Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
|
[1] Языки программирования [1.1] Машинный код процессора [1.2] Уровни языков программирования [1.3] Поколения языков программирования [1.4] Обзор языков программирования высокого уровня [1.5] Языки программирования баз данных [1.6] Языки программирования для Интернета [1.7] Прочие языки программирования [1.7.1] Вопросы для самоконтроля [2] Системы программирования [2.1] Средства создания программ [2.2] Интегрированные системы программирования [2.3] Среды быстрого проектирования [2.4] Архитектура программных систем [2.5] Основные системы программирования [2.5.1] Вопросы для самоконтроля |
Компьютерные программы создают программисты — люди, обученные процессу их составления (программированию). Мы знаем, что программа — это логически упорядоченная последовательность команд, необходимых для управления компью тером (выполнения им конкретных операций), поэтому программирование сво дится к созданию последовательности команд, необходимой для решения опреде ленной задачи.
Процессор компьютера — это большая интегральная микросхема. Все команды и данные он получает в виде электрических сигналов. Фактически процессор можно рассматривать как огромную совокупность достаточно простых электронных эле ментов — транзисторов. Транзистор имеет три вывода. На два крайних подается напряжение, необходимое для создания в транзисторе электрического тока, а на средний вывод — напряжение, с помощью которого можно управлять внутренним сопротивлением транзистора, а значит, управлять и током, и напряжением на его выводах.
В электронике транзисторы имеют три применения: для создания усилителей, в электронных схемах, обладающих автоколебательными свойствами, и в электрон ных переключателях. Последний способ и применяется в цифровой вычислитель ной технике. В процессоре компьютера транзисторы сгруппированы в микроэле менты, называемые триггерами и вентилями. Триггеры имеют два устойчивых состояния (открыт — закрыт) и переключаются из одного состояния в другое электрическими сигналами. Этим устойчивым состояниям соответствуют матема тические понятия 0 или 1. Вентили немного сложнее — они могут иметь несколько входов (напряжение на выходе зависит от комбинаций напряжений на входах) и служат для простейших арифметических и логических операций.
Команды, поступающие в процессор по его шинам, на самом деле являются элект рическими сигналами, но и их тоже можно представить как совокупности нулей и единиц, то есть числами. Разным командам соответствуют разные числа. Поэтому реально программа, с которой работает процессор, представляет собой последова тельность чисел, называемую машинным кодом.
Алгоритм и программа
Управлять компьютером нужно по определенному алгоритму. Алгоритм — это точно определенное описание способа решения задачи в виде конечной (по времени) последовательности действий. Такое описание еще называется формальным. Для представления алгоритма в виде, понятном компьютеру, служат языки программи рования. Сначала всегда разрабатывается алгоритм действий, а потом он записы вается на одном из таких языков. В итоге получается текст программы — полное, законченное и детальное описание алгоритма на языке программирования. Затем этот текст программы специальными служебными приложениями, которые назы ваются трансляторами, либо переводится в машинный код, либо исполняется.
Что такое язык программирования
Самому написать программу в машинном коде весьма сложно, причем эта слож ность резко возрастает с увеличением размера программы и трудоемкости решения нужной задачи. Условно можно считать, что машинный код приемлем, если размер программы не превышает нескольких десятков байтов и нет потребности в опера циях ручного ввода/вывода данных.
Поэтому сегодня практически все программы создаются с помощью языков про граммирования. Теоретически программу можно написать и средствами обычного человеческого (естественного) языка — это называется программированием на метаязыке (подобный подход обычно используется на этапе составления алгорит ма), но автоматически перевести такую программу в машинный код пока невоз можно из-за высокой неоднозначности естественного языка.
Языки программирования — искусственные языки. От естественных они отлича ются ограниченным числом «слов», значение которых понятно транслятору, и очень строгими правилами записи команд (операторов). Совокупность подобных тре бований образует синтаксис языка программирования, а смысл каждой команды и других конструкций языка — его семантику. Нарушение формы записи программы приводит к тому, что транслятор не может понять назначение оператора и выдает сообщение о синтаксической ошибке, а правильно написанное, но не отвечающее алгоритму использование команд языка приводит к семантическим ошибкам (назы ваемым еще логическими ошибками или ошибками времени выполнения).
