Тема 6. языки программирования высокого уровня.

Основные понятия языков программирования. Развитие языков программирования. Структуры и типы данных языка программирования. Трансляция. Компиляция и интерпретация. Эволюция и классификация языков программирования.

Язык программирования (Я.П.) — формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна для исполнителя (например, компьютера). Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, используемых при составлении компьютерной программы. Он позволяет программисту точно определить то, на какие события будет реагировать компьютер, как будут храниться и передаваться данные, а также какие именно действия следует выполнять над этими данными при различных обстоятельствах.

Если Я.П. ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня.

К таким языкам относят язык Ассемблер, который представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью символьных условных обозначений, называемых мнемониками (конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассемблера).

Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, чем компьютеру (особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются).

Эволюция языков программирования. Я.П. делят на пять поколений:

Поколение 1. Входят языки, созданные в начале 50-х гг. (машиннозависимые языки, язык Ассемблер).

Поколение 2. Конец 50-х-начало 60-х гг. (Символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Возросли скорость разработки и надежность программ).

Поколение 3. 60-е гг. – 70-е гг. (Появились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решать задачи из любых областей. Качества таких языков: относительная простота, независимость от конкретного компьютера, возможность использования мощных синтаксических конструкций. Результат – повышение производительности труда программистов.) (Кобол –для экономической области, Pascal – универсальный ЯВУ (Н.Вирт), Basic

Поколение 4. Начало 70-х гг.- по настоящее время. (Языки 4-го поколения предназначены для реализации крупных проектов, повышения их надежности и скорости создания. – Проблемно-ориентированные языки). (C++-объектно-ориентированный С, Java – начло 90-х гг. – компиляция в платформо-независимый байт-код)

Поколение 5. Середина 90-х гг. (Системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Языки программирования для Интернета – скрипт-языки – HTML, Perl, PHP, XML).

Одним из важнейших признаков классификации языков программирования является принадлежность их к одному из стилей, основными из которых являются следующие: процедурный, функциональный, логический и объектно-ориентированный.

Процедурное (императивное) программирование является отражением архитектуры традиционных ЭВМ, которая была предложена фон Нейманом в 40-х годах. Теоретической моделью процедурного программирования служит алгоритмическая система под названием «машина Тьюринга».

Программа на процедурном языке программирования состоит из последовательности операторов (инструкций), задающих процедуру решения задачи. Основным является оператор присваивания, служащий для изменения содержимого областей памяти. Концепция памяти как хранилища значений, содержимое которого может обновляться операторами программы, является фундаментальной в императивном программировании.

Сущность функционального (аппликативного) программирования определена А. П. Ершовым как «… способ составления программ, в которых единственным действием является вызов функции, единственным способом расчленения программы на части является введение имени для функции, а единственным правилом композиции — оператор суперпозиции функции. Никаких ячеек памяти, ни операторов присваивания, ни циклов, ни, тем более, блок-схем, ни передачи управления».

Роль основной конструкции в функциональных языках играет выражение: К выражениям относятся скалярные константы, структурированные объекты, функции, тела функций и вызовы функций. Функция трактуется как однозначное отображение из X в X, где X — множество выражений.

Новую область — логическое, или реляционное программирование, — открыло появление языка PROLOG (Пролог) (PROgramming in LOGic — программирование в терминах логики). Этот язык был создан французским ученым А. Кольмероэ в 1973 году. В настоящее время известны и другие языки, однако наиболее развитым и распространенным языком логического программирования является именно Пролог. Так, имеется свыше 15 различных его реализаций на ПЭВМ. Языки логического программирования, в особенности Пролог, широко используются в системах искусственного интеллекта, рассматриваемых в данном учебном пособии.

Центральным понятием в логическом программировании является отношение. Программа представляет собой совокупность определений отношений между объектами (в терминах условий или ограничений) и цели (запроса). Процесс выполнения программы трактуется как процесс общезначимости логической формулы, построенной из программы по правилам, установленным семантикой используемого языка. Результат вычисления является побочным продуктом этого процесса. В реляционном программировании нужно только специфицировать факты, на которых алгоритм основывается, а не определять последовательность шагов, которые требуется выполнить. Это свидетельствует о декларативности языка логического программирования. Она метко выражена в формуле Р. Ковальского: «алгоритм = логика + управление».

