Машинно-независимые системы программирования

Машинно-независимые системы программирования – это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ. Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на машинном языке. Таким образом, командные последовательности (процедуры, подпрограммы), часто используемые в машинных программах, представлены в высокоуровневых языках отдельными операторами. Программист получил возможность не расписывать в деталях вычислительный процесс на уровне машинных команд, а сосредоточиться на основных особенностях алгоритма.

Процедурно-ориентированные системы

Входные языки программирования в таких системах служат для записи алгоритмов (процедур) обработки информации, характерных для решения задач определённого класса. Эти языки, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и чётко формулировать задачу получать результаты в требуемой форме. Процедурных языков очень много, например; Фортран, Алгол – языки созданные для решения математических задач;

Simula, Слэнг – для моделирования; Лисп, СНОБОЛ – для работы со списочными структурами.

Проблемно-ориентированные системы

Проблемно-ориентированные системы в качестве входного языка используют язык программирования с проблемной ориентацией. С расширением областей применения вычислительной техники возникла необходимость формализовать представления постановки и решения новых классов задач. Необходимо было создать такие языки программирования, которые, используя в данной области обозначения и терминологию, позволили бы описывать требуемые алгоритмы решения для поставленных задач. Программы, составленные на основе этих языков программирования, записаны в терминах решаемой задачи и реализуются выполнением соответствующих процедур.

Диалоговые языки

Появление новых технических возможностей поставило задачу перед системными программистами – создать программные средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие человека с ЭВМ их назвали диалоговыми языками. Разрабатывались языки, которые кроме целей управления обеспечивали бы описание алгоритмов решения задач. Необходимость обеспечения оперативного взаимодействия с пользователем потребовала сохранения в памяти ЭВМ копии исходной программы даже после получения объектной программы в машинных кодах. При внесении изменений в программу система программирования с помощью специальных таблиц устанавливает взаимосвязь структур исходной и объектной программ. Это позволяет осуществить требуемые редакционные изменения в объектной программе.

Непроцедурные языки

Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам (табличные языки и генераторы отчётов), и языков связи с операционными системами. Позволяя чётко описывать как задачу, так и необходимые для её решения действия, таблицы решений дают возможность в наглядной форме определить, какие условия должны выполняться, прежде чем переходить к какому-либо действию. Табличные методы легко осваиваются специалистами любых профессий. Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.

8. Программирование ветвлений (на примере языка программирования Паскаль или Си++).

Программирование ветвлений
Для программирования ветвящихся алгоритмов в языке Си имеется несколько различных средств. К ним относятся рассмотренная выше операция условия?:, условный оператор if и оператор выбора switch.

Условный оператор. Формат условного оператора следующий:

if (выражение) оператор!; else оператор2;
Это полная форма оператора, программирующая структуру полного ветвления. Обычно выражение — это некоторое условие, содержащее операции отношения и логические операции. Значение выражения приводится к целому и интерпретируется в соответствии с правилом: равно нулю — ложь, не равно нулю — истина. Если выражение истинно, выполняется оператор1, если ложно — оператор2.
Необходимо обратить внимание на следующие особенности синтаксиса условного оператора:
• выражение записывается в круглых скобках;
• точка с запятой после оператора 1 ставится обязательно. Последнее обозначает, что правило Паскаля — не ставить точку с запятой перед else — здесь не работает.
Возможно использование неполной формы условного оператора

if (выражение) оператор;

Вот пример использования полной формы условного оператора для нахождения большего значения из двух переменных а и b:

if(a>b) max=a; else max=b;

Та же самая задача может быть решена с использованием неполного ветвления следующим образом:

max=a; if(b>a) max=b;

Напомним, что эту же задачу можно решить с помощью операции «условие» (см. разд. 4.4).

Теперь рассмотрим примеры программирования вложенных ветвящихся структур. Требуется вычислить функцию sign(x) — знак х, которая определена следующим образом:

Пример 1. Алгоритм с полными вложенными ветвлениями:

Пример 2. Алгоритм с неполным ветвлением:

Пример 3. Упорядочить по возрастанию значения в двух переменных а, b:

В данном примере использован составной оператор — последовательность операторов, заключенная в фигурные скобки. В Си фигурные скобки выполняют роль операторных скобок по аналогии с Begin, End в Паскале.

Обратите внимание на то, что перед закрывающей фигурной скобкой точку с запятой надо ставить обязательно, а после скобки точка с запятой не ставится.

