WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДЕКАДА НАУКИ 2006 ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ МАТЕРИАЛЫ СЕКЦИИ-СЕМИНАРА Языки программирования и технологии «Оберон»:

перспективы для индустрии и образования 30 марта 2006 г.

ООО «ОРЛОВСКИЙ ЦЕНТР ПРОГРАММНОЙ ИНЖЕНЕРИИ «МЕТАСИСТЕМЫ» www.metasystems.ru, blackbox.metasystems.ru, sources.metasystems.ru ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДЕКАДА НАУКИ – 2006 30 марта СЕКЦИЯ «Языки программирования и технологии «Оберон»:

перспективы для индустрии и образования» Руководители: Рюмшин Б.В., Ермаков И.Е.

Начало работы секции:

11:00, 312 ауд. (на 3 этаже под компьютерным центром) ПРОГРАММА ВЫСТУПЛЕНИЙ I часть – обзорные доклады (11:00 - 12:00) 1. Оберон: языки программирования и операционные системы. (Рюмшин Б.В.) 2. Программная инженерия вчера и сегодня: эволюция императивного програм мирования. (Ермаков И.Е.) 3. Критерии эффективности языков программирования. Сравнение Pascal- и C семейства языков. (Темиргалеев Е.Э.) 4. Среда разработки BlackBox Component Builder и язык Компонентный Паскаль.

(Ермаков И.Е., Рюмшин Б.В.) II часть – Оберон в индустрии и образовании (12:10 - 13:00) 1. ОЦПИ «Метасистемы» - разработки и подходы.

2. BlackBox в лицее №1 г. Орла. Авторский спецкурс «Программирование и дис кретная математика». (Ермаков И.Е.) 3. Программа построения макета городской местности. (Ким А., Щербина М., Пи онтковский А.) III часть – информационные технологии (13:10 – 13:40) 1. История и перспективы развития отечественных разработок в области СУБД (обзор). (Рюмшина О.А.) 2. Модульно-странично-блочная система создания и управления динамическим Web-сайтом. (Поляков Е.Г.) ВЫСТУПАЮЩИЕ Рюмшин Б.В. – преподаватель кафедры информатики ОГУ, ведущий разработчик ОЦПИ «Метасистемы»;

Ермаков И.Е. – зам. директора ОЦПИ «Метасистемы» Темиргалеев Е.Э. – аспирант кафедры информатики ОГУ, ведущий разработчик ОЦПИ «Метасистемы Рюмшина О.А. – преподаватель кафедры информатики ОГУ Поляков Е.Г. – программист ОЦПИ «Метасистемы» Ким А., Щербина М., Пионтковский А. – ученики 11 класса лицея №1 г. Орла, слушате ли спецкурса «Программирование и дискретная математика».

СОДЕРЖАНИЕ СБОРНИКА Ермаков И.Е. Программная инженерия вчера и сегодня: эволюция императивного программирования................................................................................................................. Темиргалеев Е.Э. Критерии эффективности языков программирования. Сравнение Pascal- и C-семейства языков............................................................................................... Введение............................................................................................................................. Эффективность.................................................................................................................. Критерии эффективности.................................................................................................. Сравнение Pascal- и C-семейства языков...................................................................... Заключение....................................................................................................................... Литература........................................................................................................................ Ермаков И.Е., Рюмшин Б.В. Язык программирования Компонентный Паскаль и среда разработки BlackBox Component Builder............................................................................ I. Компонентный Паскаль – язык компонентно-ориентированного программирования........................................................................................................................................... II. Экскурсия по языку....................................................................................................... III. Среда разработки BlackBox Component Builder........................................................ Обзор: BlackBox в образовании. Проект Информатика-21............................................... Ермаков И.Е. Авторский спецкурс «Программирование и дискретная математика» в лицее №1 г. Орла................................................................................................................. Ермаков И.Е. Проект "1C:Образование" - критический взгляд......................................... Рюмшина О.А. История и перспективы развития отечественных разработок в области СУБД (обзор)........................................................................................................................ Поляков Е.Г. Модульно-Странично-Блочная cистема создания и управления динамическим WEB-сайтом................................................................................................ Программная инженерия вчера и сегодня: эволюция императивного программирования Ермаков И.Е.

Но существует одно качество, которое нельзя купить, — это надежность. Цена надеж ности — погоня за крайней простотой. Это цена, которую очень богатому труднее всего заплатить.

Ч-А. Хоар I. Обзор. Цель данной статьи - краткий обзор состояния, проблем и перспектив совре менной программной инженерии (ПИ). Под ПИ будем понимать создание технических систем программного обеспечения (ПО). На сегодняшний день в ПИ существует несколько фундамен тальных, ортогональных друг другу методологий программирования (МТП). В основе МТП ле жит какая-либо модель алгоритма, абстрактная машина. Основные МТП: императивная (ма шина Тьюринга), функциональная (лямбда-исчисление), логическая (логика предикатов)1. Вы бор МТП определяет стиль мышления, инструментарий и набор доступных разработчику прие мов. Выбор диктуется особенностями задачи, но в целом можно говорить как о достаточной универсальности всех основных МТП, так и об их взаимопроникновении.

Очевидно, что наиболее распространена в индустрии императивная МТП. Однако по следние 15 лет острие лабораторных исследований направлено именно на альтернативные МТП – основные надежды (часто чрезмерные) возлагаются на декларативные подходы, в частности, 4GL2, и может создаться впечатление, что в области императивных 3GL ничего нового не про исходит. На самом деле это не так, что мы и постараемся показать далее. Таким образом, мы будем рассматривать современную ПИ с позиций императивной методологии.

II. Эволюция императивного программирования (ИПР). Императивный алгоритм представляется в виде последовательности команд для некоторого исполнителя, которые пере водят данный исполнитель из одного состояния в другое. Выполнение алгоритма - это прохож дение последовательности состояний, в процессе которого решается задача - вычисление, об работка данных, управление некоторым процессом3.

Обычный императивный исполнитель имеет ограниченный набор простых команд и ра ботает с неструктурированными двоичными данными. Преимущество языков программирова ния высокого уровня (ЯВУ) в том, что они позволяют при написании алгоритма оперировать более высокоуровневыми понятиями (абстракциями), нежели машинные. В идеале хотелось бы сократить до минимума разрыв между понятиями предметной области (ПрО) и абстракциями, которые предоставляет ЯВУ. Эволюция ИПР – это в первую очередь развитие абстракций ЯВУ.

В этом развитии особую роль сыграли три ключевых нововведения: зарождение ЯВУ (50-е гг.), структурный подход (70-е гг.) и объектный подход (80-е гг.). После появления каж дого из них эффективность ПИ резко возрастала, поскольку в распоряжении разработчиков ока зывались некоторые новые абстракции для конструирования программного кода. В первых ЯВУ этими абстракциями стали: оператор - минимальная логическая единица выполнения (аб страгирует нас от нескольких физических единиц выполнения), переменная - именованная единица данных (абстрагирует от физического размещения и представления в памяти), подпро грамма – составная единица выполнения (позволяет явно выделить логически цельную после довательность операторов). Видим, что уже присутствует составная единица выполнения, одна ко отсутствуют составные единицы данных - насущной потребности в них не было, так как на заре ИТ преобладали вычислительные задачи. Нет никаких абстракций для управления выпол нением: арифметический IF4, GOTO и CALL первых ЯВУ эквивалентны соответствующим ма шинным командам. Построение кода на прямых передачах управления получило название Есть и некоторые другие, например, автоматная. См. [3].

4th Generation Programming Languages – «языки 4-го поколения», позволяют пользователю описывать (в т.ч. гра фически) требуемый результат без программирования алгоритма для его достижения.

3GL – «языки 3-го поколения» - классические универсальные языки программирования.

Актуальные сегодня параллельные вычисления предполагают взаимодействие многих исполнителей, каждый из которых может проходить свой граф состояний одновременно с другими.

Арифметический IF передавал управление по одной из 3-х возможных веток в зависимости от значения числово го параметра: x < 0, x=0, x>0.

«стиль спагетти» - он порождал огромные трудности при написании больших программ, зачас тую делал невозможным их сопровождение и развитие. Низкая производительность програм мистов и крайне низкая надежность ПО привели к первому кризису программирования (60-е гг.). Очередным прорывом явились идеи структурного программирования (СП), провозгла шенные Э. Дейкстрой, Н. Виртом и Ч. Хоаром (70-е гг.)1.

Основные принципы СП: декомпозиция – разбиение решаемой задачи на набор подза дач, их независимая реализация и затем организация взаимодействия;

блочность – организация кода в виде отдельных блоков для каждой подзадачи, каждый блок – это подпрограмма (проце дура) с одним входом и одним выходом, минимальное использование глобальных переменных - сокрытие данных внутри процедур;

структурная организация кода - отказ от GOTO, ис пользование для управления выполнением исключительно составных операторов. СП вводит абстракцию для управления выполнением – составной оператор. Вводятся три составных опе ратора: последовательный, выбора, повторения. Любой алгоритм может быть записан в терми нах этих и только этих операторов. В этом случае любой блок кода имеет ровно один вход и один выход. Можно определить предусловия/постусловия, истинность которых ожидается на входе/выходе, и инварианты – условия, которые истинны на протяжении выполнения данного блока. Это дает возможность математически доказывать правильность алгоритмов. Такое дока зательство трудоемко и не всегда оправдано, но его облегченный вариант постоянно выполня ется опытным программистом в уме, и это позволяет строить действительно надежные про граммы.

Еще одним китом СП становятся структуры данных. Как мы уже отмечали выше, ранее в ЯВУ отсутствовали составные единицы данных, однако к концу 60-х специфика разнообразных П предметная техническое Р прикладных задач потребовала их введения. область задание О Структурные языки позволяют конструировать Е К составные типы данных из элементарных и та анализ проектирование Т ким образом непосредственно выражать в коде понятия из ПрО. Программная система в СП абстракции архитектура Р представляется как набор процедур, обрабаты- данных программной Е системы А вающих и передающих друг другу потоки струк Л турированных данных. Одним из важнейших И З принципов СП является сильная типизация – программирование А отсутствие любых неявных преобразований ти Ц И пов, контроль за корректностью использования программный КОД Я С переменных как на этапе компиляции, так и на Б О этапе выполнения – без этого невозможно гаран компиляция [статическая компоновка] Р тировать надежность ПО2.

К А III. Модульное ПО. В конструировании программная СИСТЕМА Э К любой техники важнейшим является принцип мо С дульности: система разрабатывается и собирается П распространение развертывание Л из набора независимых модулей. Модули взаимо У действуют друг с другом только через небольшое загрузка [динамическая компоновка] А Т количество «каналов» (в ПИ набор таких «кана А лов» называется интерфейсом модуля) по строго Ц выполнение И Я Эти идеи были реализованы сначала в Алголе (1968 г.), а затем в завоевавшем всемирное признание Паскале Н.Вирта (1970 г.).Появившийся в то же время «высокоуровневый ассемблер» С в основных аспектах также ориен тирован на структурный стиль программирования.

Н. Вирт: «Исключительного использование сильно типизированного языка является фактором, в наибольшей степени определяющим возможность проектирования сложной системы в короткий срок». Идеально сбалансиро ванный структурный язык – Модула-2 (Вирт), наследница Паскаля (активно используется в российских военно космических проектах). Богатейший набор типов предоставляет язык Ада (стандарт военной отрасли США). Оба языка сильно типизированы. Линейка С-образных языков придерживается обратного подхода – «все, что не за прещено, то разрешено», что приводит к низкому качеству и большим затратам на отладку – тестирование – со провождение программных систем.

определенным правилам. Это позволяет нескольким группам конструкторов работать над раз ными модулями одновременно. Более того, в дальнейшем это облегчает эксплуатацию и обслу живание техники, так как модули разных производителей, даже различающиеся по своему внутреннему исполнению, будут взаимозаменяемы (самый яркий пример – архитектура IBM PC). Другая сторона модульности – это инкапсуляция, представление модулей «черными ящи ками», обладающими определенным интерфейсом и поведением, но полностью скрывающими свое внутреннее устройство от доступа извне.

Этапы жизненного цикла ПО изобразим следующим образом (см. рис.)1. На этапе анали за выделяются сущности ПрО, которые формулируются в типах данных (ТД) ЯВУ (если ин формация о внутреннем устройстве ТД скрывается внутри модуля, то он называется абстракт ным ТД). Процессы обработки данных ПрО формулируются в терминах процедур ЯВУ. На эта пе проектирования принимается решение об архитектуре, выделяется набор модулей, описыва ются их интерфейсы и протоколы взаимодействия. На основе полученных абстракций и архи тектуры выполняется непосредственно программирование.

Неоспоримым преимуществом является возможность проектировать и реализовывать систему в терминах одного и того же языка. Современный ЯВУ должен позволять непосредст венно выражать архитектурные решения. Именно этот критерий в настоящее время является главным, т.к. в плане «программирования в малом» все современные императивные ЯВУ при близительно одинаковы. Эталоном модульного языка стала Модула-2 (1980). В ней модуль яв ляется единицей ПО во всех отношениях – единицей написания кода, инкапсуляции, компиля ции, импорта другими модулями. В языке Ада модули носят название пакетов. В С-семействе (включая С#) в принципе нет единой абстракции модуля2. В совокупности с трудночитаемым синтаксисом это затрудняет проектирование в терминах ЯВУ. Вводятся дополнительные нота ции проектирования, например, Буча или UML, однако переход от одного представления к дру гому отнимает время и вносит ошибки3;

контроль соответствия кода архитектуре нельзя пере ложить на компилятор.

В то же время удачность единой абстракции модуля позволила Вирту в языке Оберон- (1989) и одноименной ОС сделать прорыв в новое измерение – к компонентному программи рованию (КП). Модуль становится единицей не только разработки, но и распространения, раз вертывания и загрузки в память, двоичным кирпичиком как ПО, так и ОС в целом. Фаза стати ческой компоновки модулей была исключена, Модули динамически загружаются, связываются, выгружаются, заменяются в любой момент прямо во время работы ПО. Механизм метапро граммирования позволяет выполнять динамический анализ модулей и работать с типами, пе ременными, процедурами, неизвестными на этапе компиляции. Для КП обязательна строгая ти пизация, динамический контроль типов и границ массивов, сборщик мусора – в противном слу чае организовать надежное взаимодействие многих модулей от разных производителей просто невозможно4. На основе идей Оберона была создана Java (1994). Сегодня мы имеем три про мышленных компонентных языка: Java, Компонентный Паскаль (Оберон-2) и C#.

