Стандартное (системное) программирование

Рассматривается наиболее известная парадигма программирования. Предлагается анализ ограничений на структуры управления и информационные потоки при обработке данных. Приведено обоснование дисциплины программирования на стандартных императивно-процедурных языках. Отмечена проблема сопряжения программ, подготовленных на разных языках. Методы расширения функциональных построений применены для моделирования привычного операторно-процедурного стиля программирования и техники работы с глобальными определениями. Обсуждены достоинства структурного программирования, повышающего сходимость процесса отладки программ [ [ 11 ] , [ 70 ] ].

Существует большое число чисто теоретических работ, исследовавших соотношения между потенциалом функционального и императивно-процедурного подхода к записи программ, пришедших к заключению о формальной сводимости в обе стороны при непринципиальных ограничениях на средства программирования. На практике переложить функциональные программы в императивные проще, чем наоборот - может не хватать широты понятий.

Любые конструкции стандартных языков программирования могут быть введены как функции, дополняющие исходную систему функционального программирования, что делает их вполне легальными средствами в рамках функционального подхода. Надо лишь четко уяснить цену такого дополнения и его преимущества, обычно связанные с наследованием решений и привлечением пользователей. В первых реализациях Лиспа были сразу предложены специальные формы и структуры данных, служащие мостом между разными стилями программирования, а заодно смягчающие недостатки исходной, слишком идеализированной, схемы интерпретации, выстроенной для учебных и исследовательских целей. Важнейшее такого рода средство, выдержавшее испытание временем - prog-форма, списки свойств атома и деструктивные операции, расширяющие язык программирования так, что становятся возможными оптимизирующие преобразования структур данных, программ и процессов, а главное - раскрутка систем программирования [ [ 75 ] ].

Применение prog-выражений позволяет писать "паскалеподобные" программы, состоящие из операторов, предназначенных для исполнения. (Точнее "алголоподобные", т.к. появились лет за десять до Pascal. Но теперь более известен Pascal.)

Для примера prog-выражения приводится императивное определение функции Length *), сканирующей список и вычисляющей число элементов на верхнем уровне списка. Значение функции Length - целое число. Программу можно примерно описать следующими словами^{1Примечание. Стилизация примера от МакКарти [ [ 75 ] ].} :

"Это функция одного аргумента L.
 Она реализуется программой с двумя рабочими переменными u и v.
        Записать число 0 в v.
        Записать аргумент L в u.
A: Если u содержит NIL, то программа выполнена и значением является то,
                                                 что сейчас записано в v.
       Записать в u cdr от того, что сейчас в u.
       Записать в v на единицу больше того, что сейчас записано в v.
 Перейти к A"

Эту программу можно записать в виде Паскаль-программы с несколькими подходящими типами данных и функциями. Строкам описанной выше программы в предположении, что существует на Паскале библиотека функций над списками, соответствуют строки определения функции:

function LENGTH (L: list) : integer;
             var U: list; 
                 V: integer;
begin
      V := 0;
      U := l;
A:     if null (U) then LENGTH := V;       
      U := cdr (U);
      V := V+1;
             goto A;
end;

Переписывая на Лисп, получаем программу:

(defun      

LENGTH (lambda (L)
                  (prog (U V)
      (setq V 0)
      (setq U L)
A       (cond  ((null U)(return V)))
      (setq U (cdr U))
      (setq V (+ 1 V))
(go  A)  )))  ))

Prog-форма имеет структуру, подобную определениям функций и процедур в Паскале: (PROG, список рабочих переменных, последовательность операторов и атомов ... ) Атом в списке является меткой, локализующей оператор, расположенный вслед за ним. В приведенном примере метка A локализует оператор, начинающийся с "COND".

Первый список после символа PROG называется списком рабочих переменных. При отсутствии таковых должно быть написано NIL или (). С рабочими переменными обращаются примерно как со связанными переменными, но они не могут быть связаны ни с какими значениями через lambda. Значение каждой рабочей переменной есть NIL, до тех пор, пока ей не будет присвоено что-нибудь другое.

Для присваивания рабочей переменной применяется форма SET. Чтобы присвоить переменной pi значение 3.14 пишется (SET (QUOTE PI)3.14). SETQ подобна SET, но она еще и блокирует вычисление первого аргумента. Поэтому (SETQ PI 3.14) - запись того же присваивания. SETQ обычно удобнее. SET и SETQ могут изменять значения любых переменных из списка параметров более внешних функций. Значением SET и SETQ является значение их второго аргумента.

Обычно операторы выполняются последовательно. Выполнение оператора понимается как его вычисление и отбрасывание его значения. Операторы программы часто выполняются в большей степени ради действия, чем ради значения.