Языки программирования и системы программирования. Назначение и состав системы программирования.
Система для разработки новых программ на конкретном языке программирования. Предоставляет пользователю мощные и удобные средства разработки программ: транслятор, редактор текстов программ, библиотеки стандартных программ, отладчик и др.
Система программирования — это система для разработки новых программ на конкретном языке программирования.
В системы программирования входят:
· компилятор или интерпретатор
· интегрированная среда разработки
· средство создания и редактирования текста программы
· обширные библиотеки стандартных программ и функций
· отладочные программы
· справочная система
Транслятор (англ. translator - переводчик) — это программа-переводчик. Она преобразует программу, написанную на одном из языков высокого уровня в программу, состоящую из машинных кодов.
Компилятор (англ. compiler - составитель)- читает всю программу целиком, делает её перевод и создаёт законченный вариант программы на машинном языке, который затем и выполняется.
Интерпретатор (англ. interpreter - истолкователь) — переводит и выполняет программу строку за строкой.
Язык программирования — формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, задающих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (компьютер) под её управлением.
Создатели языков по-разному толкуют понятие язык программирования. К наиболее распространённым утверждениям, признаваемым большинством разработчиков, относятся:
· Функция: язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые применяются для передачи компьютеру инструкций по выполнению того или иного вычислительного процесса и организации управления отдельными устройствами.
· Задача: язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для передачи команд и данных от человека к компьютеру, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой. Можно обобщить определение «языков программирования» — это способ передачи команд, приказов, чёткого руководства к действию; тогда как человеческие языки служат также для обмена информацией.
· Исполнение: язык программирования может использовать специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.
7 Программирование ветвлений (На примере языка Паскаль или С++)
В теории программирования доказано, что программу для решения задачи любой сложности можно составить только из трех структур, называемых следованием, ветвлением и циклом.
Следование- конструкция, представляющая собой последовательное выполнение двух или более операторов (простых или составных).
Ветвление -задает выполнение либо одного, либо другого оператора в зависимости от выполнения какого-либо условия.
Цикл - задает многократное выполнение оператора (рис.1).
 |
| Рис. 1 |
Следование, ветвление и цикл называют базовыми конструкциями структурного программирования. Их особенностью является то, что любая из них имеет только один вход и один выход, поэтому они могут вкладываться друг в друга. Например, цикл может содержать следование из двух ветвлений, каждое из которых включает вложенные циклы.
Целью использования базовых конструкций является получение программы простой структуры. Такую программу легко читать, отлаживать и при необходимости вносить в нее изменения. Язык Паскаль способствует созданию хорошо структурированных программ, поскольку базовые конструкции реализуются в нем непосредственно с помощью соответствующих операторов.
Условный оператор if
Условный оператор if используется для разветвления процесса вычислений на два направления. Структурная схема оператора приведена на рис. 2 Формат оператора:
if выражение then оператор_1 [else оператор_2;]Сначала вычисляется выражение, которое должно иметь логический тип. Если оно имеет значение true, выполняется первый оператор, иначе - второй. После этого управление передается на оператор, следующий за условным.
 |
| Рис. 2 |
Одна из ветвей может отсутствовать (см. рис. 2). Операторы, входящие в состав условного, могут быть простыми или составными. Составной оператор (блок) обрамляется ключевыми словами begin и end. Блок применяют в том случае, когда по какой-либо ветви требуется выполнить несколько операторов.
| Пример 1 |
| if a < 0 then b := 1; {1} if (a < b) and ((a > d) or (a = 0)) then inc(b)else begin b := b * a; a := 0 end; {2} if a < b then if a < c then m := a else m := celse if b < c then m := b else m := c; {3} |
Если требуется проверить несколько условий, их объединяют знаками логических операций. Так, выражение в примере 2 будет истинно в том случае, если выполнится одновременно условие a < b и хотя бы одно из условий a > d и a = 0.
Частая ошибка при программировании условных операторов - неверная запись проверки на принадлежность диапазону. Например, условие 0 < x < 1 нельзя записать непосредственно. Правильный способ: if(0 < x) and (x < 1) then..., поскольку фактически требуется задать проверку выполнения одновременно двух условий: x > 0 и x < 1.