IV. Модульность + ООП: Оберон-парадигма. Суть объектно-ориентированного (ОО) подхода – в рассмотрении ПрО как множества взаимодействующих объектов. Объект обладает состоянием (полями) и поведением (методами). Класс - множество объектов со сходной струк турой и поведением. Чистые ОО-языки (Smalltalk) не предоставляют никаких абстракций кроме классов и объектов («все есть объект»). Однако многие механизмы ПО лучше выражаются в процедурном, нежели в ОО-стиле. Общепринятый подход - надстройка структурных ЯВУ аб Отметим, что схема отражает техническую сторону процесса ПИ, но не организационную – организационно вы деленные этапы обычно проходят не последовательно, а одновременно и/или циклически.

В С++ пространства имен являются всего лишь логической единицей, единицей написания – текстовые файлы, единицей компиляции и импорта – объектные файлы (сборки в.NET), единицей инкапсуляции – классы. Это по рождает путаницу и не позволяет разделить систему на полностью непересекающиеся части.

Б. Мейер: «От модели UML до реального программирования дистанция огромного размера». Н. Вирт: «Это даже шаг назад - на заре программирования было принято записывать программы в виде графов. Такая схема приводит к слишком большому количеству ошибок, как только программа усложняется».

Новейший процессор Эльбрус e2k (разработан в России), благодаря использованию аппарата тегов, поддерживает в полной мере защищенное программирование (для модулей единого адресного пространства).

стракциями класса, объекта и метода. Но (по мнению Вирта) в ООП нет почти ничего нового по сравнению со СП, кроме названий, вносящих путаницу: класс = тип данных, объект = запись, метод = процедура. Модула-2 позволяет писать программы в «почти ОО» стиле. Единственно новое в ООП – это наследование, которое Вирт называет расширением типа. В Обероне- ООП реализовано на основе расширяемых записей, полиморфизм процедур – на основе дина мической проверки типа (x IS SomeType), виртуальные методы – на основе полей процедурного типа (это позволяет каждому экземпляру типа иметь особое поведение). В Обероне-2 добавле ны связанные процедуры, которые позволяют оформлять код в привычном стиле ООП (ob ject.Do). Аналогично вводится ООП в Ада-95. При таком подходе идеология и синтаксис языка становятся гораздо проще, стройнее и логичней. К тому же в языках типа С++ из-за отсутствия модулей на класс возлагается двойная нагрузка – он становится и ТД, и единицей инкапсуля ции, «модулем» ПО. Однако модуль и ТД – принципиально различные вещи. ТД – это абстрак ция ПрО, модуль – элемент архитектуры ПО. Для системного ПО типичны группы классов, ко торые должны взаимодействовать напрямую в обход инкапсуляции. Модульность дает элегант ное решение проблемы - под некоторую группу тесно связанных ТД выделяется один «кукло вод»-модуль, который инкапсулирует их поведение и взаимодействие, при этом внутри модуля нет сокрытия информации между типами1. Оберон-парадигма гармонично сочетает ООП, структурный стиль и модульность: ПО строится как набор модулей, связанных процедурными шинами, по которым передаются объектно-ориентированные данные.

V. В условиях очередного кризиса программирования очевидно, что основной целью является надежность ПО, и достичь ее можно только стремлением к предельной простоте и стройности систем. В противовес американской ПИ, попавшей в тупик избыточной сложности и неуправляемого калейдоскопа бизнес-технологий, в традициях европейской и российской школ программирования – стремление к системному мышлению и поиску простых решений.

Огромным потенциалом идей для преодоления кризиса ПИ обладает швейцарская школа Н.

Вирта, в частности Оберон-направление.

Литература 1. http://oberon2005.ru - Европейский центр программирования.

2. http://blackbox.metasystems.ru – русский портал по BlackBox и Оберонам.

3. Одинцов И.О. Профессиональное программирование. Системный подход - 2-е изд-е, - СПб.: БХВ-Петербург, 2004.

4. Szyperski С. Component Software. Beyond Object-Oriented Programming, Addison Wesley Longman, 1998.

5. Pfister C., Component Software - Русский перевод: Ермаков И.Е., http://blackbox.metasystems.ru, раздел “Статьи”.

В системном ОО-программировании много тесно связанных групп классов, для которых приходится обходить инкапсуляцию – в этом одна из причин того, для написания ОС рекомендуется чистый С, а не С++. В то же время на Оберонах в ОО-стиле реализовано много ОС, в том числе две – жесткого реального времени.

Критерии эффективности языков программирования.

Сравнение Pascal- и C-семейства языков Темиргалеев Е.Э.

Введение В настоящее время существует огромное число языков программирования (ЯП). Мы бу дем рассматривать в основном императивные языки, которых сейчас большинство. Одни из них разрабатывались как универсальные, предназначенные для решения широкого круга задач;

дру гие - как специализированный инструмент для решения задач в конкретной области.

В любом случае часто мы можем наблюдать тенденцию универсализации языка, связан ную с человеческим фактором. Если язык оказался удачным, завоевал любовь пользователей, его (как любимый и привычный) стараются приспособить к решению и других задач, которым он может соответствовать не очень хорошо. Пишутся специальные библиотеки и/или вносятся модификации в язык для расширения области его применения, при этом дополнительные сред ства не всегда оказываются столь эффективными, как в других языках, нацеленных на решение тех же задач.

Особенно пагубно эта тенденция отражается на более универсальных языках, т. к. сфера их использования больше и шире теоретически решаемого круга задач. Зачастую пользователи считают свой любимый язык панацеей от всех бед и просто отказываются признавать право других языков на существование/применение.

Т. о. важный вопрос выбора более эффективного языка для решения широкого круга за дач может оказаться непростым, т. к. выбор богат и навскидку трудно определить, какой из языков является более подходящим.

Цели данной статьи: во-первых, выделить основные параметры, по которым можно сравнить эффективность языков. Во-вторых, на основе этих критериев сравнить широко рас пространенные Pascal- и C-семейства языков.

Эффективность Что понимать под эффективностью? Если говорить о каких-либо целенаправленных дей ствиях, то можем определить ее так: более эффективными будут действия, затрачивающие меньший объем ресурсов для достижения одного и того же результата.

Программирование – человеческая деятельность, целью которой является разработ ка/сопровождение программы или набора программ – программного продукта (ПП), предназна ченного для решения определенных задач и обладающего заданными свойствами. Разработка – проектирование "с нуля" и реализация. Сопровождение – исправление выявленных в резуль тате эксплуатации ПП дефектов и добавление новых функциональных возможностей в ПП с сохранением его архитектуры.

Выполнение ПП – "деятельность" компьютера, направленная на решение задачи.

Главный ресурс для выполнения ПП – машинный: время вычислений, объемы оператив ной и внешней памяти и т. п. Его затраты определяются:

- способами реализации ПП (более быстрый алгоритм и т. п.);

- надежностью (при сбоях результаты работы могут быть потеряны и ее придется делать заново).

Основным ресурсом программирования можно назвать человеко-часы – время, которое понадобится программистам для реализации ПП. Его затраты определяются такими параметра ми, как:

- квалификация программистов;

- требования, предъявляемые к ПП (надежность, используемые машинные ресурсы);

- используемые инструменты – средства разработки (в основном – ЯП).

Если говорить о сопровождении ПП, то сюда добавятся также параметры, влияющие на машинный ресурс:

- способы реализации ПП (гибкость архитектуры ПП – насколько ПП расширяем функ ционально в пределах исходной архитектуры);

- надежность (меньше сбоев – меньше выявлять и исправлять ошибок;

защита кода от ошибок – если произошел сбой, как трудно выявить ошибку).

Т. о., говоря об эффективности ПП, мы подразумеваем меньшую его требовательность к машинным ресурсам. Эффективность программирования – меньшая затрата времени на раз работку ПП и большая эффективность созданного ПП, т. к. последняя влияет на сложность со провождения.

Критерии эффективности Итак, предположим что нам требуется выбрать универсальный язык для решения широ кого круга задач. Этот вопрос актуален, например, для фирмы, производящей программное обеспечение, или для исследовательского коллектива, т. к. использование единого языка для всех проектов позволяет объединить усилия разработчиков и добиться синергетического эф фекта в работке команды.

Рассматривая конкретный язык, будем отмечать, как он влияет на остальные параметры эффективности программирования:

(A) Требуемую квалификацию программиста. Основной вопрос – подготовка (перепод готовка) специалиста, если он не обладает необходимыми знаниями.

(1) Знание базовых средств языка – необходимо.

(2) Знание дополнительных средств языка. Некоторые возможности можно не ис пользовать, поэтому их знание не обязательно. Если же они используются, то программист должен разбираться в них основательно.

(3) Специальные знания. Некоторые средства языка могут требовать знаний в других областях информационных технологий.

(B) Требуемое время:

(1) разработки ПП;

(2) сопровождения ПП.

(C) Эффективность ПП с точки зрения:

(1) меньших затрат машинного ресурса;

(2) большой надежности.

При указании влияния на параметры групп B и C будем пользоваться следующими обо значениями: +параметр – положительное влияние, -параметр – отрицательное влияние. Напри мер, +B1, -B2. При указании только буквы подразумевается вся группа, например +C <=> +С1, +C2.

Параметры группы A будут указываться как необходимое условие. Если программист обладает необходимыми знаниями и опытом, то положительный эффект от используемого средства будет увеличиваться, а отрицательный уменьшаться. В противном случае будет требо ваться время на обучение, плюс отсутствие опыта и недостаточная подготовка (которая часто имеет место) будут усиливать отрицательный эффект и ослаблять или сводить на нет положи тельный эффект, либо вообще трансформировать его в отрицательный.

Анализировать языки будем в следующих категориях:

(1) История создания.

1. Для какой области задач разрабатывался язык? Очевидно, что наиболее эф фективным будет естественное использование языка.

2. Как разрабатывался язык? Существовал ли проект, целью которого был сам язык, или язык появился как инструмент решения какой-то другой задачи? Более вероятно, что специально спроектированный язык будет обладать лучшими каче ствами.

3. Существует ли строгое формальное описание (стандарт) языка? Наличие стандарта способствует стандартизации средств разработки, что положительно влияет на мобильность ПП. Часто ли подвергается стандарт изменениям и/или ис правлениям, что сказывается на изменчивости языка, и отклонении существую щих средств разработки от стандарта: этот факт отрицательно сказывается на мо бильности ПП.

(2) Средства разработки. Выбор средства разработки полностью влияет на эффектив ность программирования.

1. Доступность. Как много реализаций существует, какие платформы охватыва ют, способ распространения, производители.

2. Соответствие стандарту (напрямую влияет на мобильность ПП). Большинст во стандартов оставляют специфические (не поддающиеся стандартизации) мо менты на усмотрение реализации. Реализация таких моментов. Расширения стан дарта.

(3) Средства языка. Различные средства языка (конкретизация при сравнении).

1. Стандартные.

2. Специфические, расширения (для рассмотренных в 2.2 реализаций).

Сравнение Pascal- и C-семейства языков Среди большого числа ЯП выделяются два обширных семейства: Pascal и C. Общие черты языков этих семейств можно назвать "противоположными":

- синтаксис языка: криптованный, сокращенный – стремление уменьшить размеры лек сем языка (C) и человекоподобный – стремление приблизить синтаксис к "разговорному" языку (Pascal);

- автоматический контроль корректности кода во время выполнения (проверка правиль ности индексов массивов, соответствия типов): отсутствует – вся ответственность за безошибочность кода перекладывается на программиста (C) и присутствует – с генера цией компилятором дополнительного кода и ограничением возможности программиста полностью определять исполняемый код (Pascal);

- стиль программирования "можно все, что не запрещено" (C) и "можно только то, что разрешено" (Pascal).

Такая противоположность постоянно вызывает "вооруженные столкновения" между фа натиками с обоих сторон, порождает горячие споры, в которых каждый превозносит свое се мейство и изничтожает противоположное.

Я хотел бы постараться дать объективную характеристику положительных и отрица тельных особенностей каждого семейства. В качестве представителей C-семейства (очевидно) выберем C и C++. В основном C отдельно рассматриваться не будет, так как он практически полностью является подмножеством C++. В качестве представителей Pascal-семейства рассмот рим языки Компонентный Паскаль (КП) (как последний на данный момент этап эволюции Пас каля) и Ада (как один из наиболее мощных и богатых возможностями).

Приводимая оценка базируется на личном опыте, данных из различных источников, от части на стандартах языка, поэтому не может рассматриваться как полностью объективная и точная. Наиболее объективно было бы провести сравнение стандартов языков, однако стандар ты Ады, C и C++ очень объемные, и одному человеку провести такую работу в приемлемые сроки не представляется возможным.

1. История создания Рассмотрим категории 1.1-1.3 для каждого языка по отдельности.

С 1. Язык C разрабатывался как универсальное средство системного программирования.

2. В 1970 г. в фирме AT&T Bell Laboratories был разработан язык B как модификация языка BCPL (Basic Combined Programming Language) для написания ранней версии операцион ной системы UNIX для компьютера PDP-11.

Язык C получился из B устранением недостатков, выявленных в процессе его использо вания (1972 г., Д. Ритчи, фирма AT&T Bell Laboratories). Основным улучшением было введение типов данных, которые в B отсутствовали.

C получил широкое распространение (в частности, как основной ЯП в операционных системах UNIX).

3. Первая редакция международного (ISO) стандарта языка C была выпущена в 1990, да лее было два исправления 1994 и 1996 гг. Действующая версия стандарта: ISO/IEC 9899: (объем – 538 с., платная 281$), к ней выпущено два исправления: 2001, 2004.

С++ 1. С++ разрабатывался как универсальный язык программирования, поддерживающий ООП, абстракцию данных и сохраняющий возможности системного программирования – язык C как свое подмножество.

2. С++ начал развиваться с 1980 года в исследовательской группе Б. Страуструпа как "C с классами", для написания программ моделирования, управляемых прерываниями. Все работы (проектирование, реализация и документирование) выполнялись в соответствии с текущими потребностями авторов и велись вокруг двух положений:

- сохранение языка C как подмножества;

- включение в язык возможностей, обеспечивающих абстракцию данных и ООП. Основ ные идеи касательно ООП были заимствованы из SIMULA-67.

В июле 1983 г. С++ впервые вышел за пределы исследовательской группы и получил свое настоящее название. Число пользователей языка увеличилось, и дальнейшее развитие в основном было связано с преодолением проблем, с которыми столкнулись пользователи. В ре зультате такого развития, язык пополнился и новыми возможностями, не связанными непосред ственно с ООП. Наиболее значительным можно назвать введение шаблонов функций и классов (приблизительно 1988 г.) – механизма поддержки обобщенного программирования. Частично идеи были позаимствованы из языков Ада и CLU.

Лавинообразный рост числа пользователей и появление нескольких производителей компиляторов в итоге привели к необходимости стандартизации языка. Работы были начаты в 1987 г.

3. Первая редакция международного стандарта C++ была издана в 1998. В 2003 году – вторая, действующая на данный момент: ISO/IEC 14882:2003 (757 с., 291$). При этом следует учитывать, что текущий стандарт базируется на стандарте языка C 1990 года.

