Elementy języków programowania

Transkrypt

1 Elementy języków programowania Olsztyn Wojciech Sobieski

2 Języki programowania wymyślono po to, by można było dzięki nim tworzyć różnorodne programy komputerowe. Oczekuje się również, że tworzone aplikacje będą wykonywać swoje zadania w sposób jednoznaczny i zgodny z określoną na etapie projektowania specyfikacją wymagań - języki programowania muszą się więc opierać na ogólnie obowiązujących zasadach logiki i arytmetyki. Z tego też względu, można wyodrębnić w strukturach różnych języków szereg elementów uniwersalnych, spełniających w nich analogiczną rolę.

3 1. Ściśle określony zbiór znaków i symboli. Używanie znaków niedozwolonych spowoduje wystąpienie błędów podczas translacji kodu źródłowego. Zakres znaków obejmuje duże i małe litery alfabetu (rozróżniane bądź nie), cyfry oraz znaki specjalne i symbole wieloznakowe. Mimo, że wiele języków programowania posiada podobny zestaw znaków dopuszczalnych, niektóre z nich mogą mieć zupełnie inne znaczenie. Przykładem może być znak // - w FORTRANIE służący do łączenia łańcuchów tekstowych, zaś w PASCALU do oznaczenia wiersza komentarza.

4 Zestaw znaków i symboli dopuszczalnych w językach Fortran G77 oraz Free Pascal.

5 2. Skończona (zazwyczaj) liczba słów kluczowych i deklaratorów. Słowa kluczowe są to określone zbiory znaków posiadające konkretne znaczenie dla translatora (najczęściej są to wyrazy z języka angielskiego, np. WRITE, READ, PROGRAM, FOR, DO, PROCEDURE, FUNCTION, itd.).

6 Zestaw słów kluczowych występujących w językach Fortran G77 oraz Free Pascal.

7 Bardzo często edytory kodu źródłowego stosują wyróżnienia dla słów kluczowych (pogrubienie czcionki lub kolory), co ułatwia jego pisanie i zmniejsza prawdopodobieństwo wystąpienia błędu. W przypadku braku automatycznego wyróżnienia należy stosować duże i małe litery, np. instrukcje pisać dużymi literami, a inne nazwy małymi. Nazwy takie jak SIN, COS, LOG, MOD, itd. nie są słowami kluczowymi lecz nazwami funkcji wewnętrznych. Oprócz słów kluczowych w językach programowania występują również deklaratory, czyli słowa odpowiadające za określanie obiektów lub ich właściwości.

8 ConText Elementy JP

9 3. Ściśle określona struktura i zasady pisania kodu źródłowego. Kod źródłowy składa się z przynajmniej jednego modułu (programu), który musi mieć sztywno określoną budowę. Moduł musi posiadać wyraźnie określony początek i koniec, obszary deklaracji obiektów i typów występujących zmiennych oraz obszary zawierające bloki instrukcji, funkcji lub procedur. Budowa kodu źródłowego zależy w decydujący sposób od rodzaju języka i sposobu realizacji drogi punktu sterowania. Zasady pisania kodów źródłowych w językach Fortran G77 oraz FreePascal.

10 Fortran 1. Używanie jedynie znaków dopuszczalnych. 2. Brak rozróżnienia znaków pisanych małą lub wielką literą. 3. Znaków narodowych nie należy używać (nawet w komentarzach). 4. Nazwy (identyfikatory) stałych, zmiennych, podprogramów, funkcji, itp. powinny zaczynać się od litery i nie powinny być dłuższe niż 6 znaków (słowa kluczowe mają budowę identyfikatorów, ale mogą być dłuższe). 5. Treść instrukcji wpisuje się między 7 a 72 kolumną. Nie ma obowiązku zaczynania od 7 kolumny. Znaki za 72 kolumną są ignorowane. 6. Odstępy umieszczane w instrukcjach są ignorowane nie ma różnicy pomiędzy np. GOTO i GO TO. Pascal 1. Używanie jedynie znaków dopuszczalnych. 2. Brak rozróżnienia znaków pisanych małą lub wielką literą. 3. Znaków narodowych nie należy używać (nawet w komentarzach). 4. Nazwy (identyfikatory) stałych, zmiennych, podprogramów, funkcji, itp. powinny zaczynać się od litery długość dowolna. 5. Treść instrukcji wpisuje się w dowolnej kolumnie. 6. Odstępy umieszczane w instrukcjach są ignorowane nie ma różnicy pomiędzy np. x:=4 a x := 4.