Процесс поиска ошибок в программе называется тестированием, процесс устра нения ошибок — отладкой.
Компиляторы и интерпретаторы
С помощью языка программирования создается не готовая программа, а только ее текст, описывающий ранее разработанный алгоритм. Чтобы получить работающую программу, надо этот текст либо автоматически перевести в машинный код (для этого служат программы-компиляторы) и затем использовать отдельно от исход ного текста, либо сразу выполнять команды языка, указанные в тексте программы (этим занимаются программы-интерпретаторы).
Интерпретатор берет очередной оператор языка из текста программы, анализирует его структуру и затем сразу исполняет (обычно после анализа оператор трансли руется в некоторое промежуточное представление или даже машинный код для более эффективного дальнейшего исполнения). Только после того, как текущий оператор успешно выполнен, интерпретатор перейдет к следующему. При этом, если один и тот же оператор должен выполняться в программе многократно, интер претатор всякий раз будет выполнять его так, как будто встретил впервые. Вслед ствие этого, программы, в которых требуется осуществить большой объем повто ряющихся вычислений, могут работать медленно. Кроме того, для выполнения такой программы на другом компьютере там также должен быть установлен интер претатор — ведь без него текст программы является просто набором символов.
По-другому можно сказать, что интерпретатор моделирует некую виртуальную вычислительную машину, для которой базовыми инструкциями служат не элемен тарные команды процессора, а операторы языка программирования.
Компиляторы полностью обрабатывают весь текст программы (он иногда называ ется исходный код). Они просматривают его в поисках синтаксических ошибок (иногда несколько раз), выполняют определенный смысловой анализ и затем авто матически переводят (транслируют) на машинный язык — генерируют машинный код. Нередко при этом выполняется оптимизация с помощью набора методов, позво ляющих повысить быстродействие программы (например, с помощью инструкций, ориентированных на конкретный процессор, путем исключения ненужных команд, промежуточных вычислений и т. д.). В результате законченная программа получается компактной и эффективной, работает в сотни раз быстрее программы, выпол няемой с помощью интерпретатора, и может быть перенесена на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код.
Основной недостаток компиляторов — трудоемкость трансляции языков програм мирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры, часто зара нее неизвестной или динамически меняющейся во время работы программы. Тогда в машинный код приходится вставлять множество дополнительных проверок, ана лизировать наличие ресурсов операционной системы, динамически их захваты вать и освобождать, формировать и обрабатывать в памяти компьютера сложные объекты, что на уровне жестко заданных машинных инструкций осуществить довольно трудно, а для ряда задач практически невозможно.
С помощью интерпретатора, наоборот, допустимо в любой момент остановить работу программы, исследовать содержимое памяти, организовать диалог с пользо вателем, выполнить сколь угодно сложные преобразования данных и при этом постоянно контролировать состояние окружающей программно-аппаратной среды, благодаря чему достигается высокая надежность работы. Интерпретатор при выполнении каждого оператора проверяет множество характеристик операционной системы и при необходимости максимально подробно информирует разработ чика о возникающих проблемах. Кроме того, интерпретатор очень удобен для использования в качестве инструмента изучения программирования, так как позво ляет понять принципы работы любого отдельного оператора языка.
В реальных системах программирования перемешаны технологии и компиляции, и интерпретации. В процессе отладки программа может выполняться по шагам, а результирующий код не обязательно будет машинным — он даже может быть исход ным кодом, написанным на другом языке программирования (это существенно упрощает процесс трансляции, но требует компилятора для конечного языка), или промежуточным машинно-независимым кодом абстрактного процессора, который в различных компьютерных архитектурах станет выполняться с помощью интер претатора или компилироваться в соответствующий машинный код.
Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программиро вания ориентирован на конкретный тип Процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. В данном случае «низ кий уровень» не значит «плохой». Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.
Языком самого низкого уровня является язык ассемблера, который просто пред ставляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью сим вольных условных обозначений, называемых мнемониками. Однозначное преоб разование одной машинной инструкции в одну команду ассемблера называется транслитерацией. Так как наборы инструкций для каждого модели процессора отличаются, конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассем блера, и написанная на нем программа может быть использована только в этой среде.
С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям процес сора. С другой стороны, при этом требуется очень хорошо понимать устройство компьютера, затрудняется отладка больших приложений, а результирующая про грамма не может быть перенесена на компьютер с другим типом процессора. Подоб ные языки обычно применяют для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнейшими требованиями становятся компактность, быстродействие и возмож ность прямого доступа к аппаратным ресурсам. В некоторых областях, например в машинной графике, на языке ассемблера пишутся библиотеки, эффективно реали зующие требующие интенсивных вычислений алгоритмы обработки изображений.
Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощ ных команд значительно проще, а ошибок при создании программ допускается гораздо меньше.
Языки программирования принято делить на пять поколений. В первое поколение входят языки, созданные в начале 50-х годов, когда первые компьютеры только появились на свет. Это был первый язык ассемблера, созданный по принципу «одна инструкция — одна строка».
Расцвет второго поколения языков программирования пришелся на конец 50-х — начало 60-х годов. Тогда был разработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Он стал первым полноценным языком програм мирования. Благодаря его возникновению заметно возросли скорость разработки и надежность программ.
Появление третьего поколения языков программирования принято относить к 60-м годам. В это время родились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решать задачи из любых областей. Такие качества новых язы ков, как относительная простота, независимость от конкретного компьютера и воз можность использования мощных синтаксических конструкций, позволили резко повысить производительность труда программистов. Понятная большинству пользователей структура этих языков привлекла к написанию небольших программ (как правило, инженерного или экономического характера) значительное число специалистов из .некомпьютерных областей. Подавляющее большинство языков этого поколения успешно применяется и сегодня.
С начала 70-х годов по настоящее время продолжается период языков четвертого поколения. Эти языки предназначены для реализации крупных проектов, повы шения их надежности и скорости создания. Они обычно ориентированы на специ ализированные области применения, где хороших результатов можно добиться, используя не универсальные, а проблемно-ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваются мощные операторы, позволяющие одной строкой описать такую функциональность, для реализации которой на языках младших поколений потре бовались бы тысячи строк исходного кода.
Рождение языков пятого поколения произошло в середине 90-х годов. К ним отно сятся также системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Главная идея, кото рая закладывается в эти языки, — возможность автоматического формирования результирующего текста на универсальных языках программирования (который потом требуется откомпилировать). Инструкции же вводятся в компьютер в мак симально наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных для человека, не знакомого с программированием.
FORTRAN (Фортран). Это первый компилируемый язык, созданный Джимом Бэкусом в 50-е годы. Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высоко производительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Хотя в Фортране впервые был реализован ряд важнейших понятий программиро вания, удобство создания программ было принесено в жертву возможности полу чения эффективного машинного кода. Однако для этого языка было создано огром ное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает активно исполь зоваться во многих организациях, а сейчас ведутся работы над очередным стан дартом Фортрана F2k, который появится в 2000 году. Имеется стандартная версия Фортрана HPF(High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров со множеством процессоров.
COBOL (Кобол). Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес-задач, разработанный в начале 60-х годов. Он отличается большой «многословностью» — его операторы иногда выглядят как обычные анг лийские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с боль шими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сего дня. Достаточно сказать, что наибольшую зарплату в США получают программи сты на Коболе.
Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был призван заме нить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распрост ранения. В 1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.
Pascal (Паскаль). Язык Паскаль, созданный в конце 70-х годов основоположни ком множества идей современного программирования Никлаусом Виртом, во мно гом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании круп ных проектов.
Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы, а по популярности он занимает первое место в мире. Он создавался в 60-х годах в каче стве учебного языка и очень прост в изучении.
С (Си). Данный язык был создан в лаборатории Bellu первоначально не рассматри вался как массовый. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь воз можность создавать столь же эффективные и компактные программы и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора.
Си во многом похож на Паскаль и имеет дополнительные средства для прямой работы с памятью (указатели). На этом языке в 70-е годы написано множество прикладных и системных программ и ряд известных операционных систем (Unix).
C++ (Си++). Си++ — это объектно-ориентированное расширение языка Си, создан ное Бьярном Страуструпом в 1980 году. Множество новых мощных возможнос тей, позволивших резко повысить производительность программистов, наложилось на унаследованную от языка Си определенную низкоуровневость, в резуль тате чего создание сложных и надежных программ потребовало от разработчиков высокого уровня профессиональной подготовки.
Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей. Но главная особенность этого языка — компиляция не в машинный код, а в платформо-независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора — виртуальной Lava-машины (Java Virtual Machine), версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию мно жества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода, поэтому по популярности язык Ява сегодня занимает второе место в мире после Бейсика.
Особое внимание в развитии этого языка уделяется двум направлениям: поддержке всевозможных мобильных устройств и микрокомпьютеров, встраиваемых в быто вую технику (технология Jini) и созданию платформо-независимых программ ных модулей, способных работать на серверах в глобальных и локальных сетях с различными операционными системами (технология. Java Beans). Пока основной недостаток этого языка — невысокое, быстродействие, так как язык Ява интерпре тируемый.
С# (Си Шарп). В конце 90-х годов в компании Microsoft под руководством Андерса Хейльсберга был разработан язык С#. В нем воплотились лучшие идеи Си и Си++, а также достоинства Java. Правда, С#, как и другие технологии Microsoft, ориенти рован на платформу Windows, Однако формально он не отличается от прочих уни версальных языков, а корпорация даже планирует его стандартизацию. Язык С# предназначен для быстрой разработки .NET-приложений, и его реализация в сис теме Microsoft Visual Studio .NET содержит множество особенностей, привязываю щих С# к внутренней архитектуре Windows и платформы .NET.
Эта группа языков отличается от алгоритмических языков прежде всего решаемыми задачами. База данных — это файл (или группа файлов), представляющий собой упорядоченный набор записей, имеющих единообразную структуру и организованных по единому шаблону (как правило, в табличном виде). База данных может состоять из нескольких таблиц. Удобно хранить в базах данных различные сведения из справочников, картотек, журналов бухгалтерского учета и т. д.
При работе с базами данных чаще всего требуется выполнять следующие операции:
• создание/модификация свойств/удаление таблиц в базе данных;
• поиск, отбор, сортировка информации по запросам пользователей;
• добавление новых записей;
• модификация существующих записей;
• удаление существующих записей.
Первые базы данных появились очень давно, как только появилась потребность в обработке больших массивов информации и выборки групп записей по опреде ленным признакам. Для этого был создан структурированный язык запросов SQL (Structured Query Language). Он основан на мощной математической теории и позво ляет выполнять эффективную обработку баз данных, манипулируя не отдельными записями, а группами записей.
Для управления большими базами данных и их эффективной обработки разрабо таны СУБД (Системы Управления Базами Данных). Практически в каждой СУБД помимо поддержки языка SQL имеется также свой уникальный язык, ориентиро ванный на особенности этой СУБД и не переносимый на другие системы. Сегодня в мире насчитывается три ведущих производителя СУБД: Microsoft (SQL Server), IBM (DB2) и Oracle. Их продукты нацелены на поддержку одновременной работы тысяч пользователей в сети, а базы данных могут храниться в распределенном виде на нескольких серверах. В каждой из этих СУБД реализован собственный диалект SQL, ориентированный на особенности конкретного сервера, поэтому SQL-программы, подготовленные для разных СУБД, друг с другом, как правило, несовместимы.
С появлением персональных компьютеров были созданы так называемые настоль ные СУБД. Родоначальником современных языков программирования баз данных для ПК принято считать СУБД dBase II, язык которой был интерпретируемым. Затем для него были созданы компиляторы, появились СУБД FoxPro и Clipper, поддерживающие диалекты этого языка. Сегодня самой распространенной настоль ной СУБД стала система Microsoft Access.
С активным развитием глобальной сети было создано немало реализации популярных языков программирования, адаптированных специально для Интернета. Все они отличаются характерными особенностями: языки являются интерпретируемыми, интерпретаторы для них распространяются бесплатно, а сами программы — в исходных текстах. Такие языки называют скрипт-языками.
HTML. Общеизвестный язык для оформления документов. Он очень прост и содер жит элементарные команды форматирования текста, добавления рисунков, задания шрифтов и цветов, организации ссылок и таблиц. Все Web-страницы написаны на языке HTML или используют его расширения.
Peri. В 80-х годах Ларри Уолл разработал язык Peri. Он задумывался как средство эффективной обработки больших текстовых файлов, генерации текстовых отчетов и управления задачами. По мощности Peri значительно превосходит языки типа Си. В него введено много часто используемых функций работы со строками, мас сивами, всевозможные средства преобразования данных, управления процессами, работы с системной информацией и др.
РНР. Расмус Лердорф, активно использовавший РегУ-скрипты, в 1995 году решил улучшить этот язык, упростив его и дополнив встроенными средствами доступа к базам данных. В результате появилась разработка Personal Contents Page/Forms Interpreter (PHP/FI). Уже через пару лет программы на ее основе использовались на 50 тыс. сайтов. В 1997 году ее значительно усовершенствовали Энди Гутмане и Зив Сураски, и под названием РНР 3.0 этот язык быстро завоевал популярность у создателей динамических сайтов во всем мире.
Tcl/Tk. В конце 80-х годов Джон Аустираут придумал популярный скрипт-язык - Tel и библиотеку Tk. В Tel он попытался воплотить видение идеального скрипт-языка. Язык Tel ориентирован на автоматизацию рутинных процессов и состоит из мощных команд, предназначенных для работы с абстрактными нетипизирован ными объектами. Он независим от типа системы и при этом позволяет создавать программы с графическим интерфейсом.
VRML. В 1994 году был создан язык VRML для организации виртуальных трех^ мерных интерфейсов в Интернете. Он позволяет описывать в текстовом виде раз личные трехмерные сцены, освещение и тени, текстуры (покрытия объектов), созда вать свои миры, путешествовать по ним, «облетать» со всех сторон, вращать в любых направлениях, масштабировать, регулировать освещенность и т. д.
XML. В августе 1996 года WWW-консорциум, ответственный за стандарты на Интернет-технологии, приступил к подготовке универсального языка разметки структуры документов, базировавшегося на достаточно давно созданной в ZBM тех нологии SGML. Новый язык получил название XML. Сегодня он служит основой множества системных, сетевых и прикладных приложений, позволяя представлять в прозрачном для пользователей и программ текстовом виде различные аспекты внутренней структуры иерархически организованных документов. В недалеком будущем он может стать заменой HTML.
Языки моделирования
При создании программ и формировании структур баз данных нередко применя ются формальные способы их представления — формальные нотации, с помощью которых можно визуально представить (изобразить с помощью мыши) таблицы баз данных, поля, объекты программы и взаимосвязи между ними в системе, имею щей специализированный редактор и генератор исходных текстов программ на основе созданной модели. Такие системы называются CASE-системами. В них активно применяются нотации IDEF, а в последнее время все большую популяр ность завоевывает язык графического моделирования UML.
PL/I (ПЛ/1). В середине 60-х годов компания IBM решила взять все лучшее из языков Фортран, Кобол и Алгол. В результате в 1964 году на свет появился новый компилируемый язык программирования, который получил название Programming Language One. В этом языке было реализовано множество уникальных решений, полезность которых удается оценить только спустя 33 года, в эпоху крупных про граммных систем. По своим возможностям ПЛ/1 значительно мощнее многих дру гих языков (Си, Паскаля), Например, в ПЛ/1 присутствует уникальная возмож ность указания точности вычислений — ее нет даже у Си++ и Явы. Этот язык и сегодня продолжает поддерживаться компанией IBM.'
Smalltalk (Смолток). Работа над этим языком началась в 1970 году в исследова тельской лаборатории корпорации XEROX, а закончились спустя 10 лет, воплотившись в окончательном варианте интерпретатора SMALLTALK-80. Данный язык оригинален тем, что его синтаксис очень компактен и базируется исключительно на понятии объекта. В этом языке отсутствуют операторы или данные. Все, что . входит в Смолток, является объектами, а сами объекты общаются друг с другом исклю чительно с помощью сообщений (например, появление выражения 1+1 вызывает посылку объекту I сообщения «+», то есть «прибавить», с параметром 1, который считается не числом-константой, а тоже объектом). Больше никаких управляющих структур, за исключением «оператора» ветвления (на самом деле функции, принад лежащей стандартному объекту), в языке нет, хотя их можно очень просто смодели ровать. Сегодня версия VisualAge for Smalltalk активно развивается компанией IBM.
LISP (Лисп). Интерпретируемый язык программирования, созданный в 1960 году Джоном Маккарти. Ориентирован на структуру данных в форме списка и позволяет организовывать эффективную обработку больших объемов текстовой информации.
Prolog (Пролог). Создан в начале 70-х годов Аланом Колмероэ. Программа на этом языке, в основу которого положена математическая модель теории исчисления предикатов, строится из последовательности фактов и правил, а затем формулиру ется утверждение, которое Пролог будет пытаться доказать с помощью введенных правил. Человек только описываетструктуру задачи, а внутренний «мотор» Про лога сам ищет решение с помощью методов поиска и сопоставления.
Ada (Ада). Назван по имени леди Огасты Ады Байрон, дочери английского поэта Байрона и его отдаленной родственницы Анабеллы Милбэнк. В 1980 году сотни экспертов Министерства обороны США отобрали из 17 вариантов именно этот язык, разработанный небольшой группой под руководством Жана Ишбиа. Он удов летворил на то время все требования Пентагона, а к сегодняшнему дню в его разви тие вложены десятки миллиардов долларов. Структура самого языка похожа на Пас каль. В нем имеются средства строгого разграничения доступа к различным уровням спецификаций, доведена до предела мощность управляющих конструкций.
Forth (Форт). Результат попытки Чарльза Мура в 70-х годах создать язык, облада ющий мощными средствами программирования, который можно эффективно реали зованным на компьютерах с небольшими объемами памяти, а компилятор мог бы выдавать очень быстрый и компактный код, то есть служил заменой ассемблеру. Однако сложности восприятия программного текста, записанного в непривычной форме, сильно затрудняли поиск ошибок, и с появлением Си язык Форт оказался забытым.
1. Что такое язык программирования?
2. В чем различие компиляторов и интерпретаторов?
3. Объясните термины «язык низкого уровня» и «язык высокого уровня».
4. Расскажите о поколениях языков программирования.
5. Какие языки программирования активно используются сегодня?
В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программи рования нужно иметь следующие компоненты.
1. Текстовый редактор. Так как текст программы записывается с помощью ключе вых слов, обычно происходящих от слов английского языка, и набора стандарт ных символов для записи всевозможных операций, то формировать этот текст можно в любом редакторе, получая в итоге текстовый файл с исходным текс том программы. Лучше использовать специализированные редакторы, кото рые ориентированы на конкретный язык программирования и позволяют в процессе ввода текста выделять ключевые слова и идентификаторы разными цветами и шрифтами. Подобные редакторысозданы для всех популярных язы ков и дополнительно могут автоматически проверять правильность синтаксиса программы непосредственно во время ее ввода.
2. Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в машинный код. Если обнаружены синтаксические ошибки, то результирующий код создан не будет.
На этом этапе уже возможно получение готовой программы, но чаще всего в ней не хватает некоторых компонентов, поэтому компилятор обычно выдает промежуточный объектный код (двоичный файл, стандартное расширение .OBJ).
3. Исходный текст большой программы состоит, как правило, из несколькихлюйг/-лей (файлов с исходными текстами), потому что хранить все тексты в одном файле неудобно — в них сложно ориентироваться. Каждый модуль компили руется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое.
Кроме того, к ним надо добавить машинный код подпрограмм, реализующих различные стандартные функции (например, вычисляющих математические функции sin или In). Такие функции содержатся в библиотеках (файлах со стан дартным расширением .LIB), которые поставляются вместе с компилятором. Сгенерированный код модулей и подключенные к нему стандартные функции надо не просто объединить в одно целое, а выполнить такое объединение с уче том требований операционной системы, то есть получить на выходе программу, отвечающую определенному формату.
Объектный код обрабатывается специальной программой —редактором связей или сборщиком, который выполняет связывание объектных модулей и машин ного кода стандартных функций, находя их в библиотеках, и формирует на выходе работоспособное приложение — исполнимый код для конкретной плат формы.
Если по каким-то причинам один из объектных модулей или нужная библио тека не обнаружены (например, неправильно указан каталог с библиотекой), то сборщик сообщает об ошибке и готовой программы не получается.
4. Исполнимый код — это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение .ЕХЕ.
Итак, для создания программы нужны:
• текстовый редактор;
• компилятор;
• редактор связей;
• библиотеки функций.
