Matryoshka C. Lagindelat systemspråk

Låt oss försöka föreställa oss kemi utan Mendelejevs periodiska system (1869). Hur många element skulle man behöva ha i huvudet, dessutom i godtycklig ordning... (Då - 60.)

För detta räcker det att tänka på ett eller flera programmeringsspråk åt gången. Samma känslor, samma kreativa kaos.

Nu kan vi uppleva kemisternas känslor från 1800-talet, när de fick all sin kunskap, och lite till, i ett och samma periodiska system.

Boken "Matryoshka C. Det lagerbaserade systemet för programmeringsspråk" presenterar alla enheter av språket C som på en handflata. Det gör det möjligt att ordna dem, åtgärda föråldrad information och till och med precisera själva begreppet program.

I dag behöver information om programmering systematiseras mer än kemiska element gjorde för 150 år sedan.

Det första behovet är undervisning. Mendelejv började skapa sitt system när han stod inför frågan - vilket element ska man börja föreläsa om: O, H, N, He, Au… Han hade det lättare - han lärde de bästa - studenterna vid Sankt Petersburgs universitet. Men programmering undervisas redan i skolorna och kommer snart att börja i daghem.

Det andra behovet är en vetenskaplig metod. Med hjälp av det periodiska systemet upptäcktes nya element och information om gamla korrigerades. Det hjälpte till att skapa atommodellen (1911). Och så vidare.

Det tredje behovet är att precisera begreppet program.

Modern programmering har en fot fast i 50-talet av 1900-talet. Då var program enkla, men maskiner och maskinspråk var komplexa, så allt kretsade kring maskiner och språk.

Nu är det tvärtom: program är komplexa och primära, språk är enkla och sekundära. Detta kallas en tillämpad metod som alla verkar vara bekanta med. Men studenter och utvecklare fortsätter att övertygas om att allt fortfarande är likadant.

Detta för oss tillbaka till den första föreläsningen av privatdocent Mendelejv. Vad ska man säga till förstaårsstudenter? Var är sanningen? Det är frågan.

Boken "Matryoshka C. Det lagerbaserade systemet för programmeringsspråk" ger sitt svar. Den riktar sig inte bara till studenter, utan även till erfarna programmerare, eftersom det är de, alltså vi, som måste leta efter sanningen och förändra vår världsbild.

Nedan följer en sammanfattning av boken.

1. Inledning

År 1969 skapades programmeringsspråket C, som har blivit ett grundläggande språk inom programmering och fortfarande är det efter 50 år. Varför är det så? Framför allt eftersom C är en applikationens språk, som ger programmet ett mänskligt utseende istället för maskinellt. Denna prestation har fastställts av språk i C-familjen: C++, JavaScript, PHP, Java, C# och andra. För det andra är det ett kort och vackert språk.

Men oftast blandas själva C-språket ihop med maskinspråk, vilket komplicerar och förvränger dess uppfattning. En annan extremitet är att påtvinga språket en viss "filosofi": procedur-, objekt-, funktionell, kompilering, tolkning, typning och så vidare. Det tillför känslor, men hjälper inte att bättre beskriva språket.

Sanningen ligger mitt emellan, och för C-språket är det strikt mitt emellan den filosofiska och maskinella uppfattningen.

C-språket är inte självständigt; det underordnas vanlig tal- och skriftspråk och samtidigt styr det maskinspråket. Detta tillstånd beskrivs av Programmodell för språk, som enligt vilken programmet delas upp i tre underordnade typer: tal, kod, och kommandon. C-språket ansvarar för den andra, kodtypen.

Genom att definiera språkets plats i programmet kan informationen om det struktureras, vilket gör att Språksystemet i programmet, som presenterar C-språket i anda av Mendelejev-systemet – på en och samma sida.

Systemet är byggt med hänsyn till gemensamma applikationsspråk, vilket följer av deras språkliga underordning. En uppsättning enheter av Matryoshka C gör det möjligt att beskriva och jämföra olika språk, vilket skapade en rad Matryoshkas: C++, PHP, JavaScript, C#, MySQL, Python och så vidare. Det är både värdigt och korrekt att olika språk beskrivs av enheter från det grundläggande språket.