11 Fortran 7. W celu zwiększenia czytelności programu należy stosować wcięcia szczególnie podczas stosowania instrukcji zagnieżdżonych. 8. W jednym wierszu może znajdować się tylko jedna instrukcja. 9. Instrukcje przypisania realizowane są za pomocą znaku =. 10. Na końcu wiersza nie stawia się żadnego znaku. 11. Poszczególne bloki programu zaczynają się i kończą w dowolny sposób. 12. Główny blok programu rozpoczyna się słowem PROGRAM z nazwą, a kończy słowem END. Po END nie stawia się kropki 13. Warunki arytmetyczne i logiczne określone są znakami literowymi. Pascal 7. W celu zwiększenia czytelności programu należy stosować wcięcia szczególnie podczas stosowania instrukcji zagnieżdżonych. 8. W jednym wierszu może znajdować się kilka instrukcji, np. if x=1 then y:=1 else y:=2;. 9. Instrukcje przypisania realizowane są za pomocą znaku :=. 10. Na końcu wiersza zazwyczaj jest średnik. 11. Poszczególne bloki programu zaczynają się i kończą w dowolny sposób, ale muszą być umieszczone między słowami BEGIN i END. 12. Główny blok programu rozpoczyna się słowem PROGRAM z nazwą, a kończy słowem END z kropką na końcu. 13. Warunki arytmetyczne określane są znakiem =.

12 Fortran 14. Jedna instrukcja może zajmować maksymalnie 20 wierszy, przy czym pierwszy wiersz nazywa się wierszem początkowym, a pozostałe wierszami kontynuacji. Każdy wiersz kontynuacji należy zaznaczyć poprzez umieszczenie w szóstej kolumnie znaku różnego od zera i spacji. 15. W programie należy umieszczać komentarze zaczynają się one znakiem *, C lub!. Komentarze można dodawać na początku linii lub w dowolnym jej miejscu. Wiersze z samymi spacjami traktowane są jak wiersze komentarzy 16. W kolumnach 1-5 można wpisywać tzw. etykiety niepowtarzalny ciąg cyfr identyfikujące określone miejsce w programie. Pascal 14. Jedna instrukcja może zajmować dowolną liczbę wierszy. 15. W programie należy umieszczać komentarze. Bloki komentarza ujmuje się w nawiasy klamrowe: { komentarz... } 16. Brak etykiet (istnieje możliwość zaznaczania miejsc w kodzie poleceniem LABEL).

13 Fortran 17. Numery etykiet powinny być nadawane w odstępach (standardowo co 10) daje to możliwość dopisania nowych etykiet pomiędzy już istniejące Pascal 18. W programie najpierw umieszcza się deklaracje a dopiero po nich instrukcje. 19. Deklaracja zmiennych: typ nazwa 20. Zmienne są lokalne, tzn. obowiązują w obszarze jednego modułu. Wymiana wartości odbywa się poprzez odpowiednie instrukcje. 21. Podczas pisania programów należy dążyć do zminimalizowania liczby zmiennych. 22. Należy dbać o przejrzystość i czytelność kodu dlatego też zaleca się stosowanie podprogramów i funkcji. 18. W programie najpierw umieszcza się deklaracje a dopiero po nich instrukcje. 19. Deklaracja zmiennych: nazwa : typ 20. Zmienne mogą być lokalna oraz globalne (zależy to od miejsca deklaracji). 21. Podczas pisania programów należy dążyć do zminimalizowania liczby zmiennych. 22. Należy dbać o przejrzystość i czytelność kodu dlatego też zaleca się stosowanie podprogramów i funkcji.

