Основные этапы развития языков программирования

Лабораторная работа №4

Основы алгоритмизации и технологии программирования

Цель работы:изучить технологии проектирования и отладки программ.

Теоретические сведения

Программа— это детальное и законченное описание алгоритма средствами языка программирования. Исполнителем программы является компьютер. Для выполнения компьютером программа должна быть представлена в машинном коде — последовательности чисел, понимаемых процессором. Написать программу в машинных кодах вручную достаточно сложно. Поэтому сегодня практически все программы создаются с помощью языков программирования, которые по своим синтаксису и семантике приближены к естественному человеческому языку. Это снижает трудоемкость программирования. Однако, текст программы, записанный с помощью языка программирования, должен быть преобразован в машинный код. Эта операция выполняется автоматически с помощью специальной служебной программы, называемой транслятором.

Трансляторы делятся на два типа: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретатор переводит в машинный код и выполняет очередной оператор (команду) программы. Если команда повторяется, то интерпретатор рассматривает ее как встреченную впервые.

Компилятор переводит в машинный код исходный текст программы целиком. Поэтому достоинство компиляторов — быстродействие и автономность получаемых программ. Достоинство интерпретаторов — их компактность, возможность остановить в любой момент выполнение программы, выполнить различные преобразования данных и продолжить работу программы.

Примерами служебных программ — интерпретаторов являются GW Basic, Лого, школьный алгоритмический язык, многие языки программирования баз данных. Компиляторами являются Turbo Pascal, С++, Delphi.

Средства создания программ

В общем случае для создания программ нужно иметь следующие компоненты

· текстовый редактор — для набора исходного текста программы;

· компилятор — для перевода текста программы в машинный код;

· редактор связей — для сборки нескольких откомпилированных модулей в одну программу;

· библиотеки функций — для подключения стандартных функций к программе.

Современные системы программирования включают в себя все указанные компоненты и называются интегрированными системами.

Исходный текст программы можно получить без записи его вручную в текстовом редакторе. Существуют системы визуального программирования — RAD-среды (Rapid Application Development), которые, не исключая возможности записи программы вручную, позволяют создавать текст программы автоматически, путем манипуляций со стандартными элементами управления, включенными в RAD-среду. Поэтому для RAD-среды понятие «программирование» часто заменяют понятием «проектирование».

По способу разработки программ можно выделить два подхода:

· процедурное программирование — это программирование, при котором выполнение команд программы определяется их последовательностью, командами перехода, цикла или обращениями к процедурам;

· объектно-ориентированное программирование – программирование, при котором формируются программные объекты, имеющие набор свойств, обладающие набором методов и способные реагировать на события, возникающие как во внешней среде, так и в самом объекте (нажатие мыши, срабатывание таймера, превышение числовой границы и т.д.). Таким образом, выполнение той или иной части программы зависит от событий в программной системе.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) не исключает, а охватывает технологию процедурного программирования.

Основные системы программирования

Из универсальных языков программирования наиболее популярны следующие: Basic; Pascal; C++; Java.

Для языка Basic существует много версий, реализованных и как интерпретаторы и как компиляторы. В России Basic традиционно используется в курсе информатики средней школы. Среда визуального программирования Microsoft Visual Basic используется как программная поддержка приложений MS Office.

Язык Pascal является компилируемым и широко используется как среда для обучения программированию в ВУЗах. RAD-средой, наследующей его основные свойства, является среда Borland Delphi.

Для языка C++ RAD-средой является Borland C++ Builder. Этот компилируемый язык часто используется для разработки программных приложений, в которых необходимо обеспечить быстродействие и экономичность программы.

Язык Java — интерпретируемый язык — позволяет создавать платформно-независимые программные модули, способные работать в компьютерных сетях с различными операционными системами. RAD-средой для него является Symantec Cafe.