Как правило, в стандартную поставку входят как минимум три последних компо нента, но хорошая интегрированная система включает в себя и специализирован ный текстовый редактор, причем почти все этапы создания программы в ней автома тизированы: после того как исходный текст введен, его компиляция и сборка выполняются одним нажатием клавиши. Это очень удобно, так как не требует руч ной настройки множества параметров запуска компилятора и редактора связей, указывания им нужных файлов вручную и т. д. Процесс компиляции обычно демон стрируется на экране: показывается, сколько строк исходного текста откомпилиро вано, или выдаются сообщения о найденных ошибках.
В современных интегрированных системах имеется еще один компонент — отлад чик, который позволяет анализировать работу программы во время ее выполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исход ного текста по шагам, наблюдая при этом, как меняются значения различных пере менных. Без отладчика разработать крупное приложение очень сложно.
В последние несколько лет в программировании (особенно в программировании для операционной системы Windows) наметился так называемый визуальный под ход. До этого серьезным препятствием для разработки графических приложений была сложность создания различных элементов управления и контроля их работы. Достаточно взглянуть на окно любой Windows-программы. В нем имеется множе ство стандартных элементов управления (кнопки, пункты меню, списки, переклю чатели и т. д.). Очень трудоемко вручную описывать процесс создания этих эле ментов в соответствии с требованиями Windows, на глазок определять координаты, отслеживать их состояние с помощью специальных команд. Например, для про стой программы, складывающей два числа, потребуется один оператор (одна строка исходного текста) для выполнения нужного вычисления и сотни строк кода для подготовки приложения к работе в Windows, создания кнопки и пары полей ввода.
Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования (Rapid Application Development, RAD-среды). Все необходимые элементы оформления и управления создаются и обслуживаются не путем ручного программирования, а с помощью готовых визуальных компонентов, которые с помощью мыши «перетаскиваются» в проектируемое окно. Их свойства и поведение затем настраиваются с помощью простых редакторов, визуально показывающих характеристики соответствуют элементов. При этом вспомогательный исходный текст программы, ответственный за создание и работу этих элементов, генерируется RAD-средой автоматически, что позволяет сосредоточиться только на логике решаемой задачи. В результате и программирование во многом заменяется на проектирование — подобный подход называется еще визуальным программированием.
Компоненты достаточно легко создавать самостоятельно, поэтому в мире сегодня распространяются тысячи бесплатных и платных компонентов для наиболее из известных RAD-сред, из них формируются библиотеки компонентов — объектные репозитории. Компоненты выступают в роли «строительных кирпичиков», позволяющих собирать готовое приложение с богатыми возможностями, написав всего десяток строк исходного кода, и такой компонентный подход к созданию программ считается очень перспективным, потому что без лишних усилий и на законных основаниях допускает повторное использование чужого труда.
В то время как большинство автономных приложений: офисные программы, среды разработки, системы подготовки текстов и изображений — выполняются на одном компьютере, крупные информационные комплексы (например, система автоматизации предприятия) состоят из десятков и сотен отдельных программ, которые взаимодействуют друг с другом по сети, выполняясь на разных компьютерах. В таких случаях говорят, что они работают в различной программной архитектуре. Она делится на следующие группы.
Автономные приложения. Работают на одном компьютере.
Приложения в файл-серверной архитектуре. Компьютеры пользователей системы объединены в сеть, при этом на каждом из них (на клиентском месте) запущены копии одной и той же программы, которые обращаются за данными к серверу - специальному компьютеру, который хранит файлы, одновременно доступные всем пользователям (как правило, это базы данных). Сервер обладает повышенной надежностью, высоким быстродействием, большим объемом памяти, на нем установлена специальная серверная версия операционной системы.
При одновременном обращении нескольких программ к одному файлу, например, с целью его обновления, могут возникнуть проблемы, связанные с неоднозначностью определения его содержимого. Поэтому каждое изменение общедоступного файла выделяется в транзакцию — элементарную операцию по обработке данных, имеющую фиксированные начало, конец (успешное или неуспешное завершение) и ряд других характеристик.
Особенность этой архитектуры в том, что все вычисления выполняются на клиентских местах, что требует наличия на них достаточно производительных ПК (это так называемые системы с толстым клиентом — программой, которая выполняет всю обработку получаемой от сервера информации).