Объектно-ориентированное программирование представляет собой метод программирования, который весьма близко напоминает наше поведение. Оно является естественной эволюцией более ранних нововведений в разработке языков программирования. Объектно-ориентированное программирование является более структурным, чем все предыдущие разработки, касающиеся структурного программирования. Оно также является более модульным и более абстрактным, чем предыдущие попытки абстрагирования данных и переноса деталей программирования на внутренний уровень.

Для перевода программы, написанной на языке высокого уровня, в соответствующую машинную программу используются языковые процессоры. Различают два вида языковых процессоров: интерпретаторы и трансляторы.

Интерпретатор — это программа, которая получает исходную программу и по мере распознавания конструкций входного языка реализует действия, описываемые этими конструкциями.

Транслятор — это программа, которая принимает исходную программу и порождает на своем выходе программу, записываемую на объектном языке программирования (объектную программу). В частном случае объектным может служит машинный язык, и в этом случае полученную на выходе транслятора программу можно сразу же выполнить на ЭВМ. В общем случае объектный язык необязательно должен быть машинным или близким к нему (автокодом). В качестве объектного языка может служить и некоторый промежуточный язык.

Для промежуточного языка может быть использован другой транслятор или интерпретатор — с промежуточного языка на машинный. Транслятор, использующий в качестве входного язык, близкий к машинному (автокод или язык Ассемблера) традиционно называют Ассемблером.

Транслятор с языка высокого уровня называют компилятором.

Литература: [1], с. 115-129; [2], с. 140-178.

Тема 7. Базы данных.

Базы данных. Системы управления базами данных и базами знаний. Объекты баз данных. Основные операции с данными. Назначение и основы использования систем искусственного интеллекта; базы знаний, экспертные системы, искусственный интеллект.

В настоящее время успешное функционирование различных фирм, организаций и предприятий просто не возможно без развитой информационной системы, которая позволяет автоматизировать сбор и обработку данных. Обычно для хранения и доступа к данным, содержащим сведения о некоторой предметной области, создается база данных.

База данных (БД) — именованная совокупность данных, отражающая состояние объектов и их отношений в рассматриваемой предметной области.

Под предметной областью принято понимать некоторую область человеческой деятельности или область реального мира, подлежащих изучению для организации управления и автоматизации, например, предприятие, вуз и.т.д.

Система управления базами данных (СУБД) — совокупность языковых и программных средств, предназначенных для создания, наполнения, обновления и удаления баз данных.

Система специальным образом организованных данных – баз данных, программных, технических, языковых, организационно-методических средств, предназначенных для обеспечения централизованного накопления и коллективного многоцелевого использования называется банком данных.

Основополагающими понятиями в концепции баз данных являются обобщенные категории «данные» и «модель данных».

Понятие «данные» в концепции баз данных — это набор конкретных значений, параметров, характеризующих объект, условие, ситуацию или любые другие факторы. Модель данных — это некоторая абстракция, которая, будучи приложима к конкретным данным, позволяет пользователям и разработчикам трактовать их уже как информацию, то есть сведения, содержащие не только данные, но и взаимосвязь между ними.

С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними. В зависимости от вида организации данных различают следующие важнейшие модели БД:

иерархическую
сетевую
реляционную
объектно-ориентированную

Реляционная БД получила свое название от английского термина relation (отношение). Была предложена в 70-м году сотрудником фирмы IBM Эдгаром Коддом. Реляционная БД представляет собой совокупность таблиц, связанных отношениями. Достоинствами реляционной модели данных являются простота, гибкость структуры. Кроме того ее удобно реализовывать на компьютере. Большинство современных БД для персональных компьютеров являются реляционными.

Коммерческие системы на основе реляционной модели данных начали появляться в конце 70-х – начале 80-х годов. В настоящее время существует несколько сотен типов различных РСУБД как для мейнфреймов, так и для микрокомпьютеров, хотя многие из них не полностью удовлетворяют точному определению реляционной модели данных. Примерами РСУБД для персональных компьютеров являются СУБД Access и FoxPro фирмы Microsoft, Paradox и Visual dBase фирмы Borland, а также R:Base фирмы Microrim.

