3. Современные языки программирования (с, Java, Delphi, vb). Типы данных языка. Структура приложения.

Классификация языков программирования

Процедурное программирование - есть отражение фон Неймановской архитектуры компьютера. Программа, написанная на процедурном языке, представляет собой последовательность команд, определяющих алгоритм решения задачи. Основная идея процедурного программирования - использование памяти для хранения данных. Основная команда- присвоение, с помощью которой определяется и меняется память компьютера. Программа производит преобразование содержимого памяти, изменяя его от исходного состояния к результирующему.

Различают такие языки процедурного программирования:

 Язык Фортран создан в начале 50-х годов 20-го века для программирования научно-технических задач;

 Кобол – создан в конце 60-х годов 20-го века для решения задач обработки больших объемов данных, хранящихся на различных носителях данных;

 Алгол (1960 год) – это многоцелевой расширенный язык программирования. В нем впервые введены понятия «блочная структура программы» и «динамическое распределение памяти»;

 В середине 60-х годов 20-го века был создан специализированный язык программирования для начинающих – BASIC. Характеризуется простотой освоения и наличием универсальных средств для решения научных, технических и экономических задач, а также задач, например, игровых.

Все перечисленные выше языки были ориентированы на различные классы задач, но они в той или иной мере были привязаны к конкретной архитектуре ЭВМ.

 В 1963-1966гг был создан многоцелевой универсальный язык PL-1. Этот язык хорошо приспособлен для исследования и планирования вычислительных процессов, моделирования, решения логических задач, разработки систем математического обеспечения.

 Язык Паскаль (PASCAL) (1968-1971гг)- язык процедурного программирования наиболее популярный для ПК, который и в настоящее время успешно применяется. В основу языка Pascal положен подход от общей задачи к частным (более простым и меньшим по объему). К основным принципам, которыми обладает Паскаль, можно отнести: а) Структурное программирование, которое основано на использовании подпрограмм и независимых структур данных; б) Программирование «сверху-вниз», когда задача делится на простые, самостоятельно решаемые задачи. Затем выстраивается решение исходной задачи полностью сверху вниз.

 К языкам процедурного программирования можно отнести язык АДА (1979 г) Язык назван в честь первой программистки Ады Лавлейс- дочери Байрона. Его отличает модульность конструкций.

 Язык СИ (начало 70-х годов) также относится к языкам процедурного программирования. Первоначальный его вариант планировался как язык для реализации операционной системы Unix вместо языка Ассемблера. Одной из особенностей языка СИ является то, что различия между выражениями и операторами сглаживаются, что приближает его к функциональным языкам программирования. Кроме того, в языке СИ отсутствует понятие процедуры, а использование подпрограмм основано на понятии функции, которая может сочетать в себе возможности процедуры. С одной стороны, по набору управляющих конструкций и структур данных его можно отнести к языкам высокого уровня, а с другой – он имеет набор средств прямого обращения к функциональным узлам компьютера, а это означает, что его можно использовать как операционный язык.

Объектно-ориентированное программирование (ООП)

Объектно-ориентированное программирование (ООП) — это метод программирования, при использовании которого главными элементами программ являются объекты. В языках программирования понятие объекта реализовано как совокупность свойств (структур данных, характерных для данного объекта), методов их обработки (подпрограмм изменения их свойств) и событий, на которые данный объект может реагировать и, которые приводят, как правило, к изменению свойств объекта. Объединение данных и свойственных им процедур обработки в одном объекте, называется инкапсуляцией и является одним из важнейших принципов ООП.

Другим фундаментальным понятием является класс. Класс это шаблон, на основе которого может быть создан конкретный программный объект, он описывает свойства и методы, определяющие поведение объектов этого класса. Каждый конкретный объект, имеющий структуру этого класса, называется экземпляром класса.

Следующими важнейшими принципами ООП являются наследование и полиморфизм. Наследование предусматривает создание новых классов на базе существующих и позволяет классу потомку иметь (наследовать) все свойства класса – родителя.