2. KAPITEL 1. Programmodell för språk. Förståeligt C

I det första kapitlet presenteras programmodell för språk, som återspeglar en applikationsbaserad ansats. Enligt den har programmet tre uppenbara sekventiella typer:

1. tala – direkt tal från programmeraren som löser ett problem,
2. kod – kodning av lösningen i matematisk form på C-språket (eller något annat)
3. och kommandon – direkt maskinkommandon.

Programmodellen för språk förklarar varför C är ett enkelt och förståeligt språk. C är byggt i enlighet med den mänskliga tal- och skrivstilen vi är vana vid.

Den första typen av program är programmerarens direkta tal. Talen motsvarar mänskligt tänkande. Nybörjare programmerare skriver program med hjälp av tal – först på ryska, sedan steg för steg översätter de handlingarna till kodspråk. Och just efter denna mall skapades programspråket C.

Programmerarens slutsatser, uttryckta i tal, omvandlas till ett numeriskt kodformat. Denna omvandling bör kallas reflektion, eftersom tal och kod har en gemensam natur (reflektion – födelse – släkt). Detta är helt uppenbart om man jämför det talade (till vänster) och kodformatet (till höger).

Det är intressant att reflektionen sker mycket enkelt – med bara två typer av uttryck.

Men den moderna beskrivningen av C-språket (från 1978) innehåller inte en tillräcklig lista med namn vare sig för att beskriva språket i allmänhet eller för uppgiften kring reflektion särskilt. Därför tvingas vi att vara kreativa och introducera dessa namn.

Valet av ord måste vara exakt och klart. För detta krävdes en särskild metod som kort uttrycks så här – strikt användning av modersmålet. För britterna skulle det vara engelska, men vi är inte britter. Så vi använder det vi har och kommer att försöka prata ryska.

Reflektion utförs av två typer av uttryck:

1. beräkning (Bc) – reflekterar förändringarna i egenskaperna hos föremålet. Egenskapen hos föremålet uttrycks med ett nummer, så handlingen över egenskapen innebär en handling över numret – en operation.
2. underordning (Uo) – reflekterar förändringen av handlingsordningen. Förebilden för Uo är det talade sammansatta meningen, därför inleds de flesta typer av Uo med underordnande konjunktioner som "om", "annars", "medan", "för". Andra typer av Uo kompletterar dem.

Förresten, kan du tro att det i beskrivningen av C inte finns något namn för uttrycken beräkning – de kallas bara "uttryck"? Efter detta är det inte längre förvånande att det saknas ett namn och förening för typen underordning, och även den allmänna bristen på namn, definitioner och generaliseringar. Allt detta beror på att den berömda K/R ("C Programming Language", Kernighan/Ritchie, 1978) inte är en beskrivning utan en handbok för språkets tillämpning.

Men man skulle verkligen vilja ha en beskrivning av språket. Så detta föreslås av Språksystemet i programmet.

3. KAPITEL 2. Lagerbaserat system. Kort C

Varje beskrivning måste vara exakt och ytterst kortfattad. I fallet med programspråk är en direkt beskrivning svår.

Här har vi ett program. Det består av moduler. Moduler består av underprogram och samlingar (structure). Underprogram består av individuella uttryck: deklarationer, beräkningar, och underordningar. Det finns hela tio typer av underordningar. Underordningar kopplar ihop undernivåer och underprogram. Det finns också flera deklarationer. I själva verket ingår deklarationer inte bara i underprogram och undernivåer, utan även i moduler och samlingar. Och de flesta uttryck består av ord som är så svåra att beskriva att de vanligtvis ges i två listor — de ursprungliga och härledda orden som man kommer att lära känna under hela studiet och användningen av språket. Låt oss lägga till detta skiljetecken och ytterligare ett antal uttryck.