Сейчас (как и последние лет десять) бурное развитие языка идет в области шаблонов.

Это отрицательно влияет на стабильность языка.

КП 1. Цель создания КП – увеличить контроль в плане безопасности за проектируемыми свойствами сложной компонентной системы. КП можно считать универсальным ЯП за исклю чением в общем случае низкоуровневого программирования – наличие этих средств не требует ся стандартом языка.

2. КП представляет собой модификацию языка Оберон-2, сделанную (1997 г.) в Oberon microsystems, Inc.

Появился КП в итоге нескольких десятилетий исследовательской работы и эволюции не скольких языков, начиная с Паскаля и заканчивая Обероном-2. Более подробно см. [2].

3. Стандартом языка является его определение 1997 г. (32 с, бесплатно).

Ада 1. Ада – универсальный ЯП. Из руководства к языку: "Язык Ада был разработан с уче том трех взаимно перекликающихся концепций: надежность программирования и сопровожде ния, программирование как человеческая деятельность и эффективность".

2. В 1975 г. Министерство Обороны США разработало и распространило список требо ваний к языку, который должен был служить средством разработки ПО для встроенных компь ютерных систем (например, систем наведения ракет). Ни один из существующих языков не удовлетворял этим требованиям, и было предложено создать новый.

Этот новый язык был предметом конкурсного пересмотра в широких индустриальных и академических кругах. Из большого числа было отобрано четыре, затем из них два. В финале выбрали проект представленный компанией Cii-Honeywell Bull, разработкой данного проекта руководил Жан Ишбиа. Язык получил название Ада.

Официальная дата появления языка – 1983 г., когда был утвержден национальный стан дарт США (ANSI/MIL-STD-1815A-1983).

3. Первый международный стандарт – 1987 г. В 1995 году выпущена вторая редакция стандарта, в основном связанная с поддержкой ООП, и действующая сейчас – ISO/IEC 8652:1995 (511 с., 281$), в 2001 - исправления.

Итог С С++ Ada КП Универсален стандартный да* да да нет** язык?

* Язык предназначен для системного программирования и многие высокоуровневые воз можности в нем просто отсутствуют (абстракция данных, ООП, и т. д.). Теоретически его можно использовать для решения любых задач, но практически для многих задач решения будут неоправданно сложными.

** Отсутствуют низкоуровневые средства.

Появление языка - специаль- да нет да да ный проект?

Стандарт:

доступен бесплатно12 281$ 291$+281$* 281$ да объем (страниц) 538 757+538* 511 трудно изучить трудно очень труд- трудно легко но изменчивость да да да нет * Стандарт C++ базируется на стандарте C 1990 г, однако поскольку C является подмно жеством C++ (за малым числом исключений), то должна быть выполнена доработка (что бы текущий стандарт C++ базировался на текущем стандарте C), и добавочно указаны цифры, соответственно текущему стандарту C (1999 г.).

2. Средства разработки Рассмотрим категории 2.1-2.2 для каждого языка по отдельности.

С 1. Существует большое число реализаций от разных производителей под большое число платформ, как коммерческие13, так и некоммерческие. Стоит отметить компилятор GNU CC, распространяемый по лицензии GPL (бесплатно, в открытых кодах).

2. Многие реализации соответствуют стандарту (про все сказать невозможно), и часто предоставляют различные расширения языка/стандартной библиотеки.

Однако, следует отметить факт, что для таких компиляторов как GNU CC, Borland, Microsoft говорится о соответствии национальному стандарту США (ANSI), а не международ ному (ISO).

C++ 1. Аналогично С, за исключением того, что из-за большей сложности языка число реали заций, поддерживаемых платформ меньше.

2. Поскольку выпускаться компиляторы различными производителями стали гораздо раньше (порядка 15 лет) появления стандарта, то с появлением такового здесь сложилась инте ресная ситуация.

При желании, многие ISO-стандарты можно найти и бесплатно. Однако стремление международного комитета по стандартизации действовать в роли коммерческой организации и наживаться на стандартах, не соответствует целям, ради которых он существует.

Стоит отметить, что многие фирмы делают значительные скидки учебным заведениям на свои коммерческие продукты.

Во-первых, многие реализации поддерживают стандарт не полностью (или далеко не полностью) - в основном это касается шаблонов. К тому же, некоторые производители, стре мясь как можно быстрее ввести некоторое нововведение (или приблизить свою реализацию к стандарту), делают это зачастую нерациональным способом (например, модель жадного ин станцирования фирмы Borland).

Во-вторых, практически каждая реализация содержит различные дополнения, которые оказываются расширениями стандарта либо из-за того, что они в него не были включены, либо добавленные после выпуска стандарта с целью облегчить жизнь программиста (при этом никто не гарантирует, что эти изменения в последствии станут частью стандарта). Например, опера тор typeof в GNU CC.

КП 1. На данный момент существуют две реализации КП: BlackBox Component Builder (Windows, Mac;

производитель - Oberon Microsystems, Inc), Gardens Point Component Pascal (.NET, выполнена в австралийском Queens University).

Система Blackbox является профессиональным инструментом;

версия для Windows рас пространяется бесплатно в открытых кодах по лицензии BlackBox Open Source License, совмес тимой с GPL.

2. BlackBox полностью поддерживает стандарт КП. Существуют различные расширения, для поддержки платформенно-специфичных средств. Например, подсистема SYSTEM (низко уровневые операции), расширение компилятора Direct-to-COM для поддержки COM программирования под Windows.

Ада 1. Существует немало реализаций, под широкое число платформ. Большое число произ водителей, распространение в основном коммерческое. Свободно доступны компиляторы ObjectAda от Aonix (правда со значительными ограничениями по сравнению с коммерческой версией) – для Windows и Solaris, и GNAT 3.15p от Ada Core Technologies (под лицензией GPL) – для большого числа платформ. К сожалению, AdaCore закончила выпуск публичных бесплат ных версий на 3.15p.

2. Имя "Ada" зарегистрировано как торговая марка. Поэтому, вы не имеете права распро странять компиляторы языка программирования Ада до тех пор, пока они не пройдут тестиро вание на совместимость (позднее эти требования были ослаблены, и теперь защищенное назва ние звучит как "Validated Ada"). Таким образом все версии компиляторов Ады полностью соот ветствуют стандарту, а все расширения идут в рамках стандарта (те пункты, которые оставля ются на усмотрение реализации).

Итог С++ Ada КП Число платформ много много мало Соответствие реализаций не полное для полное полное ?* стандарту большинства реализаций * Всего две реализации: BlackBox Component Builder (полное), Gardens Point Component Pascal (неизвестно).

Мобильность (программ соот- проблематично* почти полная** полная ветствующих стандарту) * Поскольку многие реализации не полностью соответствуют стандарту, то перенос с од ной реализации на другую может быть проблематичен. Хороший пример (того насколько эта задача может оказаться сложной) – проект STLPort, цель которого – реализация еди ной стандартной библиотеки шаблонов (STL) для большого числа реализаций.

** Переносимость не будет полной, если будут использоваться платформенно специфичные средства которые полностью не описаны в стандарте и оставлены на усмот рение реализации.

Доступность бесплатных пол- да нет* да нофункциональных средств разработки * Хотя GNAT 3.15p – полнофункциональное средство, оно будет устаревать, и его исполь зование будет все менее и менее оправданным.

3. Средства языка При рассмотрении средств языка, будем сравнивать специфические особенности сле дующих реализаций: GNU CC 2.8.1 (C++), GNAT 3.15p (Ada), BlackBox 1.5 (КП).

Богатство средств языка Влияние: A1, A2, +B, +C.

Широкие возможности, предоставляемые языком, с одной стороны могут способство вать решению более широкого круга задач. Однако, поскольку многие задачи пересекаются, эти возможности порождают неоднозначность способов решения. Т. о. выбор оптимального будет требовать большей квалификации программиста. Начинающиеся и неопытные будут путаться в этих способах и почти всегда будут использовать не самый лучший, что негативно отразится на B, C.

Ниже приведена схема, отображающая сложность (число лексем) в основных ЯП (из доклада Свердлова С. З. на II Всероссийском совещании по ИТ-образованию, [2]). Из нее видно, что в основном развитие языков идет за счет их усложнения, с добавлением новых (возможно многочисленных) возможностей. Противоположностью являются языки Оберон-семейства, в которых наряду с включением новых средств исключаются малоиспользуемые и несуществен ные;

пока это дает в результате более простой язык, однако нет гарантий, что эту тенденцию удастся сохранить.

Читабельность и самодокументируемость кода Влияние: +B, +C.

Насколько понятны для программиста будут действия, описанные языком программиро вания (читабельность)? Насколько просто можно будет понять алгоритм, реализуемый фраг ментом программы без дополнительной документации или комментариев (самодокументируе мость)?

Хорошо написанный и понятный программный код может значительно сократить время сопровождения (+B2), время разработки (+B1) – особенно если речь идет о крупном проекте, в котором задействовано большое число программистов. Уменьшается вероятность ошибок, проще реализовать сложный алгоритм (+C).

Читабельность в первую очередь зависит от языка – какие средства доступны програм мисту, и во вторую – от того, как эти средства используются программистом. Самодокументи руемость в большей степени зависит от программиста, т. к. один и тот же алгоритм на любом языке можно записать достаточно большим числом способов, и сложность выявления алгорит ма непосредственно зависит от выбранного способа.

Рассмотрим различные особенности, влияющие на читабельность и самодокументируе мость.

С++ Ada КП 1. Синтаксис языка криптованный человекоподобный человекоподобный 2. Препроцессор есть нет нет 3. Неявные преобразования присутствуют отсутствуют только точные 4. Побочные эффекты опера- есть нет нет ций 5. Неоднозначность базовых значительно незначительно незначительно средств 1. Криптованный синтаксис позволяет сократить тексты программ путем минимизации языковых конструкций, в частности за счет интенсивного использования спец. символов;

такие конструкции обычно интуитивно малопонятны. Негативное влияние на читабельность проявля ется для:

- начинающих и не опытных программистов, которые еще просто не привыкли к специ фике синтаксиса;

- любых программистов, т. к. чисто с психологической точки зрения проще восприни мать более привычные (человеку) словесные формы (хоть и более длинные), нежели ко роткие и сокращенные.

2. Наличие препроцессора сказывается на читабельности в общем случае негативно.

Мы видим не тот код, который будет компилироваться, а тот, который будет обработан препро цессором. Т. о., когда применяются сложные методы макроподстановок и условной компиля ции, то понять (стороннему наблюдателю, а возможно - и самому разработчику через некоторое время), каков будет результирующий код, либо очень трудно, либо просто невозможно (без на личия и изучения дополнительной документации о применяемых макросредствах). Про чита бельность и самодокументируемость в этом случае говорить не приходится.

3. В Ada преобразования из одного типа в другой могут быть только явными.

В КП допускаются неявные преобразования, если результирующий тип является над множеством исходного. Например, вещественному можно присвоить целое, но не наоборот.

В C++ неявные преобразования допускаются для всех базовых типов, для некоторых производных, плюс круг таких преобразований может быть расширен за пользовательскими типами. Т. о. чтение программы требует повышенной внимательности, и сильно увеличивается вероятность неправильного понимания. Это сильно ухудшает читабельность.

4. Операции (записываемые в ЯП при помощи знаков) – по сути математические функ ции, которые прежде всего имеют определенный результат. Это их естественный смысл, кото рый легко воспринимается.

В C++ в категорию операций входят операции присваивания (простого и вычисляемого) и инкремента/декремента, которые прежде всего изменяют свои аргументы (это их основной смысл) и как операции обладают результатом (основной смысл операций). К побочному эффек ту тут можно отнести и то и другое – в зависимости от того, что трактовать как основное поня тие: действие присваивания – операция или операция присваивания.

Это, во-первых, вызывает путаницу и частые ошибки начинающих. Во-вторых, благода ря такому средству можно так "навернуть" "мощное" вычислительное выражение, в котором помимо многочисленных вычислений изменяются значения различных переменных, что и опытный программист далеко не сразу разберется что к чему. При этом порядок вычислений (в случае изменения переменных) не всегда регламентируется стандартом, т. е. в таких случаях смысл выражения вообще зависит от реализации компилятора.

Все это – большой минус для читабельности.

5. Неоднозначность средств подразумевает, что множества результатов, которые мож но получить за счет использования различных средств, пересекаются либо включают друг дру га. Т. е. к одному и тому же результату можно прийти разными путями, причем не все пути бу дут одинаковыми по сложности и наглядности.

В общем случае этот вопрос рассмотрен в пункте "Богатство средств языка". Здесь мы остановимся на базовых (простейших) средствах ЯП. Неоднозначность этих средств, когда про является в большом числе возможных вариантов, негативно сказывается как на читабельности так и на самодокументируемости, т. к. у каждого программиста складывается свой стиль реали зации базовых алгоритмических конструкций (последовательные действия, ветвление, циклы).

Чем больше неоднозначностей, тем больше усилий приходится приложить, чтобы понять код.

Последовательные действия КП Представлены синтаксической конструкцией "операторная последовательность", которая может быть включена в тело процедуры/функции или в какой-либо составной оператор.

Ада Аналогично КП.

С++ Представлены составным оператором, который может использоваться в составных операторах и выступает в качестве тела функции.

Неоднозначность возникает для последовательных вычислений, которые могут быть записаны как последовательностью операторов-выражений, так и одним операто ром-выражением с использованием операции запятая (последования):

x = a + b;

y = c * d - x;

или x = a + b, y = c * d – x;

При этом конструкции с операцией запятая могут быть включены в любое место, где требуется некоторое выражение:

x = a * b;

if (0 <= x && x <= 9) … или if (x = a * b, 0 <= x && x <= 9) … Ветвление КП Представлено операторами IF, CASE и WITH.

IF позволяет указать произвольное число операторных последовательностей, одна из которых будет выполнена, если предшествующее ей логическое выражение истинно, и (необязательно) одну операторную последовательность, которая выполняется, если все выражения ложны. Пример:

IF (ch >= "A") & (ch <= "Z") THEN ReadIdentifier ELSIF (ch >= "0") & (ch <= "9") THEN ReadNumber ELSIF (ch = "'") OR (ch = '"') THEN ReadString ELSE SpecialCharacter END CASE выполняет определенную операторную последовательность в зависимости от значения выражения (которое можно считать целочисленным: целые типы и символь ные, коды которых также целые). Каждой последовательности соответствует уникальный набор значений. Последней можно указать последовательность, выполняемую, когда зна чение выражения не попадает ни в один указанный выше набор значений. Пример:

CASE ch OF "A".. "Z": ReadIdentifier | "0".. "9": ReadNumber | "'", '"': ReadString ELSE SpecialCharacter END WITH похож на CASE, выполняет операторную последовательность в зависимости от динамического типа переменной, причем внутри операторной последовательности пе ременная обрабатывается в соответствии со своим динамическим типом (т. е. не требуется приведение типа). Например, типы A1 и A2 являются расширениями типа A (производ ными от A типами), x – переменная типа A.

