Языки программирования

Языки программирования



В настоящее время в мире существует несколько сотен реально
используемых языков программирования. Для каждого есть своя
область применения.
Любой алгоритм, есть последовательность предписаний, выполнив
которые можно за конечное число шагов перейти от исходных данных
к результату. В зависимости от степени детализации предписаний
обычно определяется уровень языка программирования — чем
меньше детализация, тем выше уровень языка.
По этому критерию можно выделить следующие уровни языков
программирования:
 машинные;
 машинно-оpиентиpованные (ассемблеpы);
 машинно-независимые (языки высокого уровня).

Машинные языки и машинно-ориентированные языки — это
языки низкого уровня, требующие указания мелких деталей процесса
обработки данных.

Языки же высокого уровня имитируют естественные языки,
используя некоторые слова разговорного языка и общепринятые
математические символы. Эти языки более удобны для человека.




Каждый компьютер имеет свой машинный язык, то есть свою
совокупность машинных команд, которая отличается количеством
адресов в команде, назначением информации, задаваемой в адресах,
набором операций, которые может выполнить машина и др.
При программировании на машинном языке программист может
держать под своим контролем каждую команду и каждую ячейку
памяти, использовать все возможности имеющихся машинных
операций.
Но процесс написания программы на машинном языке очень
трудоемкий и утомительный. Программа получается громоздкой,
труднообозримой, ее трудно отлаживать, изменять и развивать.
Поэтому в случае, когда нужно иметь эффективную программу, в
максимальной степени учитывающую специфику конкретного
компьютера, вместо машинных языков используют близкие к ним
машинно-ориентированные языки (ассемблеры).



Язык ассемблера — это машинно-зависимый язык низкого уровня, в
котором короткие мнемонические имена соответствуют отдельным
машинным командам. Используется для представления в
удобочитаемой форме программ, записанных в машинном коде.
Язык ассемблера позволяет программисту пользоваться текстовыми
мнемоническими (то есть легко запоминаемыми человеком) кодами,
по своему усмотрению присваивать символические имена
регистрам компьютера и памяти, а также задавать удобные для
себя способы адресации. Кроме того, он позволяет использовать
различные системы счисления (например, десятичную или
шестнадцатеричную) для представления числовых констант,
использовать в программе комментарии и др.
Программы, написанные на языке ассемблера, требуют значительно
меньшего объема памяти и времени выполнения. Знание
программистом языка ассемблера и машинного кода дает ему
понимание архитектуры машины

Для того, чтобы написать программу на языке ассемблера для
конкретного компьютера, важно знать его архитектуру.

В качестве примера приведем программу на языке ассемблера для IBM PC.
Программа вычисляет значение a = b + c для целых a, b и c:
.MODEL SMALL
.DATA
b
DW 5
c
DW 3
a
DW ?
.CODE
begin MOV AX,@DATA
MOV DS,AX
MOV AX,B
ADD AX,C
MOV A,AX
MOV AH,4CH
INT
21H
END begin
Директива .MODEL задает механизм
распределения памяти под данные и команды.
Директива .DATA определяет начало участка
программы с данными.
Директивы DW задают типы переменных и их
значения.
Директива .CODE определяет начало участка
программы с командами.
Команды MOV AX,@DATA и MOV DS,AX
записывают адрес сегмента данных в регистр
DS (Data Segment).
Для вычисления a используются команды MOV
AX, B, ADD AX,C и MOV A,AX.
В директиве END задана метка первой
выполняемой программы программы begin.

Перевод программы с языка ассемблера на машинный язык
осуществляется специальной программой, которая называется
ассемблером и является, по сути, простейшим транслятором.

Языки высокого уровня были разработаны для того, чтобы освободить
программиста от учета технических особенностей конкретных
компьютеров, их архитектуры

Алгоритмические языки в значительной мере являются машиннонезависимыми. Они облегчают работу программиста и повышают
надежность создаваемых программ.

