Программирование с отходом назад

 

Основой программ искусственного интеллекта, независимо от того, к чему он прилагается (программированию игр, выбору решений, распознаванию образов и т.п.), является программирование перебора вариантов. Программирование перебора вариантов — это сложная задача, так как алгоритмы перебора ищут решения не по заданным правилам вычислений, а путем проб и ошибок, и схема не укладывается в схемы циклов, имеющихся в языках программирования. Ситуация зачастую осложняется тем, что прямыми методами перебор всех возможных вариантов невозможно осуществить из-за их огромного количества.

Метод программирования с отходом назад позволяет осуществить организованный исчерпывающий поиск требуемого решения задачи. При этом часто удается избежать перебора всех возможных вариантов.

Наиболее сложным разделом программы перебора вариантов является движение назад и связанная с этим необходимость восстановления номера последнего варианта предыдущего хода. Двигаясь вперед, перерабатываем информацию о позиции, и бывает трудно однозначно восстановить предыдущую. Этот вопрос автоматически решается при рекурсивной организации программы. Поэтому алгоритмы с возвратом часто наиболее естественно выражаются в терминах рекурсии. Однако следует иметь в виду, что в этом случае при движении вперед и приходится переписывать столько информации, что скорость работы становится недопустимо низкой, например, для программирования игр.

 

Контрольные вопросы:

1. Дайте определения терминам «алгоритм» и «алгоритмический процесс».

2. Сформулируйте определение метода частных целей.

3. В чем суть программирования с отходом назад?

 

Языки программирования

 

Первые несколько поколений ЭВМ строились на классических принципах, сформулированных американским математиком Джоном фон-Нейманом в 1946 г., когда начались разработки цифровых ЭВМ с программным управлением. Одним из основных принципов Д. фон-Неймана является принцип хранимой программы. Под программой вычислительной машины понимается описание алгоритма решения задачи, заданное на языке вычислительной машины. Таким образом, языки программирования — это формальные языки общения человека с ЭВМ, предназначенные для описания совокупности инструкций, выполнение которых обеспечивает правильное решение требуемой задачи, т.е. для описания подлежащих обработке данных (информации) и алгоритмов (программ). Основная роль языков программирования заключается в планировании действий по обработке информации. Любой язык программирования основан на системе понятий, на основе которой человек может выражать свои соображения.

Теоретическую основу языков программирования составляют алгоритмические языки. В настоящее время для ЭВМ разработано значительное количество языков программирования. Они отличаются друг от друга различными свойствами, а значит, и областью применения. Существуют разные подходы к классификации языков программирования. На рис. 7.1 представлена схема, в которой языки программирования систематизированы по возможностям и ориентации на конкретную сферу применения.

Первыми используемыми языками программирования были машинные языки, задаваемые системами команд ЭВМ. Класс машинно-зависимых языков представлен ассемблером. Язык ассемблера делает доступными все программно-управляемые компоненты ЭВМ. Поэтому он применяется для написания программ, явно использующих специфику конкретной аппаратуры. Ассемблер — это наиболее трудоемкий язык программирования, и из-за его низкого уровня не удается построить средства отладки, которые существенно снизили бы эту трудоемкость. Программирование на языке ассемблера оперирует с терминами команд аппаратной части машины, и поэтому требует от программиста детальных знаний технических компонентов компьютера. Каждый компьютер имеет такую систему программирования.

Как правило, эта система программирования разрабатывается и поставляется фирмой — изготовителем ЭВМ. Применение машинных языков требует излишней детализации пути решения задачи, так как даже наиболее современные ЭВМ способны понимать лишь относительно простые инструкции, а человек способен концентрировать детали в выражениях более общего характера. Использование языка ассемблера ограничивается областью системного программирования, т.е. для программирования микропроцессоров, для разработки операционных систем (ОС) или отдельных компонентов ОС, программ обмена между системным блоком и периферийными устройствами (драйверов) и т.д.

