Programozás elmélete

Átírás

1 Programozás elmélete

2 Programozás és program Programozás: folyamat, melynek során a feladat megoldását a számítógép számára érthető formában írjuk le. Program: a programozás eredménye, futtatható változatban (a szöveges változat: forráskód) interpretált program: soronként értelmezett, az értelmező (interpreter) beolvas egy utasítás-egységet a forráskódból, azt végrehajtja, majd újra olvas (általában lassú a futásuk, pl. Python alkalmazások) fordított (compiled) programok: egy speciális program a fordító (compiler) a forráskódból egy közvetlenül futtatható állományt készít (általában egy köztes állapoton keresztül, ún. linkeléssel, pl. C, C++, Pascal stb. nyelven írt alkalmazások) fordított és interpretált: ötvözi a kettő előnyeit, viszonylag gyors futás, ám a fordítási idővel nem kell törődni (pl. Java, Perl alkalmazások)

3 Amatőr és professzionális nyelvek Amatőr nyelvek interaktívak sok nyelvi elemmel rendelkeznek jellemző: gyors nyelvi fejlődés a programok szerkezete egyszerű speciális gépi tulajdonságokra épülnek Professzionális nyelvek jellemző: modularitás magas fokú stabilitás kevés nyelvi elem igen hatékonyak sok lehetőséggel bírnak gépfüggetlen kódot generálnak a kód átvihető más architektúrájú gépekre is

4 Emberközeliség Gépi nyelvek minden hardverlehetőség kihasználható a memóriacímeket a memóriakiosztást a programkódot A megírt programok gépközeliek önerőből kell megvalósítani közvetlenül a processzor utasításkészletére épülnek

5 Emberközeliség Alacsony szintű nyelvek géporientált nyelvek megjelennek a szimbolikus utasítások az azonosítók a címkenevek a feltételes vezérlésátadás fogalma az eljárások a visszatérések az adatokat deklarálni, definiálni lehet a tárhely ennek függvényében foglalódik le

6 Emberközeliség Alacsony szintű nyelvek megjelennek a makrók és a direktívák a közvetlen kódok helyett rövid, könnyen megjegyezhető szavakat alkalmazunk (mnemonikok) jobban áttekinthetők a címzési módok a programokba megjegyzéseket szúrhatunk be külön fordítható egységekkel dolgozhatunk

7 Emberközeliség Magas szintű nyelvek feladatorientáltak megjelenik a típus és a változó fogalma kifejezések kiértékelésével komoly számításokat lehet elvégezni egyszerűen megjelennek a ciklusok, elágazások eljárásokat, függvényeket tudnak használni komoly paraméterátadó mechanizmusokkal rendelkeznek

8 Nem típusos nyelvek Típusok használata ha létezik is a változó fogalma, ez nincs kötve semmiféle típushoz Típusos nyelvek megjelenik a típus fogalma, amely meghatározza, hogy a változó milyen értékeket vehet fel mekkora memóriatartományra van szüksége milyen műveletek végezhetők el vele stb. Szigorúan típusos nyelvek szigorú szabályok írják elő a típusok közötti átalakításokat, konverziókat

9 Csoportosítás alapelvek szerint Imperatív nyelvek eljárásorientált nyelv: a forráskód szövege részekre tagolható, melyeket eljárásoknak nevezünk; általában fordító programosak, csak ritkán interpreteresek. Pl. C, C++, Pascal, Fortran objektum-orientált nyelv: kielégíti az OOP alapelveket Pl. C++, Java, Perl objektum-alapú nyelv: az öröklés és a sokalakúság elvén kívül minden OOP alapelvet kielégít. Pl. JavaScript

10 Alapelvek szerint Imperatív nyelvek a Neumann architektúrához szorosan kötődő algoritmikus nyelvek a fő programozási egység az utasítás, és ezek egymásutánisága vezérli a processzort a tár bizonyos területén lévő értékeket módosíthatjuk változók a programozó mondja meg, hogy mit és hogyan kell csinálni