Приложения в клиент-серверной архитектуре. Эта архитектура похожа на предыдущую, только сервер помимо простого обеспечения одновременного доступа к данным способен еще выполнять программы (обычно выполняются СУБД — тогда сервер называется сервером баз данных), которые берут на себя определенный объем вычислений (в файл-серверной архитектуре он реализуется полностью на клиентских местах). Благодаря этому удается повысить общую надежность системы, так как сервер работает значительно более устойчиво, чем ПК, и снять лишнюю нагрузку с клиентских мест, на которых удается использовать дешевые компьютеры. Запускаемые на них приложения реально осуществляют небольшие объемы вычислений, а иногда занимаются только отображением получаемой от сервера информации, поэтому они называются тонкими клиентами.
Приложения в многозвенной архитектуре. Недостаток предыдущей архитектуры в том, что резко возрастает нагрузка на сервер, а если он выходит из строя, то работа всей системы останавливается. Поэтому в некоторых случаях в систему добавляется так называемый сервер приложений, на котором выполняется вся вычислительная работа. Другой сервер баз данных обрабатывает запросы пользователей, на третьем может быть установлена специальная программа — монитор транзакций, которая оптимизирует обработку транзакций и балансирует нагрузку на серверы В большинстве практических случаев все серверы соединены последовательно -позвенно, и выход из строя одного звена если и не останавливает всю работу, то, по крайней мере, резко снижает производительность системы.
Приложения в распределенной архитектуре. Чтобы избежать недостатков рассмотренных архитектур, были придуманы специальные технологии, позволяющие создавать программу в виде набора компонентов, которые можно запускать на любых серверах, связанных в сеть (компоненты как бы распределены по сети) Основное преимущество подобного подхода в том, что при выходе из строя любого компьютера специальные программы-мониторы, которые следят за корректностью работы компонентов и позволяют им «переговариваться» между собой, сразу перезапуская временно пропавший компонент на другом компьютере. При это общая надежность всей системы становится очень высокой, а вычислительная загрузка распределяется между серверами оптимальным образом.
Доступ к возможностям любого компонента, предназначенного для общения с пользователем, осуществляется с произвольного клиентского места. При этом, так как все вычисления происходят на серверах, появляется возможность создавал сверхтонкие клиенты — программы, только отображающие получаемую из сети информацию и требующие минимальных компьютерных ресурсов. Благодаря этому доступ к компонентной системе возможен не только с ПК, но и с небольших мобильных устройств.
Частный случай компонентного подхода — доступ к серверным приложениям из браузеров через Интернет.
Сегодня наиболее популярны три компонентные технологии — CORBA консорциума OMG, Java Beans компании Sun и COM+/.NET корпорации Microsoft. Эти технологии будут определять развитие информационной индустрии в ближайшие десятилетия.
Из универсальных языков программирования сегодня наиболее популярны следу ющие:
• Бейсик (Basic) — для освоения требует начальной подготовки (общеобразова тельная школа);
• Паскаль (Pascal) — требует специальной подготовки (школы с углубленным изучением предмета и общетехнические вузы);
• Си++ (C++), Ява (Java), Си Шарп (С#) — требуют профессиональной подго товки (специализированные средние и высшие учебные заведения).
Для каждого из этих языков программирования сегодня имеется немало систем программирования, выпускаемых различными фирмами и ориентированных на различные модели ПК и операционные системы. Наиболее популярны следую щие визуальные среды быстрого проектирования программ для Windows:
• Basic: Microsoft Visual Basic;
• Pascal: Borland Delphi;
• C++: Microsoft Visual C++;
• Java: Borland JBuilder,
• C#: Microsoft Visual Studio .NET, Borland C#Builder.
Для разработки серверных и распределенных приложений можно использовать систему программирования Microsoft Visual C++, продукты фирмы Borland, прак тически любые средства программирования на Java.
В дальнейшем будут рассматриваться возможности, характерные для Бейсика, Паскаля и Си++.
1. Что нужно для создания программы?
2. Что такое среды быстрого проектирования?
3. Объясните понятие «архитектура программной системы».
4. Опишите основные типы программных архитектур.
5. Какая программная архитектура обеспечивает работу Интернета?