Вторая ошибка - отсутствие блока после else, если на самом деле по этой ветви требуется выполнить более одного действия. Эта ошибка не может быть обнаружена компилятором, поскольку является не синтаксической, а семантической, то есть смысловой.
Оператор варианта case
Оператор варианта (выбора) предназначен для разветвления процесса вычислений на несколько направлений. Стрктурная схема оператора приведена на рис. 5. Формат оператора:
case выражение of константы_1 : оператор_1; константы_2 : оператор_2; * константы_n : оператор_n; [ else : оператор ]end;  |
| Рис. 5 |
Выполнение оператора начинается с вычисления выражения. Затем управление передается наоператор, помеченный константами, значение одной из которых совпало с результатом вычисления выражения. После этого выполняется выход из оператора. Если совпадения не произошло, выполняются операторы, расположенные после слова else, а при его отсутствии управление передается оператору, следующему за case.
Выражение после ключевого слова case должно быть порядкового типа, константы - того же типа, что и выражение. Чаще всего после case используется имя переменной. Перед каждой ветвью оператора можно записать одну или несколько констант через запятую или операцию диапазона, обозначаемую двумя идущими подряд точками, например:
case a of 4 : writeln('4');5, 6 : writeln('5 или 6'); 7..12: writeln('от 7 до 12');end;ВНИМАНИЕ Если по какой-либо ветви требуется записать не один, а несколько операторов, они заключаются в блок с помощью ключевых слов begin и end.
| Пример 3 | |
| Программа, определяющая, какая из курсорных клавиш была нажата. | |
| Для объяснения этой программы надо забежать немного вперед и рассказать о том, что в состав оболочек Паскаля входят так называемые модули - библиотеки полезных при программировании ресурсов. В модуле Crt есть функция readkey, позволяющая получить код нажатой клавиши. Функция readkey работает так: если нажата алфавитно-цифровая клавиша, функция возвращает соответствующий символ. Если нажата клавиша курсора, возвращается символ с кодом 0, а при повторном вызове можно получить так называемый расширенный код клавиши. Для простоты можно считать, что расширенный код - это номер клавиши на клавиатуре. Функция ord позволяет получить числовой код символа. program cursor_keys;uses Crt;var key : char;begin writeln('Нажмите одну из курсорных клавиш ');key := readkey; if ord(key) <> 0 then writeln('обычнаяклавиша') else begin key := readkey; case ord(key) of 77: writeln('стрелкавправо'); 75: writeln('стрелкавлево'); 72: writeln('стрелкавверх'); 80: writeln('стрелкавниз'); else writeln('нестрелка'); end;end;end. |
Операторы цикла используются для вычислений, повторяющихся многократно. В Паскале три вида циклов: цикл с предусловием while, цикл с постусловием repeat и цикл с параметром for. Каждый из них состоит из определенной последовательности операторов.
Блок, ради выполнения которого и организуется цикл, называется телом цикла. Остальные операторы служат для управления процессом повторения вычислений: это начальные установки, проверка условия продолжения цикла и модификация параметра цикла (рис. 1). Один проход цикла называется итерацией.
 |
| Рис. 1 |
Начальные установки служат для того, чтобы до входа в цикл задать значения переменных, которые в нем используются.
Проверка условия продолжения цикла выполняется на каждой итерации либо до тела цикла (тогда говорят о цикле с предусловием, рис. 1, а), либо после тела цикла (цикл с постусловием, рис. 1, б). Разница между ними состоит в том, что тело цикла с постусловием всегда выполняется хотя бы один раз, после чего проверяется, надо ли его выполнять еще раз. Проверка необходимости выполнения цикла с предусловием делается до тела цикла, поэтому возможно, что он не выполнится ни разу.
Параметром цикла называется переменная, которая используется при проверке условия цикла и принудительно изменяется на каждой итерации, причем, как правило, на одну и ту же величину. Если параметр цикла целочисленный, он называется счетчиком цикла. Количество повторений такого цикла можно определить заранее. Параметр есть не у всякого цикла.
