Для перевода программы с языка программирования в машинные коды, понятные компьютеру, существуют специальные программы - трансляторы. Трансляторы бывают двух видов: интерпретаторы и компиляторы.

Интерпретаторы переводят в машинный код (или некое промежуточное представление) и сразу выполняют каждый оператор программы. Причем только после того, как текущий оператор успешно выполнен, интерпретатор перейдет к следующему. При этом если один и тот же оператор должен выполняться в программе многократно, интерпретатор всякий раз будет выполнять его так, как будто встретил впервые. Поэтому недостатком интерпретатора является то, что программы, в которых требуется осуществить большой объем повторяющихся вычислений, могут работать медленно. Можно сказать, что интерпретатор моделирует некую виртуальную вычислительную машину, для которой базовыми инструкциями служат не элементарные команды процессора, а операторы языка программирования. Для выполнения этой же программы на другом компьютере, там также должен быть установлен интерпретатор.

С помощью интерпретатора допустимо в любой момент остановить работу программы, исследовать содержимое памяти, организовать диалог с пользователем, выполнить сколь угодно сложные преобразования данных и при этом постоянно контролировать состояние окружающей программно-аппаратной среды, благодаря чему достигается высокая надежность работы. Интерпретатор при выполнении каждого оператора проверяет множество характеристик операционной системы и при необходимости максимально подробно информирует разработчика о возникающих проблемах. Кроме того, интерпретатор очень удобен для использования в качестве инструмента изучения программирования, так как позволяет понять принципы работы любого отдельного оператора языка.

Компиляторы переводят весь текст программы в машинный код, затем его можно использовать отдельно от исходного текста. Компиляторы полностью просматривают весь текст программы (исходный код) в поисках синтаксических ошибок, выполняют определенный смысловой анализ и затем автоматически переводят на машинный язык -- генерируют машинный код. Нередко при этом выполняется оптимизация с помощью набора методов, позволяющих повысить быстродействие программы (например, с помощью инструкций, ориентированных на конкретный процессор, путем исключения ненужных команд, промежуточных вычислений и т. д.). В результате законченная программа получается компактной и эффективной, работает в сотни раз быстрее программы, выполняемой с помощью интерпретатора, и может быть перенесена на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код.

Основной недостаток компиляторов -- трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры, часто заранее неизвестной или динамически меняющейся во время работы программы. Тогда в машинный код приходится вставлять множество дополнительных проверок, анализировать наличие ресурсов операционной системы, динамически их захватывать и освобождать, формировать и обрабатывать в памяти компьютера сложные объекты, что на уровне жестко заданных машинных инструкций осуществить довольно трудно, а для ряда задач практически невозможно.

В реальных системах программирования перемешаны технологии и компиляции и интерпретации. В процессе отладки программа может выполняться по шагам, а затем компилироваться в машинный код.

5.3 Языки программирования

Языки программирования принято делить на пять поколений.

В первое поколение входят языки, созданные в начале 50-х годов, когда первые компьютеры только появились. Это был первый язык ассемблера, созданный по принципу «одна инструкция -- одна строка».

Расцвет второго поколения языков программирования пришелся на конец 50-х -- начало 60-х годов. Тогда был разработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Он стал первым полноценным языком программирования. Благодаря его возникновению заметно возросли скорость разработки и надежность программ.

Появление третьего поколения языков программирования принято относить к 60-м годам. В это время родились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решать задачи из любых областей. Такие качества новых языков, как относительная простота, независимость от конкретного компьютера и возможность использования мощных синтаксических конструкций, позволили резко повысить производительность труда программистов. Понятная большинству пользователей структура этих языков привлекла к написанию небольших программ (как правило, инженерного или экономического характера) значительное число специалистов из некомпьютерных областей. Подавляющее большинство языков этого поколения успешно применяется и сегодня.

С начала 70-х годов - период языков четвертого поколения. Эти языки предназначены для реализации крупных проектов, повышения их надежности и скорости создания. Они обычно ориентированы на специализированные области применения, где хороших результатов можно добиться, используя не универсальные, а проблемно-ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваются мощные операторы, позволяющие одной строкой описать такую функциональность, для реализации которой на языках младших поколений потребовались бы тысячи строк исходного кода.

Рождение языков пятого поколения произошло в середине 90-х годов. К ним относятся также системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки. Главная идея, которая закладывается в эти языки, -- возможность автоматического формирования результирующего текста на универсальных языках программирования (который потом требуется откомпилировать). Инструкции же вводятся в компьютер в максимально наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных для человека, мало знакомого с программированием.

