2.1. Высокоуровневые языки программирования

Любой алгоритм рассчитан на кон­кретного исполнителя, имеющего свою систему команд. Алгоритм для компьютера должен быть записан с помощью команд, которые компьютер может выполнять.

Устройством, выполняющим ко­манды в компьютере, является про­цессор. Систему команд процессора называют машинным языком или ма­шинным кодом. Каждая команда про­цессора записывается в двоичном коде. Для записи этих команд в символьной форме используют язык Ассемблер. Ассемблер является языком низкого уровня, поскольку содержит команды, отражающие машинный код.

В языках программирования высо­кого уровня используются команды, которые объединяют последовательно­сти машинных команд. Программы, написанные на таких языках, проще для понимания человеком, поскольку для обозначения команд используют слова естественного языка (чаще всего английского).

Языки программирования высоко­го уровня, или высокоуровневые язы­ки программирования (пример 2.1), были разработаны для того, чтобы суть алгоритма могла не зависеть от аппа­ратной реализации компьютера. Для преобразования текста программы, написанной на языке высокого уров­ня, в элементарные машинные коман­ды используются специальные про­граммы — трансляторы  (пример 2.2). Например, в тексте программы доста­точно написать «while», а уже транс­лятор языка переведет эту команду в последовательность машинных кодов. Принципы работы трансляторов за­висят от аппаратного и программного обеспечения компьютера.

Языки программирования высоко­го уровня являются формальными

искусственными языками. У каждого языка программирования можно вы­делить две составляющие: синтаксис и семантику. Синтаксис (грамматика языка) — совокупность правил для написания программы. Семантика — смысловая сторона языка (определяет смысловое содержание языковой кон­струкции).

Текст программы на языке высоко­го уровня представляет собой обыч­ный текстовый файл. Для его «чте­ния» и превращения в последователь­ность машинных команд выполняется анализ текста программы — проверка на соответствие синтаксическим пра­вилам и семантике данного языка программирования. В случае обна­ружения несоответствия компилятор может выдавать сообщения об ошиб­ках (пример 2.3).

За время существования вычисли­тельных машин было создано более 8 тыс. языков программирования, и ежегодно появляются новые. Некото­рые из них являются узкоспециаль­ными, другие используются миллио­нами программистов по всему миру.

Существуют различные подходы к классификации языков программиро­вания. По степени отличия семанти­ки языка от машинного кода языки делят на низкоуровневые и высоко­уровневые. Часто языки программи­рования делят на компилируемые и интерпретируемые, однако такое де­ление условно, поскольку для любого традиционно компилируемого языка (такого, как Паскаль) можно написать интерпретатор.

2.2.  Парадигмы программирования

В истории развития языков про­граммирования можно выделить раз­личные парадигмы программирова­ния — совокупность идей и понятий, определяющих стиль программиро­вания. Между парадигмами и язы­ками программирования нет жесткой связи. Парадигма показывает один из возможных способов использования средств языка программирования для написания кода программы. Часто язык программирования, созданный в рамках одной парадигмы, через не­которое время модернизируется, рас­ширяется и начинает использоваться в рамках другой парадигмы.

Рассмотрим некоторые парадигмы программирования.

Структурное программирование — парадигма программирования, в осно­ве которой лежит представление про­граммы в виде блоков иерархиче­ской структуры. Разработана в конце 1960-х — начале 1970-х гг. В соответ­ствии с данной парадигмой любая про­грамма состоит из трех базовых управ­ляющих структур: ветвление, цикл и последовательность; кроме того, ис­пользуются подпрограммы (пример 2.4). Разработка программы ведется по­шагово, методом «сверху вниз» (нис­ходящее программирование): сначала определяются цели решения задачи, а затем идет детализация каждого шага, который, став отдельной задачей, так­же может детализироваться.

Процедурное программирование — парадигма программирования, при которой последовательно выполняе

мые команды можно собрать в подпро­граммы с помощью механизмов само­го языка (пример 2.5). Это концепция программирования «снизу вверх», или концепция восходящего программиро­вания — разработка программ начина­ется с разработки подпрограмм (проце­дур, функций), в то время как прора­ботка общей схемы не закончилась.

Парадигмы структурного и проце­дурного программирования основаны на подпрограммах. Разница заключа­ется в порядке их разработки: «сверху вниз» или «снизу вверх».