Языки высокого уровня делятся на:
 процедурные (алгоритмические) (Basic, Pascal, C и др.),
которые предназначены для однозначного описания алгоритмов;
для решения задачи процедурные языки требуют в той или иной
форме явно записать процедуру ее решения;
 логические (Prolog, Lisp и др.), которые ориентированы не на
разработку алгоритма решения задачи, а на систематическое и
формализованное описание задачи с тем, чтобы решение
следовало из составленного описания;
 объектно-ориентированные (Object Pascal, C++, Java и др.), в
основе которых лежит понятие объекта, сочетающего в себе
данные и действия над нами. Программа на объектноориентированном языке, решая некоторую задачу, по сути
описывает часть мира, относящуюся к этой задаче. Описание
действительности в форме системы взаимодействующих
объектов естественнее, чем в форме взаимодействующих
процедур.
Никлаус Вирт
(Niklaus Wirth)
род. 15.02.1934 (Швейцария)
Автор языков:
(1963) Euler
(1966) Algol-W
(1968) PL360
(1970) Паскаль
(1976) Modula
(1979) Modula-2
(1988) Оберон
Язык Си

Появление Си принято связывать с именем Дениса Ритчи,
подготовившего в 1972 году первую версию этого языка в ходе работ
над операционной системой UNIX для ЭВМ семейства PDP. Однако
исторически его возникновение следует связывать с, во многом
машиннозависимым, языком B, созданным Кеном Томпсоном на
основе языка BCPL

В настоящее время из 13000 строк системного кода UNIXа лишь 800
строк, выполняющих работу наиболее низкого уровня, написаны на
языке ассемблера. Остальная же часть этой операционной системы и
множество ее программных утилит написаны на Си

Язык Си - это алгоритмический язык "не очень высокого уровня". Он
проектировался для того, чтобы получить непосредственный доступ к
объектам, которыми оперируют процессоры компьютера: разрядам,
байтам, словам, адресам

По этой причине, а также потому, что Си является блочноструктурированным языком, похожим на Алгол или Паскаль, он
прекрасно подходит для системного программирования
• В нем удачно сочетаются лучшие свойства ассемблера и языков
высокого уровня. От ассемблера были взяты эффективные средства
работы с оперативной памятью и регистрами микропроцессора, от
языков высокого уровня - широкий набор управляющих
конструкций, возможность работы со сложными структурами
данных, гибкие средства ввода/вывода информации
• Философия языка Си заключается в том, чтобы предоставить
программисту максимальную свободу действий при написании
программы, но возложить на него всю ответственность за
возможные действия приводящие к краху
• В языке Си имеется большой набор управляющих конструкций для
реализации циклических и разветвленных алгоритмов, средства для
блочного и модульного программирования, а также возможность
гибкого управления процессом выполнения программы. Он очень
удобен для обработки текстов, для технических приложений и
моделирования

Конечно, другие языки имеют свои специфические особенности,
которые делают их во многих случаях более удобными. Но тем не
менее язык Си стал очень популярным, им широко пользуются
программисты и им он очень нравится

Те, кто использует язык Си, приводят обычно следующие причины
его популярности:
 программы на языке Си легче переносятся с одной ЭВМ на
другую
 язык обеспечивает богатый набор операций для вычисления
выражений и дает возможность обходиться без языка
ассемблера даже при работе с битами
 программы компактны, н не настолько, чтобы не быть
непонятными;
 язык Си удобен, его синтаксис достаточно прост

"Американские ученые, проанализировав статистику боев с
японцами во Второй мировой войне, обнаружили, что, несмотря на
равенство сил, войска США побеждали чаще. Причину нашли в
длине слов английского и японского языков.

В английском языке средняя длина слова составляет пять букв, а в
японском - тринадцать. То есть пока японцы еще ставили боевую
задачу, американцы уже начинали стрелять... После этого в
американской армии был введен обычай давать короткие названия
(клички) как своей боевой технике, так и технике противника.

Когда эта информация дошла до русских, то они вычислили
среднюю длину слова в русском языке, которая оказалась равной
семи буквам. Однако проведенные полевые исследования показали: в
процессе управления боем командир автоматически переходит на
мат и информативность речи возрастает в два-три раза".

В экспериментах, проведенных под
руководством Июаня Тана (Yiyuan Tang)
в Даляне, люди, для которых родным
языком был английский или китайский,
складывали
одинаковые
числа
(написанные
арабскими
цифрами).
Ученые
сравнивали
с
помощью
магнитного резонанса процессы в мозге
англоговорящих и китайскоговорящих
людей
при
решении
ими
математических задач. Эти процессы
оказались разными.
Мысль о том, что структура языка может сузить горизонты мысли,
натолкнула, в свою очередь, на противоположную идею, что язык
может горизонты мысли и расширить.