I denna framställning är det svårt att förstå vem som står på vem.

En direkt hierarkisk metod för att beskriva språket skulle vara alltför komplicerad. Att leta efter kringvägar leder till en beskrivning av språket baserat på dess talande natur och den kommandonatur. På så sätt föddes det Skiktade systemet, delvis stämmer överens med Mendelejevs periodiska system, som också är skiktat. Som det visade sig 42 år efter dess publicering (1869) är periodiciteten i systemet kopplad till elektroniska skikt (1911, Bohr-Rutherford-modellen). Dessutom förenar det Skiktade och Periodiska systemet tabellplaceringen av alla enheter på en och samma sida.

Beskrivningen av språkenhet blir kortfattad — totalt 10 typer av uttryck och 8 typer av andra enheter, samt både innehållsmässig och visuell. Även om det kan verka ovanligt vid första bekantskapen.

Språkenheter är indelade i 6 nivåer:

1. ordnar — rader i tabellen
2. avdelningar — speciella grupper av typer (delar av den första raden)
3. typer — celler (huvudnivå av indelning)
4. övertyper — avgränsare av typer (sällsynt nivå)
5. typer — formler för enheter i botten av cellen eller separat
6. exempel — själva enheterna (endast för ord)

Exempel av ord beskriver ordbok — ett separat subsystem bestående av samma sex nivåer.

Den talande komponenten i språket C är ganska uppenbar, även om den fortfarande förtjänar en beskrivning. Å andra sidan är den kommandodel av språket just relaterad till hantering av kompilering, där en tredje typ av program skapas — kommandoprogrammet. Här kommer vi till den mest fängslande sidan av språket C — skönheten.

4. EFTERFÖLJANDE KAPITEL. Vacker C

C-språket ligger till grund för modern programmering. Varför? För det första på grund av att det bäst motsvarar språket. För det andra, eftersom det elegant kringgår begränsningarna i maskinell behandling av tal.

Vad föreslog C? Typ och lager.

Ordet "typ" är en översättning av det engelska ordet "type", vilket härstammar från det grekiska "prototyp" – "förbild". I svenskan fångar inte ordet "typ" helt innebörden av det uttryckta begreppet, utan blandas dessutom med den funktionella betydelsen "slag".

Ursprungligen löste typ en rent maskinell uppgift för beräkning, men blev sedan en startbana för födelsen av objektorienterade språk.

Lager löste omedelbart flera problem – både maskinella och tillämpningsbaserade. Därför börjar vi med att se på en uppgiftsorienterad typ och går vidare till ett flertalslager.

En av de obehagliga aspekterna av historisk programmering är att de flesta begrepp, inklusive grundläggande, ges utan definitioner. "Programmeringsspråket (namnet på floder) har ett heltal och ett flyttal ..." – och så fortsatte man vidare. Vad som menas med "typ" (typ) – behöver inte definieras, eftersom författarna själva inte helt förstår det och ska "klargöra". Om de trycks mot väggen, så ger de en otydlig och värdelös definition. Det hjälper mycket att gömma sig bakom utländska ord: för ryska författare är det bakom engelska (typ), för engelsmännen bakom franska (subroutine), grekiska (polymorfism), latinska (inkapsling) eller deras kombinationer (polymorfism ad-hoc).

Men detta är inte vårt öde. Vårt val är definitioner med lyft visir på ren ryska.

Typ

Typ är ett förbildande namn på storheten, som definierar 1) de egna egenskaperna hos storheten och 2) valet av operationer för storheten.

Ordet "typ" (slag) motsvarar den första delen av definitionen: "egna egenskaper hos storheten". Men den huvudsakliga innebörden av typen ligger i den andra delen: "valet av operationer för storheterna."

Utgångspunkten för att införa typ i C-språket är vanlig beräkning, till exempel addition.

Pappers matematik, skriven för hand eller tryckt, gör inget särskilt åtskiljande mellan typer av tal, vanligtvis antas de vara reella. Därför är deras bearbetningsoperationer entydiga.

