Среды и реализации языков программирования

Среда программирования - это совокупность инстру­ментов, используемых при разработке программного обеспечения. Этот набор обычно состоит из файловой системы, текстового ре­дактора, редактора связей и компилятора. Дополнительно он может включать большое количество инструментальных комплексов с единообразным интерфейсом пользователя.

Старейшей средой программирования считается UNIX - ма­шинно-независимая операционная система с разделением времени. Она предоставляет многочисленные мощные инструментальные средства для производства ПО и эксплуатации разнообразных язы­ков. Работа с этой средой осуществляется с помощью графического интерфейса, устанавливаемого поверх нее. Во многих случаях этим интерфейсом является Common Desktop Environment (CDE).

Последнюю стадию развития сред разработки ПО представляют Microsoft Visual C++, Visual BASIC, Delphi и Java Development Kit, которые предлагают легкий способ создания графических интер­фейсов для программ пользователя.

Ключевой вопрос реализации языка программирования заклю­чается в том, какое представление имеет программа во время ее выполнения на реальном компьютере, является ли этот язык машинным языком данного компьютера или нет? В зависимости от ответа на этот вопрос языки (вернее, их реализации) делятся на компилируемые и интерпретируемые.

Компилируемые языки. Компилируемыми принято счи­тать такие языки как С, C++, FORTRAN, Pascal и Ada. Это означает, что программы, написанные на этих языках, транслируются в ма­шинный код данного компьютера перед началом выполнения. Про­граммная интерпретация при этом ограничивается только интер­претацией набора программ поддержки выполнения, которые мо­делируют элементарные операции исходного языка, не имеющие близкого аналога в машинном языке.

Транслятор компилируемого языка является большой и слож­ной программой, и при трансляции основное значение имеет соз­дание максимально эффективных (с точки зрения их выполнения) исполняемых программ.

Интерпретируемые языки. Реализуются с использова­нием программного интерпретатора. К таковым относятся языки LISP, ML, Perl, Postscript, Prolog и Smalltalk. При такой реализации транслятор выдает не машинный код используемого компьютера, а некую промежуточную форму программы. Эта форма легче для выполнения, чем исходная программа, но все же она отличается от машинного кода.

Использование необходимого для этого программного интер­претатора приводит к относительно медленному выполнению про­граммы. Основная сложность здесь реализуется в программном обеспечении процесса интерпретации, поэтому трансляторы ин­терпретируемых языков обычно представляют собой довольно простые программы.

Развитие Всемирной паутины WWW и появление языка Java внесли изменения в описанную схему. Язык Java похож скорее на Pascal и C++, чем на LISP, но в большинстве случаев реализуется как интерпретируемый язык. Компилятор Java вырабатывает про­межуточный набор байт-кодов для виртуальной машины Java. Пе­редача байт-кодов на локальный компьютер (даже если он медлен­нее, чем web-сервер) выгоднее в отношении временных затрат, чем передача результатов выполнения программы на web-сервере. Од­нако web-сервер не в состоянии предугадать машинную архитекту­ру хост-компьютера. Поэтому браузер создает виртуальную маши­ну Java, которая и выполняет стандартный набор байт-кодов Java.

СТРУКТУРЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПОДПРОГРАММЫ

ТЕОРИЯ ПЕРВИЧНЫХ ПРОГРАММ

Теория первичных программ была предложена Маддуксом в качестве обобщения методологии структурного программи­рования для определения однозначной иерархической декомпози­ции блок-схем. В этой теории предполагается, что графы программ могут содержать три класса узлов (рис. 2):

функциональные узлы — представляют вычисления, производи­мые программой, и изображаются прямоугольниками с одной вхо­дящей в этот узел дугой и одной выходящей. Функциональные уз­лы представляют операторы присваивания, выполнение которых вызывает изменение состояния виртуальной машины;

узлы принятия решения - изображаются в виде ромбов с одной входящей дутой и двумя выходящими (истина и ложь). Эти узлы представляют предикаты, и управление из узла принятия решения передается дальше либо по ветви истина, либо по ветви ложь;

узел соединения — представляется в виде точки, в которой схо­дятся две дуги графа, чтобы сформировать одну выходную дугу.

Любая блок-схема состоит только из этих трех компонентов.

Правильная программа — блок-схема, являющаяся некоторой формальной моделью структуры управления, которая имеет: одну входящую дугу; одну выходящую дугу; путь от входящей дуги к любому узлу и из любого узла - к выходящей дуге.

Первичная программа является правильной программой, кото­рую нельзя разделить на более мелкие правильные программы. Ис­ключением из этого правила является последовательность функциональных узлов, кото­рая считается одной первичной программой.

На рис. 3 изображены все первичные программы, которые включают в себя не более четырех узлов. Первичные программы а, б, д, и представляют собой последовательности функциональных узлов. Первичная программа е — конструкция if-then, .ж — do-while, з - repeat-until, к - if-then-else, л - do-while-do.

Первичные программы в, г, м-т состоят только из узлов приня­тия решения и соединения. В них нет функциональных узлов, по­этому они не изменяют пространство состояний виртуальной ма­шины. Ни один из этих вариантов первичных программ не пред­ставляет эффективной структуры управления в программе.

Многие из описанных выше наборов управляющих структур были включены в существующие языки программирования. Эти структуры представляют собой первичные программы с неболь­шим количеством узлов и просты для понимания.

Перечислив все первичные программы, можно сделать очевид­ный вывод, что конструкция do-while-do является естественной структурой управления, хотя она была проигнорирована разработ­чиками языков.

АЛЬТЕРНАТИВЫ

Операторы выбора используются для выбора одного из нескольких возможных путей, по которому должно выполняться вычисление. Обобщенный оператор выбора называется case-оператором (switch-оператор в языке С).

Условный оператор является частным случаем case- или switch-оператора, в котором выражение имеет булев тип. Так как булевы типы имеют только два допустимых значения, условный оператор делает выбор между двумя возможными путями. Конструкция для двух альтернатив на Паскале имеет следующий вид:

if L

then begin

{Действие при L-True} end; else begin

{Действие при L=False} end; здесь L-логическое выражение.

Вариант конструкции для нескольких альтернатив имеет вид:

Switch : = 0;

L1 : = . . .

L2 : = . . .

L3 : = . . .

if L1 then Swich : = 1;

if L2 then Swich : = 2;

if L3 then Swich : = 3;

case Swich of 1: begin

{Действие при L1=True} end; 2 : begin

{Действие при L2=True} end; 3:begin

{Действие при L3=Тrие} end; else begin

{Вывод сообщения об ошибочном кодировании модуля} end; end; {End of Case}

2.3. ЦИКЛЫ

Оператор цикла имеет одну точку входа, последова­тельность операторов, которые составляют цикл, и одну или не­сколько точек выхода. Чтобы циклы завершались, с точкой выхода бывает связано условие, которое определяет, следует сделать вы­ход или продолжить выполнение цикла. Циклы различаются чис­лом, типом и расположением условий выхода. Универсальные цик­лы в Паскале имеют следующие конструкции.