Полиморфизм означает, что рожденные объекты обладают информацией о том, какие методы они должны использовать в зависимости от того, в каком месте цепочки они находятся.

Другим важнейшим принципом ООП является модульность – объекты заключают в себе полное определение их характеристик, никакие определения методов и свойств не должны располагаться вне его, это делает возможным свободное копирование и внедрение одного объекта в другие.

Наиболее современными языками программирования являются С++ и Java. С середины 90-х годов многие объектно–ориентированные языки реализуются как системы визуального проектирования, в которых интерфейсная часть программного продукта создается в диалоговом режиме, практически без написания программных операторов. К объектно – ориентированным системам визуального проектирования относятся Visual Basic, Delphi, C++ Builder, Visual C++. Язык VBA (Visual Basic for Application) – язык приложений Microsoft Office (Excel, Word, Power Point и др). VBA соблюдает основной синтаксис языка и правила программирования языков Basic – диалектов, позволяет создавать макросы для автоматизации выполнения некоторых операций и графический интерфейс пользователя, интеграцию между различными программными продуктами.

Декларативные языки программирования

К ним относятся функциональные и логические языки программирования. Функциональное программирование- это способ составления программ, в которых единственным действием является вызов функции. В функциональном программировании не используется память, как место для хранения данных, а, следовательно, не используются промежуточные переменные, операторы присваивания и циклы. Ключевым понятием в функциональных языках является выражение. Программа, написанная на функциональном языке, представляет собой последовательность описания функций и выражений. Выражение вычисляется сведением сложного к простому. Все выражения записываются в виде списков. Первым языком стал язык Лисп (LISP, LIST Processing- обработка списков) создан в 1959г. Этот язык позволяет обрабатывать большие объемы текстовой информации. Логическое программирование- это программирование в терминах логики. В 1973 году был создан язык искусственного интеллекта Пролог (PROLOG) (Programming in Logic). Программа на языке Пролог строится из последовательности фактов и правил, затем формулируется утверждение, которое Пролог пытается доказать с помощью правил. Язык сам ищет решение с помощью методов поиска и сопоставления, которые в нем заложены. Логические программы не отличаются высоким быстродействием, так как процесс их выполнения сводится к построению прямых и обратных цепочек рассуждений разнообразными методами поиска.

Си (англ. C) — стандартизированный процедурный язык программирования, разработанный в начале 1970-х годов сотрудниками Bell Labs Кеном Томпсоном и Деннисом Ритчи как развитие языка Би. Си был создан для использования в операционной системе UNIX. С тех пор он был перенесён на многие другие операционные системы и стал одним из самых используемых языков программирования. Си ценят за его эффективность. Он является самым популярным языком для создания системного программного обеспечения. Его также часто используют для создания прикладных программ. Несмотря на то, что Си не разрабатывался для новичков, он активно используется для обучения программированию. В дальнейшем синтаксис языка Си стал основой для многих других языков.

Для языка Си характерны лаконичность, стандартный набор конструкций управления потоком выполнения, структур данных и обширный набор операций.

Язык программирования Си отличается минимализмом. Авторы языка хотели, чтобы программы на нём легко компилировались с помощью однопроходного компилятора, чтобы каждой элементарной составляющей программы после компиляции соответствовало весьма небольшое число машинных команд, а использование базовых элементов языка не задействовало библиотеку времени выполнения. Однопроходный компилятор компилирует программу, не возвращаясь назад, к уже обработанному тексту. Поэтому использованию функции и переменных должно предшествовать их объявление. Код на Си можно легко писать на низком уровне абстракции, почти как на ассемблере. Иногда Си называют «универсальным ассемблером» или «ассемблером высокого уровня», что отражает различие языков ассемблера для разных платформ и единство стандарта Си, код которого может быть скомпилирован без изменений практически на любой модели компьютера. Си часто называют языком среднего уровня или даже низкого уровня, учитывая то, как близко он работает к реальным устройствам. Однако, в строгой классификации, он является языком высокого уровня.

