Парадигмы программирования

Цель лекции:

1. Познакомить читателей с основными парадигмами программирования, применяемых в современном программировании;
2. Научить читателей программировать, читать алгоритмы, создавать программы, на языках программирования, входящих в процедурную парадигму;
3. Научить правильной записи алгоритмов на языках, входящих в процедурную парадигму.

3.1. Введение. Общие сведения о парадигмах

Общие сведения о парадигмах программирования

За те пятьдесят с небольшим лет, которые существует дисциплина: "программирование", - сменилось несколько поколений правил, концепций, моды, взглядов на то, как надо "писать программы". Все эти правила, концепции, взгляды, мода, наконец, позже назвали в информатике "парадигмами программирования". Вот неполный список парадигм, вместе с датами их появления:

• 1957г., процедурная парадигма, язык ФОРТРАН, создатель Бэкус;
• 1967г., функциональная парадигма, язык ЛИСП, создатель Маккарти;
• 1970г., структурированная парадигма, язык ПАСКАЛЬ, создатель Вирт;
• 1974г., логическая парадигма, язык ПРОЛОГ;
• 1983г., объектно-ориентированная парадигма, пример - язык C++, создатель Страуструп.

В конце списка представлены языки программирования и их создатели, внесшие значительный вклад в популяризацию этих парадигм.

В процессе своего развития эти парадигмы "мутировали", "отпочковывались", "объединялись" (так, язык Си объединил в себе процедурную и структурированную парадигму). В результате этих "мутаций" по состоянию на 01.06.2008 года оформились следующие парадигмы программирования:

1. Процедурная (или модульная) парадигма;
2. Логическая парадигма;
3. Объектно-ориентированная парадигма.

Эти три совершенно разные по подходу парадигмы составляют основу современного программирования. Хотя в настоящее время наиболее "модной" является объектно-ориентированная парадигма, остальные парадигмы также используются на практике и изучаются в ВУЗах. Их мы и рассмотрим ниже.

Кроме деления языков программирования по парадигмам, существует также деление языков на "императивные" и "декларативные".

Императивными называются такие языки программирования, в которых описываются в основном "инструкции" по пошаговому выполнению алгоритмов. Все внимание в них отводится лишь реализации этой последовательности действий, а данным и их структуре отводится второстепенная роль. Примером такого рода языков может служить языки создания драйверов устройств: Assembler и C++. При использовании этих языков мы не знаем, какие данные будет отправлять/получать устройство, но зато мы знаем, какие действия нужно осуществить над данными.

Декларативными называются языки программирования, в которых алгоритм работы с данными "зашит" в языке программирования, а сама программа представляет собой данные, упорядоченные и структурированные таким образом, что их легко обрабатывают "стандартные" алгоритмы вывода. В декларативных языках как бы "нет разницы" между данными и алгоритмом, их обрабатывающим. От "значения" данных, подаваемых на вход программы, зависит дальнейшее направление расчетов. Примерами декларативных языков могут служить языки: LISP и Prolog. И программа, и данные на языке ЛИСП представляют собой "списки" вместе с функциями, выполняемыми над ними. На языке ПРОЛОГ есть условное разделение программы на данные ("факты") и код ("правила", "продукции"). Но это разделение достаточно условно: и факты, и правила имеют одну и ту же форму записи.

Декларативные языки лучше всего использовать в случаях, когда "данные управляют программой": при написании экспертных систем, при конструировании трансляторов с языков программирования, для большинства задач искусственного интеллекта. Именно там их использование приведет к наибольшей эффективности.

3.2. Процедурная парадигма

Эта парадигма является самой "древней" и, одновременно, - самой простой в реализации и обучении программирования. На основе этой парадигмы изучаются языки программирования в школе. И поэтому, вполне естественно, автор поставил ее на первое место.

3.2.1. История возникновения парадигмы

"Истоки" процедурной парадигмы программирования лежат в далеких 50-х годах прошлого века. После появления ЭВМ с архитектурой "фон Неймана" появилась возможность компьютеру "самому", без участия человека, проводить сложные вычисления. Эти годы и стали переломными в становлении профессии "программист". Чтобы произвести сложные вычисления, нужно сначала написать сложный алгоритм. Поскольку сложный алгоритм трудно реализовать в ЭВМ так же, как на калькуляторе, появилась необходимость в "записи" алгоритмов на более "понятном" человеку языке, чем язык машинных кодов ЭВМ. Так, вначале появился язык ассемблера, представляющий машинные коды в "удобочитаемом" виде.

В 1957 году Бэкус разработал первый язык высокого уровня: ФОРТРАН. Эта аббревиатура переводится как: "FORmula TRANslator", - переводчик формул. Как следует из его названия, его назначение - это числовые вычисления. С помощью этого языка можно было "кодировать" численные алгоритмы, не вдаваясь в архитектуру ЭВМ, количество регистров в ее процессоре, особенности ее функционирования, и другие, "не важные" для прикладного программиста вопросы. Вскоре, в начале 60-х годов прошлого века, появился язык: "COBOL", - язык, предназначенный для коммерческих вычислений. Аббревиатура "COBOL" расшифровывается как: "COmmon Business Oriented Language" - "язык, ориентированный на общий бизнес".