Цикл завершается, если условие его продолжения не выполняется. Возможно принудительное завершение как текущей итерации, так и цикла в целом. Для этого служат операторы break, continue (подробнее>>) и goto.
Цикл с предусловием while
Формат оператора прост:
while выражение do операторВыражение должно быть логического типа. Например, это может быть операция отношения или просто логическая переменная. Если результат вычисления выражения равен true, выполняется расположенный после служебного слова do простой или составной оператор. Эти действия повторяются до того момента, пока результатом выражения не станет значение false. После окончания цикла управление передается на следующий за ним оператор.
ВНИМАНИЕ Если в теле цикла необходимо выполнить более одного оператора, необходимо заключить их в блок с помощью begin и end.
Цикл с постусловием repeat
Тело цикла с постусловием заключено между служебными словами repeat и until, поэтому заключать его в блок не требуется:
repeat тело циклаuntil выражениеВ отличие от цикла while, этот цикл будет выполняться до тех пор, пока логическое выражение после слова until ложно. Как только результат выражения станет истинным, произойдет выход из цикла. Вычисление выражения выполняется в конце каждой итерации цикла.
Этот вид цикла применяется в тех случаях, когда тело цикла необходимо обязательно выполнить хотя бы один раз.
| Пример 2 | |||
Программа, вычисляющая квадратный корень вещественного аргумента X с заданной точностью eps по итерационной формуле:
где yn-1 - предыдущее приближение к корню (в начале вычислений выбирается произвольно), yn - последующее приближение. Процесс вычислений прекращается, когда приближения станут отличаться друг от друга по абсолютной величине менее, чем на величину заданной точности. | |||
| program square_root;var X, eps, { аргументиточность }Yp, Y : real; { предыдущее и последующее приближение }begin repeat writeln('Введите аргумент и точность (больше нуля): ');readln(X, eps); until (X > 0) and (eps > 0); Y := 1; repeat Yp := Y; Y := (Yp + X / Yp) / 2; until abs(Y - Yp) < eps;writeln('Корень из ', X:6:3, ' с точноcтью ', eps:7:5, 'равен ', Y:9:5);end. |
Цикл с параметром for
Этот оператор применяется, если требуется выполнить тело цикла заранее заданное количество раз. Параметр порядкового типа на каждом проходе цикла автоматически либо увеличивается, либо уменьшается на единицу:
for параметр := выражение_1 to выражение_2 do операторfor параметр := выражение_2 downto выражение_1 do операторВыражения должны быть того же типа, что и переменная цикла, оператор - простым или составным.
| Пример 3 | |
| Программа выводит на экран в столбик числа от 10 до 1 и подсчитывает их сумму: | |
| var i, sum : integer;begin sum := 0; for i := 10 downto 1 do begin writeln(i); inc(sum, i) end; writeln('Суммачисел: ', sum);end. |
ВНИМАНИЕ Если в теле цикла необходимо выполнить более одного оператора, необходимо заключить их в блок с помощью begin и end.
Выражения, определяющие начальное и конечное значения счетчика, вычисляются один раз до входа в цикл. Цикл for реализован в Паскале как цикл с предусловием, то есть его можно представить в виде эквивалентного оператора while. После нормального завершения цикла значение счетчика не определено.
Рекомендации по использованию циклов
Часто встречающимися ошибками при программировании циклов являются использование в теле цикла переменных, которым не были присвоены начальные значения, а также неверная запись условия продолжения цикла. Нужно помнить и о том, что в операторе while истинным должно являться условие повторения вычислений, а в операторе repeat - условие их окончания.
Чтобы избежать ошибок, рекомендуется:
· не забывать о том, что если в теле циклов while и for требуется выполнить более одного оператора, нужно заключать их в блок;
· убедиться, что всем переменным, встречающимся в правой части операторов присваивания в теле цикла, до этого присвоены значения, а также возможно ли выполнение других операторов;
· проверить, изменяется ли в теле цикла хотя бы одна переменная, входящая в условие продолжения цикла;
· предусматривать аварийный выход из итеративного цикла по достижению некоторого предельно допустимого количества итераций.