14 4. Występowanie zasady jednoznaczności identyfikatorów w obrębie jednego projektu. Identyfikatory są to nazwy programów, modułów, bloków, podprogramów, procedur, funkcji i zmiennych. Ponieważ działanie każdego programu oparte jest na pewnych logicznych zasadach, nie może dochodzić do sytuacji, w których translator nie wie o jaki moduł, funkcję czy procedurę chodzi. Większość języków programowania kontroluje, przynajmniej w podstawowym zakresie, nazwy poszczególnych struktur i zgłasza błędy o powtarzających się nazwach lub ich błędnej budowie.

15 Przykłady poprawnego i błędnego deklarowania nazw w językach Fortran G77 oraz Free Pascal.

16 5. Konieczność komunikacji z użytkownikiem. Potrzeba taka dotyczy również innych urządzeń komputera, a także zapisu i odczytu danych z plików. Czynności takie nazywane są operacjami wejściawyjścia. Standardowo do komunikacji z użytkownikiem służy klawiatura (ewentualnie myszka) i monitor. Pobieranie danych z klawiatury (lub pliku) wymaga wcześniejszego zadeklarowania typu zmiennej (chyba, że istnieje możliwość niejawnej deklaracji typu) - wprowadzany typ będzie wówczas jednoznaczny i zgodny z oczekiwaniami. Podczas wyprowadzania danych na monitor (lub do pliku) należy ustalić ich format (wygląd). Podczas zapisu (odczytu) danych do pliku należy dodatkowo określić rodzaj pliku.

17 6. Potrzeba sterowania formatem (wyglądem) zmiennych. Formatowanie jest dokonywane podczas wyprowadzania wartości danych na ekran monitora lub podczas zapisu do plików. Formatowanie zmiennych nie zawsze jest konieczne (każdy język programowania posiada domyślne sposoby zapisu poszczególnych typów zmiennych) ale może być bardzo przydatne można zażądać, aby wszystkie liczby miały tą samą ilość znaków i były zapisane np. w postaci wykładniczej o określonej liczbie cyfr po przecinku.

18 7. Konieczność jawnego lub niejawnego deklarowania typów zmiennych. Rozróżnia się typ całkowity, rzeczywisty, zespolony, tekstowy, logiczny i inne. Zależnie od języka, poszczególne typy mogą mieć wiele odmian. Oprócz typów prostych, wiele języków umożliwia tworzenie własnych typów lub struktur danych o bardziej złożonej budowie. Odpowiednie dobranie typów zmiennych pozwala zaoszczędzić pamięć operacyjną oraz skrócić czas wykonywania obliczeń. Często istnieje konieczność konwersji typów, czyli zamiany zawartości jednego typu na inny.

19 Należy pamiętać, że nie każdy rodzaj konwersji jest możliwy (przykładowo: nie da się zamienić łańcucha liter na liczbę) i że nie zawsze konwersja jest dokładna (np. podczas konwersji zmiennej rzeczywistej na całkowitą traci się część ułamkową). Konwersję wykorzystuje się między innymi podczas używania kodów ASCII (często stosowane w FORTANIE), wyprowadzania danych na ekran monitora (OBJECT PASCAL) lub dostosowywania do innych standardów danych (np. konwersja typów STRING i PCHAR w języku OBJECT PASCAL).

20 Typy występujących zmiennych oraz ich zakresy w języku Fortran G77.

21 Typy występujących zmiennych oraz ich zakresy w języku Free Pascal.

22 8. Potrzeba wymiany danych między różnymi modułami (podprogramami, funkcjami i procedurami). Sposób wymiany danych (wartości zmiennych) zależy w dużej mierze od organizacji i struktury konkretnego języka programowania. Podstawowe metody to: deklarowanie wspólnych bloków pamięci, deklarowanie wspólnych adresów pamięci, deklarowanie bloków zawierających zbiory zmiennych przenoszenie wartości zmiennych w nagłówkach nazw procedur i funkcji, podział zmiennych na zmienne lokalne i publiczne, ładowanie pliku wejściowego, wykorzystanie plików (zapis i odczyt).

