JĘZYKI I PARADYGMATY

Transkrypt

1 JĘZYKI I PARADYGMATY PROGRAMOWANIA JĘZYKI I PARADYGMATY PROGRAMOWANIA- UWAGI WSTĘPNE

2 Informacje ogólne Kontakt: Konsultacje: pok.116 WI 2 Materiały:

3 Zakres Przegląd paradygmatów programowania Przegląd języków programowania Dane Typy Podprogramy Obiekty Programowanie imperatywne: C, C++ Programowanie obiektowe: C++, Java, C#, Python, Ruby Programowanie funkcyjne: Lisp, Haskell, Clojure, Python, Ruby Programowanie logiczne: Prolog Inne paradygmaty programowania

4 Literatura P.Van Roy, S.Haridi- Programowanie. Koncepcje techniki i modele, Helion, Język C: B.Kernighan, D.Ritchie- Język ANSI C, WNT, 2007 Język C++: B.Eckel- Thinking in C++ tom I/II, Helion, 2002, 2004 Język JAVA: B.Eckel- Thinking in Java, Wydanie IV, Helion, 2006 Język C#: K.Michelsen, Język C#. Szkoła programowania, Helion, 2007 Język Python M.Summerfield- Python 3. Kompletne wprowadzenie do programowania. Wydanie II, Helion, 2010 Język Ruby P.Cooper- Programowanie w Ruby. Od podstaw, Helion,

5 Zagadnienia Paradygmat oraz paradygmat programowania Język programowania i jego cechy Przegląd paradygmatów programowania Ewolucja języków programowania

6 Co to jest paradygmat? gr.παράδειγμα (parádeigma)- wzorzec, przykład 1. (filozofia) przyjęty sposób widzenia rzeczywistości w danej dziedzinie, doktrynie, itp. (np.paradygmat ontologiczny, mentalistyczny, lingwistyczny) 2. (językoznawstwo) zespół form fleksyjnych (deklinacyjnych lub koniugacyjnych) właściwy danemu typowi wyrazów; wzorzec, model deklinacyjny lub koniugacyjny (Słownik Języka Polskiego)

7 Co to jest paradygmat programowania? Nie jest to wzorcowy sposób pisania programów. Nie są to przykłady poprawnych programów. Zestaw typowych dla danej grupy języków programowania mechanizmów oferowanych programiście Zbiór sposobów interpretacji owych mechanizmów przez semantykę języka czyli jak rzeczywistość (zewnętrzna (modelowana) oraz wewnętrzna (maszynowa)) jest postrzegana poprzez pryzmat danego języka

8 Co różni paradygmaty programowania? sposób patrzenia na dane (struktury danych + język programowania) sposób patrzenia na kod (algorytm + język programowania) sposób wiązania kodu z danymi sposób patrzenia na przepływ sterowania

9 Paradygmaty programowania paradygmat programowania model obliczeniowy oparty na tzw. języku kernelowym (zawierajacym niewiele programistycznie istotnych elementów) (istotna cecha- typy abstrakcji, np. model obiektowy) programowanie multiparadygmatowe (używanie rozmaitych modeli obliczeniowych w jednym programie)

10 Paradygmatów w tworzeniu systemu informatycznego Paradygmaty programowania dotyczą: implementacji testowania integracji (połączenie w całość poszczególnych komponenetów) systemu informatycznego Paradygmat programowania definiuje paradygmat projektowania programowania (wzorce projektowe, komponenty, architekturę oprogramowania, frameworki)

11 Co to jest język programowania? Języki programowania- jezyk formalny (sztuczny) służący do zapisu programów komputerowych. Dokładniej: język formalny zapewniający komunikację człowieka z komputerem i przeznaczony do opisu danych oraz algorytmów ich przetwarzania w komputerze z zastosowaniem słów kluczowych (np. main) oraz symboli (np. [ ]).

12 Języki programowania- podstawowe cechy Każdy język programowania jest określony przez swoją syntaktykę oraz semantykę, tj. zbiór reguł określających, jakie rodzaje wyrażeń można wykorzystać w pisaniu programów i jakie jest ich znaczenie funkcjonalne

13 Języki programowania- podstawowe cechy Syntaktyka (składnia, gramatyka, forma)- zbiór reguł, mówiących jak wygląda poprawny program w danym języku, czyli np.: jak tworzy się polecenia i wyrażenia. jaką postać mają struktury sterowania (instrukcje warunkowe, pętle, skoki). jak zapisuje się deklaracje.

14 Syntaktyka Założenie: dany jest ustalony alfabet A (zbiór skończony, niepusty), np. A={0,1} lub A=ASCII Elementy zbioru A nazywamy symbolami, znakami lub literami alfabetu Słowem nazywamy ciąg symboli alfabetu Zbiór wszystkich napisów, jakie można utworzyć ze znaków alfabetu A, oznaczamy A* Każdy podzbiór zbioru A* to pewien język Wniosek: język to zbiór napisów złożonych ze znaków danego alfabetu

15 Klasy gramatyk (wg hierarchii Chomsky ego) Klasa 3- Gramatyki regularne do opisu leksemów (tokenów) czyli podstawowych (atomowych) elementów języka, takich jak słowa kluczowe (np. if, while),literały (np. 4), operatory (np. +, *) identyfikatory (np. x) wyrażenia regularne (ang. regular expressions (regex)) wzorce opisujące zbiór poprawnych leksemów, ich podział na poszczególne podzbiory

16 Klasy gramatyk (wg hierarchii Chomsky ego) Klasa 2- Gramatyki bezkontekstowe do opisu składni, czyli wyglądu wyrażeń, instrukcji czyli elementów składających się z poprawnych leksemów odpowiednio względem siebie ustawionych notacja BNF (Backusa-Naura) oraz EBNF (Extended BNF)

17 Notacja Backusa-Naura BNF Sposób zapisu języków programowania Definicja języka w notacji BNF = zbiór reguł Ogólna postać reguły: <symbol> ::= <definicja_symbolu> symbol- pojedynczy symbol nieterminalny (pomocniczy (do definiowania języka)) definicja_symbolu- ciąg symboli terminalnych (należących do alfabetu języka (docelowych)) oraz nieterminalnych Sens reguły: symbol występujący po lewej stronie znaku ::= można zastąpić tym, co pojawia się po prawej stronie. (Innymi słowy, stwierdzamy, że to, co stoi po lewej stronie, może wyglądać jak to, co stoi po prawej.)

18 Rozszerzenia w EBNF Często stosuje się dodatkowe konwencje oraz symbole uproszczające zapis: alternatywne warianty reguły (pionowa kreska ): pojęcie ::= wariant1 wariant2 wariant3 opcjonalna część reguły (nawiasy kwadratowe [...]): pojęcie ::= część-konieczna [ część-opcjonalna ] dowolne wielokrotne powtórzenie (nawiasy klamrowe {...}): pojęcie ::= część-konieczna { część-powtarzalna } Grupowanie alternatywnych fragmentów definicji (nawiasy okrągłe (...)): pojęcie ::= ( coś coś-innego ) coś-jeszcze-innego

19 Rozszerzenia w EBNF Jednoznakowe symbole terminalne umieszcza się w cudzysłowie, dla odróżnienia ich od symboli samej notacji BNF. Symbole terminalne pisze się czcionką wytłuszczoną; nie jest wówczas konieczne pisanie nawiasów kątowych wokół symboli nieterminalnych. Np. def. rekurencyjna niepustej listy identyfikatorów, rozdzielonych przecinkami: lista_identyfikatorów ::= identyfikator lista_identyfikatorów "," identyfikator Wersja alternatywna zawierająca nawias klamrowy: lista_identyfikatorów ::= identyfikator { "," identyfikator } Przykład: (język C) pętla-dopóki ::= while "(" wyrażenie ")" instrukcja

20 Języki programowania- podstawowe cechy Semantyka (znaczenie, treść)- znaczenie form zapisanych zgodnie ze składnią języka, czyli co one robią. Przykład: (instrukcja warunkowa) (język C) 1. Składnia: if "(" wyrażenie ")" instrukcja 2. Semantyka: (opis potoczny- nie formalny, ale zrozumiały) sprawdź podane wyrażenie i jeśli jest prawdziwe, to wykonaj podaną instrukcję.