В Паскале есть несколько стандартных процедур, изменяющих последовательность выполнения операторов:
· break - завершает выполнение цикла, внутри которого записана;
· continue - выполняет переход к следующей итерации цикла;
· exit - выходит из программы или подпрограммы, внутри которой записана;
· halt - немедленно завершает выполнение программы.
Кроме того, для передачи управления используется оператор перехода goto
8 Программирование циклов (на примере языка программирования Паскаль или С++)
Цикл — разновидность управляющей конструкции в высокоуровневых языках программирования, предназначенная для организации многократного исполнения набора инструкций. Также циклом может называться любая многократно исполняемая последовательность инструкций, организованная любым способом (например, с помощью условного перехода).
C++
Последовательность инструкций, предназначенная для многократного исполнения, называется телом цикла. Единичное выполнение тела цикла называется итерацией. Выражение определяющее, будет в очередной раз выполняться итерация, или цикл завершится, называется условием выхода или условием окончания цикла (либо условием продолжения в зависимости от того, как интерпретируется его истинность — как признак необходимости завершения или продолжения цикла). Переменная, хранящая текущий номер итерации, называется счётчиком итераций цикла или просто счётчиком цикла. Цикл не обязательно содержит счётчик, счётчик не обязан быть один — условие выхода из цикла может зависеть от нескольких изменяемых в цикле переменных, а может определяться внешними условиями (например, наступлением определённого времени), в последнем случае счётчик может вообще не понадобиться.
Исполнение любого цикла включает первоначальную инициализацию переменных цикла, проверку условия выхода, исполнение тела цикла и обновление переменной цикла на каждой итерации. Кроме того, большинство языков программирования предоставляют средства для досрочного управления циклом, например, операторы завершения цикла, то есть выхода из цикла независимо от истинности условия выхода (в языке Си — break) и операторы пропуска итерации (в языке Си — continue).
Виды циклов:
Безусловные циклы
Иногда в программах используются циклы, выход из которых не предусмотрен логикой программы. Такие циклы называются безусловными, или бесконечными. Специальных синтаксических средств для создания бесконечных циклов, ввиду их не типичности, языки программирования не предусматривают, поэтому такие циклы создаются с помощью конструкций, предназначенных для создания обычных (или условных) циклов. Для обеспечения бесконечного повторения проверка условия в таком цикле либо отсутствует (если позволяет синтаксис, как, например, в цикле LOOP…END LOOP языка Ада), либо заменяется константным значением (while true do … в Паскале). В языке С используется цикл for(;;) с незаполненными секциями.
2)Цикл с предусловием — цикл, который выполняется пока истинно некоторое условие, указанное перед его началом. Это условие проверяется до выполнения тела цикла, поэтому тело может быть не выполнено ни разу (если условие с самого начала ложно). В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором while, отсюда его второе название — while-цикл. На языке Pascal цикл с предусловием имеет следующий вид:
while<условие>dobegin<тело цикла>end;На языке Си:
while(<условие>){<тело цикла>}3)Цикл с постусловием - цикл, в котором условие проверяется после выполнения тела цикла. Отсюда следует, что тело всегда выполняется хотя бы один раз. В языке Паскаль этот цикл реализует оператор repeat..until; в Си — do…while.
На языке Pascal цикл с постусловием имеет следующий вид::
На языке Си:
do{<тело цикла>}while(<условие продолжения цикла>)В трактовке условия цикла с постусловием в разных языках есть различия. В Паскале и языках, произошедших от него, условие такого цикла трактуется как условие выхода (цикл завершается, когда условие истинно, в русской терминологии такие циклы называют ещё «цикл до»), а в Си и его потомках — как условие продолжения (цикл завершается, когда условие ложно, такие циклы иногда называют «цикл пока»).