WITH x: A1 DO … (* x рассматривается как переменная типа A1 *) | x: A2 DO … (* x рассматривается как переменная типа A2 *) ELSE … END Операторы WITH и CASE являются частными случаями оператора IF.

Ада Представлены операторами if и case, полностью аналогичными этим операторам в КП;

разница только в синтаксисе. Пример:

if (ch >= 'A') and (ch <= 'Z') then ReadIdentifier;

elsif (ch >= '0') and (ch <= '9') then ReadNumber;

elsif (ch = ''') or (ch = '"') then ReadString;

else SpecialCharacter;

enf if;

case ch is when 'A'.. 'Z' => ReadIdentifier;

when '0'.. '9' => ReadNumber;

when ''' | '"' => ReadString;

when others => SpecialCharacter;

end case;

Оператор case является частными случаями оператора if.

Стоит отметить (хотя так никто делать не станет), что можно реализовать case и общий if при помощи if с одним условием без else и оператора goto. Т. е. в общем случае неоднозначность средств есть.

C++ Представлены операторами if и switch.

if аналогичен этим операторам в КП и Аде. Отличие – нельзя указать несколько ус ловий (нет elsif). Пример:

if (ch >= 'A' && ch <= 'Z') ReadIdentifier();

else if (ch >= '0' && ch <= '9') ReadNumber();

else if (ch == '\'' || ch == '"') ReadString();

else SpecialCharacter();

switch схож только тем, что также рассматривает значения целочисленных выра жений. В общем же случае механизм оператора switch отличается от case в Аде и КП. Он представляет собой последовательность операторов, каждый из которых может быть по мечен меткой варианта вида case целая_константа (константы должны быть уникальны, нельзя указать диапазон значений), либо меткой default. Если значение выражения совпа дает с одной из констант, выполняется вся последовательность операторов, начиная с по меченного оператора и до конца;

либо, если не было ни одного совпадения, выполнение начнется с оператора, помеченного default (если есть). Для прерывания выполнения этой последовательности используется оператор break. Пример:

switch (ch) { case 'A': case 'B': … case 'Y': case 'Z': ReadIdentifier();

break;

case '0': case '1': … case '8': case '9': ReadNumber();

break;

case '\'': case '"': ReadString();

break;

default: SpecialCharacter();

} Этот пример эквивалентен примеру выше с if. Однако, если убрать break, то полу ченная конструкция может быть получена только с использованием if и goto (также, как и весь switch можно реализовать при помощи if с goto). Т. е. switch не является частным случаем if, if и switch неоднозначны.

Иногда такое поведение switch может быть полезно, однако в большинстве случаев оно не нужно и может вызвать лишнюю путаницу и ошибки, особенно у начинающих.

Замечание: gcc расширяет стандартный switch, позволяя указывать диапазон значе ний в метке варианта (значения разделяются троеточием):

… case 'A'... 'Z': ReadIdentifier();

break;

case '0'... '9': ReadNumber();

break;

… Циклы В качестве общей циклической конструкции можно рассматривать безусловный цикл с возможностью выхода в любой точке тела. При составлении алгоритмов часто при меняются два частных случая: цикл с предусловием (один выход в начале) и цикл с посту словием (один выход в конце).

КП Представлены операторами LOOP, WHILE, REPEAT, FOR.

Оператор LOOP – безусловный цикл, выход из которого осуществляет оператор EXIT. Пример (считывание и вывод неотрицательных целых чисел):

LOOP ReadInt(i);

IF i < 0 THEN EXIT END;

WriteInt(i) END Оператор WHILE – цикл с предусловием выхода из цикла если заданное логиче ское выражение ложно. Пример (поиск элемента в списке):

WHILE (p # NIL) & (p.x # value) DO p := p.next END Оператор REPEAT – цикл с постусловием выхода из цикла если заданное логиче ское выражение истинно. Пример (вывод последовательности чисел введенных пользова телем, начиная с заданного числа, до 0):

REPEAT WriteInt(i);

ReadInt(i) UNTIL i = Оператор FOR – цикл, выполняющийся заданное число раз, – с управляющей цело численной переменной, которая пробегает указанный диапазон значений с заданным ша гом. Пример (смещение к началу элементов одномерного массива из 10 элементов):

FOR i := 9 TO 1 BY -1 DO a[i-1] := a[i] END Оператор FOR является частным случаем оператора WHILE. WHILE и REPEAT в свою очередь – частные случаи LOOP.

Ада Представлены операторами loop, while, for.

Оператор loop – безусловный цикл;

выход осуществляют операторы exit (безуслов ный выход) и exit when (выход по условию). Пример:

loop ReadInt(i);

if i < 0 then exit end if;

WriteInt(i);

end loop;

Оператор while – аналогичен КП. Пример:

while (p /= null) and then* (p.x /= value) loop p := p.next;

end loop;

* В Аде две версии операций "логическое и" и "логическое или". Операции and и or всегда вычисляют все свои операнды. Операции and then и or else вычисляются по правилу ко роткого замыкания. (В КП и C++ эти логические операции присутствуют в одном экземп ляре и вычисляются только по правилу короткого замыкания.) Специального оператора для цикла с постусловием нет. Для этого непосредственно используется loop. Пример:

loop WriteInt(i);

ReadInt(i);

exit when i = 0;

end loop;

Оператор for – аналогичен КП за тем исключением, что допустимый шаг +1 или -1.

Пример:

for i in reverse (a’First+1).. a’Last loop a(i-1) := a(i);

end loop;

Оператор for является частным случаем оператора while. while мог бы считаться частным случаем loop. Однако, теоретически, из циклов while и for можно выйти при по мощи goto (из loop тоже). На практике же не многие станут это делать (как и использовать goto и if для организации циклов).

Т. о. неоднозначность средств есть, но с теоретической точки зрения.

C++ Представлены операторами while, do-while, for.

Здесь присутствует как теоретическая неоднозначность (учитывая goto) так и прак тическая (операторы break и continue). break позволяет прервать выполнение любого опе ратора цикла в любой точке тела, continue – прервать выполнение текущей итерации и пе рейти к следующей;

break и continue интенсивно используются на практике. Т. о. если в КП и Аде (не учитывая goto) самым общим является безусловный цикл, то здесь любой оператор цикла можно считать общим. Т. е. мы имеем три разных оператора, которые фактически позволяют делать одно и тоже.

Оператор while – цикл с "предусловием" выхода, если заданное логическое выра жение ложно (цикл может оказаться также и циклом с постусловием или еще каким-то, в зависимости от того, будет ли и где будет использован оператор break в теле цикла). При мер:

while (!p && p->x != value) p = p->next;

Оператор do-while – цикл с "постусловием" выхода из цикла если заданное логиче ское выражение ложно. Пример:

do { WriteInt(i);

ReadInt(i);

} while (i != 0);

Оператор for – обобщение оператора while.

Общий синтаксис:

for (expr1;

expr2;

expr3) op expr1, expr2, expr3 – не обязательны, по умолчанию expr2 == true, это эквива лентно:

expr1;

while (expr2) { op;

next: expr3;

// сюда будет выполнять переход continue } Примеры:

for (i = 9;

i >= 1;

--i) a[i-1] = a[i];

или for (i = 9;

i >= 1;

) { a[i-1] = a[i];

--i;

} или for (i = 9;

i >= 1;

a[i-1] = a[i], --i);

Оператора безусловного цикла нет – вместо него используется любой оператор со всегда ложным условием выхода. Примеры:

while (true) { ReadInt(i);

if (i < 0) break;

WriteInt(i);

} или for (;

;

) { … } или do { … } while (true);

Парадигмы программирования Какие парадигмы программирования поддерживает язык? Возможность более точно и просто реализовать архитектуру ПП средствами ЯП напрямую влияет на +B.

Общая картина выглядит так:

С++ Ada КП 1. Структурное ± ± + 2. Модульное ± + + 3. Объектно-ориентированное + + + 4. Компонентное - - + 1. Структурное программирование поддерживается всеми языками. В каждом присутст вуют составные операторы (последовательный, ветвления, циклов), подпрограммы, структуры данных.

В КП отсутствуют средства, которые не соответствуют принципам структурного про граммирования, т. е. их использование исключено. В Аде (goto) и C++ (goto;

частично break и continue) ответственность за неприменение таких средств перекладывается на программиста.

Отсутствие вложенных функций в C++ может затруднить декомпозицию (GNU CC под держивает эту возможность для языка C как расширение).

Стоит отметить, что написание хорошей структурированной программы реально зависит именно от программиста. Приведем пример на КП (взят из [2]) двух процедур, делающих одно и тоже, первая из которых плохо структурирована, вторая – хорошо:

PROCEDURE (obj: setGuider) generate*, NEW;

VAR exit, reset: BOOLEAN;

i: INTEGER;

BEGIN exit:=FALSE;

reset:=FALSE;

i:=LEN(obj.content)-1;

WHILE exit = FALSE DO IF i >= 0 THEN obj.content[i].checkFull();

IF obj.content[i].full = FALSE THEN obj.content[i].add();

exit := TRUE ELSE reset:=TRUE;

obj.content[i].reset();

DEC(i) END;

IF (reset = TRUE) & (exit = TRUE) THEN obj.setMax(i);

END ELSE exit := TRUE;

obj.end := TRUE END END END generate;

PROCEDURE (sg: SetGuider) Next*, NEW;

VAR i: INTEGER;

c: POINTER TO ARRAY OF Set;

BEGIN c := sg.content;

i := LEN(c) - 1;

WHILE (i >= 0) & c[i].IsFull() DO c[i].Reset();

i := i - END;

IF i < 0 THEN sg.end := TRUE ELSE c[i].Inc();

IF i < LEN(c) - 1 THEN sg.SetMax(i) END END END Next;

2. В Ada и КП поддерживается явно, в C++ – нет.

В Ada модуль (единица обладающая определенным интерфейсом и обеспечивающая ин капсуляцию) – пакет, его интерфейс и реализация разносятся по разным единицам компиляции (т. е. раздельно компилируются);

инкапсуляция обеспечивается за счет приватной части пакета.

В КП модуль – модуль (также единица написания, распространения и загрузки). Интер фейс обозначается метками экспорта прямо в теле модуля, и файл, содержащий описание ин терфейса, генерируется по ним автоматически. Инкапсуляция обеспечивается автоматически – все не экспортированные средства модуля не доступны.

В C++ модуль может быть реализован на основе класса, который прежде всего является типом данных. Для класса может быть полностью определен интерфейс, который импортирует ся как единое целое;

раздельной компиляции нет – интерфейс (определение класса) должно полностью включаться в каждую единицу компиляции, которая его использует. Инкапсуляция обеспечивается за счет приватной и защищенной частей класса.

3. Полностью поддерживается всеми языками. Имеются средства, предоставляющие на следование и полиморфизм.

C++ допускает множественное наследование (КП и Ада – нет).

4. Компонентное программирование поддерживается только КП. Более подробно см. [2].

Средства расширения языка Сюда прежде всего относятся средства, позволяющие организовать работу с пользова тельскими типами данных так же, как с предопределенными в ЯП типами.

В C++ и Аде – это механизм совмещения (перегрузки) имен процедур/функций (1) и знаков операций (2). В КП эти средства отсутствуют.

Первое дает возможность определять процедуры/функции с теми же именами, что у пре допределенных процедур/функций или функций из стандартной библиотеки. Например, проце дуры Put/Get из пакетов ввода-вывода Ады.

Второе позволяет определять и использовать предопределенные знаки операций с типа ми пользователя. Например, определив тип матрица и перегрузив знак операции сложения, можно будет писать a+b, для переменных a, b типа матрица.

Влияние этого средства двойственное. Если рассматривать с точки зрения разработчика библиотек типов данных, то для него процесс усложняется: A2, -B. Чтобы новый тип данных действительно расширял язык, нужно строго следить за перегружаемыми средствами – их по ведение не должно отличаться от поведения встроенных средств. В этом случае для пользова теля библиотеки процесс разработки упрощается, улучшается читабельность: +B.

Однако, никто не может гарантировать что новый тип обладает поведением, аналогич ным встроенным типам. Например, можно знак операции "+" использовать для выполнения вы читания (это гротескный пример, более опасны случаи, когда разница в поведении незначи тельная). Т. о. пользователь библиотеки интуитивно ожидает одного, а при выполнении полу чит другое:

-читабельность, -B, -C.

Отдельно отметим случай высокой требовательности перегруженной операции к ма шинному ресурсу (что не характерно для встроенных типов). Завуалированность таких опера ций (даже при правильном поведении типа) будет приводить к менее внимательной проработке вычислительных алгоритмов, и может повлиять на их качество:

-C1.

Обобщенное программирование Обобщенное программирование прежде всего дает возможность повторного использова ния кода. Если некоторый алгоритм применим к множеству типов данных, обладающих опре деленными свойствами, то его достаточно описать один раз (в основном это применимо к мате матическим алгоритмам). Далее меняется уже не сам алгоритм, а конкретно используемый тип.

Например, (один и тот же) алгоритм вычисления минимума из двух значений, применим к лю бому типу, который описывает упорядоченное множество (определена операция "меньше").

С++ и Ада (но не КП) предоставляют средства, которые позволяют описать такой обоб щенный алгоритм один раз, а затем настроить его (конкретизировать) для использования с за данным типом данных.

Влияние этого средства также двойственное.

Использование обобщенных алгоритмов может значительно сократить время разработки за счет повторного использования кода (+B), и повысить надежность (+C2), т. к. применяются уже проверенные и отработанные алгоритмы. Однако, оно требует большей квалификации, опыта и внимания: A2. Как от использующего такие алгоритмы – пользователь должен хорошо разбираться в требованиях к "параметрам" обобщенного алгоритма, чтобы правильно оценить возможность его эффективного (с точки зрения C1) применения, иначе:

-C1. Так и от разработ чика (причем в гораздо большей мере), поскольку приходится оперировать с абстракциями бо лее высокого уровня и отслеживать большое число нюансов (-B);

больше вероятность ошибки (-C2). К тому же за счет обобщения приходится отбрасывать особенности, что сказывается на производительности алгоритма:

-C1.

Ада позволяет создавать обобщенные подпрограммы и пакеты, их параметрами могут быть: типы, константные значения, подпрограммы, обобщенные пакеты.

C++ позволяет создавать обобщенные подпрограммы (шаблоны функций) и типы дан ных/модули (шаблоны классов) (см. "Парадигмы программирования", класс – фактически ана лог пакета Ады). Параметрами могут быть: типы данных, константные значения и шаблоны классов. Также C++ позволяет частично конкретизировать шаблоны классов (частичная спе циализация), что дает возможность лучше учитывать особенности (+C1) при сохранении под хода обобщенного программирования.