 

 

Рис. 7.1. Классификация языков программирования

 

Поэтому с развитием программирования появились языки, ориентированные на определенные проблемные области, соответствующие более высокому уровню абстракции. Эти языки получили название алгоритмических языков высокого уровня (АЯВУ). Их отличительной чертой является способность выразить задачу более лаконично и сжато, обеспечивая программиста возможностью более четко представлять свои задачи и разрабатывать эффективные методы их решения. Преобразование описания задачи на АЯВУ в описание на машинном языке осуществляется специальной программой, называемой транслятором. Уже имеется целый ряд языков программирования, ориентированных на те или иные области применения. Наиболее близкими к машинным языкам являются машинно-ориентированные языки, позволяющие использовать особенности ЭВМ для повышения эффективности программ.

К классу машинно-ориентированных языков можно отнести язык Си. Этот язык является результатом попытки объединить достоинства низкоуровневых возможностей АЯВУ. Язык Си часто называют языком ассемблера со встроенными структурами данных. Использование структур данных позволяет более систематически подходить к реализации задачи на языке Си и сокращает объем текстов разрабатываемых программ. Особенностью данного языка является максимальное использование возможностей конкретной вычислительной архитектуры на основе битовых операций, функций и назначений. Благодаря этому программы на языке Си компактны и работают очень быстро. Однако синтаксис языка достаточно сложен, поэтому чтение текстов программ на нем требует определенного навыка. Язык Си первоначально был ориентирован прежде всего на разработку системных программ. Он, в частности, послужил главным инструментом для создания операционных систем MS DOS и UNIX. В настоящее время язык применяется главным образом для создания системных и прикладных программ, в которых скорость работы и объем памяти являются основными параметрами.

Большинство языков программирования являются машинно-независимыми, что позволяет использовать однажды записанную в таком языке программу на различных ЭВМ. В зависимости от подхода к описанию задачи языки программирования разделяют на процедурно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки. Процедурно-ориентированные языки программирования представляют программисту средства задания и детального определения последовательности действий, которые ЭВМ должна выполнить для решения задачи, т.е. определяющие «как должна действовать машина». Проблемно-ориентированные языки программирования (или функциональные) определяют задачу в терминах функции, которую надо выполнить машине, т.е. определяющие «что должно быть сделано». Процедурно-ориентированные языки обычно имеют операторную структуру и содержат средства выражения характерных алгоритмических действий, таких как вычисление выражений, проверка условий, циклические вычисления, включения программ и др. Проблемно-ориентированные языки предоставляют своим пользователям средства определения более или менее широкого набора функций, подлежащих исполнению. Следует заметить, что четкой границы между этими категориями языков нет, и в пределах одного языка могут сочетаться средства обоих категорий.

Большинство современных языков программирования ориентировано на тот или иной круг задач. Так наиболее широко используемыми в мировой практике вычислений являются:

· для обработки экономической информации — Кобол и PL/1;

· для решения инженерных и научных задач — Фортран (исторически первый язык высокого уровня);

· для обучения программированию — Бейсик, Паскаль, Лого;

· для задач искусственного интеллекта — Пролог, Лисп;

· для описания задач моделирования дискретных событий — Симула-1, Смолток;

· для управления реальными объектами — Модула-2, Ада;

· для манипуляции с текстами — Снобол, Комит и др.

Наиболее широко представлен класс универсальных языков программирования. Среди них можно выделить такие популярные языки высокого уровня, как Бейсик, Паскаль, Фортран, Кобол, Модула-2, PL/1 и ряд других.

Исторически одним из самых распространенных языков стал Бейсик. Это объясняется, прежде всего, тем, что Бейсик прост в освоении и использовании. Написать на нем небольшую программу в 20 — 30 строк и тут же получить результат ее работы можно буквально за несколько минут. В Бейсик, как правило, встраиваются удобные функции для работы с экраном дисплея, клавиатурой, магнитными накопителями, принтером, коммуникационными каналами. Это позволяет относиться к Бейсику как к продолжению аппаратуры ПЭВМ. Чтобы освоить какую-нибудь особенность или режим работы аппаратных средств, проще всего написать и выполнить соответствующую программу на Бейсике.