Компиляторы Си разрабатываются сравнительно легко благодаря простоте языка и малому размеру стандартной библиотеки. Поэтому данный язык доступен на самых различных платформах (возможно, круг этих платформ шире, чем у любого другого существующего языка). К тому же, несмотря на свою низкоуровневую природу, язык позволяет создавать переносимые программы и поддерживает в этом программиста. Программы, соответствующие стандарту языка, могут компилироваться на самых различных компьютерах.

Си (как и ОС UNIX, с которой он долгое время был связан) создавался программистами и для программистов, круг которых был бы ненамного шире круга разработчиков языка. Несмотря на это, область использования языка значительно шире задач системного программирования.

Си создавался с одной важной целью: сделать более простым написание больших программ с минимумом ошибок по правилам процедурного программирования, не добавляя на итоговый код программ лишних накладных расходов для компилятора, как это всегда делают языки очень высокого уровня, такие как Бейсик. С этой стороны Си предлагает следующие важные особенности:

• простую языковую базу, из которой вынесены в библиотеки многие существенные возможности, вроде математических функций или функций управления файлами;

• ориентацию на процедурное программирование, обеспечивающую удобство применения структурного стиля программирования;

• систему типов, предохраняющую от бессмысленных операций;

• использование препроцессора для, например, определения макросов и включения файлов с исходным кодом;

• непосредственный доступ к памяти компьютера через использование указателей;

• минимальное число ключевых слов;

• передачу параметров в функцию по значению, а не по ссылке (при этом передача по ссылке эмулируется с помощью указателей);

• указатели на функции и статические переменные;

• области действия имён;

• структуры и объединения — определяемые пользователем собирательные типы данных, которыми можно манипулировать как одним целым;

Некоторые особенности других языков программирования, которые отсутствуют в Си:

• автоматическое управление памятью;

• поддержка объектно-ориентированного программирования;

• замыкание;

• вложенные функции;

• полиморфизм функций и операторов;

• поддержка многозадачности и сетевые функции;

• функции высшего порядка;

• сопрограммы;

• карринг.

Часть отсутствующих возможностей относительно легко имитируется встроенными средствами (например, сопрограммы можно имитировать с помощью функций setjmp и longjmp), часть добавляется с помощью сторонних библиотек (например, для поддержки многозадачности и для сетевых функций можно использовать библиотеки pthreads, sockets и т. п.; существуют библиотеки для поддержки автоматической сборки мусора^[1]), часть реализуется в некоторых компиляторах в виде расширений языка (например, вложенные функции в GCC).

После появления язык Си был хорошо принят, потому что он позволял быстро создавать компиляторы для новых платформ, а также позволял программистам довольно точно представлять, как выполняются их программы. Благодаря этому программы, написанные на Си, эффективнее написанных на многих других языках. Как правило, лишь оптимизированный вручную код на ассемблере может работать ещё быстрее, потому что он даёт полный контроль над машиной, однако развитие современных компиляторов вместе с усложнением современных процессоров сократило этот разрыв.

Одним из последствий высокой эффективности и переносимости Си стало то, что многие компиляторы, интерпретаторы и библиотеки других языков высокого уровня часто написаны на языке Си.

Язык Си был создан уже после внедрения стандарта ASCII, поэтому использует почти все его графические символы (нет только $ @ `). Более старые языки вынуждены были обходиться более скромным набором — так, Фортран, Лисп и Кобол использовали только круглые скобки (), а в Си есть и круглые (), и квадратные [], и фигурные {}. Кроме того, в Си различаются заглавные и строчные буквы, а более старые языки использовали только заглавные.