11 Az 5 Neumann-elv 1. A számítógép legyen soros működésű: a gép az egyes utasításokat egymás után, egyenként hajtja végre 2. A számítógép a kettes számrendszert használja, és legyen teljesen elektronikus: a kettes számrendszert és a rajta értelmezett aritmetikai ill. logikai műveleteket könnyű megvalósítani kétállapotú áramkörökkel 3. A számítógépnek legyen belső memóriája: a belső memóriában tárolhatók az adatok és az egyes számítások részeredményei, így a gép bizonyos műveletsorokat automatikusan el tud végezni

12 Az 5 Neumann-elv 4. A tárolt program elve: a programot alkotó utasítások adatként kezelhetők, a belső memóriában tárolhatók ezáltal a számítógép önállóan képes működni, hiszen az adatokat és az utasításokat is a memóriából veszi elő 5. A számítógép legyen univerzális: a számítógép különféle feladatainak elvégzéséhez nem kell speciális berendezéseket készíteni Alan Turing: az olyan gép, amely el tud végezni néhány alapvető műveletet, elvileg bármilyen számítás elvégzésére is alkalmas

13 Alapelvek szerint Háttérnyelvek és makrónyelvek nagyobb alkalmazások hátterében feladatokat valósítanak meg segítségükkel testre szabhatóak, könnyebben, gyorsabban vezérelhetők lesznek az alkalmazások Procedurális, strukturált nyelvek egy adott probléma megoldásának algoritmusát írják le

14 Alapelvek szerint Deklaratív nyelvek a matematikai logikára vagy függvényhasz-nálatra épülő nem algoritmikus nyelvek a programozó csak a megoldandó feladatot írja le, a megoldást magát, a rendszer végzi el nem létezik utasításfogalom a tárhely értékeit nem lehet módosítani nem léteznek adatok, vagy ezeknek teljesen más a szerepük általában értelmezőt használnak és párbeszédes jellegűek logikai nyelv: a matematikai logikára épül (pl. PROLOG, LISP) predikátumokra és relációkra épülnek tényekből szabályok segítségével következtetéseket tudnak levonni

15 Applikatív nyelvek Alapelvek szerint függvények változókra történő alkalmazásaival operálnak Funkcionális nyelvek magas szintű függvények használatára és operátordefiníciókra épülnek az operátorok függvényeket manipulálnak, mintha azok egyszerű adatok lennének nincsenek változók, nincs értékadás a függvények a bemeneti paraméterek egy halmaza alapján kiszámítanak egy outputot a megoldandó problémát funkcionális egységekre kell bontanunk (pl. LISP)

16 Definíciós nyelvek Alapelvek szerint a megfeleltetéseket (értékadásokat) definíciókként értelmezzük. Egyszeres megfeleltetésű nyelvek egy változó a láthatósági területén csak egyszer fordulhat elő a bal oldalon Adatfolyam (dataflow) nyelvek az adatfolyam architektúrák programozási nyelvei Megkötésorientált nyelvek a megoldandó feladatot megkötések sorozataként fogalmazzák meg és oldják meg

17 Konkurens nyelvek Alapelvek szerint a párhuzamos, konkurens, osztott, többszálas programokat tudjuk megfogalmazni Folyamatszálas vagy veremalapú nyelvek alacsony szintű, konkrét feladatok megoldására szakosodott programozási nyelvek hatékonyan programozható a verem Matematikai vagy szimulációs nyelvek konkrét feladatosztályok megoldására szakosodtak többnyire matematikai számítások, szimulációs folyamatok végezhetők el velük

18 Alapelvek szerint Szimbólum-feldolgozó nyelvek nagy mennyiségű szöveges információk, hosszú listaadatok értékelésére, elemzésére kidolgozott célnyelvek Formulakezelő nyelvek nagy pontosságot igénylő, bonyolult matematikai, műszaki számítások Objektumorientált nyelvek magas absztrakciós szinten lévő osztályok és ezekből példányosított objektumok segítségével fogalmazhatjuk meg és oldhatjuk meg a feladatot az osztályok zárt egységnek tekintik az adatokat és az őket kezelő eljárásokat az 08. objektumok egymással kommunikálnak 18