Цикл с выходом из середины
Наиболее общая форма условного цикла. Синтаксически такой цикл оформляется с помощью трёх конструкций: начала цикла, конца цикла и команды выхода из цикла. Конструкция начала маркирует точку программы, в которой начинается тело цикла, конструкция конца — точку, где тело заканчивается. Внутри тела должна присутствовать команда выхода из цикла, при выполнении которой цикл заканчивается и управление передаётся на оператор, следующий за конструкцией конца цикла. Естественно, чтобы цикл выполнился более одного раза, команда выхода должна вызываться не безусловно, а только при выполнении условия выхода из цикла.
Принципиальным отличием такого вида цикла от рассмотренных выше является то, что часть тела цикла, расположенная после начала цикла и до команды выхода, выполняется всегда (даже если условие выхода из цикла истинно при первой итерации), а часть тела цикла, находящаяся после команды выхода, не выполняется при последней итерации.
Часть языков программирования содержат специальные конструкции для организации цикла с выходом из середины. Так, в языке Ада для этого используется конструкция LOOP…END LOOP и команда выхода EXIT или EXIT WHEN:
LOOP ... Часть тела циклаEXITWHEN<условие выхода>; ... Часть тела циклаIF<условие выхода>THENEXIT; END; ... ЧастьтелациклаENDLOOP:Здесь внутри цикла может быть любое количество команд выхода обоих типов. Сами команды выхода принципиально не различаются, обычно EXIT WHEN применяют, когда проверяется только условие выхода, а просто EXIT — когда выход из цикла производится в одном из вариантов сложного условного оператора.
В тех языках, где подобных конструкций не предусмотрено, цикл с выходом из середины может быть смоделирован с помощью любого условного цикла и оператора досрочного выхода из цикла (такого, как break в Си, exit в Турбо Паскале т. п.), либо оператора безусловного переходаgoto.
5)Цикл со счётчиком - цикл, в котором некоторая переменная изменяет своё значение от заданного начального значения до конечного значения с некоторым шагом, и для каждого значения этой переменной тело цикла выполняется один раз. В большинстве процедурных языков программирования реализуется оператором for, в котором указывается счётчик (так называемая «переменная цикла»), требуемое количество проходов (или граничное значение счётчика) и, возможно, шаг, с которым изменяется счётчик. Например, в языке Оберон-2 такой цикл имеет вид:
FORv :=bTOeBYsDO... тело циклаEND(здесь v — счётчик, b — начальное значение счётчика, e — граничное значение счётчика, s — шаг).
Неоднозначен вопрос о значении переменной по завершении цикла, в котором эта переменная использовалась как счётчик. Например, если в программе на языке Паскаль встретится конструкция вида:
i:=100;for i :=0to9dobegin... телоциклаend;k:=i;возникает вопрос: какое значение будет в итоге присвоено переменной k: 9, 10, 100, может быть, какое-то другое? А если цикл завершится досрочно? Ответы зависят от того, увеличивается ли значение счётчика после последней итерации и не изменяет ли транслятор это значение дополнительно. Ещё один вопрос: что будет, если внутри цикла счётчику будет явно присвоено новое значение? Различные языки программирования решают данные вопросы по-разному. В некоторых поведение счётчика чётко регламентировано. В других, например, в том же Паскале, стандарт языка не определяет ни конечного значения счётчика, ни последствий его явного изменения в цикле, но не рекомендует изменять счётчик явно и использовать его по завершении цикла без повторной инициализации. Программа на Паскале, игнорирующая эту рекомендацию, может давать разные результаты при выполнении на разных системах и использовании разных трансляторов.
Радикально решён вопрос в языке Ада: счётчик считается описанным в заголовке цикла, и вне его просто не существует. Даже если имя счётчика в программе уже используется, внутри цикла в качестве счётчика используется отдельная переменная. Счётчику запрещено явно присваивать какие бы то ни было значения, он может меняться только внутренним механизмом оператора цикла. В результате конструкция
i := 100;for i in(0..9)loop ... тело циклаendloop;k := i;внешне аналогичная вышеприведённому циклу на Паскале, трактуется однозначно: переменной k будет присвоено значение 100, поскольку переменная i, используемая вне данного цикла, не имеет никакого отношения к счётчику i, который создаётся и изменяется внутри цикла. Подобное обособление счётчика удобно и безопасно: не требуется отдельное описание для него и минимальна вероятность случайных ошибок, связанных со случайным разрушением внешних по отношению к циклу переменных. Если программисту требуется включить в готовый код цикл со счётчиком, то он может не проверять, существует ли переменная с именем, которое он выбрал в качестве счётчика, не добавлять описание нового счётчика в заголовок соответствующей процедуры, не пытаться использовать один из имеющихся, но в данный момент «свободных» счётчиков. Он просто пишет цикл с переменной-счётчиком, имя которой ему удобно, и может быть уверен, что никакой коллизии имён не произойдёт.