Обзор языков программирования высокого уровня

FORTRAN (Фортран). Это первый компилируемый язык, созданный Джимом Бэкусом в 50-е годы. Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Хотя в Фортране впервые был реализован ряд важнейших понятий программирования, удобство создания программ было принесено в жертву возможности получения эффективного машинного кода. Однако для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает использоваться в некоторых организациях.

COBOL (Кобол). Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес-задач, разработанный в начале 60-х годов. Он отличается большой «многословностью» -- его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые эксплуатируются и сегодня.

Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был призван заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В 1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.

Pascal (Паскаль). Язык Паскаль, созданный в конце 70-х годов основоположником множества идей современного программирования Никлаусом Виртом, во многом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании крупных проектов.

Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы. Он создавался в 60-х годах в качестве учебного языка и очень прост в изучении.

С (Си). Данный язык был создан в лаборатории Bell и первоначально не рассматривался как массовый. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффективные и компактные программы и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора. Си во многом похож на Паскаль и имеет дополнительные средства для прямой работы с памятью (указатели). На этом языке в 70-е годы написано множество прикладных и системных программ и ряд известных операционных систем (Unix).

C++ (Си++). Это объектно-ориентированное расширение языка Си, созданное Бьярном Страуструпом в 1980 году. Множество новых мощных возможностей, позволивших резко повысить производительность программистов, наложилось на унаследованную от языка Си определенную низкоуровневость, в результате чего создание сложных и надежных программ потребовало от разработчиков высокого уровня профессиональной подготовки.

Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей. Но главная особенность этого языка -- компиляция не в машинный код, а в платформно-независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора -- виртуальной Java-машины JVM (Java Virtual Machine) версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию множества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода. Особое внимание в развитии этого языка уделяется двум направлениям: поддержке всевозможных мобильных устройств и микрокомпьютеров, встраиваемых в бытовую технику (технология Jini) и созданию платформно-независимых программных модулей, способных работать на серверах в глобальных и локальных сетях с различными операционными системами (технология Java Beans). Пока основной недостаток этого языка -- невысокое быстродействие, так как язык Ява интерпретируемый.

С# (Си Шарп). В конце 90-х годов в компании Microsoft под руководством Андерса Хейльсберга был разработан язык С#. В нем воплотились лучшие идеи Си и Си++, а также достоинства Java. Правда, С#, как и другие технологии Microsoft, ориентирован на платформу Windows. Однако формально он не отличается от прочих универсальных языков. Язык С# предназначен для быстрой разработки .NET-приложений, и его реализация в системе Microsoft Visual Studio .NET содержит множество особенностей, привязываю-щих С# к внутренней архитектуре Windows и платформы .NET.

PL/1 (ПЛ/1). В середине 60-х годов компания IBM решила взять все лучшее из языков Фортран, Кобол и Алгол. В результате в 1964 году на свет появился новый компилируемый язык программирования, который получил название Programming Language One. В этом языке было реализовано множество уникальных решении, полезность которых удается оценить только спустя 33 года, в эпоху крупных программных систем. По своим возможностям ПЛ/1 значительно мощнее многих других языков (Си, Паскаля). Например, в ПЛ/1 присутствует уникальная возможность указания точности вычислений -- ее нет даже у Си++ и Явы. Этот язык и сегодня продолжает поддерживаться компанией IBM.

Smalltalk (Смолток). Работа над этим языком началась в 1970 году в исследовательской лаборатории корпорации XEROX, а закончились спустя 10 лет, воплотившись в окончательном варианте интерпретатора SMALLTALK-80. Данный язык оригинален тем, что его синтаксис очень компактен и базируется исключительно на понятии объекта. В этом языке отсутствуют операторы или данные. Всё, что входит в Смолток, является объектами, а сами объекты общаются друг с другом исключительно с помощью сообщений (например, появление выражения I + 1 вызывает посылку объекту I сообщения «+», то есть «прибавить», с параметром 1, который считается не числом-константой, а тоже объектом). Больше никаких управляющих структур, за исключением «оператора» ветвления (на самом деле функции принадлежащей стандартному объекту), в языке нет, хотя их можно очень просто смоделировать. Сегодня версия VisualAge forSmalltalk активно развивается компанией IBM.