Интерфейс с другими языками Повторное использование кода (написанного на другом языке) или реализация каких либо подзадач (на более подходящем языке) сократит время разработки и повысит эффектив ность: +B1, +C1.

Это требует дополнительных знаний (A23);

нарушает целостность проекта, что может усложнить сопровождение и снизить надежность:

-B2, -C2.

Стандарты языков не требуют интерфейса с другими языками:

С++ Ада КП Интерфейс ограничивается Стандарт описывает интер- Нет языком C, который является фейсы с языками ассембле подмножеством C++. ра, C и COBOL. Однако поддержка этих интерфей сов не обязательна.

Реализации:

GCC GNAT Blackbox (Windows) ? ассемблер, C/С++, COBOL C Низкоуровневое программирование Средства низкоуровневого программирования требуют непосредственного доступа к машинным командам и обоснованно применимы в особых случаях, когда высоки требования к затратам машинного ресурса;

использование этого средства дает +C1.

Однако требует специальных знаний (A3), более детальной проработки (-B), наиболее высока вероятность ошибок (-C2).

Стандарты:

С++ Ада КП Ассемблерная вставка - клю- Либо вставка ассемблерного Нет.

чевое слово asm. кода, либо интерфейс с ас семблером.

Реализации:

GCC GNAT Blackbox (Windows) Обширные возможности по вставке кода с указанием ис- Кодовые процедуры пользуемых машинных средств, что позволяет применять к (встраиваемый ассемблер такому коду оптимизацию, осуществляемую компилято- ный код).

ром.

Надежность и безопасность Человеку – свойственно ошибаться. И он ошибается. Поэтому любая программа (кото рую пишет человек) потенциально содержит в себе ошибки. Зачастую эти ошибки не просто сказываются на работе конкретных пользователей, но и приводят к просто катастрофическим последствиям и многомиллионным убыткам.

Как пример рассмотрим распространения вирусов-червей, связанных с так называемой ошибкой переполнения буфера, возникающей из-за отсутствие контроля корректности индек сов массивов:

Вирус Обнаружен Поражал Механизмы Машин зара распростране- зил ния Code Red I/II 2001, июль ISS Переполнение буфера в ISS Nimda 2001, сентябрь ISS Переполнение буфера в ISS, слабые пароли и т. п.

Slammer 2003, январь MS SQL Переполнение буфера SQL Love San 2003, август NT/2000/XP/2003 Переполнение более буфера в DCOM И это – далеко не полный список… Т. о. любой современный язык просто обязан иметь в наличии средства, повышающие надежность и безопасность кода, за счет выявления человеческих ошибок или исключения воз можности появления оных.

Среди этих средств можно выделить:

1. Статические (+B, +C2) – задействуемые во время компиляции и никак не влияющие на про граммный код. Здесь можно выделить строгую типизацию и сведение к минимуму неявных преобразований. Это помогает избегать алгоритмических ошибок, связанных с неправильными значениями, когда, например, к переменной одного типа обращаются как к переменной другого, или когда упускают возможность потери значащих цифр при преобразовании из длинного це лого в короткое.

2. Динамические (+B, -C1, +C2) – задействуемые во время выполнения – специальный код гене рируется компилятором автоматически. Надежность повышается, но ценой дополнительных затрат машинного ресурса (времени для выполнения и оперативной памяти для хранения до полнительных инструкций). Сюда входят контроль корректности индексов массивов (не до пускающий, например, переполнения буфера) и контроль типов (применяемый к объектам, тип которых не известен во время компиляции, например, полиморфные сущности в ООП) – позво ляет избегать нарушения типизации во время выполнения.

3. Автоматическое управление памятью (+B, +C2) – более не используемая динамическая па мять освобождается автоматически (так называемая сборка мусора). Этот механизм исключает одни из наиболее опасных (для стабильной работы ПП) и трудновыявимых ошибок – утечки памяти и висячие ссылки (указатели).

С++ Ada КП Строгая типизация да* да да * Средства C нарушают строгую типизацию. Например, передача функции произвольного числа аргументов – их типы могут быть любыми – необязательно теми, что ждет вызы ваемая функция.

Неявные преобразования есть* нет ограничено** * Неявные преобразования определены для многих базовых типов, и расширяемы за счет преобразований, определяемых пользователем.

** Неявные преобразования ограничены случаями, в которых невозможна потеря точно сти (когда результирующий тип включает исходный как подмножество).

Контроль индексов массивов автоматически, автоматически, 2 вручную отключаемо (вы Контроль типов не отключаемо борочно) Автоматическое управление нет элементы* есть** памятью * Если время жизни типа закончено (для локально определенных типов), то динамическая 3 память, занимаемая переменными таких типов, освобождается автоматически. Компиля тор гарантирует, что ссылок на эти переменные не будет (статическая проверка);

однако эта проверка может быть отключена… ** Требования стандарта языка к среде выполнения.

Итог В свете рассмотренного выше понимания эффективности, позволю себе сделать вывод, что в общем случае, рассматривая широкий круг задач и учитывая то, что многие из них не требуют систем ного программирования и не критичны к скорости выполнения, программирование на С/C++ менее эф фективно. Т. к. при равных требованиях к ПП, в сравнении с языками Pacal-семейства:

- требуется гораздо более детальная проработка кода;

- больше усилий со стороны программиста;

- повышен риск ошибок;

- и, в итоге, требуется большая квалификация и опыт программиста для достижения того же ре зультата.

Совет начинающим Программирование на C++ далеко не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Это сложный язык, поэтому научиться программированию с нуля – именно программированию, а не писанию программ на С++, крайне трудно. Программирование прежде всего подразумевает умение просчитать всевозможные варианты и составить алгоритм в уме, выполнить абстракцию данных и раз бить поставленную задачу на подзадачи, выстроить схему всего ПП. Для начала лучше выбрать более простой язык и развивать эти умения, нежели сложный, в котором придется большую часть сил отдавать на усвоение особенностей языка. Приведу цитату от создателя С++ [1]:

"Вопрос "Как пишут хорошие программы на C++" очень похож на вопрос "Как пишут хорошую англий скую прозу?" Есть два вида ответов: "Знайте, что вы хотите сказать" и "Практикуйтесь. Подра жайте хорошему языку." Оба совета оказываются подходящими к C++ в той же мере, сколь и для английского – и им столь же трудно следовать."

Продолжая эту цитату, скажу: лучше сначала научиться вообще писать прозу, а лишь потом переходить к прозе на английском. Тоже справедливо и для С++. (Рассматривая все варианты, придется заметить, что этот пример не подойдет для тех, у кого английский язык является родным.) Еще цитата:

"Напомню, что большую часть программирования можно легко и очевидно выполнять, используя толь ко простые типы, структуры данных, обычные функции и небольшое число классов из стандартной библиотеки. Весь аппарат, входящий в определение новых типов, не следует использовать за исключе нием тех случаев, когда он действительно нужен."

Возникает вопрос: зачем сразу изучать множество сложностей и нюансов, если они, не пригодятся вам, как минимум, на начальных этапах? Лучше больше времени уделить навыку программирования вообще, нежели усваивать специфику возможностей С++. Без знания этой специфики, нормально программиро вать на С++ вы вообще не сможете, однако знание этой специфики никак не улучшит ваших общих на выков программирования.

Выбирая С++ своим первым языком, вы рискуете пройти вдвое больший путь до профессио нального программиста, следуя противоречивому характеру развития языка. В нем новые техники про граммирования (привнесенные в соответствии с потребностями времени) сочетаются с давно устарев шими и ненужными (которые оставлены в основном для совместимости с уже написанным кодом). Та кое сочетание средств часто требует нетривиальных решений в языке, что сильно его усложняет. И по сле сложной работы (которая ведется и сейчас) по усовершенствованию языка и обогащению его новы ми средствами, ведутся работы и по его упрощению :). Так, например, ведутся работы [9] по выделению подмножества стандартного С++ путем исключения некоторых возможностей, для повышения чита бельности и надежности кода. При этом, если вы захотите следовать этим рекомендациям, весь контроль возлагается именно на вас – человека (которому свойственно (говорю про всех людей вообще) ошибать ся и делать себе поблажки). А не лучше ли в таком случае сразу выбрать язык более простой и строгий, в котором компилятор будет следить за соблюдением всех правил? … Заключение В заключение хочу еще раз подчеркнуть, что не смотря на все претензии на объективность, при сравнении я приводил прежде всего свое мнение. Мнение человека, который в течение нескольких лет изучения и использования С++ был его ярым фанатиком (в основном из-за того, что считал этот язык единственным, поддерживающим средства обобщенного программирования)… Но человеку свойствен но ошибаться, как и стремиться использовать в работе более удобные инструменты, поэтому в последст вии мое мнение изменилось… В любом случае, никто не будет спорить с утверждением, что профессиональный программист должен знать несколько языков, и выбирать наиболее подходящий для конкретной задачи. В контексте этого утверждения ни про один язык нельзя сказать, что он не востребован и вообще не нужен...

ПРИМЕЧАНИЕ РЕДАКТОРА СБОРНИКА: в настоящее время выпуск бесплатных версий комплятора Ada GNAT возобновлен.

Литература 1. Страуструп Б. Язык программирования С++. Второе дополненное издание.

2. Информатика-21. Международный общественный научно-образовательный проект.

http://www.inr.ac.ru/~info 3. Трой Д. Программирование на языке Си для персонального компьютера IBM PC: Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1991. – 432 с.

4. Гавва А. "Адское" программирование. Ada-95. Компилятор GNAT. (электронный документ) V – 0.4w, май 2004.

5. Вандевурд Д., Джосаттис Н. М. Шаблоны C++: справочник разработчика. Пер. с англ. – М.: Издательский дом "Вильямс", 2003. – 544 с.

6. International Standard ISO/IEC 14882:1998(E): Information technology – Programming languages – C++.

7. Ada 95 Language Reference Manual ANSI/ISO/IEC 8652:1995 http://www.adapower.com/rm95/index.html 8. Документация к компилятору GNU CC 2.8.1.

9. The Programming Research Group. High-Integrity C++ Coding Standard Manual. Version 2.2.

http://www.programmingresearch.com 10. Ермаков И. Е. "Программная инженерия вчера и сегодня: эволюция императивного программирования".

Язык программирования Компонентный Паскаль и среда разработки BlackBox Component Builder Ермаков И.Е., Рюмшин Б.В.

I. Компонентный Паскаль – язык компонентно ориентированного программирования Язык Компонентный Паскаль (далее - КП) является кульминацией десятилетий исследова тельской работы швейцарской школы программирования. Его родословная выглядит следую щим образом: Алгол – Паскаль – Модула-2 – Оберон – Оберон-2 – КП. КП родился в 1997 году, когда швейцарская компания Oberon Microsystems14 сделала небольшие добавления к языку Оберон-2. В язык были добавлены некоторые средства, для повышения безопасности компо нентных каркасов (component frameworks)15 и контроля целостности больших компонентных систем. На сегодняшний день КП является одним из трех ЯП, ориентированных на компонент ное программирование: Java, КП и C#.

Основные принципы компонентно-ориентированного программирования (КОП) были сформулированы авторами КП Клеменсом Шиперски16 («Компонентное программирование: за пределами ООП» [1]) и Куно Пфистером [2]. Наметим здесь основные идеи КОП и свойства, характерные для компонентных ЯП. КОП является дальнейшим развитием идеи модульных систем. Модульные системы строятся из набора модулей - «черных ящиков», взаимодействую щих через строго определенные интерфейсы и инкапсулирующих в себе детали реализации.

Современные среды выполнения (в порядке появления: Оберон, Java, CORBA, COM,.NET) поддерживают динамическую загрузку/связывание/выгрузку модулей, что позволяет расширять программную систему прямо во время ее выполнения. КОП предполагает совместное использо вание динамической модульности и ООП, результатом чего является прорыв в новое измерение в инженерии ПО. Единственным вводимым ограничением на ООП является запрет межмо дульного наследования реализаци. Такое наследование приводит к проблеме хрупкого базового класса [1,2], суть которой в том, что разработчик базового класса не может изменять в новых версиях его реализацию из боязни нарушить работу классов-потомков, созданных пользовате лями его компонента. Это противоречит требованиям безопасности и расширяемости системы.

Технически компонентное ПО можно создавать на любом современном языке программи рования – используя некоторую языково-независимую объектную модель17 (Windows DLL, COM, CORBA,.NET), однако на практике некоторые языки подходят для этого гораздо больше других, а три выше перечисленных признаны непосредственно компонентными языками. Их сильные стороны касаются программирования «в большом», то есть, возможности эффективно воплощать архитектурные решения в программном коде. Основным качеством таких языков является безопасность – в среде, состоящей из множества взаимодействующих компонент, ко торые разработаны независимо друг от друга, она выходит на первый план. Статическая безо пасность нацелена на то, чтобы предотвратить ошибку или опечатку программиста на этапе написания кода – она включает в себя строгий контроль типов, запрет неявных преобразований, сведение к минимуму всякого рода «умолчаний» в языковых конструкциях18, прозрачный и не двусмысленный синтаксис, изоляцию низкоуровневых средств в отдельном секторе язы ка/среды (в КП – псевдомодуль компилятора SYSTEM). Динамическая безопасность подразу мевает в первую очередь целостность памяти, то есть, гарантии того, что один компонент не может разрушить память другого. В традиционных операционных системах (Windows, Unix) Oberon Microsystems отпочковалась от Университета ETH, состоит в основном из учеников Н.Вирта, который также входит в состав директоров.

Компонентный каркас – набор модулей, предоставляющих расширяемые классы для конкретной предметной области.

К. Шиперски долгое время был ведущим разработчиком Oberon Microsystems, после чего был приглашен в Mi crosoft Research и принял непосредственное участие в разработке платформы.NET и языка C#.

Под объектной моделью понимаются стандарты и механизмы загрузки, связывания и взаимодействия компонен тов в оперативной памяти (в общем случае – в распределенной сетевой системе).

Проще говоря, если программист по невнимательности упустил какую-либо явную директиву, компилятор языка не должен делать никаких предположений, а выдать сообщение об ошибке.

для этого используются аппаратные механизмы защиты, при которых каждое приложение рабо тает в своем адресном пространстве и не имеет доступа к памяти другого. В то же время сама идея КОП требует, чтобы модули работали в едином адресном пространстве, взаимодействуя друг с другом напрямую. Поэтому обеспечить безопасность в рамках одного адресного про странства может лишь система времени выполнения самого языка. Это достигается запретом адресной арифметики (то есть, с указателем нельзя делать никаких операций кроме обращения по нему), контролем границ массивов19, динамическим контролем типов объектов. Отметим, что некоторые новейшие модели процессоров (например, отечественная разработка Эльбрус Е2К), поддерживают эти механизмы на аппаратном уровне. И, наконец, важнейшей частью компонентного языка является автоматическое освобождение памяти, так называемая сборка мусора. В компонентной среде ни один модуль не способен сам определить момент, когда па мять можно освободить. Это может сделать только механизм среды, проверив отсутствие во всех модулях указателей на освобождаемый объект.