Комментарии

Текст, заключённый в служебные символы /* и */ (в этом порядке), полностью игнорируется компилятором. Вложение комментариев не допускается. Компиляторы, совместимые со стандартом C99, также позволяют использовать комментарии, начинающиеся с символов //и заканчивающиеся переводом строки

Ключевые слова

В С89 есть 32 ключевых слова:

auto	double	int	struct
break	else	long	switch
case	enum	register	typedef
char	extern	return	union
const	float	short	unsigned
continue	for	signed	void
default	goto	sizeof	volatile
do	if	static	while

C99 добавляет пять новых: _Bool, inline, _Complex, _Imaginary, restrict.

Типы

Система типов в Си подобна типам в других потомках Алгола, таких, как Паскаль. В Си имеются типы целых чисел различных размеров (short int, long int), со знаком (signed) и без (unsigned), чисел с плавающей запятой (float, double), символов, перечисляемых типов (enum) и записей-структур (struct). Кроме того, язык Си предлагает тип объединение (union), с помощью которого можно либо хранить в одном месте памяти разнородные данные, не пересекающиеся по времени существования (это позволяет экономить память), либо обращаться к содержимому участка памяти, как к данным разных типов (что позволяет менять тип-интерпретацию данных, не меняя сами данные).

В языке возможно преобразование типов, но оно не всегда происходит автоматически. Только некоторые типы числовых данных полностью совместимы друг с другом. При таком преобразовании компилятор может выдать только предупреждение. Чтобы полностью обезопасить себя от ошибок такого рода, можно использовать программу lint.

Рассмотрим структуру исходной программы на Си и опеределим термины, используемые при описании языка.      Исходная программа - это совокупность следующих объектов: директив, указаний компилятору, объявлений и определений.      Директивы задают действия препроцессора по преобразованию текста программы перед компиляцией.      Указания компилятору - это команды, выполняемые компилятором во время процесса компиляции. Объявления задают имена и атрибуты переменных, функций и типов, используемых в программе.      Определения - это объявления, определяющие переменные и функции.      Определение переменной в дополнении к ее имени и типу задает начальное значение объявленной переменной. Кроме того, определение предполагает распределение памяти для переменной.      Определение функции специфицирует ее структуру, которая представляет собой смесь из объявлений и операторов, которые образуют саму функцию. Определение функции также задает имя функции, ее формальные параметры и тип возвращаемой величины.      Исходная программа может содержать любое число директив, указаний компилятору, объявлений и определений. Любой из объектов программы имеет определенный синтаксис, и каждая составляющая может появляться в любом порядке.      В следующем примере иллюстрируется простая исходная программа на языке Си.      int х = 1; /* Определение переменных */      int у = 2;      extern int   printf(char * , ...) /* Объявление функции */      main() /* Определение функции main */      {      int z; /* Объявление переменных */      int w;      z = у + х; /* Операторы */      w = у - х;      printf("z = %d   \nw = %d   \n", z, x); }      Эта исходная программа определяет функцию с именем main и объявляет функцию printf. Переменные х и у задаются своими определениями. Переменные z и w только объявляются.      Каждая программа содержит главную программную функцию. В Си главная программная функция должна быть поименована как main. Функция main служит точкой старта при выполнении программы и обычно управляет выполнением программы, организуя вызовы других функций. Программа обычно завершает выполнение по окончанию функции main, хотя она может завершиться и в других точках, в зависимости от окружающей обстановки.      Исходная программа обычно включает в себя несколько функций, каждая из которых предназначена для выполнения определенного задания. Функция main может вызывать эти функции с тем, чтобы выполнить то или иное задание. Функция возвращает управление при выполнении оператора return или по окончанию самой функции (выход на конец функции).      Все функции, включая функцию main, могут быть объявлены с параметрами. Вызываемые функции получают значения параметров из вызывающих функций. Значения параметров функции main могут быть переданы из внешнего окружения. Например, они могут быть переданы из командной строки.      Соглашение Си требует, чтобы первые два параметра функции main (если они необходимы) назывались argc и argv.      Параметр argc определяет общее число аргументов, передаваемых функции maim Параметр argv объявляется как массив указателей, каждый элемент которого ссылается на строковое представление аргумента, передаваемого функции main. Третий параметр функции main (если он есть) традиционно задается с именем envp. Однако Си не требует этого имени. Параметр envp - это указатель на массив указателей строковых величин, которые определяют окружение, в котором выполняется программа.      Операционная система поддерживает передачу значений для argc, argv, и envp параметров, а пользователь поддерживает задание значений фактических параметров для функции main. Соглашение о передаче параметров в большей степени определяется операционной системой, чем самим языком Си.