Функциональное программиро­вание — парадигма программирова­ния, в которой процесс вычисления трактуется как вычисление значений функций в математическом понима­нии. Основывается функциональное программирование на вычислении ре­зультатов функций от исходных дан­ных и результатов других функций и не предполагает явного хранения со­стояния программы (пример 2.6).

Объектно-ориентированное про­граммирование (ООП) — парадигма программирования, основанная на представлении программы в виде со­вокупности объектов и отражении их взаимодействия. Концепция ООП по­зволяет объединить данные и алгорит­мы их обработки в единую структуру, называемую классом. Каждый объект является экземпляром какого-либо класса (пример 2.7). В ООП програм­ма представляет собой набор объек­тов, имеющих состояние и поведение. Состояние и поведение объекта мо­жет измениться в результате события.

Программа в целом — это объект. Для выполнения своих функций она обра­щается к входящим в нее объектам, которые, в свою очередь, могут обра­щаться к другим объектам, реализовы­вать свои методы или реагировать на события. Объектно-ориентированное программирование особенно важно при реализации крупных проектов.

Большинство современных языков программирования являются мультипарадигменными — поддерживают сразу несколько парадигм програм­мирования (пример 2.8).

Отдельно рассматривают такие клас­сы языков программирования, как учебные (пример 2.9) и эзотерические языки программирования (пример 2.10).

Часто для записи алгоритмов при­меняют псевдокод — язык описания алгоритмов, использующий ключевые слова языков программирования, но опускающий детали, несущественные для понимания алгоритма (например, описания переменных). Главная цель использования псевдокода — обеспе­чить понимание алгоритма человеком, сделать описание более воспринимае­мым, чем исходный код на языке про­граммирования. При написании псев­докода может использоваться лексика русского языка (пример 2.11).

2.3. Основные структурные элементы языка программирования

Для записи элементов языка про­граммирования используется алфа­вит. Алфавиты большинства языков программирования близки друг дру­гу по синтаксису и, как правило, ис­пользуют буквы латинского алфави­та, арабские цифры и общепринятые спецсимволы (знаки препинания, зна­ки математических операций и срав­нений, разделители, служебные сло­ва). Большинство распространенных языков программирования содержат в своем алфавите следующие элементы:

• буквы — {AaBbCcDd…};
• цифры — {0 1 2 3 4 5 6 7 8 9};
• знаки арифметических операций {× / + — …};
• знаки сравнения — {< > = …};
• разделители — {. , ; : ( ) { } [ ]… };
• служебные слова — {if    while
• for и т. д.};
• комментарии — любой набор сим­волов и др.

Несмотря на значительные различия между языками, многие фундаменталь­ные понятия в большинстве языков программирования схожи между собой (пример 2.12). Согласно известной фор­муле Н. Вирта «Алгоритмы + структу­ры данных = программы», рассматривая язык программирования, нужно гово­рить о способах записи команд алго­ритма с помощью операторов и органи­зации работы с данными (пример 2.13).

Операторы

Одним из основных понятий всех языков программирования является оператор, который представляет собой законченную фразу языка и являет­ся предписанием на выполнение кон­кретных действий по обработке дан­ных. Программа строится из операто­ров так же, как текст произведения формируется из предло­жений.

Выделяют следующие операто­ры: оператор присваивания, оператор условного перехода (ветвления), опе­ратор цикла (пример 2.14), оператор выбора, составной оператор, иногда используют пустой оператор, оператор безусловного перехода и др.

Все операторы языка в тексте про­граммы отделяются друг от друга с по­мощью явных или неявных разделите­лей (в Pascal таким разделителем яв­ляется «;»). Операторы выполняются в том порядке, в котором они записаны в тексте программы. Порядок выпол­нения операторов может быть изме­нен только посредством управляющих операторов: ветвления, цикла и др.

Данные

Большая часть операторов предна­значена для обработки величин. Ве­личина характеризуется типом, име­нем и значением. Типы данных могут быть простыми и структурированными (пример 2.15). Величина простого типа в каждый момент имеет одно значение. Величина структурированного типа со­стоит из величин других типов. Напри­мер, строка состоит из символов, каж­дый отдельный символ строки имеет свое значение (код). Самым распростра­ненным структурированным типом данных является массив, с которым вы познакомитесь в этом учебном году.