21 Języki programowania- podstawowe cechy Język programowania jest językiem sztucznym opierającym się na jezyku etnicznym lub na wyrazach sztucznych o brzmieniu łatwym do zapamiętania

22 Paradygmaty i języki programowania, a implementacja algorytmów Ten sam algorytm można zaimplementować na różne sposoby zgodnie z różnymi paradygmatami programowania i różnymi językami programowania Wybór paradygmatu programowania oraz języka programowania ma nieraz kluczowy wpływ na łatwość/jakość implementacji algorytmów

23 Paradygmaty i języki programowania, a implementacja algorytmów Zastosowanie odpowiedniego paradygmatu programowania oraz języka programowania do realizacji zadania programistycznego jest bardzo ważne, ale nie może rozwiązać samego problemu. Język programowania to środek do realizacji założeń paradygmatu

24 Paradygmaty i języki programowania, a implementacja algorytmów Język może: zawierać środki pozwalające wyrażać pardygmat wprost (wsparcie bezpośrednie) pozwalać wyrażać paradygmat kosztem dodatkowego kodowania (tzn. łatwiej jest programować w oparciu o dany paradygmat, ale można też kodować z zastosowaniem mechanizmów innego).

25 Generacje języków programowania Języki programowania można podzielić na pięć wyraźnie różniących się generacji języków wyskiego poziomu (ang. high-level language) Generacje języków opisują zaawansowanie (rozbudowanie) struktury języka, co jest równocześnie związane z łatwością posługiwania się nimi.

26 Generacje języków programowania Początki: pierwszy język programowania (opisany): Plankalkühl, Konrad Zuse ( ) języki maszynowe (lowest-level programming language) języki asemblerowe (podobna struktura, zbiór instrukcji, wprowadzenie nazw w miejsce liczb)

27 Generacje języków programowania Przykładowy fragment programu w pamięci: Interpretacja w postaci symboli asemblera 8D 7D C0 lea edi,[ebp-40h] B mov ecx,10h B8 CC CC CC CC mov eax,0cccccccch F3 AB rep dword ptr [edi] C6 05 D A mov byte ptr [c (004225d8)],0Ah A0 D mov al,[c (004225d8)] add al,5 A2 D mov [c (004225d8)],al B mov eax,1

28 Generacje języków programowania 1GL ( ) Fortran I (FORmula TRANslation) (1957) Algol 58 (ALGOrithmic Language) (1958) FLOW-MATIC (Business Language version 0) podstawa obliczeń- wyrażenia matematyczne

29 Generacje języków programowania 2GL ( ) nowość: wykorzystanie paradygmatu imperatywnego COBOL (Common Business Oriented Language) (1959) wprowadzenie: podprogramów (Fortran II) struktury blokowej programów i typów danych (Algol 60) obsługa plików (COBOL)

30 Ewolucja języków programowania 2GL ( ) nowość: wykorzystanie paradygmatu funkcyjnego język LISP (LISt Processing) (1959)

31 Ewolucja języków programowania 3GL ( ) PL/1- próba stworzenia języka uniwersalnego (everything for everybody) (Fortran + COBOL + Algol) (IBM) (1964) BASIC (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code ) nowość: wykorzystanie paradygmatu obiektowego Simula 67 (rozszerzenie Algola 60) Smalltalk (pierwszy obiektowy język programowania) (1968)

32 Ewolucja języków programowania 4GL ( ) programowanie to nauka C (a portable systems language) (Kernighan, Ritchie) (1972) (książka 'The C Programming Language' (1978) Pascal (simplicity by design) (Wirth) (1971)

33 Ewolucja języków programowania 4GL ( ) nowość: wykorzystanie paradygmatu logicznego PROLOG (PROgramming Based on LOGic) (1971) Scheme (dialekt Lispa) (1975)

34 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) języki obiektowe: C C++ (C with classes) (Bjarne Stroustrup) (1983) Pascal Object Pascal Modula-2 Modula-3 języki programowania logiki: Prolog Mercury

35 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) języki programowania funkcyjnego: Erlang (1986) Haskell (1990) programowanie współbieżne Linda (1986)

36 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) języki skryptowe: Perl (Larry Wall) (1987) Python (G. van Rossum) (1991) Ruby (Yukihiro Matsumoto) (1993) PHP (Rasmus Lerdorf) (1994) JavaScript (poprzednia nazwa LiveScript) (Netscape) (1995)

37 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) języki tworzenia aplikacji internetowych: Java (an Imperative-Based Object-Orientd Language) (Sun Microsystems) (1995) C# (a C-Based Language for the New Millennium) (Microsoft) (2000)\ Go ('code less, compile quicker, execute faster have more fun') (Google) (2009)

38 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) języki oparte na JVM (Java Virtual Machine): Jyhon (1997) JRuby (2001) Scala (2003) Groovy (2003) Clojure (2007)