LISP (Лисп). Интерпретируемый язык программирования, созданный в 1960 году Джоном Маккарти. Ориентирован на структуру данных в форме списка и позволяет организовывать эффективную обработку больших объемов текстовой информации.

Prolog (Пролог). Создан в начале 70-х годов Аланом Колмероэ. Программа на этом языке, в основу которого положена математическая модель теории исчисления предикатов, строится из последовательности фактов и правил, а затем формулируется утверждение, которое Пролог будет пытаться доказать с помощью введенных правил. Человек только описывает структуру задачи, а внутренний «мотор» Пролога сам ищет решение с помощью методов поиска и сопоставления.

Ada (Ада). Назван по имени леди Огасты Ады Байрон, дочери английского поэта Байрона. В 1980 году сотни экспертов Министерства обороны США отобрали из 17 вариантов именно этот язык, разработанный небольшой группой под руководством Жана Ишбиа. Он удовлетворил на то время все требования Пентагона, а к сегодняшнему дню в его развитие вложены десятки миллиардов долларов. Структура самого языка похожа на Паскаль. В нем имеются средства строгого разграничения доступа к различным уровням спецификаций, доведена до предела мощность управляющих конструкций.

Forth (Форт). Результат попытки Чарльза Мура в 70-х годах создать язык, обладающий мощными средствами программирования, который можно эффективно реализованным на компьютерах с небольшими объемами памяти, а компилятор мог бы выдавать очень быстрый и компактный код, то есть служил заменой ассемблеру. Однако сложности восприятия программного текста, записанного в непривычной форме, сильно затрудняли поиск ошибок, и с появлением Си язык Форт оказался забытым.

В настоящее время существуют специализированные языки программирования для некоторых областей - баз данных, Интернет (скриптовые, тэговые, - о них в соответствующих разделах), моделирования и др.

Например, языки моделирования используются при создании программ и формировании структур баз даны. Такие языки используют формальные способы их представления -- формальные нотации, с помощью которых можно визуально представить (изобразить с помощью мыши) объекты программы и взаимосвязи между ними в системе, имеющей специализированный редактор и генератор исходных текстов программ на основе созданной модели. Такие системы называются CASE-системами. В них активно применяются нотации IDEF, а в последнее время все большую популярность завоевывает язык графического моделирования UML.

Классификация с точки зрения принципов программирования (Алексеев Е.Г.)

Алгоритмическое (модульное) программирование

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).

Появление первых компьютеров породило программирование как науку. Разрабатывались первые математические теории обработки информации, средства доказательства правильности программ, оптимизации кода, создания эффективных компиляторов, формального тестирования и т. д.

Затем, с появлением универсальных языков программирования третьего поколения, эти аспекты стали менее актуальными -- исследования шли и идут в основном в области автоматической генерации исходных текстов и повышения эффективности компиляторов. Программирование превратилось в искусство -- миллионы людей, не имевших специального образования, получили возможности применять компьютеры для решения собственных прикладных задач, что потребовало от них мастерства создавать правильно работающие программы. Искусством программирование остается и сегодня для профессиональных разработчиков и любителей, создающих программы в одиночку или в небольших компаниях, где все решает индивидуальное мастерство.

Вместе с тем, при росте спроса со стороны государственных и частных организаций на все более и более сложные системы автоматизации предприятий, надежные операционные среды, комплексы глобального телекоммуникационного управления, возникла необходимость в постановке процесса разработки программного обеспечения (ПО) на поток, превращения программирования в ремесло. Было разработано несколько методологий и стандартов, позволивших эффективно организовывать труд сотен программистов средней квалификации, точно укладываться в отпущенные сроки и средства и не зависеть от настроения нескольких талантливых ведущих специалистов. Отрицательная сторона подобных методологий - отсутствие творческого элемента в работе и своеобразная конвейерная «потогонная» система промышленного производства программ, которая, будучи внедренной в организации, в условиях жесточайшего дефицита программистов во всем мире может только отпугнуть сотрудников.

Когда на свет появились первые компьютеры, одна минута их работы стоила очень дорого, а задачи решались достаточно простые, поэтому в расходах на подготовку программ труд разработчиков составлял небольшую часть. С появлением ПК и ростом спроса на большие программные системы практически всю расходную часть проекта стала составлять зарплата программистов. Большой процент таких проектов заканчивается неудачно, а расходы на них очень велики, поэтому проблемы создания качественного программного обеспечения точно в срок и в рамках бюджета сегодня самые важные и над созданием эффективных методологий производства ПО трудятся специалисты во всех развитых странах.