Всем объектам в языках програм­мирования (переменным, функциям, процедурам и др.) даются имена. Имя объекта в программе называют идентификатором (от слова «идентифици­ровать»). Идентификатором является любая конечная последовательность букв и цифр, начинающаяся с буквы (пример 2.16). Имя может содержать знак подчеркивания «_». Использовать служебные слова языка в качестве идентификатора запрещается в боль­шинстве языков программирования.

Величины могут быть постоянны­ми (константы) и переменными. Пере­менная может принимать некоторое значение в результате выполнения команды ввода или с помощью опера­тора присваивания. В ходе выполне­ния программы значения переменной могут неоднократно меняться. После описания переменная отождествляется с некоторым блоком памяти, содержи­мое которого является ее значением. Переменная хранит значение, соответ­ствующее ее типу (например, перемен­ная целого типа не может принимать значение вещественного числа). Это значение может извлекаться из памя­ти для выполнения с ним операций, соответствующих типу переменной.

Подпрограммы

Алгоритм, реализующий решение отдельной части основной задачи, на­зывают вспомогательным, а его запись на языке программирования — под­программой. Подпрограммы могут быть реализованы в виде функций или процедур.

Функция описывает процесс вы­числения определенного значения, за­висимого от некоторых аргументов, поэтому для функции всегда указы­вается тип возвращаемого значения. Для каждого языка высокого уровня разработана библиотека стандартных функций: арифметических, логиче­ских, символьных и т. д. (пример 2.17). Функции (как стандартные, так и за­даваемые программистом) использу­ются в программе в выражениях.

Часто используют подпрограммы, которые не возвращают конкретное значение, а представляют собой само­стоятельный этап обработки данных. В языке Pascal их называют проце­дурами, в других языках они могут называться по-другому или не иметь собственного названия и описываться так же, как функции (пример 2.18).

Язык программирования — ин­струмент для решения конкретной задачи. Не существует единственного самого лучшего языка программиро­вания. Для решения задач разного ро­да и уровня сложности требуется при­менять разные языки и технологии программирования. В простейших случаях достаточно освоить основы структурного написания программ, например на языке PascalABC. Для создания же сложных проектов тре­буется не только свободно владеть каким-то языком в полном объеме, но и иметь представление о других язы­ках и их возможностях. Как правило, чем сложнее задача, тем больше вре­мени требуется на освоение инстру­ментов, необходимых для ее решения.

Пример 2.2. При трансляции про­граммы происходит преобразование текста с одного языка на другой. Раз­личают следующие виды трансляции: компиляция и интерпретация.

Компилятор — транслятор, преобра­зующий исходный код с какого-либо языка программирования на машин­ный. В результате создается исполняе­мый файл, который может быть вы­полнен непосредственно в операцион­ной системе.

Среда программирования PascalABC имеет встроенный компилятор, опции которого можно настроить, выполнив команду Сервис Настройки:

Интерпретатор — транслятор, кото­рый может работать двумя способами:

• читать код и исполнять его сразу (чистая интерпретация);
• читать код, создавать в памяти промежуточное представление кода (байт-код или p-код), выполнять проме­жуточное представление кода.

Чистая интерпретация применяется для языков JavaScript, VBA, Lisp и др. Примеры интерпретаторов, создающих байт-код: Perl, PHP, Python и др.

В 1951 г. американский ученый Грейс Мюррей Хоппер (1906— 1992) создала первый в мире компиля­тор и ввела сам этот термин.

Компилятор осуществлял функцию объединения команд, производил вы­деление памяти компьютера и пре­образование команд высокого уровня (в то время псевдокодов) в машинные команды.

Грейс Мюррей Хоппер

Пример 2.3. Семантическая (стро­ка 4) и синтаксическая (строка 6) ошиб­ки в среде PascalABC.

Роберт В. Флойд (1936—2001) — американский ученый в области теории вычислительных систем. Лауреат пре­мии Тьюринга. Впервые термин «пара­дигма программирования» был приме­нен Р. Флойдом в 1978 г. во время по­лучения премии Тьюринга: «Если про­гресс искусства программирования в целом требует постоянного изобретения и усовершенствования парадигм, то со­вершенствование искусства отдельного программиста требует, чтобы он расши­рял свой репертуар парадигм». Флойд отмечал, что парадигмы программирования не являются взаи­моисключающими, они могут сочетать­ся, обогащая инструментарий програм­миста. Роберт В. Флойд

Пример 2.4. Основная идея струк­турного программирования заключает­ся в том, что программа должна иметь простую структуру, быть хорошо чита­емой и легко модифицируемой. Струк­турированность кода поддерживается посредством подпрограмм, которые вызываются из других подпрограмм. Структурное программирование под­держивают такие языки, как Pascal, Go, С и многие другие языки програм­мирования.