39 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) języki oparte na CLI (Common Language Infrastructure): VB.NET (2001) J# (2002) F# (2005) IronPython (2006) IronRuby (2010)

40 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) wykorzystanie paradygmatu programowania generycznego (uniezależnienie od siebie algorytmów oraz struktur danych) język Ada (ANSI Ada 1983) biblioteka STL (C++)

41 Ewolucja języków programowania 5GL (1980-) hybrydowe języki programowania/znaczników XSLT (extensible Stylesheet Language Transformations) (W3C) (końcówka lat 1990-ych) JSP (Java Server Pages)

42

43 Ewolucja języków programowania Tendencja rozwojowa: od języków programowania bliskich maszynie do języków programowania bliskich rozwiązywanym problemom zmniejsza się liczba instrukcji zwiększa się czytelność kodu

44 Paradygmaty programowania Imperatywne imperatywne obiektowe proceduralne strukturalne Deklaratywne funkcyjne logiczne Specyficzne dla dziedziny (ang. specific domain) współbieżne, równoległe, rozproszone sterowane przepływem danych komponentowe aspektowe zdarzeniowe agentowe generyczne...

45 Programowanie imperatywne Najbardziej naturalny paradygmat dla maszyny Program- lista instrukcji (rozkazów) Instrukcje- mniej lub bardziej elementarne Instrukcje wykonywane są sekwencyjnie. Skoki: bezwarunkowe (instrukcja goto) warunkowe

46 Programowanie imperatywne Powstałe w oparciu o abstrakcyjną architekturę von Neumanna

47 Architektura von Neumanna maszyna składa się z pamięci oraz jednostki centralnej, która wykonuje rozkazy (procesora); rozkazy oraz dane zapisane są w tej samej pamięci w ten sam sposob; rozkazy są kolejno z pamięci wczytywane do jednostki centralnej i wykonywane; każdy rozkaz powoduje zmianę stanu maszyny rozumianego jako zawartość całej pamięci włącznie z rejestrami i znacznikami procesora; rozkazy mogą zmieniać wewnętrzne ustawienie jednostki centralnej, w tym miejsce, z którego będzie czytany następny rozkaz.

48 Programowanie imperatywne Języki wysokiego poziomu posługują się pewnymi abstrakcjami, ale wciąż odpowiadają paradygmatowi programowania imperatywnego Przykład wykorzystania abstrakcji: zmienne- abstrakcja komórek pamięci

49 Programowanie imperatywne Przykłady języków: C C++ Fortran Ada Pascal Object Pascal Basic

50 Programowanie imperatywne Przykład programu imperatywnego (język C, C++): int a, b, pole; int main() { a=2; b=3; pole=a*b; return 0; }

51 Programowanie proceduralne Rozszerzenie programowania imperatywnego Wykorzystanie stosu oraz rozkazów jego obsługi (TOP, PUSH, POP)

52 Programowanie proceduralne Podział zadania programistycznego na podzadania i ich niezależna (od siebie nawzajem) implementacja w postaci podprogramów (procedur, funkcji, metod, operacji) Procedury mogą być wielokrotnie (również rekurencyjnie) wywoływane z różnymi parametrami, Niezalecane jest korzystanie z efektów ubocznych (rozumianych, jako zmiana wartości zmiennych globalnych) lecz przekazywanie danych i wyników w parametrach procedur

53 Programowanie proceduralne Przykład programu proceduralnego (język C): #include <stdio.h> void delta(int a, int b, int c) { int delta = b*b-4*a*c; printf("delta wynosi: %d\n"); } int main() { delta(5,3,4); delta(1,2,3); return 0; }

54 Programowanie proceduralne Umożliwienie powstania techniki programowania bottom-up Projektowanie oprogramowania od małych części (podalgorytmów) zapisywanych w postaci podprogramów. Na ich bazie są budowane większe podprogramy, z nich jeszcze większe, itd. Ułatwienie pracy nad programem, w szczególności w fazach projektowania oraz usuwania błędów Umożliwienie rozwoju: programowania zespołowego bibliotek programowania

55 Programowanie proceduralne Przykłady języków: C C++ Fortran Ada Pascal Object Pascal Basic Python Ruby

56 Programowanie strukturalne Udoskonalenie paradygmatu proceduralnego Używanie prostych, dobrze zdefiniowanych struktur (konstrukcji programistycznych) Dla małych jednostek programu (zestawu elementarnych instrukcji) wyróżniamy 3 typy struktur sterujących (wg Dijkstry): sekwencja (konkatenacja)-wykonywanie instrukcji w określonej kolejności- operator ; (wiele języków) selekcja (wybór)-wykonywanie jednej z wielu instrukcji zależnie od stanu programu- if,if...else, switch (wiele języków) iteracja- powtarzanie instrukcji tak długo, jak długo spełniony (lub niespełniony) jest dany warunek- pętle for, while, do...while (wiele języków)