В реализации этих языков была предусмотрена (как и в ассемблере) возможность "разбивки общего алгоритма" на несколько независимых модулей: "процедур". "Нанизывая" процедуры в основном модуле программы, как гирлянды на нитку, можно получить алгоритмы любой сложности. В этом и состоит преимущество процедурного программирования.

Таким образом, возникла "процедурная парадигма", гласящая:

"Реализацию алгоритмов вычислений необходимо создавать с помощью мелких, не зависимых друг от друга процедур, которые вызывают друг друга в соответствии с логикой программы".

Эта парадигма проста не только в "написании" алгоритма, но и его отладке: нужно убедиться в "работоспособности" каждого из модулей, что намного проще, чем отладка всего алгоритма целиком.

3.2.2. Языки, поддерживающие парадигму

Среди языков, поддерживающих процедурную парадигму программирования, используются следующие языки программирования:

• Ассемблер;
• Фортран;
• Кобол;
• Алгол;
• PL 1;
• Бейсик;
• Си;
• Паскаль;
• Perl;
• VB Script;
• Jscript;
• Multi Edit Macro Script;
• MS-DOS Command Shell;
• NDOS Shell;
• Bash shell;
• tc shell;
• REXX;
• язык SQL-запросов;
• и др.

Все они поддерживают создание "модулей" - функций и подпрограмм, которые разрабатываются и тестируются независимо, и осуществление "вызовов" между ними.

3.2.3. Представление программ и реализация вычислений

Прежде, чем передать код программы на обработку компилятору, программист должен соответствующим образом оформить код программы. В этом разделе даются общие правила оформления кода программы на разных языках программирования.

3.2.3.1. Quick Basic

В языке Quick Basic есть следующие правила оформления программ:

1. Программа на языке Quick Basic находится в файле с расширением "*.bas";
2. Основная программа начинается с первого ее оператора;
3. Желательно "нумеровать" все строки файла метками - натуральными числами. Нумерацию строк желательно начинать с числа 10 и задать шаг нумерации тоже 10;
4. Заканчиваться вычисления в программе должны оператором: " STOP ";
5. Завершаться описание всех алгоритмических конструкций в программе необходимо оператором: " END ";
6. На каждый оператор выделяется одна строка;
7. Комментарии к строкам алгоритма должны начинаться отдельной строкой, после ключевого слова: " REM ", которые указываются сразу после метки (или вместо метки);
8. Подпрограммы на языке: "Quick Basic", оформляются отдельно, внутри файла;
9. Оформление подпрограмм начинается с ключевого слова: " SUB ", за которым идет имя подпрограммы;
10. Выполнение программы на языке "Quick Basic", открытой в его оболочке ("qbasic.exe"), начинается после выбора меню: "Run" -> "Continue", или нажатием клавиши: "F5".

3.2.3.2. C/C++

На языке Си и, частично, С++, существуют следующие правила оформления программ:

1. Программа на языке Си находится в файле с расширением: "*.c", а на языке C++ - с расширением "*.cpp";
2. Файлы с "заголовочной частью" к основной программе находятся в файлах с расширением "*.h" и "*.hpp";
3. Основная программа (которая затем будет запускаться по имени файла, например, "myprog.exe"), должна иметь имя и расширение "myprog.c". То есть, в общем случае, имя основного файла проекта - "<имя проекта>.c" (для программ на Си) или "<имя проекта>.cpp" (для программ на языке С++), где <имя проекта> будет соответствовать имени Вашей программы после компиляции;
4. Файл с программой начинается с включения (в заголовочной части) файлов с расширением "*.h" и "*.hpp", с помощью прагма оператора: " include ". При этом имена заголовочных файлов, находящихся в одном каталоге с файлами-описаниями алгоритма, заключаются в кавычки, а имена файлов, пути к которым прописаны в переменной операционной системы: " INCLUDE ", заключаются между знаками: "<…>", например:
   • #include <stdio.h>
   • #include "myprog.h"
5. Далее в файле с основной программой задается основная функция алгоритма: " main ", - управляющая вызовом всех остальных функций и подпрограмм.
   Примечание: при программировании на языке Си с использованием библиотеки Windows API основной функцией алгоритма становится функция: WinMain. Подробнее об этой функции смотри [89].
6. Функция " main " из пункта 5 может возвращать целое значение (тип "int"). Это значение впоследствии используется при запуске функции внутри командного файла оболочки операционной системы, для его реакции на неудачный результат работы этой функции. Принято, что в случае успешного результата своей работы функция " main " возвращает нулевой результат.
7. Функция " main " может принимать в качестве аргументов следующие формальные параметры:

   main( int argc, char *argv[], char *env[]), где

   • argc - число аргументов у функции. Эта переменная принимает значение 1 в случае отсутствия опций и параметров, 2 в случае присутствия одного параметра и т.п.;
   • *argv[] - массив символьных переменных - указателей на опции и аргументы программы, запускаемой из командной строки. При этом элементу "0" соответствует полное путевое имя файла с запускаемой программой. Элементам с номерами: "1" - "argc-1" соответствуют аргументы программы, набранные в командной строке, с соответствующими номерами (по-порядку);
   • *env[] - массив символьных переменных - указателей на системное окружение операционной системы, в которой запускается скомпилированная программа.
8. Комментарии на языках: "Си" и "С++" обозначаются следующим образом:
   • Игнорирование конца строки вслед за комментарием: "//" ;
   • Игнорирование текста внутри "скобок" - спецсимволов: "/* … */".
9. Тексты-описания функций и процедур на языке: "Си" располагаются либо после описания функции " main ", либо в отдельных файлах (с расширениями: "*.C" и "*.CPP" соответственно для функций "Си" и "С++").
10. В "заголовочных файлах" (с расширением: "*.h" и "*.hpp") задаются, во-первых, директивы компилятору на обработку файлов, во-вторых, макрофункции и макроподстановки, в-третьих, определения констант и глобальных переменных в программе, и, в-четвертых, объявления функций. Формат описания заголовочной части смотри в приложении I к данной лекции и в книге [31].
11. Перед запуском программы, написанной на языках Си и С++, необходимо сначала "скомпилировать" модули и "построить", скомпоновать (" Build ") проект в IDE (с именем: "<имя проекта>" ), а затем запустить ее, либо набрав в командной строке: <имя проекта>.exe {<опции>}*, либо щелкнув на иконке этой программы (в Windows).

Подробнее о других аспектах программирования на C/C++ смотри: [31, 51, 92,78]

3.2.3.3. Perl

В языке Perl существуют следующие правила оформления программных модулей:

1. Программа на языке Perl находится в файле с расширением: "*.pl".
2. Начинаться программа должна с директивы компилятору, имеющей следующий синтаксис:

   #!<путь к интерпретатору Perl> {<опции>}

   Листинг 3.1.

   Например:

   #!/usr/bin/perl

   Листинг 3.2.
   • для интерпретатора perl в UNIX, и

     #!perl -w

     Листинг 3.3.
   • для интерпретатора perl в Windows. Опция -w означает: "включить отладку сценариев"
3. Основная программа начинается с первого ее оператора, а заканчивается - концом файла или оператором описания функций " sub ".
4. Комментарии на языке Perl обозначаются как: "#". Все символы, набранные после этого знака, игнорируются интерпретатором.
5. Описание подпрограмм и функций начинается со слова " sub ", после которого идет блок с операторами. Подпрограмма завершается при выходе из этого блока:

   sub <имя функции> {<тело функции>}

   Листинг 3.4.
6. Вызов подпрограммы осуществляется следующим образом:

   [<переменная>=] '<имя функции> [(<аргументы>)]

   Листинг 3.5.
   где <переменная> - присвоенное значение-результат работы функции; <имя функции> - имя, зарезервированное в 3.4. Аргументами могут быть строковый литерал либо ссылка:

   <аргументы> ::= {<литерал>|\<имя фактического параметра>}+

   Листинг 3.6.
7. Объявление процедур осуществляется либо сразу же после основной функции, либо в отдельном файле-библиотеке (расширение - "*.pl") или модуле (расширение - "*.pm"). Подробнее о реализации библиотек и модулей см. [59]. Стандартные же шаблоны оформления модулей и библиотек см. в [приложении App03002].
8. Доступ к аргументам (как основной программы, так и функций) осуществляется через переменную: " @_ ".
9. Программа ("макрос", "скрипт") на языке Perl может выдавать целое значение при выходе из нее (с помощью функции: " exit( <целое число> ) "). По "джентльменскому соглашению" программа возвращает "0" в случае своего нормального завершения.
10. Для запуска макросов в командной строке необходимо набрать:

    perl <полное имя макроса> {<аргументы>}

    Листинг 3.7.
    где <полное имя макроса> - имя программы (с расширением: "*.pl") вместе с его путевым именем; <аргументы> - передаваемые программе аргументы-значения.

3.3. Резюме процедурной парадигмы

В данной лекции Вы познакомились с процедурной парадигмой и ее реализациями на языках Quick Basic, Си/C++ и Perl. В приложениях и пунктах для самостоятельной работы Вы легко разберетесь с особенностями программирования на языках оболочек операционных систем: MS-DOS Command Shell и BASH shell Linux. Теперь Вы, по крайней мере, можете записать "шапку" с заголовочной частью для указанных языков программирования и сценариев. Собственно записью конструкций алгоритмов мы займемся в следующей лекции.

3.4. Для самостоятельного изучения

1. Прочтите разделы из [4, 80-83, 84, 85], посвященные синтаксису и семантике командных файлов MS-DOS;
2. Прочтите разделы из [80-83], а также онлайновое руководство по Norton Utilities for DOS, посвященные синтаксису и семантике командных файлов NDOS. Для этого Вам, может быть, потребуется установить Norton Utilities 8.0 Rus из архива;
3. Прочтите разделы из [66] и, у кого есть возможность, справочные файлы к Core Utile bash-shell Linux.
4. Просмотрите текст, приведенный в приложении к данной лекции.