Języki i paradygmaty programowania. I. Wprowadzenie

Transkrypt

1 Języki i paradygmaty programowania I. Wprowadzenie

2 O źródłach wykład został przygotowany w ogromnej części w oparciu o serwis (zgodnie z licencją serwisu) inne źródła: Wikipedia: niektóre przykłady fragmentów programów: Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-2

3 O przedmiocie prowadzący: dr Jarosław Bylina www: 15 godzin wykładu (brak ćwiczeń) 5 spotkań po 3 godziny lekcyjne na każdym spotkaniu (poza pierwszym) krótki teścik z poprzedniego wykładu wyniki testów stanowią podstawę zaliczenia Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-3

4 Cel przedmiotu Uświadomienie istotnej różnorodności języków programowania Zrozumienie sposobu działania implementacji języków programowania Nauczenie podejmowania lepszych decyzji co do wyboru języka programowania odpowiedniego do postawionego problemu Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-4

5 Paradygmat? słowo nadużywane przez filozofów, lingwistów, informatyków... SJP PWN: przyjęty sposób widzenia rzeczywistości w danej dziedzinie, doktrynie itp. zespół form fleksyjnych (deklinacyjnych lub koniugacyjnych), właściwy danemu typowi wyrazów; wzorzec, model deklinacyjny lub koniugacyjny Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-5

6 Paradygmat? z greckiego: παράδειγμα (parádeigma) wzorzec przykład Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-6

7 Paradygmat? Nie chodzi o typowy, wzorcowy sposób pisania programów! Chodzi raczej o zbiór mechanizmów, jakich programista używa, pisząc program, i o to, jak ów program jest następnie wykonywany przez komputer Jest to ogół oczekiwań programisty wobec języka programowania i komputera, na którym będzie działał program Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-7

8 Wielcy John von Neumann Niklaus E. Wirth Donald E. Knuth Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-8

9 Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-9

10 Paradygmaty programowania Programowanie imperatywne opisujemy kolejne czynności, które wykonawca (komputer) ma wykonać, by osiągnąć cel w tym rodzaju programowaniu programista opisuje, jak komputer ma działać Programowanie deklaratywne opisujemy cel, który wykonawca (komputer) ma osiągnąć w tym rodzaju programowaniu programista opisuje, co komputer ma osiągnąć Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-10

11 I. Programowanie imperatywne Najbardziej pierwotny sposób programowania, w którym program postrzegany jest jako ciąg poleceń dla komputera Obliczenia rozumiemy tu jako sekwencję poleceń zmieniających krok po kroku stan maszyny, aż do uzyskania oczekiwanego wyniku Stan maszyny należy z kolei rozumieć jako zawartość całej pamięci oraz rejestrów i znaczników procesora Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-11

12 I. Programowanie imperatywne Ten sposób patrzenia na programy związany jest ściśle z budową sprzętu komputerowego o architekturze von Neumanna, w którym poszczególne instrukcje (w kodzie maszynowym) to właśnie polecenia zmieniające ów globalny stan Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-12

13 I. Programowanie imperatywne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-13

14 I. Programowanie imperatywne Języki wyższego (w stosunku do asemblera i kodu maszynowego) poziomu takie jak Fortran, Algol, Pascal, Ada lub C posługują się pewnymi abstrakcjami, ale wciąż odpowiadają paradygmatowi programowania imperatywnego Instrukcje podstawienia działają na danych pobranych z pamięci i umieszczają wynik w tejże pamięci, zaś abstrakcją komórek pamięci są zmienne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-14

15 Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-15

16 Ia. Programowanie proceduralne Podział zadania programistycznego na podzadania i ich niezależna (od siebie nawzajem) implementacja w postaci podprogramów (procedur) Niezalecanie korzystania z efektów ubocznych (rozumianych w sensie tradycyjnym, jako zmiana wartości zmiennych globalnych), lecz przekazywanie danych i wyników w parametrach procedur Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-16

17 Ia. Programowanie proceduralne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-17

18 Ia. Programowanie proceduralne metodologia programowania bottom-up Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-18

19 Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-19

20 Ib. Programowanie strukturalne używanie prostych, dobrze zdefiniowanych struktur (konstrukcji programistycznych): sekwencja selekcja (instrukcja warunkowa) iteracja (pętla) wywołanie podprogramu unikanie skoków (wręcz ich zakaz!) Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-20

21 Ib. Programowanie strukturalne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-21

22 Ib. Programowanie strukturalne metodologia programowania top-down Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-22

23 Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-23

24 Ic./II. Programowanie obiektowe Program to zbiór porozumiewających się ze sobą obiektów, czyli jednostek zawierających pewne dane i umiejących wykonywać na nich pewne operacje Programowanie obiektowe jest do pewnego stopnia rozszerzeniem paradygmatu programowania proceduralnego i strukturalnego Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-24