57 Programowanie strukturalne Używanie prostych, dobrze zdefiniowanych struktur (konstrukcji programistycznych) Dla dużych jednostek programu rozbicie ich na mniejsze jednostki (zgodnie z zasadą rozumienia fragmentu bez konieczności rozumienia całości): podprogram- pozwala wydzielony podalgorytm zapisać, nazwać i wywoływać wielokrotnie, z zastrzeżeniem, że ma dokładnie jeden punkt wejścia oraz dokładnie jeden punkt wyjścia rekurencja- definiowanie podprogramu za pomocą tego samego podprogramu unikanie skoków bezwarunkowych (wg Dijkstry) (goto - Pascal)

58 Programowanie strukturalne Wersja liberalna programowania strukturalnego Motto: wygoda jest ważniejsza niż wygląd Wprowadzenie tzw. skoków strukturalnych instrukcja return- pozwala tworzyć funkcje z wieloma punktami wyjścia instrukcja break- pozwala opuścić pętlę w dowolnym miejscu instrukcja continue- pozwala przeskoczyć część bieżącej iteracji pętli w dowolnym miejscu obsługa wyjątków daje możliwość zajęcia się sytuacjami wyjątkowymi bez mnożenia zbędnych bytów (zmiennych, warunków itp.) instrukcja goto (wyjątkowo dopuszczalna)

59 Programowanie strukturalne Przykład 1 programu strukturalnego (język C) #include< stdio.h > int main(){ int a[50],n,count_neg=0,count_pos=0,i; printf( Wprowadz rozmiar tablicy ); scanf( %d,&n); printf( Wprowadz elementy tablicy ); for (I=0;I < n;i++) scanf( %d,&a[i]); for(i=0;i < n;i++){ if(a[i] < 0) count_neg++; else count_pos++; } printf( Mamy %d liczb ujemnych w tablicy,count_neg); printf( Mamy %d liczb dodatnich w tablicy,count_pos); return 0; }

60 Programowanie strukturalne Przykład 2 programu strukturalnego (język C++) #include <iostream.h> #include <conio.h> int factorial(int); int main() { int number; cout << "Wprowadz liczbe nieujemna: "; cin >> number; if (number < 0) cout << "To nie jest liczba nieujemna.\n"; else cout << number << " silnia wynosi: " << factorial(number) << endl; getch(); return 0; } int factorial(int number) { int temp; if(number <= 1) return 1; temp = number * factorial(number - 1); return temp; }

61 Programowanie strukturalne Umożliwienie powstania techniki programowania top-down Podzielenie zadania programistycznego na mniejsze podzadania, zgodnie z przewidywaną strukturą na najwyższym poziomie, wypełnienie tej struktury rozkazami elementarnymi (tam gdzie jest to możliwe), a następnie (tam gdzie nie można było wstawić rozkazów elementarnych) zastosowanie rekurencyjnego dzielenia w głąb, do coraz drobniejszych zadań. Technika top-down jest odwrotna do techniki buttom-up.

62 Programowanie strukturalne Przykłady języków: C C++ Fortran Ada Pascal Object Pascal Basic Python Ruby

63 Programowanie obiektowe ang. Object Oriented Programming (OOP) Programowanie obiektowe jest do pewnego stopnia rozszerzeniem paradygmatu programowania proceduralnego i strukturalnego Rozszerzenie formalne: klasa class obiekt (instancja klasy)

64 Programowanie obiektowe (OOP) Program to zbiór porozumiewających się ze sobą aktywnych obiektów, czyli jednostek zawierających pewne dane i umiejących wykonywać na nich pewne operacje Ważną nową cechą jest powiązanie danych (czyli stanu) z operacjami na nich ( metodamiforma podprogramu) w całość, stanowiącą odrębną jednostkę obiekt