Maskinell Matematik delar strikt upp tal i hela och bråktal. Olika typer av tal lagras på olika sätt i minnet och behandlas av olika instruktioner i processorn. Till exempel är instruktionerna för addition av hela och bråktal två olika instruktioner, som motsvarar två olika processorenheter. Men det finns ingen instruktion för att addera heltal och bråktal.

Tillämpad matematik, det vill säga programmeringsspråket C, delar upp typer av tal men förenar operationer: addition för hela och/eller bråktal anges med en och samma operator.

En tydlig definition av begreppet form gör att man också kan prata tydligt om två andra begrepp: störrelse och operation.

Störrelse och operation

Störrelse – det behandlade talet.

Operation – bearbetning av de ursprungliga storheternas värden (argument) för att få det slutliga talet (resultatet).

Störrelse och operation är sammanlänkade. Varje operation är en storlek, eftersom den har ett numeriskt resultat. Varje storlek är resultatet av att värdet överförs till en processorregister/från processorn, det vill säga – resultatet av operationen. Trots denna koppling är det fortfarande viktigt att kunna beskriva dem separat, även om det innebär att upprepa ett och samma ord i olika delar av ordförrådet, vilket också sker i ma3.

Den maskinella ansatsen delade alla tal som en programmerare använder i kommandon och data. Tidigare var både och både just tal, till exempel skrevs instruktioner med numeriska koder. Men i tillämpade språk slutade instruktioner att vara tal och blev ord och operationssymboler.. Endast "data" förblev tal, men det är absurt att fortsätta kalla dem så, eftersom när man går från maskinens till den matematiska synvinkeln är tal storheter som delas in i ursprungliga (data) och slutliga (sökta). "Okänt data" skulle låta dumt.

Instruktionerna delades också upp i två typer av handlingar: matematiska och tjänstehandlingar. Matematiska handlingar är operationer. Vi återkommer till tjänstehandlingar senare.

I programmeringsspråk som C blir de vanliga papper- och maskinbaserade entydiga, eller enskilda, matematiska operationerna nästan alla flerdimensionella.

Flerdimensionella operationer – flera identiska operationer med olika former av argument och olika, men liknande, handlingar.

Hela argument motsvarar en hel operation, decimaler – en decimal. Denna skillnad är särskilt tydlig vid division, när uttrycket 1/2 ger resultatet 0, istället för 0,5. Denna skrivning följer inte reglerna för papirmatematik, men C-språket strävar inte efter att följa dem (till skillnad från Fortran) – det spelar efter sina tillämpnings regler.

Vid blandning av heltal och decimaler aktiveras det enda korrekta konvertering av argumentvärden – en urvalstransformering av värdet från en form till en annan. Verkligen, vid addition av ett helt och ett decimaltal blir resultatet – ett decimaltal, så operationens form väljer konvertering av det hela argumentet till ett decimalt värde.

En rad operationer förblir inte flera, och enkla. Sådana operationer definieras endast för en typ av argument: resten av divisionen – hela argument, maskininläggning (bitoperationer) – naturliga heltal. Ma3 indikerar mångfalden av operationer med tecken (#^) som anger de former för vilka operationen är definierad. Detta är en viktig, men tidigare förbisedd egenskap hos varje operation.

Alla funktioner är godtyckliga enkla operationer. Undantaget är operatörer – parentesfria funktioner, inbyggda i språket (ursprungliga operationer).

Bistånd

Bistånd – en åtgärd som är kopplad till operationen.

Om man betraktar operationen som en huvudåtgärd, kan man utpeka två assisterande åtgärder som stöder operationen och skiljer sig från den. Dessa är 1) kontroll av variabeln och 2) underordning. Denna åtgärd kallas bistånd.