Java — объектно-ориентированный язык программирования, разработанный компанией Sun Microsystems (в последующем приобретённой компанией Oracle). Приложения Java обычно компилируются в специальный байт-код, поэтому они могут работать на любой виртуальной Java-машине (JVM) вне зависимости от компьютерной архитектуры. Дата официального выпуска — 23 мая 1995 года.

Программы на Java транслируются в байт-код, выполняемый виртуальной машиной Java (JVM) — программой, обрабатывающей байтовый код и передающей инструкции оборудованию как интерпретатор.

Достоинство подобного способа выполнения программ — в полной независимости байт-кода от операционной системы и оборудования, что позволяет выполнять Java-приложения на любом устройстве, для которого существует соответствующая виртуальная машина. Другой важной особенностью технологии Java является гибкая система безопасности благодаря тому, что исполнение программы полностью контролируется виртуальной машиной. Любые операции, которые превышают установленные полномочия программы (например, попытка несанкционированного доступа к данным или соединения с другим компьютером) вызывают немедленное прерывание.

Часто к недостаткам концепции виртуальной машины относят то, что исполнение байт-кода виртуальной машиной может снижать производительность программ и алгоритмов, реализованных на языке Java. В последнее время был внесен ряд усовершенствований, которые несколько увеличили скорость выполнения программ на Java:

• применение технологии трансляции байт-кода в машинный код непосредственно во время работы программы (JIT-технология) с возможностью сохранения версий класса в машинном коде,

• широкое использование платформенно-ориентированного кода (native-код) в стандартных библиотеках,

• аппаратные средства, обеспечивающие ускоренную обработку байт-кода (например, технология Jazelle, поддерживаемая некоторыми процессорами фирмы ARM).

По данным сайта shootout.alioth.debian.org, для семи разных задач время выполнения на Java составляет в среднем в полтора-два раза больше, чем для C/C++, в некоторых случаях Java быстрее, а в отдельных случаях в 7 раз медленнее.^[14] С другой стороны, для большинства из них потребление памяти Java-машиной было в 10-30 раз больше, чем программой на C/C++. Также примечательно исследование, проведённое компанией Google, согласно которому отмечается существенно более низкая производительность и бо́льшее потребление памяти в тестовых примерах на Java в сравнении с аналогичными программами на C++^[15][16][17].

Идеи, заложенные в концепцию и различные реализации среды виртуальной машины Java, вдохновили множество энтузиастов на расширение перечня языков, которые могли бы быть использованы для создания программ, исполняемых на виртуальной машине.^[18] Эти идеи нашли также выражение в спецификации общеязыковой инфраструктуры CLI, заложенной в основу платформы .NET компанией Microsoft.

Основные возможности

• автоматическое управление памятью;

• расширенные возможности обработки исключительных ситуаций;

• богатый набор средств фильтрации ввода/вывода;

• набор стандартных коллекций: массив, список, стек и т. п.;

• наличие простых средств создания сетевых приложений (в том числе с использованием протокола RMI);

• наличие классов, позволяющих выполнять HTTP-запросы и обрабатывать ответы;

• встроенные в язык средства создания многопоточных приложений;

• унифицированный доступ к базам данных:

• на уровне отдельных SQL-запросов — на основе JDBC, SQLJ;

• на уровне концепции объектов, обладающих способностью к хранению в базе данных — на основе Java Data Objects (англ.) и Java Persistence API;

• поддержка обобщений(начиная с версии 1.5);

• параллельное выполнение программ.