Процедурное программирование

Процедурное (другое название – структурное)или императивное (от лат. imperativus – повелитель­ный) программирование есть отражение фон Неймановской архитек­туры компьютера. Программа, написанная на этом языке, представ­ляет собой последовательность команд, определяющих алгоритм решения задачи. Основной командой является команда присвоения, предназначенная для определения и изменения содержимого памя­ти компьютера. Фундаментальная идея процедурного программиро­вания – использование памяти компьютера для хранения данных. Функционирование программы сводится к последовательному вы­полнению команд с целью преобразования исходного состояния памяти, т.е. программа производит пошаговое преобразование содер­жимого памяти, изменяя его от исходного состояния к результиру­ющему.

Программа, написанная в стиле структурного программирования, представляется как набор процедур и функций. Одним из главных принципов такого программирования, является отказ от использования оператора безусловного перехода – goto. Поэтому, иногда такое программирование называют, программирование без goto.

Одним из первых процедурных языков программирования высокого уровня стал Фортран (FORmula TRANslation), созданный в начале 50-х гг. в США фирмой IBM. Первая публикация о нем появилась в 1954 г. Основное назначение языка – программирование научно-тех­нических задач. Объектами языка являются целые и вещественные числа и числовые переменные. Выражения в нем формируются с помощью четырех арифметических действий: возведения в степень, логических операций И, ИЛИ, НЕ, операций отношения и круглых скобок. Основные операторы Фортрана – ввод, вывод, присваива­ние, условный и безусловный переход, цикл, вызов подпрограмм. Долгие годы он был одним из самых распространенных языков в мире. За это время накоплена огромная библиотека программ, на­писанных на Фортране. И сейчас ведутся работы над очередным стандартом Фортрана. В 2000 г, была реализована версия Фортран F2k, имеется стандартная версия HPF (High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров. Многие средства Фортрана были исполь­зованы в языках PL/1 и Бейсик.

Кобол (COmmon Business Oriented Language – общепринятый де­ловой язык) – язык программирования, ориентированный на реше­ние задач обработки данных. Широко используется для решения учетно-экономических и управленческих задач. Разработан в США в 1958-1960 гг. Программа на Коболе имеет вид ряда предложений на английском языке и напоминает обычный текст. Группы после­довательно записанных операторов объединяются в предложения, предложения – в параграфы, параграфы – в секции. Программист присваивает параграфам и секциям имена (метки), что облегчает непосредственное обращение к нужному участку программы. В СССР был принят русский вариант языка. В Коболе были реализованы мощные средства работы с большими объемами данных, хранящи­мися на различных внешних носителях. На этом языке создано много приложений, некоторые из них активно эксплуатируются и сейчас.

Алгол (ALGOritmic Language) разработан в 1960 г., явился результатом международного сотруд­ничества конца 50-х гг. (Алгол-60). Алгол предназначался для запи­си алгоритмов, построенных в виде последовательности процедур, применяемых при решении поставленных задач. Специалисты-прак­тики воспринимали этот язык неоднозначно, но тем не менее он как признанный международный язык сыграл большую роль в станов­лении основных понятий программирования и для обучения про­граммистов. В нем впервые введены понятия «блочная структура программы», «динамическое распределение памяти». Внутри блока в Алголе можно вводить локальные обозначения, которые не зависят от остальной части программы. Алгол-60 получил меньшее распространение, чем Фортран. В 1968 г. в результате дальнейшего развития и усо­вершенствования Алгола-60 была создана версия Алгол-68. Это мно­гоцелевой универсальный расширенный язык программирования. Последнее свойство позволяло с помощью одной и той же програм­мы транслятора осуществлять трансляцию с различных расширенных версий языка без дополнительных затрат на приспособление этого языка к различным категориям пользователей, на получение про­блемно-ориентированных диалектов языка. Из-за отсутствия эффективных компьютеров для него не уда­лось своевременно создать хорошие компиляторы.

В середине 60-х гг. сотрудники математического факультета Дартмутского колледжа Томас Курц и Джон Кемени создали специали­зированный язык программирования, который состоял из простых английских слов. Новый язык назвали универсальным символическим кодом для начинающих (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) или сокращенно BASIC (Бейсик). 1964 г. считают годом рождения этого языка. Он получил самое широкое распространение при рабо­те на персональных компьютерах в режиме интерактивного диалога. Популярность Бейсика объясняется как простотой его освоения, так и наличием достаточно мощных универсальных средств, пригодных для решения научных, технических и экономических задач, а также задач бытового характера, игровых и т.д. Согласно концепциям, за­ложенным в Бейсике, в нем широко распространены различные пра­вила умолчания, что считается плохим тоном в большинстве языков программирования подобного типа. Возникло множество версий язы­ка, зачастую мало совместимых друг с другом. Однако, зная одну из версий, можно без особого труда освоить любую другую. Бейсик ак­тивно поглощает многие концепции и новинки из других языков. Первоначально интерактивный режим осуществлялся с использова­нием интерпретатора, в настоящее время для этого языка имеются также и компиляторы.

