Общее понятие алгоритма. Управляющие конструкции алгоритмического языка. Понятие переменной

Алгоритмические языки

Программирование начиналось с записи программ непосредственно в виде машинных команд (в кодах, как говорят программисты). Позже для облегчения кодирования был разработан язык Ассемблера, который позволяет записывать машинные команды в символическом виде. Например, программисту не нужно помнить числовой код операции сложения, вместо этого можно использовать символическое обозначение ADD. Язык Ассемблера зависит от системы команд конкретного компьютера. Он достаточно удобен для программирования небольших задач, требующих максимальной скорости выполнения. Однако крупные проекты разрабатывать на языке Ассемблера трудно. Главная проблема состоит в том, что программа, написанная на Ассемблере, привязана к архитектуре конкретного компьютера и не может быть перенесена на другие машины. При усовершенствовании компьютера все программы на Ассемблере приходится переписывать заново.

Почти сразу с возникновением компьютеров были разработаны языки высокого уровня, т.е. языки, не зависящие от конкретной архитектуры. Для выполнения программы на языке высокого уровня ее нужно сначала перевести на язык машинных команд. Специальная программа, выполняющая такой перевод, называется транслятором или компилятором. Оттранслированная программа затем выполняется непосредственно компьютером. Существует также возможность перевода программы на промежуточный язык, не зависящий от архитектуры конкретного компьютера, но тем не менее максимально приближенный к языку машинных команд. Затем программа на промежуточном языке выполняется специальной программой, которая называется интерпретатором. Возможен также вариант компиляции "на лету" (Just In Time Compilation), когда выполняемый фрагмент программы переводится с промежуточного языка на язык машинных команд непосредственно перед выполнением.

Наиболее распространенные компилируемые языки - это Си, C++, Фортран, Паскаль. Интерпретируемые и компилируемые на лету языки - это в основном объектно-ориентированные языки, такие как Java, Visual Basic и C#. Все они вначале переводятся на промежуточный язык: для Java это так называемый байткод языка Java, для Visual Basic и C# - так называемый промежуточный язык (Intermediate Language или просто IL), являющийся одним из основных компонентов платформы ".Net" фирмы Microsoft. Промежуточный язык может интерпретироваться специальным исполнителем (например, виртуальной Java-машиной), но, как правило, в современных системах применяется компиляция на лету, что позволяет достичь большего быстродействия.

Исторически одним из первых языков высокого уровня был Фортран. Он оказался исключительно удачным - простым и в то же время очень эффективным. До сих пор большая часть научных и инженерных программ написана на Фортране. Тем не менее, в последние 20 лет программисты отдают предпочтение языку Си и связанной с ним линии объектно-ориентированных языков - C++, Java и C#.

Другой значительной вехой в истории алгоритмических языков является разработка языка Алгол-60 (расшифровывается как aлгоритмический язык - ALGOrithmic Language). Возникновение языка Алгол-60 связано с развитием структурного подхода к программированию, в котором используется вложение конструкций языка друг в друга. Так, основная единица языка - оператор - может быть простым или составным, т.е. состоящим в свою очередь из нескольких операторов, заключенных в блок с помощью ключевых слов begin и end. Внутри блока можно описывать локальные переменные, недоступные извне блока, и даже подпрограммы или функции.

Язык Алгол-60 способствовал развитию алгоритмических языков, его наследником является, например, Паскаль и вся линия связанных с ним языков: Modula-2, Oberon и Delphi. Тем не менее, Алгол-60 оказался далеко не таким удачным, как Фортран. В нем присутствовали непродуманные решения, в частности, возможность вложения подпрограмм внутрь других подпрограмм, а также неудачный механизм передачи параметров подпрограмм. Из-за этого Алгол-60 не был реализован на практике в полном соответствии со стандартом (в отличие от языков типа Алгамс, отступавших от стандарта в сторону простоты и удобства использования). Язык Паскаль появился тоже как коррекция Алгола-60, но, к сожалению, унаследовал его главное неудачное решение - вложенность подпрограмм друг в друга. Также в первоначальном варианте языка Паскаль отсутствовала возможность разбиения программы на файлы. Эти недостатки были затем исправлены автором Паскаля, замечательным швейцарским ученым и педагогом Никлаусом Виртом, в языках Modula-2 и Oberon. Но, к сожалению, программистское сообщество проигнорировало язык Oberon, остановившись на немного улучшенном варианте языка Паскаль. В настоящее время Паскаль, как правило, используется для обучения программированию, но не в практической работе.

Наконец, самый успешный язык программирования - язык Си и связанная с ним линия объектно-ориентированных языков: C++, Java, C#. В отличие от Алгола-60, язык Си был создан не теоретиками, а практическими программистами, обладающими при этом высокой математической культурой. Язык был разработан в конце 60-х годов XX века. Он впервые позволил реально избавиться от Ассемблера при создании операционных систем. Например, практически весь текст операционной системы Unix написан на языке Си и, таким образом, не зависит от конкретного компьютера. Главным достоинством Си является его простота и отсутствие псевдонаучных решений (таких, как вложенность блоков программ друг в друга: в Си функция не может содержать внутри себя другую функцию, а переменные четко разделяются на глобальные и локальные - не так, как в Алголе, где локальные переменные подпрограммы являются глобальными для всех вложенных в нее подпрограмм). Просто и ясно описан механизм передачи параметров в функцию (только по значению). Программист, создающий программу на Си, всегда четко понимает, как эта программа будет выполняться. Понятие указателя, статические и автоматические (стековые) переменные языка Си максимально близко отражают устройство любого современного компьютера, поэтому программы на Си эффективны и удобны для отладки.

В настоящее время подавляющая часть программ пишется на языках Си и C++. Интерфейс любой операционной системы (так называемый API - Application Programming Interface), т.е. набор системных вызовов, предназначенных для разработчиков прикладных программ, как правило, представляет собой набор функций на языке Си. Наконец, современные объектно-ориентированные языки также основаны на языке Си. Это язык C++, занимающий промежуточное положение между традиционными и объектно-ориентированными языками, а также объектно-ориентированные языки Java и C#.

В курсе будем использовать псевдокод для неформальной записи алгоритмов, а также языки Си, C++ и C# для практического программирования. Применение объектно-ориентированных языков C++ и C# значительно облегчает программирование оконных приложений в системах типа Windows, тогда как при разработке программ, не связанных с графическим интерфейсом (например, математических расчетов), можно обойтись и более простым языком Си.