65 Programowanie obiektowe Konsekwecje rozszerzenia formalnego: dziedziczenie pozwala tworzyć obiekty bardziej skomplikowane na bazie prostszych dziedziczenie klas przekłada się na zawieranie się jednej w drugiej, a to oznacza, że obiekty mogą należeć jednocześnie do wielu klas, co ma istotne znaczenie dla polimorfizmu polimorfizm dynamiczny (polimorfizm obiektowy) dzięki dziedziczeniu pozwala obiektom automatycznie dobierać odpowiednie metody do swojego aktualnego typu enkapsulacja (hermetyzacja) polega na tym, że tylko pewne dane i metody obiektu (stanowiące jego interfejs) sa widoczne na zewnatrz, dla innych obiektów; jego implementacja jest ukryta przed umyślnym bądź przypadkowym uszkodzeniem czy też złym wykorzystaniem

66 Programowanie obiektowe Konsekwecje rozszerzenia formalnego: abstrakcja danych wynika bezpośrednio z hermetyzacji i dziedziczenia można w prosty sposób definiować ogólne obiekty (czy też klasy), które są jedynie wzorcami pewnych bardziej skomplikowanych, doprecyzowanych obiektów

67 Programowanie obiektowe Paradygmat obiektowy najlepiej odzwierciedla sposób, w jaki ludzie myślą o świecie Podobieństwo modelu obiektowego do świata rzeczywistego Paradygmat obecnie dominujący (TIOBE Programming Community Index) Luty 2013: 1. Java 3. Objective-C 4. C++ 5. C# 7. Python 10. Ruby

68 Programowanie obiektowe Przykład programu obiektowego (język Java): public class HelloWorld { public static void main(string[] args) { System.out.println("Hello, World!"); } }

69 Programowanie obiektowe Przykłady języków: Java C# C++ Ada Objective-C Smalltalk Python Ruby

70 Programowanie deklaratywne Programista pisząc program podaje (deklaruje) programowi pewne zależności oraz cele, które program ma osiągnąć (co ma być osiągnięte?) Wygodny sposób komunikowania poleceń Nie podaje wprost sposobu osiągnięcia wyników (jak w przypadku programowania imperatywnego- jak osiągnąć wynik?)

71 Programowanie funkcyjne Podstawa matematyczna- rachunek lambda (Alons Church, 1941) w oparciu o wyrażenie lambda ( λ- wyrażenie) z możliwością zdefiniowania funkcji bez nadawania jej nazwy (funkcje anonimowe) Postać ogólna: λ parametry.wartość funkcji Przykład 1. λ x.x 2 to funkcja obliczająca kwadrat danego parametru (λ x.x 2 (3)=3 2 =9) Przykład 2. λ x y.x+y to funkcja obliczająca sumę parametrów (λ x y.x+y (3 4)=3+4=7)

72 Programowanie funkcyjne Funkcje anonimowe mogą być argumentem innej funkcji Wartością zwracaną może być funkcja Przykład 3. Pochodna(F) = F' Pochodna(λ x.x 2 ) = (λ x.2*x)

73 Programowanie funkcyjne-c.d. Program to złożona funkcja (w sensie matematycznym), która otrzymawszy dane wejściowe wylicza na ich podstawie pewien wynik Zasadniczą różnicą w stosunku do poprzednich paradygmatów jest brak dostępu do stanu maszyny Nie ma zmiennych modelujących komórki pamięci Nie ma efektów ubocznych (bo nie ma stanu funkcji)

74 Programowanie funkcyjne-c.d. Nie ma tradycyjnie rozumianych pętli (bo wymagają zmiennych (lub innego dostępu do stanu maszyny) do sterowania ich przebiegiem) Funkcje dla tych samych parametrów zwracają zawsze to samo (przezroczystość odniesień) Przykład (Język C (programowanie imperatywne)): time(null) time(null) #include <stdio.h> #include <time.h> int main() { } time_t seconds; seconds = time(null); printf("%ld sekund od 1 stycznia 1970 GMT", seconds); return 0;

75 Programowanie funkcyjne-c.d. Konstruowanie programów to składanie funkcji zazwyczaj z istotnym wykorzystaniem rekurencji (zamiast pętli) oraz wyrażeń warunkowych Charakterystyczne jest definiowanie funkcji wyższego rzędu (dla których argumentami oraz których wynikami mogą być funkcje (a nie tylko proste dane jak liczby lub napisy- patrz język C)

76 Programowanie funkcyjne-c.d. Przykład programu funkcyjnego Język LISP USER(1)> (* 2 (cos 0) (+ 4 6)) ; *,+,cos to funkcje numeryczne ==> 20 Język Clojure USER> (* 2 (Math/cos 0) (+ 4 6)) ; *,+,Math/cos to funkcje numeryczne ==> 20

77 Programowanie funkcyjne-c.d. Przykład języków: Lisp Haskell Erlang Clojure Scala F# Python Ruby

78 Programowanie logiczne Podstawowa koncepcja- predykat np. ojciec (jacek, agata) Na program składa się: zbiór zależności (przesłanek) pewne stwierdzenie/pytanie (cel) Wykonanie programu to próba udowodnienia stwierdzenia w oparciu o podane przesłanki Obliczenia wykonywane są przy okazji dowodzenia stwierdzenia Podobnie jak w programowaniu funkcyjnym, brak jest rozkazów Opisujemy to co wiemy oraz co chcemy uzyskać

79 Programowanie logiczne Przykład jezyka logicznego (język Prolog) Znane fakty: Adam jest ojcem Grzegorza Grzegorz jest ojcem Jana i Joanny bycie dziadkiem oznacza bycie ojcem ojca ojciec(adam, grzegorz). ojciec(grzegorz, ja). ojciec(grzegorz, joanna). dziadek(x, Z) :- ojciec(x, Y), ojciec(y, Z).?- dziadek(x, jan).

80 Paradygmat programowania równoległego Rozdział procesu wykonywania programu na wiele procesorów (CPU, GPU) (multiprocesormaszyna wieloprocesorowa ze wspólną pamięcią) lub wiele rdzeni procesora w tym samym czasie Wykorzystanie języków zorientowanych obiektowo (C++ (biblioteka OpenMP), Java (interfejs JOMP) lub imperatywnych (C, Fortran (biblioteka OpenMP), CUDA C)

81 Paradygmat programowania równoległego Model OpenMP Rozszerzenie modelu strukturalnego / obiektowego: mechanizm synchronizacji procesów oraz wątków (np. wykorzystanie modelu fork and join) mechanizm współdzielenia pamięci i innych zasobów komputera (wykorzystanie klauzul: shared, private)

82 Paradygmat programowania równoległego - przykład #include <omp.h> int main(int argc, char **argv) { const int N = ; int i, a[n]; //równoległa inicjalizacja wartości dużej tablicy //każdy wątek wykonuje część pracy #pragma omp parallel for for (i = 0; i < N; i++) a[i] = 2 * i; } return 0;

83 Modele programowania równoległego Cilk Plus (zintegrowany z kompilatorami C/C++) Wyrażenie równoległości w oparciu o model fork and join: cilk_spawn / cilk_sync (asynchroniczne wywołanie funkcji / synchronizacja wywołań) cilk_for (umożliwienie równoległego wykonywania iteracji pętli for)

84 Modele programowania równoległego Przykład 1 cilk_spawn hello(); cilk_spawn world(); cilk_sync; Przykład 2 cilk_for(int i =0; i<1000; i++) sum+=i;

85 Inne modele programowania równoległego Threading Building Blocks (biblioteka dla kompilatorów zgodnych z ISO C++) Array Building Blocks CUDA (GPUs) OpenCL (GPUs, CPUs, APUs)

86 Paradygmat programowania rozproszonego Rozdział procesu wykonywania programu na wiele maszyn (procesorów połącznych siecią) w tym samym czasie Wykorzystanie języków zorientowanych obiektowo (C++) lub imperatywnych (C, Fortran) Standard programowania rozproszonego: MPI (Message Passing Interface)

87 Paradygmat programowania rozproszonego - przykład #include <mpi.h> int main(int argc, char *argv[]){ int npes; int myrank; // Inicjalizacja podsystemu MPI MPI_Init(&argc, &argv); // Pobierz rozmiar globalnego komunikatora MPI_Comm_size(MPI_COMM_WORLD, &npes); // Pobierz numer procesu w globalnym komunikatorze MPI_Comm_rank(MPI_COMM_WORLD, &myrank); printf("jestem %d procesem z %d\n",myrank, npes); MPI_Finalize(); return 0; }

88 Programowanie współbieżne Nadparadygmat wykonywanie wielu zadań obliczeniowych w tym samym czasie (równoczesne wykonywanie zadań przez wiele procesorów wraz z podziałem czasu jednego procesora między wiele zadań)