В следующем примере вернемся к задаче вычисления площади треугольника по длинам трех сторон. Добавим в программу проверку условия правильности исходных данных: a, b, с должны быть положительными,

а сумма длин каждой пары сторон треугольника должна быть больше длины третьей стороны (аналогичную программу на Паскале см. в разд. 3.10, пример 1).

Пример 4.

Оператор выбора (переключатель). Формат оператора выбора:

switch (целочисленное выражение) { case константа!: список_операторов;

case константа2: список_операторов;

default: список операторов; }

Последняя строка (default) может отсутствовать. Выполнение оператора происходит в следующем порядке:

1. Вычисляется выражение.
2. Полученное значение последовательно сравнивается с константами, помещенными после служебного слова case; при первом совпадении значений выполняются операторы, стоящие после двоеточия.
3. Если ни с одной из констант совпадения не произошло, то выполнятся операторы после слова default.
Для того чтобы «обойти» выполнение операторов на последующих ветвях, нужно принять специальные меры, используя операторы выхода или перехода.

Рассмотрим фрагмент программы, который переводит числовую оценку знаний ученика в ее словесный эквивалент. Согласно вузовской системе: 5 — «отлично», 4 — «хорошо», 3 — «удовлетворительно», 2 — «неудовлетворительно».

Пример 5.

Здесь используется еще один новый для нас оператор break — оператор выхода. Его исполнение завершает работу оператора выбора, т.е. происходит «обход» других ветвей. Вот два варианта результатов выполнения этой программы:

Введите оценку: 3 Это удовлетворительно!
Введите оценку: 7 Нет такой оценки!

Если на всех ветвях убрать оператор break, то результат может выглядеть следующим образом:
Введите оценку: 3 Это удовлетворительно!
Это хорошо!
Это отлично!
Нет такой оценки!
В этом случае выполнились операторы на всех ветвях, начиная с той, которая помечена константой 3.

Возможны задачи, в которых такой порядок выполнения ветвей оператора выбора может оказаться полезным. В следующем фрагменте программы происходит возведение вещественного числа х в целую степень п, где п изменяется в диапазоне от 1 до 5.

 

9. Программирование циклов (на примере языка программирования Паскаль или Си++).

Программирование циклов

В Си, как и в Паскале, существуют все три типа операторов цикла: цикл с предусловием, цикл с постусловием и цикл с параметром.

Цикл с предусловием. Формат оператора цикла с предусловием:

while (выражение) оператор;

Цикл повторяет свое выполнение, пока значение выражения отлично от нуля, т. е. заключенное в нем условие цикла истинно.
В качестве примера использования оператора цикла рассмотрим программу вычисления факториала целого положительного числа N!. Сопоставим программу решения этой задачи, написанную на Паскале, с программой на Си.

Пример 1.

Обратите внимание на операторы в теле цикла. Конечно, и в Си-программе можно было написать два оператора присваивания, объединив их фигурными скобками. Однако использованный способ записи более лаконичен и более характерен для Си. Этот же самый оператор можно было записать еще короче: F*=i++.
При практическом использовании этой программы не следует забывать, что факториал — очень быстро растущая функция, и поэтому при определенных значениях N выйдет из диапазона, соответствующего типу long int. Задав для переменной F тип unsigned long, можно сдвинуть эту границу, но этого может оказаться недостаточно.
Интересно свойство следующего оператора:

while(1);

Это бесконечный пустой цикл. Использование в качестве выражения константы 1 приводит к тому, что условие повторения цикла все время остается истинным и работа цикла никогда не заканчивается. Тело в этом цикле представляет собой пустой оператор. При исполнении такого оператора программа будет «топтаться на месте».
Рассмотрим еще один пример использования оператора цикла while. Вернемся к задаче итерационного вычисления суммы гармонического ряда: 1+1/2+1/3+... с заданной точностью ε (см. разд. 3.10, пример 2). Снова сопоставим программу на Си с программой на Паскале.

Пример 2.

Файл limits.h, подключаемый препроцессором, содержит определения предельных констант для целых типов данных. В частности, константа с именем INT_MAX равна максимальному значению типа int в данной реализации компилятора. Если для типа int используется двухбайтовое представление, то INT_MAX=32767. В этом же заголовочном файле определены и другие константы: INT_MIN=-32768; LONG_MAX=2147483647 и т.д.
Цикл с постусловием. Формат оператора цикла с постусловием:
do оператор while (выражение);

Цикл выполняется до тех пор, пока выражение отлично от нуля, т.е. заключенное в нем условие цикла истинно. Выход из цикла происходит после того, как значение выражения станет ложным, иными словами равным нулю. Таким образом, в отличие от оператора repeat... until, используемого в Паскале, где в конце пишется условие выхода из цикла, в операторе do... while в Си в конце пишется условие повторения цикла. В качестве примера рассмотрим программу вычисления N!, в которой используется цикл с постусловием, и сопоставим ее с аналогичной программой на Паскале.