25 Ic./II. Programowanie obiektowe Ważną cechą jest tu powiązanie danych (czyli stanu) z operacjami na nich (czyli poleceniami) w całość, stanowiącą odrębną jednostkę obiekt Bardzo ważną cechą jest też mechanizm dziedziczenia, czyli możliwość definiowania nowych, bardziej złożonych obiektów, na bazie obiektów już istniejących Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-25

26 Ic./II. Programowanie obiektowe Inne ważne cechy programowania obiektowego to: wysoki stopień abstrakcji danych enkapsulacja danych polimorfizm Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-26

27 Ic./II. Programowanie obiektowe Zwolennicy programowania obiektowego uważają, że ten paradygmat dobrze odzwierciedla sposób, w jaki ludzie myślą o świecie Nawet jeśli pogląd ten uznamy za przejaw pewnej egzaltacji, to niewątpliwie programowanie obiektowe zdobyło ogromną popularność i wypada je uznać za paradygmat obecnie dominujący Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-27

28 Ic./II. Programowanie obiektowe Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-28

29 Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-29

30 III. Programowanie funkcyjne Program to po prostu złożona funkcja (w sensie matematycznym), która otrzymawszy dane wejściowe wylicza pewien wynik Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-30

31 III. Programowanie funkcyjne Zasadniczą różnicą w stosunku do poprzednich paradygmatów jest brak dostępu do stanu maszyny Nie ma zmiennych A co za tym idzie, nie ma żadnych efektów ubocznych (rozumianych w sensie tradycyjnym, jako zmiana wartości zmiennych) Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-31

32 III. Programowanie funkcyjne Nie ma tradycyjnie rozumianych pętli (imperatywnych z natury) Tradycyjne pętle wymagają bowiem zwykle (poza przypadkami zdegenerowanymi, jak pętle nieskończone) zmiennych (lub innego dostępu do stanu maszyny) do sterowania ich przebiegiem Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-32

33 III. Programowanie funkcyjne Konstruowanie programów to składanie funkcji Zazwyczaj z istotnym wykorzystaniem rekurencji (rekursji) (tam, gdzie w programowaniu imperatywnym wykorzystujemy pętle) Charakterystyczne jest również definiowanie funkcji wyższego rzędu, czyli takich, dla których argumentami i których wynikami mogą być funkcje (a nie tylko proste dane jak liczby lub napisy) Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-33

34 III. Programowanie funkcyjne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-34

35 Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-35

36 IV. Programowanie logiczne Na program składa się zbiór zależności (przesłanek) oraz pewne stwierdzenie/pytanie (cel) Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-36

37 IV. Programowanie logiczne Wykonanie programu to próba udowodnienia celu w oparciu o podane przesłanki Obliczenia wykonywane są niejako przy okazji dowodzenia celu Podobnie jak w programowaniu funkcyjnym, nie wydajemy rozkazów, a jedynie opisujemy, co wiemy i co chcemy uzyskać Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-37

38 IV. Programowanie logiczne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-38

39 IV. Programowanie logiczne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-39

40 IV. Programowanie logiczne Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-40

41 Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-41

42 Inne paradygmaty Programowanie na poziomie wartości Programowanie na poziomie funkcji Programowanie skalarne Programowanie wektorowe/macierzowe Programowanie zdarzeniowe Programowanie z własnym wątkiem sterowania Programowanie aspektowe Programowanie uogólnione Programowanie równoległe/współbieżne/rozproszone Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-42

43 Języki a paradygmaty asemblery, stary BASIC p. imperatywne (proceduralne?) stary Pascal, C, Fortran p. imperatywne, proceduralne, strukturalne C++, Object Pascal, Ada p. imperatywne, proceduralne, strukturalne, obiektowe Smalltalk, C#, Java p. obiektowe Lisp, Scheme, Logo, ML, Haskell p. funkcyjne Planner, Prolog p. logiczne Python p. proceduralne, strukturalne, obiektowe, funkcyjne SQL p. deklaratywne (ani ściśle funkcyjne, ani ściśle logiczne) Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-43

44 Architektura von Neumanna Na razie wszystkie komputery działają w oparciu o imperatywną architekturę von Neumanna Tak więc każdy program, który chcemy uruchomić, musi być najpierw przetłumaczony do ciągu rozkazów w języku wewnętrznym konkretnej maszyny Różne paradygmaty mogą wymagać skomplikowanych metod tłumaczenia; różna jest też ich efektywność Jarosław Bylina :: Języki i paradygmaty programowania :: Wprowadzenie I-44