Психологи недавно провели эксперимент, показавший, что
одну и ту же последовательность сцен (мультфильм) люди,
говорящие на немецком и на английском языках, описывают
по-разному: англичане выделяют в несколько раз больше
эпизодов и описывают их как текущие действия (часто
употребляя очень удобный для этого английский герундий),
носители немецкого языка выделяют эпизоды более
длинные
и
приводящие
к
какому-то
результату
[Величковский Б.М., Когнитивная наука. В 2-х. т.. - М.:,
Смысл, 2006] (вспомним, что существительные в немецком
языке пишутся с заглавной буквы).
Выбирая в качестве языка международного общения
английский, мы предрешаем кое-что в содержании наших
знаний, по-видимому, утрачивая какие-то возможности,
доступные при ином выборе.
Но нынче разумно учить английский - поскольку он наиболее
употребителен.
Подготовка к выполнению и выполнение программ

Язык
Си
относится
к
числу
компилируемых
языков
программирования. Это означает, что подготовка к выполнению Сипрограммы включает в себя следующие этапы:
1.
2.
3.
ввод исходного текста программы в файл при помощи какого-либо
редактора текстов (имя файла, как правило, имеет стандартное
расширение "C " для Си и "CPP" для С++)
компиляция программы, т.е. преобразование ее описания на
входном языке в семантический эквивалент на машинном языке,
называемый объектным модулем (имя файла, в который
помещается результат компиляции, обычно имеет расширение
"OBJ")
построение готового к выполнению загрузочного модуля из
объектных модулей, включая модули из внешних библиотек (файл,
содержащий готовую программу, имеет имя с расширением "EXE")

В процессе компиляции программы создается листинг ее исходного
текста, содержащий, возможно, сообщения об обнаруженных
ошибках. Наличие листинга существенно упрощает поиск и
устранение ошибок, допущенных при подготовке программы, и
сокращает время, затрачиваемое на ее отладку. Имя файла, в
который записывается листинг исходной программы, снабжается
обычно расширением "LST". При наличии ошибок необходимо
вернуться на этап редактирования, исправить ошибки и заново
откомпилировать программу

На этапе построения загрузочного модуля также возможно создание
файла-листинга, включающего в себя информацию о размещении
собираемых объектных модулей в памяти компьютера. Однако его
анализ и использование требует более глубоких знаний основных
принципов работы машины, нежели разбор листинга исходной
программы

Для запуска в работу готовой к выполнению программы в
операционной среде MS DOS достаточно набрать имя содержащего
ее файла на клавиатуре консольного терминала, закончив ввод
нажатием клавиши Enter






После этого необходимо проверить правильность работы программы
То, что программа правильно откомпилировалась не гарантирует
правильность реализации заложенного алгоритма работы
Основной путь - проверка на тестовых примерах
Однако правильность выполнения тестового примера все равно не
гарантирует отсутствие ошибок
При нахождении ошибок в программе необходимо вернуться к
начальному редактированию текста, компилированию, сборке и т.д.
Такой процесс называется отладкой (дебаггинг - ловля блох)
9 сентября 1945 г. ученые Гарвардского
университета, тестирующие машину Mark
II Aiken Relay Calculator, нашли мотылька,
застрявшего между контактами
электромеханического реле. Извлеченной
насекомое было вклеено в технический
дневник, с сопроводительной записью: "First
actual case of bug being found". Название
"баг" прижилось. В настоящее время
реликвия хранится в одном из музеев США
Первая программа

Единственный способ научиться языку программирования - писать на
нем программы

Чтобы это сделать надо:




создать каким-либо образом текст программы
успешно его оттранслировать
загрузить, выполнить
разобраться что получилось
Этапы создания программы

На каждом из этапов используется своя программа
 Текстовый редактор
 Транслятор
 Сборщик
 Отладчик

Существует очень много подобных программ. Для удобства все эти
программы объединяются в интегрированные среды. Borland,
Microsoft Visual и т.п.