89 Paradygmat programowania generycznego Programowanie rodzajowe (uogólnione) Umożliwia tworzenie jednostek (klas, obiektów, funkcji, typów) parametrycznych (polimorficznych, uogólnionych), ktore stają sie pełnoprawnymi jednostkami w chwili ich dookreślenia (może to zostać odłożone do momentu skorzystania z ich definicji w gotowym programie). Tworzenie algorytmów i struktur danych operujących na danych (prawie) dowolnego typu Uogólnienie paradygmatu programowania obiektowego Przykłady języków: C++ (STL), Ada, Java, C#, Haskell

90 Paradygmat programowania generycznego - przykład #include <iostream> Output: #include <string> Max(i, j): 10 using namespace std; Max(f1, f2): 1.5 template <typename T> Max(s1, s2): Ruby inline T const& Max (T const& a, T const& b) { return a < b? b:a; } int main (){ int i = 10; int j = 1; cout << "Max(i, j): " << Max(i, j) << endl; double f1 = 0.8; double f2 = 1.5; cout << "Max(f1, f2): " << Max(f1, f2) << endl; string s1 = "Python"; string s2 = "Ruby"; cout << "Max(s1, s2): " << Max(s1, s2) << endl; return 0; }

91 Paradygmat programowania modularnego Pośredni między programowaniem obiektowym, a proceduralnym. W tym paradygmacie główną jednostką planowania programu i jego tworzenia jest moduł (pakiet) zawarty zwykle w osobnym pliku i w wielu aspektach traktowany jako obiekt Przykłady jezyków: Ada, Python

92 Paradygmat programowania aspektowego Tworzenie programów w oparciu o tzw. aspekty (reprezentacje zagadnień) ze wspomaganiem separacji zagadnień i rozdzielenia programu na części w jak największym stopniu niezwiązane funkcjonalnie Rozszerzenie paradygmatu obiektowego Przykłady jezyków: AspectJ

93 Paradygmat programowania komponentowego Paradygmat związany z modularyzacją programów, a jednocześnie z programowaniem obiektowym Komponenty to samodzielne obiekty wyposażone w ściśle wyspecyfikowany interfejs, wykonujace określone usługi Przykłady: EJB, COM+, Corba,

94 Paradygmat programowania sterowanego przepływem danych Program postrzegany jest jako graf operacji, między którymi przepływają dane. Moment wykonania danej operacji nie jest więc zależny od liniowej sekwencji instrukcji, lecz od dostępności danych w tym podejściu dane są najważniejsze (analogia- linia produkcyjna fabryki) Ten model bardzo dobrze nadaje się do równoległego wykonywania programu na wielu procesorach. Rozkład zadań na procesory uzyskujemy automatycznie, bez konieczności rozdzielania zadań (czyli tworzenia dodatkowego kodu)

95 Paradygmat programowania zdarzeniowego Programowanie sterowane zdarzeniamizamiast zasadniczego nurtu sterowania mamy wiele drobnych programów obsługi zdarzeń, uruchamianych w chwili wystąpienia odpowiedniego zdarzenia (vs. programowanie z własnym wątkiem sterowania) Paradygmat programowania powiązany z programowaniem komponentowym i obiektowym Przykład: VB.NET

96 Paradygmat programowania agentowego Rozszerzenie paradygmatu obiektowego Podstawowa jednostka- agent czyli wyspecjalizowany i odporny na błędy i niepowodzenia, a jednoczesnie samodzielny obiekt, ktory w środowisku heterogenicznym (np. w sieci komputerowej) może pracować sam, a w potrzebie komunikować się z innymi agentami Istota- zapewnnie maksymalnej odporności na błędy i utratę wyników kosztem dublowania swych czynności lub samoreplikacji Przykład: framework JADE (Java Agent DEvelopment Framework)

97 Paradygmat programowania prototypowego Wariacja paradygmatu obiektowego, w którym nie występują klasy, a funkcję klas pełnią prototypy Podstawowa jednostka- prototyp czyli specjalnie oznaczony egzemplarz obiektu po którym inne obiekty dziedziczą pola, metody oraz można rozszerzać go o nowe metody. Dziedziczenie- w oparciu o tzw. łańcuch prototypów (istotna jest tutaj długość łańcucha) (wydajność) Przykłady: JavaScript, ActionScript, IO

98 Paradygmat programowania refleksyjnego Podstawowe pojęcie mechanizm refleksji Program komputerowy może być modyfikowany w trakcie działania w sposób zależny od własnego kodu oraz od zachowania w trakcie jego wykonania Istota- zarządzanie kodem jak danymi (kod = dane) Przykłady: Ruby, Python, Objective C, Java