Пример 3.

Цикл с параметром. Формат оператора цикла с параметром:

for (выражение_1; выражение_2; выражение_3) оператор;

Выражение 1 выполняется только один раз в начале цикла. Обычно оно определяет начальное значение параметра цикла (инициализирует параметр цикла). Выражение 2 — это условие выполнения цикла, выражение 3 обычно определяет изменение параметра цикла, оператор — тело цикла, которое может быть простым или составным. В последнем случае используются фигурные скобки.

Алгоритм выполнения цикла for представлен на блок-схеме на рис. 44.

Обратите внимание на то, что после вычисления выражения 3 происходит возврат к вычислению выражения 2 — проверке условия повторения цикла.

С помощью цикла for нахождение N! можно организовать следующим образом:

F=l;

for(i=l;i<=N;i++) F=F*i;

Используя операцию «запятая», можно в выражение 1 внести инициализацию значений сразу нескольких переменных:

for(F=l,i=l;i<=N;i++) F=F*i;

Некоторых элементов в операторе for может не быть, однако разделяющие их точки с запятой обязательно должны присутствовать. В следующем примере инициализирующая часть вынесена из оператора for:

F=l;

i=l;

for(;i<=N;i++) F=F*i;

Ниже показан еще один вариант вычисления N!. В нем на месте тела цикла находится пустой оператор, а вычислительная часть внесена в выражение 3.

for(F=l,i=l;i<=N;F=F*i,i++);

Этот же оператор можно записать в следующей форме:

for(F=l,i=l;i<=N;F*=i++);

В языке Си оператор for является достаточно универсальным средством для организации циклов. С его помощью можно программировать даже итерационные циклы, что невозможно в Паскале. Вот пример вычисления суммы элементов гармонического ряда, превышающих заданную величину ε:

for(n=l,S=0;1.0/n>eps && n

И наконец, эта же самая задача с пустым телом цикла:

for(n=l,S=0;1.0/n>eps && n

Следующий фрагмент программы на Си++ содержит два вложенных цикла for. В нем запрограммировано получение на экране таблицы умножения.

for(x=2;х<=9;х++)

for(y=2;y<=9;y++)

cout<<"\n"<<x<<"*"<<y<<"="<

На экране будет получен следующий результат:

2*2=4

2*3=6

...

9*8=72

9*9=81

Оператор continue. Если выполнение очередного шага цикла требуется завершить до того, как будет достигнут конец тела цикла, используется оператор continue. Следующий фрагмент программы обеспечивает вывод на экран всех четных чисел в диапазоне от 1 до 100.

for(i=l;i<=100;i++)

{if(i%2) continue; cout<<"\t"<

Для нечетных значений переменной i остаток от деления на 2 будет равен единице, этот результат воспринимается как значение «истина» в условии ветвления, и выполняется оператор continue. Он завершит очередной шаг цикла, выполнение цикла перейдет к следующему шагу.

Оператор goto. Оператор безусловного перехода goto существует в языке Си, как и во всех других языках программирования высокого уровня. Однако с точки зрения структурного подхода к программированию его использование рекомендуется ограничить. Формат оператора:

goto метка;

Метка представляет собой идентификатор с последующим двоеточием, ставится перед помечаемым оператором.

Одна из ситуаций, в которых использование goto является оправданным — это необходимость «досрочного» выхода из вложенного цикла. Вот пример такой ситуации:

for(...)

{ while (...)

{ for(...)

{... goto exit...}

}

}

exit: cout<<"Bыход из цикла";

При использовании оператора безусловного перехода необходимо учитывать следующие ограничения:

• нельзя входить внутрь блока извне;

• нельзя входить внутрь условного оператора (if...else...);

• нельзя входить внутрь переключателя;

• нельзя входить внутрь цикла.
</x<<"*"<<y<<"="<

 

Объектно-ориентированный подход к программированию. Основные понятия ООП на основе языка Паскаль.

Объектно-ориентированное программирование

Основные понятия объектно-ориентированного программирования (ООП). Основополагающей идеей одного из современных подходов к программированию — объектно-ориентированному — является объединение данных и обрабатывающих их процедур в единое целое — объекты.