Основные этапы развития языков программирования

Языки программирования развивались одновременно с развитием ЭВМ. С начала 50-х годов это были низкоуровневые языки (машинные и ассемблеры). В 1956 году появился язык Фортран, а в 1960 — Алгол-60. Это языки компилирующего типа, существенно уменьшившие трудоемкость программирования. Языки ориентированы на выполнение математических вычислений. В дальнейшем возникло большое количество различных языков, претендовавших на универсальность (PL/1) или для решения конкретных задач (COBOL — для деловых задач, ЛОГО — для обучения, Пролог — для разработки систем искусственного интеллекта). С середины 60-х до начала 80-х разработаны и получили распространение языки Pascal, Basic, Си, Ада и другие.

Принципиально новым этапом в развитии языков программирования стало появление методологии непроцедурного (ООП) программирования (см. выше). Основные достоинства ООП — быстрота разработки интерфейса программного приложения, возможность наследования свойств программных объектов.

Основы алгоритмизации

Алгоритм — это предписание некоторому исполнителю выполнить конечную последовательность действий, приводящую к некоторому результату.

В программировании алгоритм является фундаментом программы, а основным исполнителем — компьютер. На стадии тестирования алгоритма исполнителем может быть сам программист.

Алгоритм может быть записан с помощью блок-схемы, текстовым предписанием, с помощью рисунков, таблично или на специальном алгоритмическом языке. Наиболее популярны блок-схемы и предписания. Преимущество блок-схем — в наглядности алгоритма.

Основными свойствами алгоритма являются:

· дискретность — представление алгоритма в виде последовательности шагов;

· массовость — применимость алгоритма к некоторому множеству исходных данных;

· определенность — за конечное число шагов либо должен быть получен результат, либо доказано его отсутствие;

· однозначность — при повторном применении алгоритма к тем же исходным данным должен быть получен тот же результат.

Из перечисленных свойств лишь дискретность является обязательным свойством алгоритма. Можно привести примеры, когда невыполнение свойств массовости, определенности и однозначности не позволяет говорить об отсутствии алгоритма.

Для изображения алгоритмов будем использовать блок-схемы, формируемые из типовых блоков, показанных на рис. 1.

В теории алгоритмов доказано, что любой, сколь угодно сложный алгоритм может быть составлен из трех основных алгоритмических структур: линейной, ветвления и цикла, показанных, соответственно на рис. 2, 3, 4.

Линейная структура предполагает последовательное выполнение действий, без их повторения или пропуска некоторых действий. Обычно программисты стремятся к тому, чтобы алгоритм имел линейную структуру.

Структура "ветвление" предполагает выполнение одной из двух групп действий в зависимости от выполнения условия в блоке ветвления. На рис. 3 знаком "+" показано выполнение условия, а знаком "-" — его невыполнение. Часто используется неполная команда ветвления, когда один из блоков действия отсутствует.

Структура "цикл" имеет несколько разновидностей. На рис. 4 показан цикл типа "пока" с предусловием. Действия внутри этого цикла повторяются пока выполняется условие в блоке ветвления, причем сначала проверяется условие, а затем выполняется действие. Достаточно часто используются другие типы цикла, показанные на рис. 5 и 6.

В цикле с постусловием проверка условия выхода из цикла выполняется после очередного действия. Цикл "для" является модификацией цикла "пока" для ситуации, когда заранее известно количество повторений некоторых действий. Запись в блоке заголовка цикла на рис.6 показывает пример описания заголовка цикла, в котором действия повторяются столько раз, сколько целых значений приобретает параметр цикла i от своего начального значения 1 до конечного N с шагом 1. Обычно шаг не указывается, если он равен 1.

В языках программирования имеются команды, реализующие показанные выше структуры.

При разработке блок-схемы допускается делать любые записи внутри блоков, однако эти записи должны содержать достаточно информации для выполнения очередных действий.

Пример 1

Разработать блок-схему алгоритма Евклида, определяющего наибольший общий делитель (НОД) двух натуральных чисел A и B.

В основе алгоритма Евклида лежит правило:

НОД(A,B)= НОД(min(A,B), |A-B|),

где НОД(A,B) — наибольший общий делитель двух натуральных чисел A и B.

Основной идеей решения задачи является многократное применение указанного выше правила, после которого большее из чисел очередной пары уменьшается. Решение получено, когда числа оказываются равны друг другу. Поскольку количество повторений заранее неизвестно, в алгоритме следует применить цикл "пока" с предусловием (рис. 7).