Для различных типов ПЭВМ, которые существенно отличаются друг от друга, были разработаны соответствующие версии языка. Для ПЭВМ типа IBM PC и совместимых с ними ПЭВМ наиболее удачной считается версия фирмы Microsoft. Она обеспечивает использование Бейсика для решения задач обработки больших массивов данных (работа с файлами), инженерно-технических и научных расчетов (с помощью большого набора математических функций), обработки текстов (за счет эффективной работы со знаковыми последовательностями), а также решения комплексных задач (за счет отдания оверлейных программных структур). Появление мощных компиляторов, таких, например, как Quick Basic и Visual Basic фирмы Microsoft, поставило этот язык в ряд с другими языками высокого уровня и придает ему дополнительную популярность.

Язык Паскаль можно считать одним из самых распространенных, хотя он и создавался как учебный. Со временем Паскаль зарекомендовал себя как отличный инструмент для решения серьезных задач, так как его разработчик специально конструировал язык, позволяющий создавать хорошо структурированные программы. Причиной популярности этого языка у пользователей IBM PC и совместимых с ними ПЭВМ стало появление оригинальной версии языка Паскаль — Турбо-Паскаль фирмы Borland International. Турбо-Паскаль характеризуется такими важными особенностями, как полноэкранное редактирование и убавление, графика, звуковое сопровождение и связи с дисковой ОС. Система программирования на Турбо-Паскале сама является резидентной программой. Она позволяет пользователю вводить его программы и выполнять их немедленно, не тратя время на компилирование. Турбо-Паскаль создан как инструмент быстрой разработки не очень больших программ (с числом строк до 500). Более длинные программы приходится сегментировать и использовать оверлейные структуры.

Стремление к созданию подлинно универсального и эффективного инструмента программирования привело к разработке нового языка — Модула-2. Этот язык предложен известным швейцарским ученым Никлаусом Виртом — автором Паскаля.

Основная цель, поставленная при создании этого языка, состояла в том, чтобы обеспечить высокоуровневыми языковыми средствами коллективную разработку надежных, эффективных инструментов программирования и использовать возможности аппаратуры. Таким образом, этот новый язык призван заполнить нишу между Паскалем и Си.

В язык Модула-2 целиком вошли все удачные средства и конструкции языка Паскаль, высокоуровневое представление низкоуровневых возможностей (например, оставаясь на уровне АЯВУ, можно оперировать машинно-независимыми регистрами и отдельными командами).

Язык Фортран — первый язык программирования высокого уровня, активно используется и на современных персональных компьютерах. Близость его конструкции к традиционной архитектуре ЭВМ (имеется в виду традиционная фон-неймановская архитектура) сделала Фортран необычно популярным. Применяется Фортран главным образом при разработке прикладных систем, ориентированных на научные исследования, инженерные задачи, автоматизацию проектирования и другие области, где накоплены обширные библиотеки стандартных программ.

Язык Кобол был разработан специально для решения экономических задач. В отличие от Фортрана Кобол дает возможность составлять более удобочитаемые программы, которые могут быть понятны и непрограммисту. В программах на Коболе особенно проявляется самодокументируемость, что облегчает их исправление и усовершенствование, а при обработке данных сложной структуры он бывает эффективнее Паскаля. Кобол, будучи широко распространенным на больших и средних машинах, на ПЭВМ используется мало, хотя фирмой Microsoft разработано несколько версий языка для операционных систем MS DOS и ХЕМ1Х. Наиболее удачной версией языка Кобол на сегодняшний день является Кобол/U, в который встроены средства генерации отчетов с использованием языка РПГ. Фирмой IBM в развитие идей Фортрана, Алгола и Кобола был предложен язык PL/1, который получил наибольшее распространение на больших машинах. PL/1 разрабатывался как универсальный язык программирования, поэтому располагает большим набором средств обработки цифровой и текстовой информации. Однако эти достоинства делают его весьма сложным для изучения и использования.