Цикл со счётчиком всегда можно записать как условный цикл, перед началом которого счётчику присваивается начальное значение, а условием выхода является достижение счётчиком конечного значения; к телу цикла при этом добавляется оператор изменения счётчика на заданный шаг. Однако специальные операторы цикла со счётчиком могут эффективнее транслироваться, так как формализованный вид такого цикла позволяет использовать специальные процессорные команды организации циклов.
В некоторых языках, например, Си и других, произошедших от него, цикл for, несмотря на синтаксическую форму цикла со счётчиком, в действительности является циклом с предусловием. То есть в Си конструкция цикла:
for(i =0; i <10;++i){ ... тело цикла }фактически представляет собой другую форму записи конструкции[1]:
i =0;while(i <10){ ... телоцикла++i;}То есть в конструкции for сначала пишется произвольное предложение инициализации цикла, затем — условие продолжения и, наконец, выполняемая после каждого тела цикла некоторая операция (это не обязательно должно быть изменение счётчика; это может быть правка указателя или какая-нибудь совершенно посторонняя операция). Для языков такого вида вышеописанная проблема решается очень просто: переменная-счётчик ведёт себя совершенно предсказуемо и по завершении цикла сохраняет своё последнее значение.
Циклы PASCAL
В большинстве задач, встречающихся на практике, необходимо производить многократное выполнение некоторого действия. Такой многократно повторяющийся участок вычислительного процесса называется циклом.
Если заранее известно количество необходимых повторений, то цикл называется арифметическим. Если же количество повторений заранее неизвестно, то говорят об итерационном цикле.
В итерационных циклах производится проверка некоторого условия, и в зависимости от результата этой проверки происходит либо выход из цикла, либо повторение выполнения тела цикла. Если проверка условия производится перед выполнением блока операторов, то такой итерационный цикл называется циклом с предусловием (цикл "пока"), а если проверка производится после выполнения тела цикла, то это цикл с постусловием (цикл "до").
Особенность этих циклов заключается в том, что тело цикла с постусловием всегда выполняется хотя бы один раз, а тело цикла с предусловием может ни разу не выполниться. В зависимости от решаемой задачи необходимо использовать тот или иной вид итерационных циклов.
Арифметические циклы
Синтаксис:
for переменная := значение 1 to значение 2 do операторили
for переменная := значение 1 downto значение 2 do операторОператор for вызывает оператор, находящийся после слова do, по одному разу для каждого значения в диапазоне от значения 1 до значения 2.
Переменная цикла, начальное и конечное значения должны иметь порядковый тип. Со словом to, значение переменной цикла увеличивается на 1 при каждой итерации цикла. Со словом downto, значение переменной цикла уменьшается на 1 при каждой итерации цикла. Не следует самостоятельно изменять значение управляющей переменной внутри цикла.
Как и в случае использования оператора условного прехода, следует помнить, что синтаксис языка допускает запись только одного оператора после ключевого слова do, поэтому, если вы хотите в цикле выполнить группу операторов, обязательно надо объединить их в составной оператор (окаймить операторными скобками begin ... end). В противном случае будет сделана логическая ошибка программы.
Пример 1. Квадраты чисел от 2-х до 10-и.
for x:=2 to 10 do WriteLn(x*x);Пример 2. Латинскийалфавит.
for ch:='A' to 'Z' do Writeln(ch);Пример 3. Использование цикла с downto.
for i:=10 downto 1 do WriteLn(i);Пример 4. Использование составного оператора.
for x:=1 to 10 do beginy:=2*x+3;WriteLn('f(',x,')=',y);end;