Статическая безопасность всегда была характерна для языков семейства Паскаля. Дина мическая безопасность долгое время была свойственна только динамическим, то есть, интер претируемым, языкам (например, Smalltalk). Среди компилируемых языков динамическая безо пасность (контроль типов, сборка мусора) впервые появилась в языке Оберон (1989), который наглядно показал, что надежный язык с богатыми динамическими возможностями может эф фективно компилироваться и по быстродействию выходного кода не уступать С/С++20. Осозна ние потребности в надежных языках привело к созданию Java (1995) и C# (2000), которые объе диняют концепции Паскаль- и С-семейств (во многих аспектах объединяют довольно неуклю же).

К. Пфистер в [2] отмечает еще один важный аспект компонентных языков: сокрытие ин формации на более высоком уровне, нежели классы, то есть, наличие в непосредственно в язы ке понятия модуля (пакета). Обычно в программной системе присутствуют группы классов, со вместно выполняющие некоторые функции. Они должны свободно взаимодействовать друг с другом, минуя инкапсуляцию. Модули позволяют выстроить общий интерфейс для таких групп, в то же время не устанавливая ненужных барьеров между классами одной группы. В то же время большинство объектно-ориентированных языков ограничиваются сокрытием инфор мации на уровне класса, не предоставляя более глобальных абстракций. К сожалению, язык C# также по-прежнему не является модульным, так же, как и его предшественник С++. В тоже время Компонентный Паскаль уже по самому своему происхождению - модульный язык, в ко тором модуль является глобальной единицей написания кода, инкапсуляции, компиляции, рас пространения и загрузки в память.

Если сравнивать КП и Java, то эти языки эквивалентны по своим возможностям и совмес тимы на двоичном уровне – существуют компиляторы КП в байт-код виртуальной машины Java (JVM). Однако КП гораздо более строен, последователен и прост для освоения, он продолжает традицию Оберонов – предельно лаконичных языков, описание которых занимает 16-30 стра ниц. В то же время Java, хотя и позиционировалась как простой язык, содержит достаточное количество подводных камней, язык сложно изучать поэтапно, так как каждый из его аспектов требует одновременного рассмотрения многих других. То же можно сказать и про C#, который во многом является ответом Microsoft на Sun’овкую Java.

Важным аспектом является то, что Java как технология ориентирована на выполнение на виртуальной машине. Это порождает проблемы, связанные с быстродействием. Также играет свою роль то, что, во-первых, все экземпляры классов в Java размещаются в динамической па мяти, - это дает чрезмерную нагрузку на диспетчер памяти и сборщик мусора;

во-вторых, в Java отсутствуют как указатели, так и передача параметров процедур по ссылке. Последнее вынуж Отсутствие обязательного контроля границ массивов в языках С-семейства (точнее, пренебрежение программи стов соответствующими опциями компиляторов) сделало возможным самую распространенную хакерскую атаку – так называемую «атаку на переполнение буфера». Миф о том, что контроль границ массивов якобы сильно снижа ет быстродействие, до сих пор препятствует созданию надежного ПО.

А в некоторых реализациях – превосходить большинство известных компиляторов (см. XDS – разработка ново сибирской компании Excelsior, http://excelsior-usa.com).

дает разработчика даже для такой элементарной операции, как передача массива по ссылке, прибегать к различного рода ухищрениям, например, классам-оберткам. Все эти проблемы, не смотря на заявляемую безопасность языка, сильно ограничивают его использование в системах реального времени21. Напротив, КП, как и все Обероны, особенно эффективен для задач сис темного программирования. На Оберон-2 и КП написаны многие операционные системы, их них три - промышленные жесткого реального времени: XO/2 (на ее основе швейцарским феде ральным правительством сертифицирована и принята к развертыванию автоматизированная система контроля за дорожным движением), XOberon (разработка Цюрихского института робо тотехники) и JBed (см. [3], раздел Ссылки). О последней стоит сказать особо. JBed разработана на основе BlackBox Component Builder компанией Esmertec – дочерней от Oberon Microsystems.

Она предназначена в первую очередь для встроенных систем, в том числе жесткого реального времени, используется также в различной бытовой технике европейского производства, в мо бильных телефонах. Одна из особенностей ОС JBed в том, что под ней могут выполняться мо дули, написанные как на КП, так и на Java;

более того – такие модули работают в едином ад ресном пространстве и с общим сборщиком мусора. На КП в среде BlackBox компания Oberon Microsystems разработала для Borland JIT-компилятор Java;

систему мониторинга для крупней шей ГЭС на Амазонке в Бразилии (под UNIX-64). Эти примеры убедительно доказывают ус пешность КП для сложных задач системного программирования.

II. Экскурсия по языку Программирование «в малом». КП поддерживает стандартный набор управляющих кон струкций структурного программирования: IF, CASE, WHILE, REPEAT, FOR и LOOP (цикл с явным прерыванием по EXIT). Разумеется, такие неструктурные операторы, как GOTO, BREAK и CONTINUE в язык не включены. Приведем пример алгоритма на КП (быстрая сортировка):

VAR a: ARRAY 1024 OF Element;

PROCEDURE QuickSort;

PROCEDURE Sort (l, r: INTEGER);

VAR i, j: INTEGER;

w, x: Element;

BEGIN i := l;

j := r;

x := a[(l+r) DIV 2];

REPEAT WHILE a[i] < x DO INC(i) END;

WHILE x < a[j] DO DEC(j) END;

IF i <= j THEN w := a[i];

a[i] := a[j];

a[j] := w;

INC(i);

DEC(j) END UNTIL i > j;

IF l < j THEN Sort(l, j) END;

IF i < r THEN Sort(I, r) END END Sort;

BEGIN Sort(0, LEN(a)-1) END QuickSort;

Отметим некоторые моменты: управляющие операторы записываются в лаконичной фор ме ОПЕРАТОР …;

…;

…END в отличие от двух неудачных форм, которые использовались в старом Паскале: сокращенной ОПЕРАТОР …;

и полной ОПЕРАТОР begin …;

…;

… end. Язык стал чувствительным к регистру – имена x и X теперь являются различными. Все ключевые сло Sun в документации к своей Java-платформе заявляет, что их продукт не предназначен для использования в тех сферах, где сбой системы может повлечь тяжкие последствия.

ва записываются заглавными буквами, что улучшает читаемость программ и позволяет исполь зовать выделение жирностью и цветом для других целей – для расстановки смысловых акцен тов. Окончания процедур записываются в виде END ИмяПроцедуры, что облегчает поиск поте рянного END. Введена удобна форма оператора для последовательной проверки многих усло вий:

IF условие1 THEN … ELSIF условие2 THEN … ELSIF… ELSE… END Массивы нумеруются только от 0, объявляются в виде ARRAY размер OF… Поддержива ются передача в процедуру по ссылке открытых массивов (неопределенного на этапе компиля ции размера), что особенно полезно - многомерных: PROCEDURE … (VAR a: ARRAY OF ARRAY OF …). Поддерживаются динамические многомерные массивы: POINTER TO ARRAY OF ARRAY OF….

Модульность. Модули в КП имеют следующий вид:

MODULE Module;

IMPORT StdLog;

(* Импортируем необходимые модули *) TYPE Person* = RECORD id: INTEGER;

name-, surname-: ARRAY 32 OF CHAR;

salary*: INTEGER END;

PROCEDURE Print* (IN person: Person);

BEGIN StdLog.String(person.name);

StdLog.Ln;

StdLog.String(person.surname);

StdLog.Ln;

StdLog.Int(person.salary);

StdLog.Ln END Print;

PROCEDURE Init;

BEGIN … END Init;

BEGIN (* Секция инициализации – выполняется при загрузке модуля *) Init CLOSE (* Секция финализации – выполняется при выгрузке модуля *)...

END Module.

Здесь знаком «*» помечаются так называемые экспортируемые сущности модуля, т.е. то, что будет доступно снаружи, войдет в интерфейс модуля. Знак «-» для переменных и полей за писей означает «экспорт только для чтения». Например, у типа Person снаружи будут доступны поля name, surname – только для чтения и salary – для записи. При компиляции данного модуля будет создан кодовый файл, который может быть динамически загружен приложениями, и сим вольный файл, хранящий всю необходимую информацию об интерфейсе модуля. Текстовое описание интерфейса модуля может быть выведено средой автоматически:

DEFINITION Module;

IMPORT Math;

TYPE Person = RECORD name-, surname-: ARRAY 32 OF CHAR;

salary: INTEGER END;

PROCEDURE Print (IN person: Person);

END Module.

Важным требованием КП является то, что имя любой сущности из импортированного мо дуля всегда указывается в полном виде: Модуль.Имя (как в примере – StdLog.String). Это позво ляет при чтении кода программы сразу видеть, к какому из модулей относится тот или иной тип/переменная/процедура. Если имя модуля слишком длинное, можно назначить псевдоним:

IMPORT Log := StdLog и далее работать с ним: Log.String.

Работа с памятью. Хотя КП является полностью безопасным языком, в нем, в отличие от Java, сохранены оба типа выделения памяти под структурные переменные: статическое (в стеке процедур или в глобальной памяти модулей) и динамическое (в куче). Динамически выделен ные переменные доступны через указатели:

TYPE Rec = RECORD … END;

VAR r: Rec (* статически размещенная переменная *) pr: POINTER TO Rec;

(* указатель на динамически размещенную переменную *) BEGIN NEW(pr);

(* Создаем новую переменную в куче *) Освобождать память явно не нужно, да и невозможно – переменная будет уничтожена сборщиком мусора, как только исчезнет последний указатель на нее. Если мы объявим тип сле дующим образом: TYPE Type = POINTER TO RECORD … END, то экземпляры такого типа мо гут быть только динамическими, т.е. создаваемыми через NEW.

На использование указателей наложены ограничения: отсутствует арифметика указателей;

указатель может указывать только на структурные типы, то есть, записи или массивы;

указатель может указывать только на переменные, выделенные через NEW. В языке отсутствует операция взятия адреса, т.к. она небезопасна (переменная в стеке может стать недоступной после выхода из процедуры, переменная модуля может исчезнуть после выгрузки модуля. Таким образом могли бы появиться висячие указатели). Однако указатель, полученный через NEW, никогда не станет висячим, так как переменная в куче будет существовать до тех пор, пока существует хо тя бы один указатель на нее.

Однако безопасная операция взятия адреса в языке неявно все же присутствует – это пере дача параметров в процедуру по ссылке, то есть, давно известные в Паскале VAR-параметры, например: PROCEDURE Proc (IN a: Rec;

VAR b: INTEGER;

OUT c: BOOLEAN). Их в КП три типа: IN – входной, доступен только для чтения;

VAR – переменный, доступен для чте ния/записи;

и OUT выходной, доступен для чтения/записи, позволяет подчеркнуть, что значе ние параметра на входе в процедуру может быть неопределенным.

Передача параметров по ссылке в совокупности со статическими переменными-записями отчасти обусловливает большую эффективность КП в сравнении с компилируемыми версиями Java – значительная часть небольших объектов в системах на КП размещается и передается ста тически, через стек, что уменьшает нагрузку на диспетчер памяти и сборщик мусора.

ООП. В семействе Оберонов традиционно принят подход к ООП, заявленный Н. Виртом:

ООП = структурное программирование + расширение типов. В таком понимании класс = структура данных, объект = переменная структурного типа, метод = связанная процедура, наследование = расширение типа. Рассмотрим пример нерасширяемой записи со связанными процедурами:

TYPE Vehicle = RECORD (* Транспортное средство *) x, y, v: REAL;

END;

PROCEDURE (VAR vh: Vehicle) Go (v: REAL);

(* Ехать со скоростью v *) BEGIN vh.v := v … END Go;

PROCEDURE Test;

VAR v: Vehicle;

BEGIN v.Go(15.9) END Test;

Мы видим, что самый обычный тип-запись используется нами в стиле ООП. Связанная процедура Go – пример того, как определяются методы в КП. Объект, для которого будет вы зываться процедура, оформляется как явный параметр и записывается в скобках перед именем процедуры. Опять же, такая форма обращения, в сравнении с неявными this и self в C++ и Ob ject Pascal и их областями видимости, делает код прозрачным, а обучение новичков работе с ООП - гораздо более легким. Запись Vehicle расширена быть не может, для этого потребуется явно указать EXTENSIBLE RECORD. Поэтому ООП для обычных, нерасширяемых записей, не вносит никаких накладных расходов – у них нет виртуальной таблицы, и связанные процедуры ничем не отличаются от обычных кроме более удобной формы записи. А вот как выглядит ие рархия расширяемых типов:

TYPE Vehicle =

Abstract

RECORD (* Транспортное средство *) x, y, v: REAL;

END;

Car = EXTENSIBLE RECORD (Vehicle) (* Автомобиль *) wheels, doors: INTEGER END;

Bus = RECORD (Car) (* Автобус *) number: INTEGER END;

При объявлении типов-записей могут использоваться дополнительные модификаторы:

EXTENSIBLE (расширяемый), ABSTRACT (расширяемый абстрактный, то есть, нельзя создать экземпляры), LIMITED (не может быть создан за пределами модуля, в котором объявлен.

Внешние модули могут работать с экземплярами типа только через уже выделенные указатели).

Указатель (или VAR-параметр процедуры) базового типа можно привести к расширенному с помощью преобразования типа, после чего с ним можно работать как с расширенным:

PROCEDURE PolymorthDemo (VAR v: Vehicle);

BEGIN v(Bus).number := END PolymorthDemo;

Однако подсистема времени выполнения проверит динамический тип переменной v и до пустит данное преобразование только в том случае, если в процедуру действительно был пере дан параметр типа Bus. В противном случае будет сгенерировано исключение.

Динамический контроль типов. Динамическая типизация в КП поддерживаются на ос нове механизма тегов – каждый экземпляр записи имеет тег своего типа, по которому его мож но однозначно идентифицировать и получить о нем всю информацию. Такие проверки выпол няет сама подсистема времени выполнения, например, при преобразованиях типов. Однако не менее полезно явное использование программистом этой информации (так называемой RTTI – run-time type information). Простейшая возможность - проверка принадлежности переменной какому-либо типу: x IS SomeType. Есть и более удобная форма IS, совмещающая проверку с приведением - оператор WITH, но на нем мы останавливаться не будем. Конкретные среды КП обеспечивают весь спектр возможностей метапрограммирования: позволяют во время выпол нения анализировать содержимое подключаемых модулей, работать с неизвестными на этапе компиляции типами, переменными и процедурами и т.д. – эти возможности обычно предостав ляются библиотеками.