23 9. Potrzeba wykonywania działań na zmiennych. Rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje zmiennych: liczbowe, tekstowe i logiczne, przy czym każda grupa wymaga innego podejścia. Zdarza się, że języki programowania (szczególnie starsze) są ukierunkowane na jeden rodzaj danych. Działania na zmiennych wymagają stosowania operatorów, relacji, wyrażeń, instrukcji, funkcji lub procedur.

24 10. Potrzeba wykonywania działań na plikach. Bardzo często programy komputerowe odczytują pewne dane z plików, przekształcają je lub na ich podstawie obliczają nowe dane, a następnie zapisują wyniki do pliku. Język programowania powinien nie tylko umożliwiać zapis i odczyt, ale także wykonywanie podstawowych działań na plikach (tworzenie, kasowanie, przenoszenie czy zmiana nazwy). Zależnie od rodzaju języka i jego implementacji możliwości w tym zakresie są bardzo zróżnicowane.

25 11. Potrzeba komunikacji z systemem operacyjnym. Przydatnym elementem języka programowania jest możliwość korzystania w funkcji systemu operacyjnego. Jest to zazwyczaj możliwe na dwa sposoby: język posiada własne instrukcję odpowiadające poleceniom systemu operacyjnego (ale i tak przeważnie w jakiś sposób z nich korzysta), język posiada mechanizm wywoływania poleceń systemowych i ich parametrów.

26 12. Potrzeba zarządzania pamięcią operacyjną komputera. Istnieją dwa podstawowe rodzaje zarządzania pamięcią: statyczne i dynamiczne. Zarządzanie statyczne polega na ścisłym przydzielaniu zmiennym określonej ilości pamięci operacyjnej (identyfikowanej tzw. adresami), przy czym ilość ta zależna jest od zadeklarowanego typu zmiennej. Ilość przydzielonej pamięci nie może się już zmienić wskutek czego nie można np. zadeklarować tablicy o nieznanym z góry rozmiarze. Zarządzanie dynamiczne nie posiada takich ograniczeń, a pamięć operacyjna przydzielana jest automatycznie, w zależności od potrzeb.

27 13. Potrzeba obsługi błędów (wyjątków). Jest to konieczne ze względu na dwa podstawowe czynniki: niemożność przewidzenia wszystkich działań użytkownika oraz możliwość wystąpienia awaryjnych stanów pracy komputera (np. uszkodzenie pliku, nośnika danych, systemu operacyjnego).

28 Zmienne i stałe Zmienna - jest to symboliczna nazwa komórki w pamięci operacyjnej komputera i służy do zapisu wartości liczbowej, tekstowej, logicznej, itd. Zmienne są podstawowym elementem algorytmu obliczeniowego. W czasie działania programu wartości przypisane zmiennym mogą się dowolnie zmieniać, zależnie od wykonywanych operacji. Zmienne są rozróżniane po nazwach, czyli tzw. identyfikatorach. Nadanie wartości zmiennym odbywa się poprzez instrukcję przypisania bezpośrednio podczas deklaracji typu lub później (zależy to od języka programowania).

29 Zmienne i stałe Zmienna indeksowana (tablica) zmienna zawierająca nie jedną wartość lecz cały ich zbiór. W przypadku zmiennych indeksowanych oprócz deklaracji typu należy podać jej wymiar. Służy do zapisywania list, wektorów i tablic. Maksymalna ilość wymiarów zmiennej indeksowanej jest zależna od języka programowania.

30 Zmienne i stałe Stała jest to symboliczna nazwa komórki w pamięci operacyjnej komputera i również służy do zapisu określonej wartości. Różnica pomiędzy zmienną a stałą jest taka, że wartości stałej nie można zmienić podczas wykonywania obliczeń. Deklaracja stałej i nadanie wartości realizuje się odpowiednią instrukcją.

31 Zmienne i stałe Podział zmiennych i stałych ze względu na typ: zespolone, rzeczywiste, całkowite, logiczne, walutowe, daty lub czasu, tekstowe. Podział zmiennych i stałych ze względu na sposób deklaracji: deklarowane jawnie, deklarowane niejawnie.

