Аверянов Основы современной информатики 2007

отношение к которым не всегда однозначно, хотя принципы блочности, иерархичности и декомпозиции явно просматриваются в его структуре.

1.При организации программы Pasсal придерживается более строгого подхода. Обязательной является описательная (неисполнимая) часть, которая оформляется с помощью специальных синтаксических структур с описанием всех используемых системных модулей и встроенных процедур и функций, а также с описанием всех используемых параметров с именами, переменных, констант, массивов и т.п. (т.е. принятые в Фортране умолчания не допускаются).

2.Включаются в текст программы структуры FUNCTION и PROCEDURE, функционально являющиеся полным аналогом FUNCTION и SUBROUTINE, но в отличие от Фортрана они являются внутренними подпрограммами, транслируемыми вместе с основной программой, и недоступны извне.

3.Используются блочные конструкции begin…end, придающие автономность отдельным частям текста программы, продолжение выполнения которой возможно только после завершения выполнения участка, заключенного в эти скобочные конструкции.

4.Применяются структурные составные операторы (циклические и ветвящиеся), что связано с отказом от использования меток для указания завершающей строки структуры. Эта особенность и предполагает, что всю программу можно представить состоящей из автономных блоков, на которые можно разделить описание большой размерности.

Однако необходимо отметить и некоторые отклонения от основной (генеральной) линии – структурного программирования, особенно при дальнейшем развитии языка и введении дополнительных функциональных возможностей.

Так, если основная критика Фортрана связана с оператором безусловного перехода (go to) и наличием меток, что приводит в больших программах к «паутине» переходов, затрудняя чтение программы и поиск ошибок (нарушает структурированностью), то, тем не менее, в Pascal эти средства также были введены, поскольку они в ряде случаев оказались очень удобны. Локализация имен и меток, наличие глобальных имен также является отходом от основной (генеральной) линии Pascal.

191

Кроме этого, начиная с определенных версий Turbo Pascal (фирмы Borland), введены автономные (отдельно транслируемые) модули UNIT (по образу и подобию Фортрана). В связи с этим разговоры о структурированности уменьшились, особенно в связи с переходом на парадигму объектно-ориентированного программирования и развитием CASE-технологии. Концепция объектноориентированного программирования представляет современную парадигму традиционного программирования.

Несмотря на замысловатую терминологию и всеобщий интерес к этой технологии программирования, она является естественным продолжением хорошо известных принципов, которые уже давно внедрены на системном уровне. Причины развития этих принципов те же самые, что и развития процедурно-ориентированного и структурированного программирования – постоянно увеличивающаяся сложность задач и постоянный рост объема программ (проектирование сложных технических систем – СТС).

В основе объектно-ориентированного программирования находится понятие абстракции, которое изначально использовали языки программирования, однако в прежние времена эта технология не была в ходу. В определенном смысле любая программа высокого уровня является абстракцией, так как она абстрагируется от непосредственно исполнимой программы. В современных языках программирования используется два основных вида абстракции: абстракция процесса и абстракция данных, которые и составляют идеологическую основу объектно-ориентированного программирования.

Абстракция процесса – одно из наиболее старых понятий в области разработки языков программирования. Даже язык Plankalkul поддерживал абстракцию процесса. Все подпрограммы являются абстракцией процессов, поскольку они определяют способ, с помощью которого программа устанавливает, что необходимо выполнить некоторый процесс без уточнения деталей того, как именно это можно сделать (т.е. сама реализация этого процесса скрыта от пользователя в вызывающей ЦП программе).

Например, если в программе нужно упорядочить массив числовых данных некоторого типа, обычно используется подпрограмма,

192

выполняющая сортировку. В основной программе, когда требуется выполнить сортировку, помещается оператор следующего вида:

SORT_int(list,list_len)

Этот вызов является абстракцией реального процесса сортировки (алгоритм которого в вызывающей программе не определен и не зависит от алгоритма в вызываемой программе). Единственным существенным моментом является имя вызываемой подпрограммы (SORT_int), а также указание (передачи в программу SORT_int) массива подлежащего сортировке (list) и имя отсортированного массива, который возвращается в основную программу (list_len).

Абстракция процесса – ключевое понятие в программировании. Возможность абстрагироваться от многочисленных деталей алгоритма, который выполняется подпрограммой, позволяет читать и понимать большие программы (в десятки тысяч строк).

Эволюция абстракции данных сопровождается эволюцией абстракции процесса, поскольку неотъемлемой и главной частью любой абстракции данных являются операции, которые определяются как абстракции процесса. Абстракция данных составляет основу (парадигму) информационно-ориентированного программирования (в противоположность процедурному). Эта парадигма стала популярной в 1980-х годах. Языки, поддерживающие информационное программирование, часто называются объектными (object_based). Они составляют основу объектно-ориентированного программирования. Появление абстракции данных связано с так называемой инкапсуляцией (скрытая реализация*).

Инкапсуляция – способ объединения в единое целое подпрограмм и данных, которые они обрабатывают. Такое объединение предоставляет пользователю возможность создавать собственные типы данных, аналогичных встроенным типам, используемыми процедурными языками программирования (целые, действительные, логические, символьные и т.п.). В отличие от абстракции про-

* Обращение к сложным подпрограммам в процедурно-ориентированном программировании связано с определением большого количества формальных параметров, согласованных по количеству, порядку следования и типу с параметрами формальными (большое количество ошибок возникает из-за этой несогласованности). В связи с этим пользователю, хотя и не требуется разбираться в деталях алгоритма, используемого в подпрограмме, он должен иметь явное представление о принципах его построения

193

цесса, когда данные и методы, позволительные для их обработки, разделены (данные в главной программе, а методы в подпрограммах) и в процессе передачи очень часто возникают проблемы, инкапсуляция исключает эти трудности (поскольку ничего передавать не требуется).

Таким образом, абстрактный тип данных – инкапсуляция, которая содержит только представление данных одного конкретного типа и подпрограммы, которые выполняют операции с данными этого типа. Это средство против сложности, способ сделать большие и сложные программы более управляемыми.

Экземпляр абстрактного типа данных называется объектом. Концепция объектно-ориентированного программирования (ob-

ject-oriented) уходит корнями в язык SIMULA-67 (норвежцы – Кристен Нигаард и Оле Йохан Дал), но она не была полностью разработана, пока эволюция языка Smalltalk (американец Ален Лэй) не привела к появлению языка Smalltalk 80.

На сегодняшний день для всех традиционных языков программирования разработаны объектно-ориентированные диалекты (начиная с C++, Ada, Pascal, Fortran) и т.п. Некоторые из современных языков программирования, разработанных для объектно-ориен- тированного программирования, не поддерживают другие парадигмы программирования, но продолжают использовать некоторые основные структуры императивных языков и внешне на них похожи. К таким языкам, например, относится Java. Кроме того, существует один полностью объектно-ориентированный язык, упомяну-

тый ранее, – Smalltalk.

Объектно-ориентированное программирование имеет ряд важных свойств, развивающих информационно-ориентированное программирование, приводящее его из объектных языков к объектноориентированным. Объектно-ориентированные языки должны поддерживать три ключевых языковых свойства: абстрактные типы данных (которые уже обсуждались), наследование и динамическое связывание с так называемым полиморфизмом (последние свойства отсутствовали в концепции информационно-ориентированного программирования).

Наследование. В объектно-ориентированном программировании часть, общая для набора похожих типов данных, выделяется в новый тип.

194

Повторное использование разработанных программ является мощным средством повышения эффективности программирования и является сердцевиной объектно-ориентированного программирования. Наследование позволяет решить как проблемы модификации, возникающие в результате повторного использования абстрактного типа данных, так и проблемы организации программ. Если новый абстрактный тип данных может наследовать данные и функциональные свойства некоторого существующего типа, а также модифицировать некоторые из этих сущностей и добавлять новые, то повторное использование значительно облегчается и не связано с необходимостью вносить изменения в повторно используемый абстрактный объект.

Без механизма наследования модификации объекта могут быть трудновыполнимы и потребуют от программиста понимания части, если не всего целиком существующего кода. Кроме того, во многих случаях модификации влекут за собой изменения во всех программах клиента.

Предположим, что в программе есть абстрактный тип данных для массива целых чисел, включающих в себя операцию сортировки. После некоторого периода использования программа модифицируется и требует наличия не только абстрактного типа данных для массивов целых чисел с операцией сортировки, но и операции вычисления арифметического среднего для элементов объектов, представляющих собой массив. Поскольку структура массива скрыта в абстракционном типе данных (без наследования), этот тип должен быть модифицирован путем добавления новой операции в эту структуру (т.е. нужно разбираться в тексте существующей программы). При наличии наследования нет необходимости в модификации существующего типа: можно описать подкласс существующего типа, поддерживающий не только операции сортировки, но и операцию среднего арифметического.

Абстрактные типы данных с похожими свойствами в объектноориентированных языках обычно называются классами (classes).

Как и экземпляры абстрактных типов данных, экземпляры классов называются объектами. Класс, который определяется через наследование от другого класса, называется производным классом

(derived class) или подклассом.

195

Класс, от которого производится новый класс, называется ро-

дительским классом (parent class), или суперклассом (super class).

Программы, определяющие операции над объектами класса, называются методами (methods). Вызовы методов называются сообщениями (message). Весь набор методов объекта называется прото-

колом сообщений (message protocol), или интерфейсом сообщений

объекта. Сообщение должно иметь, по крайней мере, две части: конкретный объект, которому оно должно быть послано, и имя определяющего необходимые действия над объектом.

И, наконец, третьим свойством объектно-ориентированного программирования является полиморфизм, который обеспечивается с помощью так называемого динамического связывания.

Полиморфизм (многозначность сообщений, или их неоднозначность) – свойство, когда одинаковые сообщения по-разному понимаются разными объектами, в зависимости от их класса. Так, например, одно и тоже сообщение звездочки (*) вызывает совершенно разные методы применительно к целым, действительным, комплексным числам или операциям с матрицами.

Связывание (binding) в общем смысле представляет собой процесс установления связи, аналогичной существующей между атрибутом и объектом или между операцией и символом. Связывание – важное понятие семантики языков программирования. Связывание называется статическим (static), если оно выполняется до выполнения программы и не меняется во время ее выполнения. Если связывание происходит во время выполнения программы или может меняться в ходе ее выполнения, то оно называется динамическим.

Применительно к объектам данных имеется в виду связывание типов данных и их методов. Во всех рассмотренных нами ранее типах данных, включаемых в стандарты языков, имелось в виду

статическое связывание.

При статическом связывании код необходимых для работы программы библиотечных функций физически добавляется к коду объектных модулей для получения загрузочного модуля, который в результате получается очень большого размера.

При динамическом связывании в результирующем модуле проставляются лишь ссылки на код необходимых библиотечных функций, если код реально добавляется только при его исполнении и освобождает память после завершения его работы.

196

Несмотря на то, что при динамическом связывании начальная загрузка выполняется несколько медленнее, оно обеспечивает большую гибкость при разработке программных продуктов (одна и та же программа может работать с различными типами данных) и является естественным дополнением полиморфизма.

Еще одно направление в развитии императивных языков связано с параллельным программированием. Вопрос о параллельном программировании возник достаточно давно в связи с появлением первых суперкомпьютеров и являлся занятием довольно узкого круга людей, занимающихся научными задачами в области военной проблематики. Однако в последнее время необходимость в параллельном программировании приобретает массовый характер. Этому способствует как непрерывное падение цен на параллельные компьютеры, так и постоянное усложнение задач, решаемых на них. Причем это не только традиционные задачи физики, химии, биологии, медицины и других наук, в которых переход от упрощенных моделей к реальным задачам сопряжен с количественным ростом объема вычислений, но также задачи, связанные с разработкой систем управления базами данных (СУБД), разнообразными Internetсерверами запросов (WWW, FTP, DNS и т.п.) и совместного использования данных (NFS, SMB и др.), автоматизированными системами управления производством (АСУП) и технологическими процессами (АСУТП), поскольку в этих задачах требуется обеспечить обслуживание максимального количества запросов в единицу времени, а сложность самого запроса растет.

Можно сказать, что в настоящее время практически разработка всех крупных программных проектов как научной, так и коммерческой направленности либо содержит поддержку параллельной работы на компьютерах различного типа, либо эта поддержка запланирована.

Говоря о параллельном программировании необходимо отметить, что даже на современных однопроцессорных компьютерах с помощью логического распараллеливания и расслоения памяти можно достичь существенного повышения производительности при правильном выборе алгоритма решения задач. Так, можно в 14 раз увеличить скорость перемножения матриц при выборе алгоритма перемножения, эффективно использующего кэш-память.

197

Для многопроцессорных компьютеров обычно рассматривается распараллеливание на уровне процессов. Под процессом понимается динамическая сущность программы, ее код в процессе выполнения, который имеет собственные области памяти под код и данные, собственное отображение виртуальной памяти на физическую может находиться в различных состояниях (которые будут обсуждаться в следующей главе).

Кроме процессов, возможно распараллеливание на уровне задач (потоков или нитей, thread) – это как бы одна из ветвей исполняемого процесса. Речь идет о распараллеливании внутри исполнимой программы. Задача разделяет с процессом как память под код и данные, так и отображение виртуальной памяти на физическую, а также имеет собственное состояние.

Реализация распараллеливания процессов и задач возможна как с помощью средств операционных систем, прежде всего различных версий UNIX, так и с помощью функций императивных языков программирования. Так, появившийся в 1990 г. интерфейс MPI (Message Passing Interfere), ставший фактически стандартом для программирования систем с распределенной памятью, приобрел большую популярность и теперь с успехом используется также в системах с общей памятью и разнообразных смешанных вычислительных установках. Он представляет собой набор утилит (вспомогательных программ) и библиотечных функций (для языков C/C++, FORTRAN), позволяющих создавать и запускать приложения, работающие на параллельных вычислительных установках различной природы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем различие между языком программирования и его реализацией? Каковы составные части языка – синтаксис и сематика, различия в использовании служебных слов (ключевые, зарезервированные, предопределенные слова)?

2.Чем определяется уровень языка? В чем особенности и к какому уровню можно отнести: машинные языки и ассемблеры; императивные языки; аппликативные языки; дескриптивные языки?

198

3.Назовите причины, стимулирующие развитие языков программирования и основные тенденции в их развитии.

4.Перечислите основные направления специализации языков программирования. Каковы причины расширения функциональности проблемно-ориентированных языков программирования?

5.Расскажите о модульном, структурном, объектно-ориенти- рованном программировании. Назовите основные принципы, причины развития языков в этих направлениях.

199