Реализации языка. Реализаций КП не так много, как его предшественника Оберона- (для которого создано несколько десятков компиляторов). Промышленным качеством обладают две их них: BlackBox Component Builder и Gardens Point Component Pascal (GPCP). GPCP – раз работка Австралийского технологического университета. Компилирует как для платформы.NET, так и для Java Virtual Machine. Интегрируется со средами разработки Visual Studio и Eclipse. См. [4].

III. Среда разработки BlackBox Component Builder BlackBox [3] – промышленная среда разработки от Oberon Microsystems. Отличается ис ключительной гибкостью, стабильностью работы и нетребовательностью к ресурсам. Легла в основу ОС реального времени JBed. Активно используется швейцарскими и российскими ядер ными физиками (CERN и ИЯФ РАН, [5]). Существуют версии для Windows и MacOS. В на стоящее время в ИЯФ РАН разрабатывается версия под Linux, в том числе для распределенных вычислений на кластерах. Активно продвигается в школьном образовании как замена общерас пространенному Turbo Pascal (см. проект Информатика-21, [5]). По потенциальным возможно стям BlackBox можно сравнивать c.NET, он воплощает те же передовые концепции программ ной инженерии. Однако, если BlackBox прост и изящен, то.NET продолжает традиции гро моздких и перенасыщенных второстепенными возможностями систем. Сам за себя говорит тот факт, что размер среды BlackBox в распакованном виде - 30 Мб, а без интерфейсов автоматиза ции к MS Office - 17 Мб. Среда устанавливается простым копированием. Итак, что же входит в эти 17 Мб?

1. Компилятор языка Компонентный Паскаль, дающий на выходе быстрый код, не усту пающий компиляторам Си.

2. Ядро времени выполнения: динамический контроль типов, сборщик мусора, загрузчик модулей, выполняющий загрузку и связывание "на лету".

3. Компилятор Direct-To-COM - получил в 2000 году на выставке CeBIT приз за техноло гическое совершенство. Позволяет разрабатывать сервера и клиенты COM на Компонентном Паскале. Полностью скрывает внутренние механизмы COM за системой типов языка. Уникаль ная особенность: для COM-объектов полностью поддерживается сборка мусора, избавляющая программиста от необходимости вести подсчет ссылок.

4. Система метапрограммирования - позволяет во время выполнения символически обра щаться к модулям и разбирать их содержимое, связывать процедуры, размещать переменные и т.п. Возможности аналогичны соответствующим библиотекам.NET.

5. Среда графического интерфейса, построенная на концепции составных документов (расширении OLE). Документы динамически связываются с программными модулями. Доку ментами в BlackBox являются:

а) визуальные формы и диалоги. Элементы управления связываются с проце дурами и переменными-интеракторами "на лету".

б) текстовые документы, в том числе тексты программ (в текст могут быть встроены и формы, и элементы управления).

6. Возможности текстовой подсистемы BlackBox эквивалентны мощным текстовым про цессорам. Важно, что они легко доступны во время выполнения. Это незаменимо для бизнес приложений, которым необходимо генерировать отчеты.

7. Подсистема SQL обеспечивает доступ к базам данных через ODBC. Можно напрямую работать с переменными-записями в SQL-запросах (SQL-препроцессор основан на мета механизме среды).

8. Исходные коды системы.

9. Документация, в настоящий момент полностью переведенная участниками проекта Ин форматика-21 на русский язык.

Приложения, созданные на BlackBox, можно поставлять как в виде отдельных загружае мых модулей с exe-файлом - ядром (80 Кб) либо в статически скомпонованном виде. Можно исключить все ненужные подсистемы (даже ядро со сборщиком мусора) и получить традици онные EXE и DLL размером от 30 Кб. Существует также инструментарий, позволяющий разра батывать на BlackBox Web-приложения.

Интересная особенность: в BlackBox отсутствует пошаговый отладчик. Его использование в Оберон-сообществе признано плохим стилем программирования. Необходимости в нем прак тически нет, т.к. Оберон-парадигма делает упор на написание изначально правильного кода. На практике этап отладки значительно сокращается (вместо 40% времени разработки в случае С++ он занимает около 10% для КП). Вместо пошагового отладчика предлагается так называемый дамп-отладчик, позволяющий после сбоя просмотреть состояние памяти, удобно перемещаясь между статическими и динамическими структурами. Уникальной особенностью является уме ние дамп-отладчика работать также и с объектами COM. Также в среду входит статистический профилировщик, позволяющий выявлять в программах узкие места по быстродействию.

Литература 6. Szyperski С. Component Software. Beyond Object-Oriented Programming, Addison Wesley Longman, 1998.

7. Pfister C., Component Software - Русский перевод: Ермаков И.Е., см. [3], раздел “Статьи”.

8. http://blackbox.metasystems.ru – BlackBox в российской ИТ-индустрии и образовании.

9. http://www.plas.fit.qut.edu.au – компилятор GPCP.

5. http://www.inr.ac.ru/~info21 – проект Информатика-21.

BlackBox в образовании. Проект Информатика- Уже несколько лет в ряде российских ВУЗов и школ BlackBox применяется для обуче ния программированию. В сентябре 2001 года стартовал проект Информатика-21 [1]. «Его главная цель — координация усилий реальных специалистов науки, образования, аэрокосмиче ской промышленности и ИТ-индустрии на постсоветском пространстве по созданию единой современной системы преподавания фундаментальных основ программирования, опирающейся на наши уникальные образовательные и математические традиции». В настоящий момент уча стниками проекта Информатика-21, использующими BlackBox в образовательном процессе, яв ляются, в порядке присоединения:

- физический ф-т МГУ, спецкурс "Введение в современное программирование" (Ф.В.

Ткачев);

- лицей Научного центра РАН в г. Троицк, эксперимент по преподаванию программиро вания в формате обычного школьного курса информатики (Н.П. Кучер);

- межшкольная группа «Лидер» для одаренных детей при ГорУО г. Стрежевого Томской области (А.И. Попков);

- Ошский технологический университет (г. Ош, Кыргызская Республика), новаторская программа систематического обучения программированию на основе ETH Oberon под ОС Linux с использованием проектов open source (Кубанычбек Тажмамат уулу);

- Орловский государственный университет, экспериментальный курс "Элементы абст рактной и компьютерной алгебры" для студентов учительских специальностей ОГУ (Б.В Рюм шин);

- лицей №1 им. М.В. Ломоносова г. Орла, спецкурс «Программирование и дискретная математика»;

- Московский авиационный институт (МАИ), факультет прикладной математики и физи ки. В рамках курса "Системное и прикладное обеспечение", в теме "Методы комплиляции" изу чаются Оберон, Компонентный Паскаль и среда BlackBox как образец системы программиро вания;

- широкомасштабный эксперимент по внедрению Компонентного Паскаля в средних школах Витебской области (Республика Беларусь). Руководитель проекта — А.Б. Кондратович, нач. отдела Витебского областного института повышения квалификации учителей.

Авторский спецкурс «Программирование и дискретная математика» в лицее №1 г. Орла Ермаков И.Е.

В сентябре 2004 года, я пришел в лицей №1 г.Орла, чтобы вести спецкурс информатики для одаренных школьников. Лицей №1 - одно из лучших учебных заведений г. Орла, ученики которого стабильно занимают призовые места на олимпиадах области, как по естественным, так и по гуманитарным наукам. Не имея возможности и желания брать на себя общеобразователь ный курс информатики, я поставил своей целью создать спецкурс для 9-11 классов, который мог бы удовлетворить интерес одаренных школьников к информатике и подготовить их к даль нейшему получению профессии, связанной с программированием.

Моим глубоким убеждением является то, что преподавание любого предмета необходи мо строить от основ, от общего к конкретному, а не наоборот. Поэтому я отношусь неодобри тельно к попыткам "облегчить" школьный курс исключением "сложных вещей" и добавлением на их место "практически полезных навыков". Любой курс программирования, построенный по принципу "для чайников", облегчая первое знакомство с предметом, на порядок затрудняет серьезное его освоение, по сути, обрекает учащегося оставаться этим самым "чайником". При мером является курс Угриновича, построенный на использовании среды Visual Basic. В этом курсе основной акцент сделан на построении визуальных интерфейсов в среде быстрой разра ботки. Однако, чтобы эффективно использовать такие среды, необходимо знать хотя бы основы теории, такие, как принципы ООП. Понять суть, преимущества и недостатки ООП невозможно без знакомства со структурным императивным подходом и хотя бы небольшого опыта в напи сании программ "старыми" методами. Изучение же ООП по языку, который реализует его крайне неполноценно и при этом стимулирует написание программ, нарушающих основные структурные принципы, представляется большой ошибкой. Алгоритмика же в подобных курсах почти не представлена, то есть, программирование сводится к созданию интерактивной графи ки. Хотя бы начального понимания того, как технически поддерживается GUI, и какие уровни абстракции от оборудования были выстроены для того, чтобы сделать возможным "программи рование для чайников", здесь также не прививается.

Альтернативой "легкому" могли стать два пути: технический и абстрактный. В первом случае можно идти от оборудования, поэтапно показывая, как слои абстракции позволяют ре шать с помощью компьютера все более сложные задачи. Второй путь делает ставку на исполь зование абстракций языков высокого уровня для решения прикладных задач (например, из об ласти математики, физики), учит использовать компьютер в качестве инструмента познания, вскрывает связи информатики с математикой и естественными науками. У каждого пути есть свои преимущества. В 2004 году мною был выбран первый путь, во многом из-за того, что сам я по складу больше инженер, нежели математик, и занимался разработкой в основном системного ПО. Замечу, что после долгого использования Delphi я перешел на С++, и он некоторое время казался мне удачным и удобным для использования. Однако знакомство с такими языками, как Ada и Oberon, радикально изменило мои предпочтения.

В качестве языка программирования использовался Borland Pascal 7.0. Курс включил в себя основательное изучение архитектуры IBM PC и ее программирования в реальном режиме.

При знакомстве со структурами данных акцент, с одной стороны, делался на их абстрактном смысле, с другой - на их физическом представлении в памяти. Понимание того, что прежде чем учить принудительно нарушать типизацию, полагаясь на особенности архитектуры, следует научить ее правильно использовать, пришло ко мне не сразу. Изучение таких рудиментов, как программирование клавиатуры и экрана через BIOS, теперь уже представляется совершенно излишним, хотя на этом была построена значительная часть практикума, завершавшегося соз данием игры "тетрис". Тем не менее, широкому набору алгоритмов сортировки, конечным ав томатам как механизму разбора строк, работе с динамическими структурами было уделено внимание. Однако сочетать в рамках спецкурса науку и технику без ущерба для обоих оказа лось невозможным. Тем более, стало ясным, что технические нюансы способными школьника ми воспринимаются достаточно легко и, несомненно, могут быть освоены при необходимости самостоятельно, а вот теория вызывает либо трудности, либо нежелание ей следовать.

Стала очевидной необходимость кардинально перестроить курс. Основным его содержа нием должно стать программирование в абстракциях, направленное на решение алгоритмиче ских задач.

После знакомства с BlackBox мне стало ясно, что эта среда может стать прекрасной ос новой для школьного образования. Кроме того, что в ее основе лежит истинно алгоритмический язык - Компонентный Паскаль, она позволяет создавать современное ПО так же легко, как рас пространенные среды быстрой разработки, но в отличие от них не побуждает прикладного про граммиста строить структурно неграмотные программы. Также среда, которая обладает уни кальной расширяемостью и предоставляется в исходных текстах, не закрывает наглухо от лю бознательного программиста детали низкоуровневой реализации и позволяет поэтапно углуб ляться в них. Исходные коды, написанные в безупречном стиле, достойном Вирта и Дейкстры, являются "живым" примером того, как следует правильно создавать большие программные комплексы. Их изучение может принести гораздо больше пользы, чем чтение многих книг "для профессионалов". Как только Оберон получит распространение в высшем образовании и про граммной индустрии, то неоспоримым преимуществом явится то, что студент и затем разработ чик сможет использовать тот же язык и среду, с которых начинал обучение, без необходимости осваивать множество откровенно неудачных инструментов, используемых в бизнес программировании.

На 2005-2006 учебный год мною поставлена цель апробировать среду в школьном обра зовании и создать полноценный курс "Программирование и дискретная математика для школь ников". Вторая составляющая курса даст не только теоретическое понимание многих проблем, встающих перед программистом, но и алгоритмические задачи для обучения программирова нию на языке высокого уровня. Были включены разделы математической логики, комбинатори ки и теории графов. Следует отметить, что решение многих задач, требующих динамического распределения памяти, в BlackBox значительно облегчается наличием автоматического сбор щика мусора.

В сентябре 2005 года мной был завершен перевод на русский язык тех частей докумен тации, которые не были переведены участниками проекта "Информатика-21". Наличие русского перевода и возможность использовать русские идентификаторы становится еще одним пре имуществом, поскольку не многие среды разработки могут этим похвастать. Польза от англоя зычных сред в плане изучения технического английского достаточно относительна. Большин ство учащихся не стремится совершенствовать знание языка, а просто-напросто игнорирует англоязычные источники инофрмации. В конце концов, национальная школа информатики должна быть действительно национальной, и преимущество работы с родным языком неоспо римо.

По прошествии шести месяцев уже можно подвести некоторые итоги. BlackBox иде ально подошел для преподавания программирования в школе. Стройный и прозрачный язык не содержит никаких подводных камней или непоследовательностей, которые усложнили бы вос приятие материала. При том, что Компонентный Паскаль – новейший язык последнего поколе ния, он оказывается более простым для изучения, чем классический Паскаль. Сама среда позво ляет легко создавать графические интерфейсы, не требуя для этого знания ООП – это позво ляет использовать для ввода-вывода оконные интерфейсы начиная с самых первых занятий. В то же время концепции интерфейса BlackBox предполагают очень четкое разграничение поль зовательского интерфейса и основной логики программы. Фактически, программный модуль ничего не знает о том, что к нему будет подключена графическая форма, все связывание и об работку событий выполняет динамически среда. Это позволяет избежать свойственного Visual Basic и Delphi порочного стиля, который так легко усваивают самоучки: «кидание контролов» на форму и затем размазывание кода по обработчикам событий. Удачная концепция ООП как расширения структурного программирования, без введения ненужных понятий-синонимов класса и объекта, сделала возможным объяснение ООП в рамках одного занятия.

Учащимися 11 класса А.Кимом, М.Щербиной и А.Пионтковским был реализован творческий проект на тему трехмерной машинной графики «Система топографического моде лирования городской местности». Учащимися были самостоятельно изучены методы трехмер ных построений, на основе чего написана система, строящая изометрическую проекцию город ских зданий по описанию на языке XML. Библиотеки 3D-графики не использовались, расчет и построение ведется по собственным алгоритмам. Программа была представлена в Москве на Конференции одаренных школьников Intel-Авангард-2006. На городской олимпиаде 2006 года учащиеся лицея заняли 1 место среди 11 классов (А. Ким) и 2 место среди 10 классов (А. Ды рив).