Мы будем использовать свободно распространяемую систему
Bloodshed Dev-C++

Пример системы

Всякая программа на языке Си представляет собой совокупность
функций, выполняющих основную работу по реализации
некоторого алгоритма

Каждая из этих функций, в свою очередь, есть независимый набор
описаний и операторов, заключенных между заголовком функции и
ее концом

Та функция, с которой начинается выполнение программы,
называется главной функцией. Она должна иметь предопределенное
имя main( )

Самая простая программа напечатать какие-либо слова. Эта первая
программа, которую пишут на всех языках

Эта программа выглядит так
void main( )
{
printf("HELLO", World \n);
}
Пример программы

Другой вариант
void main()
{
printf("HELLO,");
printf(" World");
printf("\n");
}
Пример программы

Следующая программа печатает таблицу температур по Фаренгейту
и их эквивалент по Цельсию. Для перевода используется формула
c=(5/9)(F-32)
/* печать таблицы */
/* для f = 0,20,40,...,300*/
void main()
{
int lower, upper, step; float fahr, celcius;
lower = 0; upper = 300; step =20; fahr = lower;
while (fahr <= upper)
{celcius = (5.0/9.0)*(fahr -32.0);
printf(“%4.0f %6.1f \n”, fahr, celcius);
fahr = fahr + step;
}
}
Пример программы

В Си все переменные должны до их использования описываться

В операторе printf( ) спецификация %4.0f указывает, что
нужно печатать число с плавающей точкой из 4 позиций без цифр
после десятичной точки. %6.1f - число занимает по крайней мере 6
позиций и после точки есть одна цифра. Части спецификаций
можно опускать %6f - по крайней мере 6 позиций %.2 - 2 точки
после запятой, а общее число цифр не ограничивается %f - печатать
число с плавающей запятой

В printf() предусмотрены
 %d - для десятичных целых
 %o - для восьмеричных
 %x - для шестнадцатеричных
 %c - для символов
 %s - для символьных строк
 %% - для самого символа %

Функция printf( ) не входит в сам язык Си (в Си ввод и вывод
не определены). Для ввода используется функция scanf()

Изменим программу вычислений градусов по Фаренгейту:
void main( )
{
int fahr;
for (fahr = 0; fahr <= 300; fahr = fahr + 20)
printf(“%4d %6.1f \n”, fahr, (5.0/9.0)*(fahr-32));
}
Пример программы

Эта программа дает тот же результат


Плохо если в программе встречаются загадочные цифры вроде 300
или 20
В Си с помощью конструкций #define можно ввести
символическую константу. Везде потом транслятор заменит
вхождение имени константы на соответствующую строку
#define LOWER
#define UPPER
#define STEP
main()
{ int fahr;
for (fahr =
printf(“%4d
}


0
300
20
LOWER; fahr <= UPPER; fahr=fahr+STEP)
%6.1f \n”,fahr,(5.0/9.0)fahr-32));
LOWER, UPPER, STEP - константы, поэтому в описании они не
появляются. Символические имена констант обычно записывают
заглавными буквами, чтобы отличать их от переменных
В конце описания нет точки с запятой. Так как подставляется вместо
имени вся строчка, и оказалось бы в операторе for слишком много
запятых
Модульное программирование, компоновка



Полученный в результате трансляции объектный модуль включает в
себя готовые к выполнению коды команд, адреса и содержимое
памяти данных. Но это касается только собственных внутренних
объектов программы (функций и переменных).
Обращение к внешним функциям и переменным, отсутствующим в
данном фрагменте программы, не может быть полностью
переведено во внутреннее представление и остается в объектном
модуле в исходном (текстовом) виде. Но если эти функции и
переменные отсутствуют, значит они должны быть каким-то
образом получены в других объектных модулях.
Самый естественный способ - написать их на том же самом Си и
оттранслировать.
Это
и
есть
принцип
модульного
программирования - представление текста программы в виде
нескольких файлов, каждый из которых транслируется отдельно.




С модульным программированием мы сталкиваемся в двух случаях:
- когда сами пишем модульную программу;
- когда используем стандартные библиотечные функции.
БИБЛИОТЕКА ОБЪЕКТНЫХ МОДУЛЕЙ - это файл (библиотечный
файл), содержащий набор объектных модулей и собственный
внутренний каталог. Объектные модули библиотеки извлекаются из
нее целиком при наличии в них требуемых внешних функций и
переменных и используются в процессе компоновки программы.
КОМПОНОВКА -это процесс сборки программы из объектных
модулей, в котором производится их объединение в исполняемую
программу и связывание вызовов внешних функций и их
внутреннего представления (кодов), расположенных в различных
объектных модулях.

Источником объектного модуля может быть не только Сипрограмма, но и программа, написанная на любом другом языке
программирования, например, на Ассемблере.

В этом случае необходимы дополнительные соглашения по поводу
"стыковки" вызовов функций и обращений к данным в различных
языках.