Här bör vi avvika och särskilt nämna de ryska översättningarna av läroböcker inom programmering. I texten K/R infördes ett nytt ord för att beskriva åtgärder statement (uttryck), vilket gjorde ett försök att separera begreppen maskinkommandon i olika åtgärder: 1) operation, 2) deklaration och 3) underordning (som kallas "kontrollstrukturer"). Detta försök begravdes av ryska översättare, som bytte ut "uttryck" mot "operatör", vilket:

1. blev en synonym till den maskinella termen "kommando",
2. visade sig vara en synonym till frasen "åtgärdstecken",
3. och fick även ett obegränsat antal ytterligare betydelser. Det blev alltså en liknelse till den engelska artikeln "uhh...".

Låt oss betrakta de följande åtgärderna, eller bistånd.

Kontroll av variabeln

Kontroll av variabeln (UP) — skapande/ta bort variabelceller.
UP sker implicit vid deklaration av en variabel, vilket redan skrivs av en annan anledning — för att ange mängden. Endast en typ hanteras uttryckligen. extra variabler genom funktionerna malloc() och free().

Det bör nämnas att implicita åtgärder är bekvämare att skriva, eftersom det överhuvudtaget inte kräver något att skriva, men svårare att förstå — de är svårare att beakta och tolka.

Underordning

Underordning — koppling/avkoppling av skiktavsnitt.

Språket C föreslog ett applicerbart sätt att styra ordningen av åtgärder — underordning, vilket återspeglar och utvecklar en sammansatt mening med tydlig uppdelning mellan huvuddel (underordnad mening) och bisats (avsnitt av nivå/subprogram).

Såväl deklaration som underordning är helt och hållet byggda på begreppet skikt.

Skikt

Skikt — är en begränsad enskiktsvaluppsättning av uttryck.

Skiktet har tydligt och implicit tagit på sig flera uppgifter samtidigt:

1. ordning av programmet,
2. begränsning av namns synlighet (implicit),
3. hantering av variabler (minnesceller) (implicit),
4. bestämning av bisatsavsnitt för underordning,
5. definiera funktioner och samlingar och andra.

I maskinspråk fanns det inte något begrepp om skikt, därför dök det inte upp i K/R, och om något inte fanns där — skulle det vara en heresi och otänkbarhet att införa det i efterföljande böcker. Därför dök begreppet skikt aldrig upp överhuvudtaget, även om det är extremt användbart och ganska uppenbart.

Utan skikt är det omöjligt att kort och klart förklara många åtgärder och regler för programmet. Till exempel, varför en enkel goto — som en treöring — är dålig, medan en komplicerad while är bra. Man kan bara maktlöst klaga, som Dijkstra gjorde (‘programmerares kvalifikation — en funktion som omvänt beror på hur ofta goto-operatorer används i deras program’. Kort sagt, bara idioter använder goto. Bevisnivå — Gud.) Visserligen är detta inte så farligt om dina böcker överhuvudtaget inte behöver förklara något, men som vi redan sagt, är det inte vårt öde.

Förresten kan man anta att Den Ritchie lämnade kvar goto som en nyckel för att söka efter ett visst obestämt begrepp, eftersom det inte fanns något behov eller skönhet i uttrycket goto. Men det fanns ett behov av en enkel och tydlig förklaring av de nya principerna i språket, som Ritchie inte ville ge, och som just bygger på begreppet. skikt.

Avvikelse

Avvikelse — en förändring av de vanliga egenskaperna hos det nya namnet.

Den mest viktiga avvikelsen är just relaterad till programmets lagrade egenskaper, och beskrivs med ett ord "static", som har olika betydelser i varje typ av lager.

5. SISTE KAPITEL. Gemensamma tillämpningsspråk

Tillämpningsspråk är formliga språk (som har en form, "typade"). De grundar sig på explicit eller implicit användning av formen. Här uppstår återigen en motsägelse: en explicit form — mer begriplig, men mindre praktisk, och vice versa.

(Tabellens layout finns inte än, så tabellen ges som en bild.)