Объектно-ориентированное программирование — это методология программирования, которая основана на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является реализацией определенного класса (типа особого вида), а классы образуют иерархию, основанную на принципах наследуемости. При этом объект характеризуется как совокупностью всех своих свойств и их текущих значений, так и совокупностью допустимых для данного объекта действий. Несмотря на то что в различных источниках делается акцент на те или иные особенности внедрения и применения ООП, три основных (базовых) понятия ООП остаются неизменными. К ним относятся:

• наследование (Inheritance);

• инкапсуляция (Encapsulation);

• полиморфизм (Polymorphism). Эти понятия как три кита лежат в основе ООП. При процедурном подходе требуется описать каждый шаг, каждое действие алгоритма для достижения конечного результата. В отличие от него объектно-ориентированный подход оставляет за объектом право решать, как отреагировать и что сделать в ответ на поступивший вызов. Достаточно в стандартной форме поставить перед ним задачу и получить ответ. Объект состоит из следующих трех частей:

• имени объекта;

• состояния (переменных состояния);

• методов (операций).

Можно дать обобщающее определение: объект ООП— это совокупность переменных состояния и связанных с ними методов (операций). Упомянутые методы определяют, как объект взаимодействует с окружающим миром.

Под методами объекта понимают процедуры и функции, объявление которых включено в описание объекта и которые выполняют действия. Возможность управлять состояниями объекта посредством вызова методов в итоге и определяет поведение объекта. Совокупность методов часто называют интерфейсом объекта.

Инкапсуляция — это механизм, который объединяет данные и методы, манипулирующие этими данными, и защищает и то и другое от внешнего вмешательства или неправильного использования. Когда методы и данные объединяются таким способом, создается объект.

Применяя инкапсуляцию, мы защищаем данные, принадлежащие объекту, от возможных ошибок, которые могут возникнуть при прямом доступе к этим данным. Кроме того, применение указанного принципа очень часто помогает локализовать возможные ошибки в коде программы. А это намного упрощает процесс поиска и исправления этих ошибок. Можно сказать, что инкапсуляция обеспечивает сокрытие данных, что позволяет защитить эти данные. Однако применение инкапсуляции ведет к снижению эффективности доступа к элементам объекта. Это обусловлено необходимостью вызова методов для изменения внутренних элементов (переменных) объекта. Но при современном уровне развития вычислительной техники подобные потери в эффективности не играют существенной роли.

Наследование — это процесс, посредством которого один объект может наследовать свойства другого объекта и добавлять к ним черты, характерные только для него. В итоге создается иерархия объектных типов, где поля данных и методов «предков» автоматически являются и полями данных и методов «потомков».

Смысл и универсальность наследования заключаются в том, что не надо каждый раз заново («с нуля») описывать новый объект, а можно указать «родителя» (базовый класс) и описать отличительные особенности нового класса. В результате новый объект будет обладать всеми свойствами родительского класса плюс своими собственными отличительными особенностями.

Пример 1. Можно создать базовый класс «транспортное средство», который универсален для всех средств передвижения, к примеру, на четырех колесах. Этот класс «знает», как двигаются колеса, как они поворачиваются, тормозят и т.д. Затем на основе этого класса создадим класс «легковой автомобиль». Поскольку новый класс унаследован из класса «транспортное средство», унаследованы все особенности этого класса, и нам не надо в очередной раз описывать, как двигаются колеса и т. д. Мы просто добавим те черты, которые характерны для легковых автомобилей. В то же время мы можем взять за основу этот же класс «транспортное средство» и построить класс «грузовые автомобили». Описав отличительные особенности грузовых автомобилей, получим новый класс «грузовые автомобили». А, к примеру, на основании класса «грузовой автомобиль» уже можно описать определенный подкласс грузовиков и т.д. Таким образом, сначала формируем простой шаблон, а затем, усложняя и конкретизируя, поэтапно создаем все более сложные шаблоны.

Полиморфизм — это свойство, которое позволяет одно и то же имя использовать для решения нескольких технически разных задач. Полиморфизм подразумевает такое определение методов в иерархии типов, при котором метод с одним именем может применяться к различным родственным объектам. В общем смысле концепцией полиморфизма является идея «один интерфейс — множество методов». Преимуществом полиморфизма является то, что он помогает снижать сложность программ, разрешая использование одного интерфейса для единого класса действий. Выбор конкретного действия в зависимости от ситуации возлагается на компилятор.

