Глава 2 Системы программирования

2.1. Средства создания программ

В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты.

1. Текстовый редактор. Так как текст программы записывается с помощью ключевых слов, обычно происходящих от слов английского языка, и набора стандартных символов для записи всевозможных операций, то формировать этот текст можно в любом редакторе, получая в итоге текстовый файл с исходным текстом программы. Лучше использовать специализированные редакторы, которые ориентированы на конкретный язык программирования и позволяют в процессе ввода текста выделять ключевые слова и идентификаторы разными цветами и шрифтами. Подобные редакторы созданы для всех популярных языков и дополнительно могут автоматически проверять правильность синтаксиса программы непосредственно во время ее ввода.

2. Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в машинный код. Если обнаружены синтаксические ошибки, то результирующий код создан не будет. На этом этапе уже возможно получение готовой программы, но чаще всего в ней не хватает некоторых компонентов, поэтому компилятор обычно выдает промежуточный код. Исходный текст большой программы состоит, как правило, из нескольких модулей (файлов с исходными текстами), потому что хранить все тексты в одном файле неудобно — в них сложно ориентироваться. Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое. Кроме того, к ним надо добавить машинный код подпрограмм, реализующих различные стандартные функции (например вычисляющих математические функции sin или Ln). Такие функции содержатся в библиотеках (файлах со стандартным расширением .LIB), которые поставляются вместе с компилятором. Сгенерированный код модулей и подключенные к нему стандартные функции надо не просто объединить в одно целое, а выполнить такое объединение с учетом требований операционной системы, то есть получить на выходе программу, отвечающую определенному формату.

3. Объектный код обрабатывается специальной программой —редактором связей или сборщиком, который выполняет связывание объектных модулей и машинного кода стандартных функций, находя их в библиотеках, и формирует на выходе работоспособное приложение — исполнимый код для конкретной платформы. Если по каким-то причинам один из объектных модулей или нужная библиотека не обнаружены (например, неправильно указан каталог с библиотекой), то сборщик сообщает об ошибке и готовой программы не получается.

4. Исполнимый код — это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение .ЕХЕ или .СОМ.

2.2. Интегрированные системы программирования

Итак, для создания программы нужны:

• текстовый редактор;

• компилятор;

• редактор связей;

• библиотеки функций.

Как правило, в стандартную поставку входят как минимум три последних компонента, но хорошая интегрированная система включает в себя и специализированный текстовый редактор, причем почти все этапы создания программы в ней автоматизированы: после того как исходный текст введен, его компиляция и сборка выполняются одним нажатием клавиши. Это очень удобно, так как не требует ручной настройки множества параметров запуска компилятора и редактора связей, указывания им нужных файлов вручную и т. д. Процесс компиляции обычно демонстрируется на экране: показывается, сколько строк исходного текста откомпилировано, или выдаются сообщения о найденных ошибках.

В современных интегрированных системах имеется еще один компонент — отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее выполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста по шагам, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных. Без отладчика разработать крупное приложение очень сложно.

2.3. Среды быстрого проектирования

В последние несколько лет в программировании (особенно в программировании для операционной системы Windows) наметился так называемый визуальный подход. До этого серьезным препятствием для разработки графических приложений была сложность создания различных элементов управления и контроль за их работой. Достаточно взглянуть на окно любой Windows-программы. В нем имеется множество стандартных элементов управления (кнопки, пункты меню, списки, переключатели и т. д.). Очень трудоемко вручную описывать процесс создания этих элементов в соответствии с требованиями Windows, на глазок определять координаты, отслеживать их состояние с помощью специальных команд. Например, для простой программы, складывающей два числа, потребуется один оператор (одна строка исходного текста) для выполнения нужного вычисления и сотни строк кода для подготовки приложения к работе в Windows, создания кнопки и пары полей ввода.

Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования (Rapid Application Development, RAD-среды). Все необходимые элементы оформления и управления создаются и обслуживаются не путем ручного программирования, а с помощью готовых визуальных компонентов, которые с помощью мыши «перетаскиваются» в проектируемое окно. Их свойства и поведение затем настраиваются с помощью простых редакторов, визуально показывающих характеристики соответствующих элементов. При этом вспомогательный исходный текст программы, ответственный за создание и работу этих элементов, генерируется .RAD-средой автоматически, что позволяет сосредоточиться только на логике решаемой задачи. В результате программирование во многом заменяется на проектирование — подобный подход называется еще визуальным программированием.

Компоненты достаточно легко создавать самостоятельно, поэтому в мире сегодня распространяются тысячи бесплатных и платных компонентов для наиболее известных RAD-cpeд, из них формируются библиотеки компонентов — объектные репозитории. Компоненты выступают в роли «строительных кирпичиков», позволяющих собирать готовое приложение с богатыми возможностями, написав всего десяток строк исходного кода, и такой компонентный подход к созданию программ считается очень перспективным, потому что без лишних усилий и на законных основаниях допускает повторное использование чужого труда.

2.4. Основные системы программирования

Из универсальных языков программирования сегодня наиболее популярны следующие:

Бейсик (Basic) — для освоения требует начальной подготовки (общеобразовательная школа);

Паскаль (Pascal) — требует специальной подготовки (школы с углубленным изучением предмета и общетехнические ВУЗы);

Си++ (C++), Ява (Java) — требуют профессиональной подготовки (специализированные средние и высшие учебные заведения).

Для каждого из этих языков программирования сегодня имеется немало систем программирования, выпускаемых различными фирмами и ориентированных на различные модели ПК и операционные системы. Наиболее популярны следующие визуальные среды быстрого проектирования программ для Windows:

• Basic: Microsoft Visual Basic

• Pascal: Borland Delphi

• C++: Borland C++Bulider

• Java: Symantec Cafe

2.5. Алгоритмическое (модульное) программирование

Алгоритм — это формальное описание способа решения задачи путем разбиения ее на конечную по времени последовательность действий (элементарных операций). Под словом «формальное» подразумевается, что описание должно быть абсолютно полным и учитывать все возможные ситуации, которые могут встретиться по ходу решения. Под элементарной операцией понимается действие, которое по заранее определенным критериям (например, очевидности) не имеет смысла детализировать.

Основная идея алгоритмического программирования — разбиение программы на последовательность модулей, каждый из которых выполняет одно или несколько действий. Единственное требование к модулю — чтобы его выполнение всегда начиналось с первой команды и всегда заканчивалось на самой последней (то есть, чтобы нельзя было попасть на команды модуля извне и передать управление из модуля на другие команды в обход заключительной).

Алгоритм на выбранном языке программирования записывается с помощью команд описания данных, вычисления значений и управления последовательностью выполнения программы.

2.6. Структурное программирование

В предыдущем разделе рассматривались некоторые принципы, необходимые для составления программ. При этом предполагается, что текст программ представляет собой линейную последовательность операторов присваивания, циклов и условных операторов. Таким способом можно решать не очень сложные задачи составлять программы, содержащие несколько сот строк кода. После этого понятность исходного текста резко падает из-за того, что общая структура алгоритма теряется за конкретными операторами языка, выполняющими слишком детальные, элементарные действия. Возникают многочисленные вложенные условные операторы, операторы циклов, логика становится совсем запутанной, при попытке исправить один ошибочный оператор вносится несколько новых ошибок, связанных с особенностями работы этого оператора, результаты выполнения которого нередко учитываются в самых разных местах программы. Поэтому набрать и отладить длинную линейную последовательность операторов практически невозможно.

При создании средних по размеру приложений (несколько тысяч строк исходного кода) используется структурное программирование, идея которого заключается в том, что структура программы должна отражать структуру решаемой задачи так, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. Для этого надо иметь средства для создания программы не только с помощью трех простых операторов, но и помощью средств, более точно отражающих конкретную структуру алгоритма. С этой целью в программирование введено понятие подпрограммы — набора операторов выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода. Программа разбивается на множество мелких подпрограмм (занимающих до 50 операторов — критический порог для быстрого понимания цели подпрограммы), каждая из которых выполняет одно из действий, предусмотренных исходным заданием. Комбинируя эти подпрограммы, удается формировать итоговый алгоритм уже из простых операторов, из законченных блоков кода, имеющих определенную смысловую нагрузку, причем обращаться к таким блокам можно по названиям. Получается, что подпрограммы — это новые операторы или операции языка, определяемые программистом.