Класс проблемно-ориентированных языков представлен гораздо скромнее, чем класс универсальных языков программирования. К этому классу можно отнести языки Лого, РПГ и систему программирования ОР88.

Язык Лого был создан с целью обучения школьников основам алгоритмического мышления и программирования. Лого — диалоговый процедурный язык, реализованный на основе интерпретатора с возможностью работы со списками и на их основе с текстами, оснащенный развитыми графическими средствами, которые доступны для детского восприятия. Этот язык реализован для большинства ПЭВМ, применяемых в школах. Хотя язык был разработан задолго до того, как началось массовое распространение персональных компьютеров, именно с их появлением этот язык привлек внимание и приобрел популярность.

РПГ, или генератор отчетов, представляет собой язык, включающий многие понятия и выражения, которые связаны с машинными методами составления отчетов и проектирования форм выходных документов. Язык имеет ограниченную область применения и используется главным образом для печати отчетов, записанных в одном или нескольких файлах базы данных. Многие системы, реализованные на ПЭВМ типа IBM PC и располагающие языком РПГ, имеют также другой язык высокого уровня, применимый для вычислительных процедур, для которых РПГ не подходит. Это относится, прежде всего, к реализации языка Кобол.

Интересные возможности представляет система программирования GPSS фирмы Westi, ориентированная на моделирование систем с помощью событий. В терминах этого языка легко описывается и исследуется класс моделей массового обслуживания, а также другие системы, работающие в реальном масштабе времени.

В последние годы внимание разработчиков программного обеспечения (ПО) обращает на себя объектно-ориентированный подход к программированию, наиболее полно идеология которого реализована в языках Форт и Смолток. Язык Форт относится к числу своеобразных языков. Он сочетает в себе свойства операционной системы, интерпретатора и компилятора одновременно. Основной чертой языка Форт является его открытость, которая позволяет строить новые определения функций на базе ранее определенных. Программист может легко добавить новые операции, типы данных или определения основного языка. Форт позволяет поддерживать многозадачный режим работы, широко используя принцип реентерабельности (одновременного доступа) программ. Структура языка позволяет создавать очень компактные трансляторы. Программирование на этом языке требует специальных навыков, поэтому Форт находит применение при решении сложных задач имитационного моделирования, в графических системах, в системах искусственного интеллекта как средство построения баз знаний, в промышленных разработках. Другим языком, относящимся к классу объектно-ориентированных, является Смолток. Он предназначен для решения нечисловых задач и находит широкое применение при проектировании систем искусственного интеллекта. Программа на этом языке состоит из множества функциональных автономных объектов и средств взаимодействия между ними. Каждый объект содержит некоторую структуру данных и процедуры манипулирования ими. Внешние свойства объекта проявляются в функциях, которые объект выполняет для других объектов. В современных реализациях этого языка широко используется многооконный режим.