Пример 2.5. Особенность языков процедурного программирования за­ключается в том, что задачи разбива­ются на шаги и решаются шаг за ша­гом. Решение для каждого отдельного шага оформляется в виде отдельной процедуры. К процедурным языкам от­носят: C, Pascal, Lua и др.

Пример 2.6. В основе функциональ­ных языков лежит лямбда-исчисление (Х-исчисление) — математическая тео­рия для формализации понятия вычис­лимости. К ним относят: Haskell, Lisp, F# и др.

Пример 2.7. В программе тексто­вый редактор объектами могут быть абзац текста, меню, кнопки и т. д. В классе, который описывает кнопку, содержатся данные о размере кнопки, ее внешнем виде, алгоритмы, позволя­ющие «нажать» кнопку или «навести на нее мышь» и др.

Конкретная кнопка, например Ч , является объектом. Такое событие, как «клик мышью по такой кнопке», изме­нит начертание текста. Событие «двой­ной клик мышью по абзацу текста» вы­делит его и т. д.

К объектно-ориентированным язы­кам относят:

• C++;
• Java;
• Delphi;
• Python;
• Ruby и др.

Пример 2.8. Мультипарадигменные языки программирования чаще всего поддерживают процедурную (струк­турную), объектно-ориентированную и функциональную парадигмы: C++, Python, JavaScript, Ruby, C#.

Пример 2.9. Учебный язык обеспе­чивает простоту, ясность и удобочитае­мость конструкций языка. Как учеб­ные языки программирования разраба­тывались: Basic, Pascal, Logo, Scratch.

Пример 2.10. Некоторые эзотери­ческие языки служат для проверки математических концепций (Thue, Unlambda), другие создаются для раз­влечения. Часто они пародируют «на­стоящие» языки программирования или являются абсурдным воплоще­нием концепций программирования (Smetana, Var’aq, FiM++ и др.).

Пример 2.11. Псевдокод алгоритма нахождения суммы квадратов первых n натуральных чисел.

Пример 2.12. Некоторые служебные слова (в алфавитном порядке) в разных языках программирования.

Пример 2.13. Структурная схема процедурного языка программиро­вания.

Выражения строятся из величин (констант и переменных), функций, скобок, знаков операций и т. д. Тип выражения определяется результатом вычислений. Выражения могут при­нимать числовые, логические, сим­вольные, строковые и другие значе­ния.
Выражение 5 + 3 является число­вым, а выражение А + В может иметь самый разный смысл в зависимости от того, что стоит за идентификато­рами А и В (если А и В — строки, то результат — строка, которая полу­чилась при конкатенации исходных строк).

Пример 2.14. Запись оператора цик­ла (поиск суммы квадратов первых n натуральных чисел).

Пример 2.15. Классификация дан­ных в языке программирования.
Подобная структура типов данных присуща многим языкам программирования. С другими типами данных, которые используются в языке PascalABC, можно познакомиться в справочной системе.
Пример 2.16. Имена переменных за­дает программист. Существуют реко­мендации, как можно (нужно) имено­вать переменные в коде:

• имя переменной должно быть по­нятным, наглядным и отражать суть обозначаемого объекта (sum, number, count_of_positive);
• вводить переменным короткие имена (s, i, n) можно в том случае, когда они используются в небольшом фрагменте кода и их применение оче­видно.

Некоторым идентификаторам зара­нее предписан определенный смысл, например sin, cos, sqrt, abs — имена математических функций.

Пример 2.17. Список стандартных функций языка программирования PascalABC можно посмотреть в спра­вочной системе:
Пример 2.18. Процедуры в языках программирования.
В языке VisualBasic процедуры объ­являются как sub (сокращение от англ. subroutine — подпрограмма).
В языке С++ нет отдельных кон­струкций для описания процедур. Их роль выполняют функции, которые имеют тип void (англ. «пустота»).