Нами разрабатывается учебный комплекс, состоящий из 3 блоков:

1) Начальный курс алгоритмики на основе собственной алгоритмической среды ШАР (Школьный Алгоритмический Расширяемый). В качестве алгоритмического языка используется подмножество Компонентного Паскаля, в точности соответствующее языку КуМир. Поскольку ШАР создается в среде BlackBox, он является расширяемым, то есть, пользователи смогут до писывать свои модули – исполнители и алгоритмические игры. Проект будет распространяться в исходных кодах, что должно привлечь к его развитию заинтересованную общественность.

Основную часть работы по созданию ШАРа будут выполнять старшеклассники лицея №1.

2) Базовый курс «Программирование и дискретная математика» - основа уже заложена в 2004-2006 годах;

3) Курс для 11-классников «Основы программного конструирования». Цель – знаком ство с основными аспектами программирования «в большом», формирование инженерного мышления, способности проектировать и реализовывать программные системы.

Ссылки 1. http://www.inr.ac.ru/~info21 – сайт проекта Информатика- 2. http://blackbox.metasystems.ru – BlackBox в России 3. http://lyceum.metasystems.ru – сайт лицея №1 г. Орла 4. http://webring.metasystems.ru – web-кольцо «Орел: Наука, техника, образование» Проект "1C:Образование" - критический взгляд Ермаков И.Е.

Недавно имел возможность ознакомиться с диском "Вычислительная математика и про граммирование - 10-11 классы", который выпущен фирмой 1С совместно с Microsoft. На нем стоит гриф "Подготовлено по заказу Министерства образования РФ". Как написано в readme файле, "образовательный комплекс выполнен в рамках конкурсов по федеральной целевой про грамме "Развитие единой образовательной информационной среды (2001-2005 гг.)", проводи мых Министерством образования России, и конкурса, проводимого Национальным фондом подготовки кадров (на заем Всемирного банка), и успешно прошли апробацию в передовых школах. Большинство продуктов серии "1С:Школа" получили гриф "Допущено Министерством Образования РФ в качестве учебного пособия". Эти диски сейчас поставляются во все школы России. Пришел такой и в лицей №1 г. Орла, в котором идет наш спецкурс "Современное про граммирование и дискретная математика" на Компонентном Паскале.

Первое, что бросилось в глаза и вызвало интерес, - это само название диска. При том, что школьная информатика сегодня выхолощена почти до пользовательского курса, формулировка "Вычислительная математика и программирование" звучала оптимистично. Сейчас в школьном физико-математическом образовании случились некоторые положительные сдвиги - возвраще на в школьный курс комбинаторика и классическая теория вероятностей. Это открывает про стор для преподавания программирования на новом уровне, в тесной связи с математикой. По этому диск от 1С сразу был отложен для внимательного изучения.

1. Платформа 1С "Образование" Решая поставленную Министерством задачу - создать школьный образовательный пакет, 1С пошла по уже накатанной колее. Была сделана общая платформа "Образование", для кото рой выпускаются конфигурации по отдельным предметам.

Также на диске поставляется управленческая программа "Хронограф-Школа", конфигура ция для 1С"Предприятие", которая предназначена для автоматизации работы директора, завхоза и классных руководителей (нам кажется, что эта конфигурация не приживется в школах, хотя бы в силу нехватки времени и желания у учителей и директоров для освоения громоздкой платформы "Предприятие". Несомненно, нужно было нечто более легкое и доступное).

В программе "Образование" 1С попыталась создать универсальную систему управления содержанием, которая позволяет учителям накапливать, создавать и упорядочивать учебные и методические материалы. Система многопользовательская и сетевая, то есть, работать с ней может несколько учителей и множество учеников со своих рабочих мест. Как написано в доку ментации, при создании был использован "винегрет" технологий: Macromedia Flash - для пре зентаций и графики, СУБД Firebird, Java Beans, JDBC, SOAP. Тем не менее, работает все доста точно стабильно.

При создании собственных презентаций программа ограничивает учителя заранее создан ными шаблонами кадров, то есть, до возможностей MS PowerPoint, который уже прижился в школах, ей далеко.

Прграммисты выполнили свою работу хорошо, и технологически платформа вышла не плохой. На этом положительные впечатления заканчиваются. То, ради чего и создавалась плат форма, - содержание, может служить примером еще одной неудачной инновации в школьное образование. Не то, чтобы наполнение выполнено халтурно, - нет, свой замысел авторы вопло тили аккуратно и педантично. Но сам замысел явно не учитывал наличие учителей и учеников, которым придется с этим курсом работать.

2. Образовательные материалы Подход к представлению и оформлению материалов вызывает неприятное ощущение.

Слово "мультимедиа" создателями множества подобных курсов трактуется удивительно про сто: яркое и утомляющее глаза цветовое оформление, смазанные презентации на градиентном фоне, много картинок, сопровождаемых маленькими блоками текста, которые грустным и за думчивым голосом читаются диктором. (Авторам явно невдомек, что при подаче научного ма териала лучше всего воспринимаются контрастные черно-белые схемы из прямых линий. Для объяснения же сложных моментов вообще нет ничего лучше доски и мела. Спросите у систем ных архитекторов ПО - что они используют при обсуждении новой разработки? Мультимедиа проектор? Если не доску, то бумагу и карандаш.) Информационная насыщенность мультимедийного курса на порядок ниже даже не очень хорошего бумажного учебника. Если собрать весь текст, например, по вычислительной матема тике, едва ли наберется два десятка полноценных страниц. Хорошему учителю в сильном клас се будет очень трудно найти применение этим курсам. Разве что подобрать отдельные полезные фрагменты перед уроком. Единственное применение "образовательному комплексу" - заменить плохого учителя и хоть чем-то занять учеников на уроке. Не видел, но боюсь даже представить себе гуманитарные курсы - историю или литературу...

3. "Вычислительная математика и программирование" Итак, что из себя представляет "образовательный комплекс" по программированию? Со держательно в него входят четыре блока:

• "Вычислительная математика" • "Алгоритмика" • "Среда Visual Basic.NET" • "Среда Turbo Pascal" • "Среда Borland Delphi" • "Платформа 1C:Предприятие".

Каждый блок сделан в двух вариантах: А - облегченный и Б - "нормальный" (кавычки во втором случае мы поставили намеренно). Далее эти блоки скомпонованы в четыре курса (каж дый курс - в двух версиях: А и Б):

• Гуманитарный (Алгоритмика;

Visual Basic) • Социально-экономический (Алгоритмика;

1С:Предприятие;

Visual Basic) • Естественно-математический (Вычислительная математика;

Алгоритмика;

Turbo Pascal для облегченного курса и Visual Basic для "нормального").

• Информационно-технологический (Вычислительная математика;

Алгоритмика;

Turbo Pascal;

Visual Basic для облегченного курса и Borland Delphi для "нормального").

Что можно сказать относительно этих материалов? О блоке "Вычислительная математика" - ничего особенного. Кратко изложены особенности приближенных вычислений с веществен ными числами, понятие погрешности вычислений, построение графиков функций, решение уравнения f(x) = 0 методом половинного деления, численное интегрирование. Много цветной графики, претендующей на наглядность, текстовый материал достаточно беден. Предполагает ся, что ученики уже познакомились до 10 класса с языком программирования (QBasic).

Блок "Алгоритмика" содержит очень много воды. Поражает, с каким упорством по сей день преподаются блок-схемы, окончательно устаревшие в 70-х годах с рождением структурно го программирования. Мало-мальски сложная программа, содержащая более 10 строк, в виде блок-схемы читается гораздо хуже, чем в виде правильно офрмленного листинга на структур ном языке (например, Паскале). Блок-схемы - это "костыли" для неструктурных языков, кото рые сегодня уже не используются.

Интересно звучат подобные перлы: "Язык блок-схем настолько четок, что исполнитель, получивший блок-схему алгоритма, ни в каких дополнительных разъяснениях не нуждается.

Кроме естественного языка и языка блок-схем, существует еще один способ записи алгоритма – это запись на языке программирования."

"На практике представляют интерес те методы сортировки, которые позволяют экономно использовать оперативную память компьютера при упорядочивании больших массивов и в то же время быстро достигать конечного результата. Это метод выбора, метод вставки и метод об мена (иначе называемый методом пузырька)". В школе преподавание алгоритмов сортировки действительно следует начинать с этих алгоритмов, но такая явная глупость, как утверждение об их практическом интересе в связи быстротой, можно приписать только вопиющей некомпе тентности. Нам, например, не известен алгоритм сортировки, более медленный и бесполезный для больших сортировок, нежели метод пузырька... Может быть, честь его изобретения принад лежит авторам курса от 1С?

Краткий обзор языков программирования завершается схемой сегодняшней ситуации с "наиболее распространенными" языками программирования: BASIC => Visual Basic Pascal => Borland Delphi Составление алгоритмов на естественном языке => 1С Предприятие. Как гово рится, без комментариев...

Блок "Turbo Pascal" содержит обычный курс программирования в этой среде, 14 уроков.

Описаны основные операторы (условный, циклов), работа с различными типами. И заключи тельный штрих - работа с графикой (куда без нее?) и вызовы процедур. Ни словом ни затрону ты принципы структурного программирования, записи, работа с файлами. Да и зачем? Школь ников ждут гораздо более важные вещи - рисование окошек в Visual Basic и конфигурирование 1C.

Остальные блоки - Visual Basic, Delphi и 1С построены по принципу "щелкните мышкой туда и туда, посмотрите, что получится, запомните, но не думайте, почему это так", потому что научить школьников работать в профессиональных средах за 12 уроков просто невозможно.

На первых 2 урока курса по Visual Basic (не считая самого начала, посвященного откры тию среды и компиляции) излагаются: объектно-ориентированный подход и событийно управляемая модель программирования. Затем описывается работа с формами, и только на уроке изучается оператор присваивания. Как могут понять и научиться использовать ООП школьники, не знакомые со структурным программированием? Не говорим уже о событийно управляемом программировании... (Видимо, авторы курса просто убеждены, что это - изобре тение Microsoft, впервые примененное в Visual Basic.) За этими двумя формулировками стоят десятилетия исследований и технического поиска. Объяснить ООП на первом занятии, может быть, и можно, в самом объектном взгляде на мир нет ничего сложного, но невозможно понять, какую роль оно играет в создании технических систем, каковы его преимущества и недостатки, если перед этим не написать хотя бы несколько небольших программ в структурном стиле. Мы в нашем спецкурсе в Орле даем ООП только в 11 классе, после того, как за спиной у учащихся уже были такие самостоятельные проекты, как простая база данных, игра "Тетрис" и т.п.

Блок по Delphi выстроен аналогично. Единственное отличие в том, что венчают его три урока по работе с базами данных: "Программирование модулей. управляющих базами данных".

Нет спору, навык неплохой, но как научить ему за три урока школьников, в предыдущих знани ях которых (благодаря тому же курсу от 1С) к тому есть большие пробелы, если те же три урока придется посвятить общему знакомству с отраслью СУБД и основными понятиеми реляцион ной модели?

Собственно, обучения построению программ и решению технических задач в курсе вы не найдете. Это - одна большая презентация, за которой ничего нет. Презентация либо на слайдах, либо на примерах, когда учащемуся говорят: "сделай то и это и посмотри, что получилось!" Та кой подход не приводил к успеху даже в относительно простом TurboPascal, не говоря уже о современных средах разработки.

Что можно сказать про попытки преподавать в школе Visual Basic и Delphi? На VB даже останавливаться не будем - если сравнивать с Delphi, то у него нет ни одного весомого пре имущества. Зато среда и язык прививают плохой стиль, построены совершенно сумбурно.

Сколько потом усилий придется потратить в ВУЗах на инженерных специальностях, чтобы пе реучить юных "рисовальщиков окошек"? Единственный способ переучить пользователя (по другому не назовешь) Visual Basic на профессионального программиста - заставить забыть все, чему научили в школе.

Что касается Delphi, то, при всем нашем уважении к этой замечательной среде, надо ска зать, что для начального обучения программированию она не особенно подходит. Единствен ный способ - начинать с написания консольных приложений, заменив на этом этапе старый TurboPascal. В среде Delphi есть большая концептуальная ошибка - слишком тесная связь логи ки и интерфейса разрабатываемых программ. Это проявляется, например, в наличии большого количества так называемых невизуальных компонентов - объектов, которые имеют системное назначение, но при этом являются наследниками TComponent и кладутся на формы так же, как, например, кнопки. Но, скажите мне, какое отношение имеет сокетное TCP/IP-соединение к пользовательскому интерфейсу? Это все равно, что монтировать блок развертки телевизора на его переднюю панель...

Для опытного Delphi-программиста это проблемы не представляет, он просто создает те же самые объекты динамически, ему никогда не взбредет в голову кидать их на форму. Но сре да почему-то изначально пропагандировала именно такой, по сути своей, неправильный под ход. А если еще авторы учебника, вместо того, чтобы подвести к разработке графических при ложений поэтапно, только после написания серьезных учебных программ без GUI, в структур ном стиле, и вместо объяснения, "что такое хорошо и что такое плохо", сразу же начинают по казывать, где надо щелкать мышкой и в какой обработчик события надо вписывать полезный код? А как потом отучить бывших школьников, которые все "ухватили на лету", писать основ ной код в обработчиках событий и приучить разносить логику программы и ее интерфейс по разным модулям? Спортсмены и учителя музыки знают, что если сразу не научить правильной технике, приобретенные даже способным самоучкой ошибочные привычки могут остаться на всю жизнь.

Но главная проблема, по которой эти среды графической разработки нельзя брать для на чального обучения программированию, заключается в том, что даже для самой простой окон ной программы требуется знание ООП. А, как мы уже сказали, преподавать ООП без предвари тельного формирования навыков структурного программирования - безумие. Можно ли решить эту проблему? Действительно, любая современная реализация GUI построена на ООП. Однако при внутреннем объектном устройстве системы можно предложить гораздо более простой под ход для того, кто создает на ее основе программы. Такой подход, например, предлагает среда BlackBox.

В целом про курс можно сказать одно: не оставляет ощущение, что его делали бухгалтера из финансового отдела 1C, а не инженеры и тем более не математики.

4. Сложность или сумбурность?

В последние годы завоевал признание тезис, что школьное образование классического ти па слишком сложно, и его надо упрощать. При этом происходит парадоксальная вещь: при уп рощении и введении новых, "приближенных к практике", "доступных" программ и учебников, сложность восприятия курса для нормального среднего школьника, у которого развита способ ность анализировать и делать выводы, возрастает. Все больше способных, иногда очень спо собных, учеников перестают учиться вообще. С чем это связано?

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.