В начале 60-х гг. каждый из существующих языков программи­рования был ориентирован на разные классы задач, но в той или иной мере привязан к конкретной архитектуре ЭВМ. Были предпри­няты попытки преодолеть этот недостаток путем создания универ­сального языка программирования. ПЛ/1 (PL/1 – Programming language One) – первый многоцелевой универсальный язык, разра­ботан в США фирмой IBM в 1963-1966 гг. Это один из наиболее рас­пространенных универсальных языков, он хорошо приспособлен для решения задач в области вычислительной техники: исследования и планирования вычислительных процессов, моделирования, решения логических задач и исследования логических схем, разработки сис­тем математического обеспечения. При разработке PL/1 были ши­роко использованы основные понятия и средства языков Фортран, Алгол-60, Кобол. PL/1 – богатый и гибкий язык.

Паскаль (Pascal) является одним из наиболее популярных про­цедурных языков программирования, особенно для персональных компьютеров. Созданный как учебный язык программирования в 1968-1971 гг. Николаусом Виртом в Высшей технической школе (ЕТН) в Цюрихе (Швейцария), он был назван в честь французского ма­тематика и философа Блеза Паскаля (1623-1662). Задачей Н. Вирта было создание языка, базирующегося на простом синтаксисе и не­большом количестве базовых конструкций, переводимого в машин­ный код простым компилятором. В основе языковой концепции Паскаля лежит системный под­ход, предполагающий переход от общей задачи к частным (более простым и меньшим по объему). К основным принципам Паскаля следует отнести:

• Структурное программирование. Его методология основана на использовании подпрограмм и независимых структур данных, объединяющих связанные между собой совокупности данных. Подпрограммы позволяют заменять в тексте программ упорядо­ченные блоки команд, отчего программный код становится бо­лее компактным. Структурный подход обеспечивает создание более понятных и легко читаемых программ, упрощает их тес­тирование и отладку.

• Программирование сверху вниз, когда задача делится на простые, самостоятельно решаемые подзадачи. Затем на основе решенных подзадач выстраивается решение исходной задачи полностью – сверху вниз.

В основу разработки языка Паскаль был положен Алгол-60, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его для создания крупных проектов, например, программ-трансляторов. Паскаль реа­лизован для всех типов компьютеров, в настоящее время использу­ется во многих учебных заведениях для обучения программированию, а также для создания больших реальных проектов.

Период с конца 60-х до начала 80-х гг. характеризуется бурным ростом числа различных языков программирования, сопровождав­шим, как это ни парадоксально, кризис программного обеспечения. Этот кризис особенно остро переживало военное ведомство США. В январе 1975 г. Пентагон решил навести порядок среди бесчисленного множества трансляторов и создал комитет для разработки одного уни­версального языка. На конкурсной основе комитет рассмотрел сотни проектов и выяснил, что ни один из существующих языков не может удовлетворить их требованиям, для окончательного рассмотрения было оставлено два проекта. В мае 1979 г. был объявлен победитель – группа ученых во главе с Жаном Ихбиа. Победивший язык назва­ли АДА, в честь Ады Лавлейс, дочери, великого поэта Байрона. Она в юности была увлечена идеями Чарльза Бэббиджа и помогала ему со­ставлять описание машины, а в начале 40-х гг. XIX в. разработала пер­вую в мире программу для вычислительной машины. Язык АДА – прямой наследник Паскаля. Он предназначен для создания и длитель­ного сопровождения больших программных систем, управления про­цессами в реальном масштабе времени. В языке четко выражена мо­дульность его конструкций, причем обеспечивается удобство организации разнообразных связей между модулями. Важным его до­стоинством является возможность параллельного программирования ветвей программы, которые затем могут реализоваться на многопро­цессорных компьютерах. Язык АДА сложен для изучения.

Язык программирования С (Си) был разработан в лаборатории Bell для реализации операционной системы UNIX в начале 70-х гг. и не рассматривался как массовый. Он планировался для замены Ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффектив­ные и компактные программы, и в то же время не зависеть от конк­ретного типа процессора. По набору управляющих конструкций и структур данных С имеет возможности, присущие высокоуровневым языкам, и вместе с тем он располагает средствами прямого обраще­ния к функциональным узлам компьютера. Синтаксис языка С по­зволяет создавать лаконичный программный код. Одна из существен­ных особенностей С, приближающая его к функциональным языкам, состоит в том, что различия между выражениями и операторами сгла­живаются. Например, выражения, являющиеся операторами про­граммы, могут выполнять дополнительно операции присваивания. Использование подпрограмм основано на понятии функции, которая может также сочетать в себе возможности процедуры. Понятие про­цедуры в языке С отсутствует. Синтаксис языка затрудняет читаемость программы. Отсутствие строгой типизации данных, возможность в одном выражении сочетать несколько действий делает этот язык при­влекательным для программистов, предоставляя им дополнительные возможности, но не способствует надежности создаваемых программ. Язык С популярен и широко используется профессиональными про­граммистами. В настоящее время он реализован для большинства компьютерных платформ.