Efter C:s utveckling gick tillämpningsspråken mot en ökning av deras formlighet. Den mest betydelsefulla för att förstå den höga graden av formlighet är den direkta efterkomman till C — språket C++. Det utvecklar idén om godtycklig tilldelning av operationer till värden och förverkligar den baserat på den C-liknande uttryckstilldelningen, vilken får det nya namnet — objekt. Men C++ är inte lika kortfattat och uttrycksfullt som C, på grund av överbelastning av nya typer av tilldelning och de regler som är kopplade till dem. Förresten, låt oss prata om "överbelastning".

Överbelastning och polymorfism

Ordet "överbelastning" (overload) är en föråldrad term från den maskinella metoden, som betecknar skapandet av flera operationer.

Maskinprogrammerarnas (systemprogrammerare) mångfald av operationer kunde mycket väl irritera: "Vad betyder den här symbolen (+): addition av heltal, addition av bråktal eller rent av förskjutning?! På vår tid skrev vi inte så här!" Därifrån kommer den negativa tonen i det valda ordet ("överdrift", "trött på"). För en tillämpningsprogrammerare är flera operationer hörnstenen, den viktigaste prestationen och arvet från C-språket, så naturliga att de ofta inte ens uppfattas.

I språket C++ mångfald spridningen har påverkat inte bara grundoperationer utan också funktioner – både separata och gemensamma i klasser – metoder. Tillsammans med flera metoder kom möjligheten till deras överskrivning i utvidgade klasser, vilket otydligt har kallats för "polymorfism". Kombinationen av polymorfism och överbelastning gav en explosiv blandning som delades upp i två typer av polymorfism: "äkte" och "ad-hoc". Att förstå detta kan bara göras trots de tilldelade namnen. Utländska namn har banat väg till ad.

En deklaration av typen "överbelastning" uttrycks bättre med ordet övedecklaration – en tilläggsdeklaration av en funktion med samma namn men med argument av annan typ.

En deklaration av typen "polymorfism" bör bättre kallas för överskrivning – en överskrivande deklaration i ett nytt utvidgande lager av en funktion med samma namn men med argument av samma typ.

Då blir det lätt att förstå att metoder med samma namn men olika typer (argument) – övedecklas, medan ett och samma typ – överskrivs.

Ryska ord löser problemet.

Startbana

Övervägandet av begrepp inom högtypade språk bekräftar vikten av att tydligt definiera grundläggande begrepp. Med en rätt beskriven C kommer studier av högtypade språk att bli lätta och trevliga.

Speciellt viktigt är det för implicita högtypade språk (PHP, JavaScript). För dem blir betydelsen av objekt (sammanställda typer) ännu mer framträdande än i C++, men själva begreppet typ blir otydligt och svårt att få grepp om. Ur bekvämlighetssynpunkt har de blivit enklare, men ur förståelse synpunkt – svårare.

Därför bör studiet av programmeringsspråk inledas med språket C och gå vidare i den ordning som språken i C-familjen uppstod.

Detta gäller också beskrivningen av språk. Olika språk har en överlappande eller mindre uppsättning typer än C. Antalet typer och exempel kan variera åt båda håll: C++ har fler typer än C, medan JavaScript har färre.

Språket MySQL förtjänar särskild omtanke. Tyckas vara – inget gemensamt, men det kan enkelt beskrivas med Matryoshka, och att lära känna det blir snabbare och enklare. Vad som är viktigt, med tanke på dess betydelse för webben – den centrala vägen inom modern programmering. Och där MySQL finns, finns även andra SQL. Ja, och alla möjliga Fortran-Pascal-Python beskriver också Matryoshka, så snart tid finns.

Så det väntar stora saker på oss – en praktisk beskrivning av språket C och en enhetlig beskrivning av de följande språken. "Våra mål är klara, uppgifterna bestämda. Låt oss arbeta, kamrater! (Vilt, långvarigt applåderande som övergår i en ovation. Alla reser sig.)"

Era åsikter kommer att lyssnas på med stort intresse, ert bidrag till skapandet av webbplatsen för matrjosjkor kommer att tas emot med stort tack. Mer utförlig information om boken finns på en webbplats, smart gömd i matrjosjkans C.

Källa: habr.com