Пример 2. Пусть есть класс «автомобиль», в котором описано, как должен передвигаться автомобиль, как он поворачивает, как подает сигнал и т.д. Там же описан метод «переключение передачи». Допустим, что в этом методе класса «автомобиль» описана автоматическая коробка передач. А теперь необходимо описать класс «спортивный автомобиль», у которого механическое (ручное) переключение скоростей. Конечно, можно было бы описать заново все методы для класса «спортивный автомобиль». Вместо этого указываем, что класс «спортивный автомобиль» унаследован из класса «автомобиль», а следовательно, он обладает всеми свойствами и методами, описанными для класса-родителя. Единственное, что надо сделать — это переписать метод «переключение передач» для механической коробки передач. В результате при вызове метода «переключение передач» будет выполняться метод не родительского класса, а самого класса «спортивный автомобиль».

Механизм работы ООП в таких случаях можно описать примерно так: при вызове того или иного метода класса сначала ищется метод в самом классе. Если метод найден, то он выполняется, и поиск этого метода завершается. Если же метод не найден, то обращаемся к родительскому классу и ищем вызванный метод в нем. Если он найден, то поступаем, как при нахождении метода в самом классе. А если нет, то продолжаем дальнейший поиск вверх по иерархическому дереву, вплоть до корня (верхнего класса) иерархии. Этот пример отражает так называемый механизм раннего связывания.

Объекты в Турбо Паскале. Инкапсуляция. Для описания объектов зарезервировано слово object. Тип object — это структура данных, которая содержит поля и методы. Описание объектного типа выглядит следующим образом:

Основные понятия структурного программирования.

Структурное программирование — метод разработки программ, требующий разбиения программы на небольшие независимые части (модули). Структурное программирование обеспечивает возможность проведения строгого доказательства правильности программ.

Структурное программирование предполагает соблюдение трех основных принципов:

1- входные данные каждого модуля должны тщательно анализироваться в предположении, что они ошибочны;

2- каждая программная ошибка должна быть выявлена как можно раньше, что упрощает установление ее причины;

3- ошибки в одном модуле должны быть изолированы так, чтобы не допу-стить их влияние на другие модули.

В структурном программировании соблюдаются правила

1. Правила хорошего стиля — результат соглашения между программистами. Считается, что в соответствии с правилами хорошего стиля программный код должен поддерживать:

- очевидную логику;

- естественные выражения;

- осмысленные имена;

- аккуратное форматирование;

- развернутые комментарии;

- отсутствие хитрых трюков и необычных конструкций.

2. Правило стандартизации стиля — правило, согласно которому в ситуации, когда существуют несколько способов сделать нечто, следует остановиться на одном способе и придерживаться его всегда.

На этом шаге мы приведем классификацию строения программ.

· Монолитное. Программа написана цельным куском, без выделения каких-либо отдельных независимых частей.

· Монолитно-модульное. Имеется достаточно большая монолитная главная часть программы, в которой производятся основные вычисления, и из которой происходят последовательные обращения к модулям.

· Последовательно-модульное. Центральная часть программы состоит из последовательно выполняемых модулей, которые в свою очередь обращаются к другим модулям

· Иерархическое. Программа состоит из модулей, связи между которыми подчиняются строгой иерархии: каждый модуль может обращаться только к модулям, которые ему непосредственно подчинены. Возврат всегда должен происходить в вызывающий модуль, даже в том случае, если в вызываемом модуле обнаруживается ошибка, препятствующая дальнейшим вычислениям (правда, не все языки программирования имеют средства для выполнения этого требования).

· Иерархически-хаотическое. Иерархическая (или последовательная) подчиненность модулей нарушена дополнительными связями.

· Модульно-хаотическое. Программа состоит из модулей, но связи их между собой не отвечают принципу иерархии (или последовательности).

· Последовательно-модульное и иерархическое (для более сложных программ) строение, как наиболее простые по логическим связям, являются теми образцами, к которым необходимо стремиться при разработке программы. Допустимыми вариантами являются иерархически-хаотическое и, может быть, монолитно-модульное.

Помимо модульности другим свойством, которое содействует предупреждению появления в программе ошибок, является структурированность.

Обычно структурированной называется программа, логическая структура которой отвечает некоторым жестко установленным требованиям.

Уже модульную программу можно иногда считать в определенной степени структурированной, поскольку от модульной программы требуется, например, чтобы она состояла только из модулей с одним входом.