Благодаря популярности реляционной модели многие нереляционные системы теперь обеспечиваются реляционным пользовательским интерфейсом, независимо от используемой базовой модели.

Реляционная модель основана на математическом понятии отношения, физическим представлением которого является таблица. Атрибут — это поименованный столбец отношения.

Домен – это набор допустимых значений для одного или нескольких атрибутов.

Элементами отношения являются кортежи, или строки, таблицы. Кортеж – это строка отношения. Кортежи могут располагаться в любом порядке, при этом отношение будет оставаться тем же самым, а значит, и иметь тот же смысл.

Описание структуры отношения вместе со спецификацией доменов и любыми другими ограничениями возможных значений атрибутов иногда называют его заголовком (или содержанием (intension)). Обычно оно является фиксированным, до тех пор пока смысл отношения не изменяется за счет добавления в него дополнительных атрибутов. Кортежи называются расширением (extension), состоянием (state) или телом отношения, которое постоянно меняется.

Степень отношения определяется количеством атрибутов, которое оно содержит.

Отношение только с одним атрибутом имеет степень 1 и называется унарным (unary) отношением (или 1-арным кортежем). Отношение с двумя атрибутами называется бинарным (binary), отношение с тремя атрибутами – тернарным (ternary), а для отношений с большим количеством атрибутов используется термин n-арный (n-ary). Определение степени отношения является частью заголовка отношения.

Количество содержащихся в отношении кортежей называется кардинальностью отношения. Эта характеристика меняется при каждом добавлении или удалении кортежей. Кардинальность является свойством тела отношения и определяется текущим состоянием отношения в произвольно взятый момент.

Отношение обладает следующими характеристиками:

оно имеет имя, которое отличается от имен всех других отношений;
каждая ячейка отношения содержит только атомарное (неделимое) значение;
каждый атрибут имеет уникальное имя;
значения атрибута берутся из одного и того же домена;
порядок следования атрибутов не имеет никакого значения;
каждый кортеж является уникальным, т.е. дубликатов кортежей быть не может;
теоретически порядок следования кортежей в отношении не имеет никакого значения. (Однако практически этот порядок может существенно повлиять на эффективность доступа к ним.)

Записи в таблице могут зависеть от одной или нескольких записей другой таблицы. Такие отношения между таблицами называются связями. Связь определяется следующим образом: поле или несколько полей одной таблицы, называемое внешним ключом, ссылается на первичный ключ другой таблицы.

Типы связей. Существует три типа связей между таблицами.

Один к одному — каждая запись родительской таблицы связана только с одной записью дочерней. Такая связь встречается на практике намного реже, чем отношение один ко многим и реализуется путем определения уникального внешнего ключа. Связь один к одному используют, если не хотят, чтобы таблица «распухала» от большого числа полей. Базы данных, в состав которых входят таблицы с такой связью не могут считаться полностью нормализованными.

Один ко многим — каждая запись родительской таблицы связана с одной или несколькими записями дочерней. Например, один клиент может сделать несколько заказов, однако несколько клиентов не могут сделать один заказ. Связь один ко многим является самой распространенной для реляционных баз данных.

Многие ко многим — несколько записей одной таблицы связаны с несколькими записями другой. Например, один автор может написать несколько книг и несколько авторов — одну книгу. В случае такой связи в общем случае невозможно определить, какая запись одной таблицы соответствует выбранной записи другой таблицы, что делает неосуществимой физическую (на уровне индексов и триггеров) реализацию такой связи между соответствующими таблицами. Поэтому перед переходом к физической модели все связи многие ко многим должны быть переопределены (некоторые CASE-средства, если таковые используются при проектировании данных, делают это автоматически). Подобная связь между двумя таблицами реализуется путем создания третьей таблицы и реализации связи типа «один ко многим» каждой из имеющихся таблиц с промежуточной таблицей.

Литература: [1], с. 5-19; [2], с. 135-156.

Статьи к прочтению:

Макияж в Большом Городе 0+

Похожие статьи: