения этой задачи, а если она и примет сообщение, то выдаст диагностическое сообщение об ошибке.
Пример наследования: на основании класса «Личность» создаются его подклассы «Хоббит», «Маг», «Эльф» и «Человек», каждый из которых обладает свойствами и поведением «Личности», но добавляет собственные свойства и меняет поведение.
Инкапсуляция — это принцип, согласно которому любой класс должен рассматриваться как чёрный ящик — пользователь класса должен видеть и использовать только интерфейс (от английского interface — внешнее лицо, т. е. список декларируемых свойств и методов) класса и не вникать в его внутреннюю реализацию. Этот принцип (теоретически) позволяет минимизировать число связей между классами и, соответственно, упростить независимую реализацию и модификацию классов. Свойство объекта скрывать некоторые свои свойства и методы. Смысл инкапсуляции состоит в том, что внешний пользователь не знает детали реализации объекта, работая с ним путём предоставленного объектом интерфейса.
Программирование
Неструктурное
Однако в языках высокого уровня наличие команды перехода влечет за собой массу серьезных недостатков: программа превращается в «спагетти» с бесконечными переходами вверх-вниз, ее очень трудно сопровождать и модифицировать. Фактически неструктурный стиль программирования не позволяет разрабатывать большие проекты. Ранее широко практиковавшееся первоначальное обучение программированию на базе неструктурного языка (обычно Бейсика) приводило к огромным трудностям при переходе на более современные стили. Как отмечал известный голландский ученый Э. Дейкстра, «программисты, изначально ориентированные на Бейсик, умственно оболванены без надежды на исцеление».
Структурное программирование
задача разбивается на большое число мелких подзадач, каждая из которых решается своей процедурой или функцией (декомпозиция задачи). При этом проектирование программы идет по принципу сверху вниз: сначала определяются необходимые для решения программы модули, их входы и выходы, а затем уже эти модули разрабатываются. Такой подход вместе с локальными именами переменных позволяет разрабатывать проект силами большого числа программистов.
как доказал Э. Дейкстра, любой алгоритм можно реализовать, используя лишь три управляющие конструкции:
Системы программирования предоставляют сервисные возможности программистам для разработки их собственных компьютерных программ.
В настоящее время разработка любого системного и прикладного программного обеспечения осуществляется с помощью систем программирования, в состав которых в первую очередь входят:
· трансляторы с языков высокого уровня;
· средства редактирования, компоновки и загрузки программ;
Системы программирования, как правило, включают в себя:
· текстовый редактор (Edit), осуществляющий функции записи и редактирования исходного текста программы;
· загрузчик программ (Load), позволяющий выбрать из директория нужный текстовый файл программы;
· запускатель программ (Run), осуществляющий процесс выполнения программы;
· компилятор (Compile), предназначенный для компиляции или интерпретации исходного текста программы в машинный код с диагностикой синтаксических и семантических (логических) ошибок;
· отладчик (Debug), выполняющий сервисные функции по отладке и тестированию программы;
· диспетчер файлов (File), предоставляет возможность выполнять операции с файлами: сохранение, поиск, уничтожение и т.п.
Ядро системы программирования составляет язык. Существующие языки программирования можно разделить на две группы: процедурные и непроцедурные.
Процедурные (или алгоритмические) программы представляют из себя систему предписаний для решения конкретной задачи. Роль компьютера сводится к механическому выполнению этих предписаний.
Процедурные языки разделяют на языки низкого и высокого уровня.
Языки низкого уровня(машинно-ориентированные) позволяют создавать программы из машинных кодов, обычно в шестнадцатеричной форме. С ними трудно работать, но созданные с их помощью высококвалифицированным программистом программы занимают меньше места в памяти и работают быстрее. С помощью этих языков удобнее разрабатывать системные программы, драйверы (программы для управления устройствами компьютера), некоторые другие виды программ.
Программы на языках высокого уровня близки к естественному (английскому) языку и представляют набор заданных команд.
В общем случае язык – это заданный набор символов и правил, устанавливающих способы комбинации этих символов между собой для записи осмысленных текстов. Основой любого естественного или искусственного языка является алфавит, определяющий набор допустимых символов языка.
Алфавит – это счётное множество допустимых символов языка. Будем обозначать это множество символом V. Интересно, что согласно формальному определению, алфавит не обязательно должен быть конечным (перечислимым) множеством, но реально все существующие языки строятся на основе конечных алфавитов.
Цепочка символов α является цепочкой над алфавитом V; α(V), если в нее вводят только символы, принадлежащие множеству символов V. Для любого алфавита V пустая цепочка λ может как являться, так и не являться цепочкой λ(V). Это условие оговаривается дополнительно.
Если V – некоторый алфавит, то:
V+ – множество всех цепочек над алфавитом V без λ;
V* – множество всех цепочек над алфавитом V, включая λ.
Справедливо равенство: V* = V+<λ>.
Языком L над алфавитом V: L(V) называется некоторое счетное подмножество цепочек конечной длины из множества всех цепочек над алфавитом V. Из этого определения следуют два вывода: во-первых, множество цепочек языка не обязано быть конечным; во-вторых, хотя каждая цепочка символов, входящая в язык, должна иметь конечную длину; эта длина может быть сколь угодно большой и формально ничем не ограничена.
Все существующие языки подпадают под это определение. Большинство реальных естественных и искусственных языков содержат бесконечное множество цепочек. Также в большинстве языков длина цепочки ничем не ограничена (например, этот длинный текст – пример цепочки символов русского языка). Цепочку символов, принадлежащую заданному языку, часто называют предложением языка, а множество цепочек символов некоторого языка L(V) – множеством предложений этого языка.
Каждый язык – это множество цепочек символов над некоторым алфавитом. Но кроме алфавита язык предусматривает и задание правил построения допустимых цепочек, поскольку обычно далеко не все цепочки над заданным алфавитом принадлежат языку. Символы могут объединяться в слова или лексемы – элементарные конструкции языка. На их основе строятся предложения – более сложные конструкции. И те и другие, в общем виде, являются цепочками символов, но предусматривают некоторые правила построения. Таким образом, необходимо указать эти правила, или, строго говоря, задать язык.
Язык задать можно тремя способами:
– перечислением всех допустимых цепочек языка;
– указанием способа порождения цепочек языка (заданием грамматики языка);
– определением метода распознавания цепочек языка.
Первый из методов является чисто формальным и на практике не применяется (большинство языков содержат бесконечное число допустимых цепочек и перечислить их просто невозможно).
Второй метод предусматривает некоторое описание правил, с помощью которых строятся цепочки языка. Тогда любая цепочка, построенная с помощью этих правил из символов алфавита языка, будет принадлежать заданному языку. Например, правила построения цепочек символов русского языка (мы изучали их в средней школе).
Третий способ предусматривает построение некоторого логического устройства (распознавателя) – автомата, который на входе получает цепочку символов, а на выходе выдает ответ: принадлежит или нет эта цепочка заданному языку.
Синтаксис языка – это набор правил, определяющий допустимые конструкции языка. Синтаксис определяет «форму языка» – задает набор цепочек символов, которые принадлежат языку. Чаще всего синтаксис языка можно задать в виде строгого набора правил, но полностью это утверждение справедливо только для чисто формальных языков.
Семантика языка – это раздел языка, определяющий значение предложений языка. Слово «семантика» с греческого переводится как обозначающий. Семантика определяет «содержание языка» – задает значение для всех допустимых цепочек языка. Семантика для большинства языков определяет неформальными методами (отношения между знаками и тем, что они обозначают, и изучаются семиотикой). Чисто формальные языки лишены какого-либо смысла.
Лексика – это совокупность слов (словарный запас) языка. Слово или лексическая единица (лексема) языка – это конструкция, которая состоит из элементов алфавита языка и не содержит в себе других конструкций. Иначе говоря, лексическая единица может содержать только элементарные символы и не может содержать других лексических единиц.
Лексическими единицами (лексемами) русского языка являются слова русского языка, а знаки препинания и пробелы представляют собой разделители, не образующие лексем.
Языки программирования занимают некоторое промежуточное положение между формальными и естественными языками. С формальными языками их объединяют строгие синтаксические правила, на основе которых строятся предложения языка. От языков естественного общения в языки программирования перешли лексические единицы, представляющие основные ключевые слова. Кроме того, из алгебры языки программирования переняли основные обозначения математических операций, что также делает их более понятными человеку.
Для задания языка программирования необходимо решить три вопроса:
− определить множество допустимых символов языка;
− определить множество правильных программ языка;
− задать смысл для каждой правильной программы.
Только первые два вопроса полностью или частично удаётся решить с помощью лексики формальных языков.
Первый вопрос решается легко. Определяя алфавит языка, мы автоматически определяем множество допустимых символов. Для языков программирования алфавит − это чаще всего тот набор символов, которые можно ввести с клавиатуры. Основу его составляет младшая половина таблицы международной кодировки символов (таблицы ASCII), к которой добавляются символы национальных алфавитов.
Второй вопрос решается в теории формальных языков только частично. Для всех языков программирования существуют правила, определяющие синтаксис языка. Правда их недостаточно для того, чтобы строго определить все возможные синтаксические конструкции.
Третий вопрос в принципе не относится к теории формальных языков, поскольку, как уже было сказано, такие языки лишены какого-либо смысла. Для ответа на него нужно использовать другие подходы. В качестве таких подходов можно указать следующие:
− изложить смысл программы, написанной на языке программирования, на другом языке, более понятном тому, кому адресована программа;
− использовать для проверки смысла некоторую «идеальную машину», которая предназначена для выполнения программ, написанных на данном языке.
Грамматика − это описание способа построения предложений некоторого языка. Иными словами, грамматика − это математическая система, определяющая язык.
Фактически, определив грамматику языка, мы указываем правила порождения цепочек символов, принадлежащих этому языку. Таким образом, грамматика − это генератор цепочек языка. Она относится ко второму способу определения языков − порождению цепочек символов.
Грамматику языка можно описать различными способами. Например, грамматика русского языка описывается довольно сложным набором правил, которые изучают в начальной школе. Но для многих языков (и для синтаксической части языков программирования в том числе) допустимо использовать формальное описание грамматики, построенное на основе системы правил (или продукций).
Правило (или продукция) − это упорядоченная пара цепочек символов (α, β). В правилах очень важен порядок цепочек, поэтому их чаще записывают в виде α→β (или α: = β). Такая запись читается как «α порождает β» или «β по определению есть α».
Грамматика языка программирования содержит правила двух типов: первые (определяющие синтаксические конструкции языка) довольно легко поддаются формальному описанию; вторые (определяющие семантические ограничения языка) обычно излагаются в неформальной форме. Поэтому любое описание (или общепринятый стандарт) языка программирования обычно состоит из двух частей: вначале формально излагаются правила построения синтаксических конструкций, а потом на естественном языке дается описание семантических правил.
Язык, заданный грамматикой G, обозначается как L(G).
Две грамматики G и G’ называются эквивалентными, если они определяют один и тот же язык: L(G) = L(G’). Две грамматики G и G’ называются почти эквивалентными, если заданные ими языки различаются не более чем на пустую цепочку символов: L(G) <λ>= L(G’) <λ>.
Неотъемлемой частью современных ЭВМ являются системы программного обеспечения, которые являются средствами, расширяющими возможности аппаратуры и сферу ее использования. Эти системы являются посредником между человеком и вычислительной машиной, автоматизируют выполнение определенных функций в соответствии с профилем специалистов и режимами их взаимодействия с ЭВМ. Программное обеспечение повышает эффективность труда пользователя. Программное обеспечение подразделяют на общее и специальное.
Общее программное обеспечение служит для реализации функций, связанных с работой ЭВМ. Оно состоит из операционной системы, системы программирования, программ технического обслуживания.
Специальное программное обеспечение состоит из прикладных программ, проблемно ориентированных на решение определенных задач.
Состав систем программирования
Системы программирования представляют комплексы инструментальных программных средств для работы с программами на определенном языке программирования.
Используя подобные системы программисты имеют возможность разрабатывать свои собственные компьютерные программы.
Системы программирования состоят из: трансляторов с языков высокого уровня; редактирующих и компонующих средств, а также средств загрузки программ; макроассемблеров (машинно-ориентированных языков); отладчиков машинных программ.
Языки программирования
Язык программирования составляет ядро системы программирования. Они могут быть процедурными и непроцедурными.
Готовые работы на аналогичную тему
Компьютер лишь механически выполняет эти предписания.
Процедурные языки могут быть представлены языками низкого и высокого уровня.
С использованием языков низкого уровня (машинно-ориентированных) создаются программы в машинных кодах. С такими языками тяжело работать, однако созданные на них программы малы по объему и быстродейственны. Используя языки программирования низкого уровня, разрабатывают системные программы, драйвера и др.
Программы, созданные на языках высокого уровня, представляют собой наборы заданных команд, которые близки по своему звучанию к естественному (английскому) языку.
К наиболее известным процедурным системам программирования относят:
Среди непроцедурных языков программирования наиболее известны:
Машинно-ориентированные системы программирования
По уровню формализации входного языка, целевому назначению и структуре системы программирования делят на: машинно-ориентированные и машинно-независимые.
Машинно-ориентированные состоят из входного языка, наборов операторов и изобразительных средств. Для систем подобного типа характерны:
По степени автоматического программирования машинно-ориентированные системы подразделяют на классы:
Машинно-независимые системы программирования
Эти системы программирования являются средством описания алгоритмов решения задач и обрабатываемой информации. Их удобно использовать широкому кругу пользователей, поскольку не требуется знаний особенностей организации функционирования ЭВМ.
Машинно-независимые системы программирования подразделяют на:
Интерпретаторы и компиляторы
Компилятор прежде чем запустить программу на выполнение полностью обрабатывает ее текст:
Далее сгенерированный объектный код обрабатывается специальной программой — сборщиком или редактором связей. В результате текст программы преобразовывается в готовый к исполнению файл, он сохраняется в памяти компьютера или на диске. Этот файл может самостоятельно работать под управлением опера¬ционной системы.
Интерпретатор используется для анализа очередного оператора языка из текста програм¬мы и запуска его на исполнение. Перейти к выполнению следующего оператора интерпретатор может только после успешного выполнения текущего. При многократном выполнении одного и того же оператора интерпретатор каждый раз выполняет его так, будто впервые. В результате программы, содержащие большие объемы повторяющихся вычислений, работают медленно.
К основным недостаткам компиляторов можно отнести трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры. Используя интерпретатор, наоборот, можно остановить работу программы в любой момент, организовать диалог с пользователем, исследовать содержимое памяти, выполнить любые сложные преобразования данных и при этом постоянно осуществлять контроль за состоянием окружающей программно-аппаратной среды, благодаря чему достигают высокой надежности работы. Интерпретаторы удобно использовать при изучении про¬граммирования, так как они дают возможность понять механизм работы каждого оператора языка в отдельности.
Синтаксис – описывает структуру программ как наборов символов (обычно говорят — безотносительно к содержанию).