32 Zmienne i stałe Podział zmiennych i stałych ze względu na dokładność (dotyczy zmiennych zespolonych i rzeczywistych): o pojedynczej precyzji, o podwójnej precyzji. Podział zmiennych i stałych ze względu na strukturę: prosty, indeksowany (wektory i tablice).

33 Zmienne i stałe Podział zmiennych i stałych ze względu na ilość zajmowanej pamięci: o określonej ilości bajtów (1, 2, 4, 6, 8 lub 10 bajtów), o dowolnej ilości bajtów. Podział zmiennych i stałych ze względu na sposób przydziału pamięci: statyczne, dynamiczne.

34 Wyrażenia Wyrażenia arytmetyczne służą do obliczania wartości zmiennych liczbowych na podstawie wzorów matematycznych. W wyrażeniach arytmetycznych mogą wystąpić następujące elementy: stałe arytmetyczne, odwołania do zmiennych, odwołania do elementów tablic, wywołania funkcji wewnętrznych i zewnętrznych.

35 Wyrażenia Wyrażenia realizowane są przy pomocy operatorów (znaków dodawania, odejmowania, mnożenia, dzielenia i potęgowania) oraz funkcji (wewnętrznych i zewnętrznych). Podczas tworzenia wyrażeń arytmetycznych należy zwrócić uwagę na typ wyniku, szczególnie w przypadku, gdy w wyrażeniu biorą udział zmienne różnych typów. Kolejność wykonywania operacji zależy od priorytetu operatora, wg kolejności: potęgowanie, mnożenie i dzielenie oraz dodawanie i odejmowanie. Kolejność wykonywania działań można dowolnie zmienić stosując nawiasy.

36 Wyrażenia Fortran + - * / ** Pascal + - * / ** div mod shl shr C * / * % << >> BASIC + - * / (**) Rodzaje operatorów arytmetycznych w językach Fortran G77, Free Pascal, BASIC i C++.

37 Wyrażenia Wyrażenia logiczne służą do wyznaczania wartości logicznej typu PRAWDA lub FAŁSZ. Elementami wyrażenia logicznego są: stałe i zmienne logiczne, elementy tablic logicznych, wywołania funkcji logicznych, operatory logiczne i operatory relacji. Najczęściej stosowane operatory logiczne to: negacja, koniunkcja, alternatywa, tożsamość, nie tożsamość.

38 Wyrażenia Podane operatory zostały uporządkowane według priorytetów, czyli kolejności w jakiej wykonywane są operacje podczas wyznaczania wartości wyrażenia logicznego. Argumenty operatorów logicznych muszą być typu logicznego. Kiedy dwa następujące po sobie w wyrażeniu operatory mają równe priorytety, to najpierw wykonywana jest operacja stojąca z lewej strony. Operator negacji poprzedza argument, pozostałe operatory wymagają podania dwóch argumentów w porządku (operator w środku). Jeżeli w jakimś wyrażeniu występują jednocześnie operatory arytmetyczne, relacji i logiczne, to kolejność wykonywania działań jest następująca: operacje arytmetyczne, operacje relacji, operacje logiczne.

39 Wyrażenia Operatory relacji służą do porównania wartości dwóch wyrażeń arytmetycznych lub logicznych. Dostępne operatory relacji to znaki: mniejsze niż, mniejsze lub równe, równe, nierówne, większe lub równe, większe niż.

40 Wyrażenia Operatory relacji mogą być zapisywane symbolami matematycznymi lub tekstowymi w zależności od języka programowania. Często zdarza się, że operator relacji nie pokrywa się z operatorem przypisania - poniżej przedstawiony jest przykład:

41 Wyrażenia Tabela wyrażeń logicznych.

42 Wyrażenia Wyrażenia tekstowe służą do przetwarzania zmiennych tekstowych (np. tworzenie podłańcuchów) oraz do zbierania określonych informacji (np. określanie długości łańcucha, położenia określonego znaku w łańcuchu, itp.). Elementami wyrażeń tekstowych są: stałe i zmienne tekstowe, podłańcuchy, wywołania funkcji tekstowych.

43 Dziękuję za uwagę Olsztyn Wojciech Sobieski