Методы маркетинга программного обеспечения

1) Коммерческое ПО. При создании программного продукта издатель, выполнив анализ рынка, заказывает у исполнителя разработку такого ПО, которое должно пользоваться на рынке спросом, и выделяет на его создание деньги. По окончании работ издатель получает все имущественные права на созданный продукт (право на тиражирование, продажу под собственной торговой маркой, право на получение дохода от программы любым способом). При этом может быть оговорено получение исполнителем некоторого процента (роялти) с каждой проданной копии (как правило, для программ, издающихся сотнями тысяч или миллионами копий, роялти составляет 1-3%) -- тогда он получает меньшую сумму на разработку или вообще создает программу за свой счет. Если же отчисления не предусмотрены, то все расходы по подготовке программы издатель берет на себя. Он также вкладывает средства в упаковку, рекламную кампанию, организацию сетей сбыта и т. д. Издатель обеспечивает расходы, связанные с сопровождением продукта и технической поддержкой пользователей.

За исполнителем навечно остаются авторские права на программу -- право указывать свое имя или логотип своей фирмы на начальной заставке, в документации, на упаковочной коробке.

Крупные компании имеют и подразделения разработки ПО, и отделы, занимающиеся его распространением, что помогает эффективно организовать весь процесс от производства программ до доставки их потребителю.

2) Условно-бесплатное ПО (shareware). В связи с активным развитием Интернета огромное число индивидуальных разработчиков получили возможность распространения своих программ по всему миру. Не имея средств на рекламные кампании, они предоставляют возможность получения ознакомительных версий их программ (демонстрационных или имеющих искусственные ограничения) через Интернет. Если человеку эта программа нравится, он оплачивает небольшую сумму и получает полную работоспособную версию.

В Интернете есть немало узлов, которые предлагают бесплатные услуги по размещению таких программ. Отечественным shareware-разработчикам можно порекомендовать сайт www.swrus.com, на котором можно найти множество материалов и форумов по всем вопросам организации shareware.

3) Бесплатное ПО (freeware, public domain). Такие программы не имеют никаких ограничений, однако автор может попросить заплатить ему некоторую сумму, не настаивая, впрочем, на этом (это метод freeware). Некоторые программы авторы называют «общественным достоянием» (public domain), ничего взамен не требуют и нередко распространяют такое ПО в исходных текстах.

Как правило, стимулом к созданию бесплатных программ служит стремление повысить собственную квалификацию, установить контакты с коллегами, а в случае удачно созданной программы получить известность.

Вопросы для подготовки к контрольной работе по темам «Модели решения задач», «Алгоритмизация», «Программирование»

1. Модели решения задач:

1.1. Этапы решения задач на ЭВМ - их названия и суть.

1.2. Шаги построения информационной модели.

1.3. Уметь построить математическую модель простой вычислительной задачи.

2. Алгоритмизация:

2.1. Понятия алгоритма, исполнителя, формального исполнителя, системы команд исполнителя.

2.2. Свойства алгоритма.

2.3. Формы представления алгоритмов - уметь строить и «читать» блок-схемы и алгоритмы на псевдокоде.

2.4. Основные типы алгоритмов - линейный, разветвляющийся (полное и неполное ветвление), циклический (с предусловием и постусловием) - уметь изобразить блок-схему и применять для построения алгоритмов.

3. Программирование:

3.1. Понятия программы, языка программирования, его синтаксиса и семантики.

3.2. Понятие и виды трансляторов (интерпретаторы и компиляторы), их достоинства и недостатки.

3.3. Типы языков программирования «по уровням» (машинные коды, ассемблер, языки высокого уровня) - понятия, особенности, применение.

3.4. Классификация языков программирования с точки зрения принципов программирования (процедурные, функциональные, логические) - основные идеи, примеры.

3.5. Типы программирования (алгоритмическое, структурное, событийно-ориентированное, объектно-ориентированное, визуальное) - знать основные принципы.

3.6. Методы маркетинга программного обеспечения (коммерческое, условно бесплатное, бесплатное) - знать суть.

VI. Базы данных

Любая модель данных, в том числе и реляционная, включает три взаимосвязанные составляющие, которые кратко можно назвать объекты (структурная составляющая), целостность данных (целостная составляющая) и операторы (манипуляционная составляющая).