Возможность применения подпрограмм относит язык программирования к классу процедурных языков.

2.7. Событийно-ориентированное программирование

С активным распространением системы Windows и появлением визуальных RAD-сред широкую популярность приобрел событийный подход к созданию программ — событийно-ориентированное программирование.

Идеология системы Windows основана на событиях. Щелкнул человек на кнопке, выбрал пункт меню, нажал на клавишу или кнопку мыши — в Windows генерируется подходящее сообщение, которое отсылается окну соответствующей программы.

Структура программы, созданной с помощью событийного программирования, следующая. Главная часть представляет собой один бесконечный цикл, который опрашивает Windows, следя за тем, не появилось ли новое сообщение. При его обнаружении вызывается подпрограмма, ответственная за обработку соответствующего события (обрабатываются не все события, их сотни, а только нужные), и подобный цикл опроса продолжается, пока не будет получено сообщение «Завершить работу».

События могут быть пользовательскими, возникшими в результате действий пользователя, системными, возникающими в операционной системе (например, сообщениями от таймера), и программными, генерируемыми самой программой (например, обнаружена ошибка, и ее надо обработать).

Событийное программирование является развитием идей нисходящего проектирования, когда постепенно определяются и детализируются реакции программы на различные события.

2.8. Объектно-ориентированное программирование

Развитие идей структурного и событийного программирования существенно подняло производительность труда программистов и позволило в разумные сроки (несколько месяцев) создавать приложения объемом в сотни тысяч строк. Однако такой объем уже приблизился к пределу возможностей человека, и потребовались новые технологии разработки программ.

В середине 80-х годов в программировании возникло новое направление, основанное на понятии объекта. До того времени основные ограничения на возможность создания больших систем накладывала разобщенность в программе данных и методов их обработки.

Реальные объекты окружающего мира обладают тремя базовыми характеристиками: они имеют набор свойств, способны разными методами изменять эти свойства и реагировать на события, возникающие как в окружающем мире, так и внутри самого объекта. Именно в таком виде в языках программирования и реализовано понятие объекта, как совокупности свойств (структур данных, характерных для этого объекта), методов их обработки (подпрограмм изменения свойств) и событий, на которые данный объект может реагировать и которые приводят, как правило, к изменению свойств объекта.

Появление возможности создания объектов в программах качественно повлияло на производительность труда программистов. Максимальный объем приложений, которые стали доступны для создания группой программистов из 10 человек, за несколько лет увеличился до миллионов строк кода, при этом одновременно удалось добиться высокой надежности программ и, что немаловажно, повторно использовать ранее созданные объекты в других задачах.

2.9. Визуальное программирование

Технологии объектного, событийного и структурного программирования сегодня объединены в RAD-системах, которые содержат множество готовых классов, представленных в виде визуальных компонентов, которые добавляются в программу одним щелчком мыши. Программисту надо только спроектировать внешний вид окон своего приложения и определить обработку основных событий — какие операторы будут выполняться при нажатии на кнопки, при выборе пунктов меню или щелчках мышкой. Весь вспомогательный исходный код среда сгенерирует сама, позволяя программисту полностью сосредоточиться только на реализации алгоритма.

Вопросы для самоконтроля

1. Что нужно для создания программы?

2. Что такое среды быстрого проектирования?

3. Опишите основные системы программирования.

4. Чем характеризуются процедурные языки программирования?

5. В чем различие между событийным и структурным программированием?

6. Как организуется обработка программных событий?

7. В чем заключаются особенности объектно-ориентированного подхода при создании программ?

8. Принципы визуального программирования.