К функциональным языкам программирования можно отнести языки Лисп, Пролог и СНОБОЛ. Язык Лисп является прекрасным инструментальным средством для построения программ с использованием методов искусственного интеллекта. Имеется несколько реализаций Лисп-трансляторов для ПЭВМ различных классов. Особенность этого языка заключается в удобстве динамического создания новых объектов. В качестве порождаемых программой объектов могут фигурировать и сами программы, которые внешне ничем не отличаются от данных. Это обусловливает возможность построения адаптирующихся и самоизменяющихся программ. Память в языке Лисп используется динамически — когда создается новый объект, то для него из незанятой памяти берется столько ячеек, сколько нужно для хранения всех элементов. При этом не требуется никакого заблаговременного резервирования памяти, как в других языках (например, в Паскале). При уничтожении объекта занятая им память автоматически освобождается. Если язык Лисп известен давно, то язык Пролог получил широкую известность в связи с японским проектом создания вычислительных систем пятого поколения. Одной из первых реализаций был интерпретатор микро-Пролог фирмы Programming Logic Associates для машин фирмы IBM. Затем появилась мощная система программирования Турбо-Пролог, разработанная фирмой Borland International для этих же машин. Она предназначалась для создания широкого класса систем искусственного интеллекта, в том числе персональных экспертных систем. Версия Турбо-Пролог значительно отличается от стандартного Пролога. Отличия, прежде всего, касаются наличия в нем встроенных средств типизации данных и большей структурированности исходных текстов программ.

Язык СНОБОЛ располагает мощными средствами манипулирования строками и сравнения с образцом. Главным образом СНОБОЛ используется для обработки текстов на естественном языке и применяется в экспертных системах. Известны некоторые версии языка, реализованные для персональных компьютеров, но применение языка ограничено сферой искусственного интеллекта.

Нетрудно заметить, что АЯВУ, который был бы идеальным для всех случаев, не существует. Наиболее важная задача программного обеспечения заключается в том, чтобы определить, какой язык является «наилучшим» в каждой конкретной ситуации. Во многих случаях такой выбор диктуется очень простыми причинами — доступностью того или иного транслятора и умением составлять программы на данном языке. Если, однако, в распоряжении пользователя имеется достаточно большой выбор языков программирования, то необходимо учитывать следующие обстоятельства:

· назначение разрабатываемой программы (будет ли она использоваться временно или постоянно, будет ли она модернизироваться и развиваться);

· время выполнения программы (имеется в виду соотношение вычислительных процедур и процедур ввода-вывода);

· ожидаемый размер программы (хватит ли памяти для реализации целиком всей программы или следует ее разделить на отдельные взаимодействующие модули);

· необходимость сопряжения разрабатываемой программы с другими пакетами или программами, в том числе составленными на других языках программирования;

· предусматривается ли возможность переноса программы на другие типы ЭВМ;

· основные типы данных, с которыми будет работать программа (целые и вещественные числа, строки, списки и другие типы структур);

· характер и уровень использования аппаратных средств (дисплея, клавиатуры, НМД и др.);

· возможность и целесообразность использования имеющихся стандартных библиотек программ, процедур, функций.

С учетом этих критериев возможности языков могут весьма сильно различаться, поэтому правильный выбор АЯВУ является непростой задачей. Для программиста или даже коллектива программистов характерно начинать использование ПЭВМ с языка Бейсик или Паскаль. На Бейсике (и его разновидностях) реализовано довольно много хороших прикладных систем. Появление компиляторов для Бейсика делает этот язык еще более привлекательным, так как позволяет быстро переходить от экспериментальной, интерпретируемой версии программы к ее окончательной версии. В последнее время появились разработки программ на этом языке для систем искусственного интеллекта и экспертных систем. Графические интерфейсы пользователя, или GUIs, революционизировали микрокомпьютерную индустрию. Они продемонстрировали, что выражение «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать» не потеряло своего смысла для большинства пользователей компьютеров. Вместо загадочной командной строки «С:>», которую так долго наблюдали пользователи DOS (автор также относится к их числу), теперь они смотрят на «рабочий стол» (desktop), заполненный значками программ, управляя ими про помощи мыши или посредством меню.

Появление информационных и вычислительных сетей и распределенных баз данных вызвано появление специализированных языков программирования, обслуживающих эти области использования ЭВМ. Потребовалось создание специальных средств организации человеко-машинного взаимодействия, диалога человека с ЭВМ (QBE, SQL).

 

Контрольные вопросы:

1. Классификация языков программирования.

2. Перечислите основные языки программирования и их ориентированность на определенные проблемные области.

 

Базы данных