19 Vizuális nyelvek Alapelvek szerint grafikus eszközök vehetők igénybe az algoritmus leírására Negyedik generációs nyelvek nagyon magas szintű nyelvek, a megoldandó feladat természetes nyelven vagy diagramok használatával fogalmazható meg a fordítóprogram választja ki a megfelelő adatszerkezeteket vagy algoritmusokat Lekérdező nyelvek az adatbázis-programozás fő kommunikációs eszközei, interfészei

20 Alapelvek szerint Adatbázis és szövegfeldolgozó nyelvek adatokat, információkat strukturálhatunk, dolgozhatunk fel, módosíthatjuk, karbantarthatjuk az adatbázisban tárolt adatokat Specifikáló (leíró) nyelvek a szoftver vagy hardver tervezésének formális leírását szolgálják Assembly nyelvek a gépi kód szimbolikus jelölésére szolgálnak egy adott számítógép-architektúrán

21 Alapelvek szerint Rendszer- és fordítóprogramok írására specializálódott nyelvek hatékonyan támogatják az alacsony szintű programozást és az operatív tár közvetlen kezelését lehetővé teszik a bitenkénti műveletek végzését, rendelkeznek a magas szintű nyelvek előnyeivel Köztes nyelvek a fordítóprogramok használják mint ábrázolásrendszert lehetnek szöveges vagy bináris formátumúak

22 Alapelvek szerint Parancssor vagy szkriptnyelvek operációs rendszer közeli feladatok írhatók le. Kiterjeszthető nyelvek a programozási feladat megoldásához a nyelv csak egy minimális alapot definiál a hiányzó eszközöket a programozó maga állíthatja elő a már létező elemek felhasználásával, kombinálásával Metanyelvek más nyelvek deklarálására szolgálnak (Pl. BNF)

23 Alapelvek szerint Leíró (markup) nyelvek ún. markup szimbolikát használnak, vagyis <TAG>adat</TAG> formában adhatóak meg az utasítások (pl. HTML, XML, SQL, TEX) Szkriptnyelvek ún. szkripteket használnak, melyek futásidőben kerülnek értelmezésre előzetes gépi kódra fordítás nélkül beolvassa őket az értelmező környezet, majd a lefuttatás idején utasításról utasításra végrehajtatja azt az operációs rendszerrel (pl. awk, lua, JavaScript, PHP, Python)

24 Generációk szerint Az elektronikus számítógépek nagy generációi meghatározták a programozási nyelvek generációit is: első második harmadik negyedik ötödik generációs programozási nyelvek

25 Első generációs nyelvek ( ) teljes mértékű processzorfüggőség utasítások = bitsorozatok kapcsolókkal lehetett megadni a gépi kód utasításait a számítógép képes volt közvetlenül, minden átalakítás nélkül végrehajtani erősen gépfüggő (minden gépen más és más utasításokat használ) a gépi kód előnyei: gyorsaság egységesség

26 Első generációs nyelvek ( ) komoly előrelépés: az Assembly nyelvek megjelenése a gépi kódú utasításokhoz egy-egy mnemonikus kódot rendeltek hozzá a tárcímeket a memória kezdetéhez viszonyított relatív címekkel számították az egyes memóriacímeket egy-egy szimbolikus névvel lehetett helyettesíteni

27 Második generációs nyelvek ( ) a számítógépek alkalmazási területe kibővülésének eredménye a 60-as évek eleje: első magas szintű programozási nyelvek (nem a számítógép sajátosságaihoz, hanem a problémához igazodtak) egyetlen magas szintű programnyelvi utasítás több gépi kódú utasítást jelent fordítóprogramok (compiler) szerkesztők (linker) az első magas szintű programozási nyelv a FORTRAN

28 Harmadik generációs nyelvek ( ) magas szintű programozási nyelvek nem egy konkrét feladatosztály megoldására specializálódtak általánosak, univerzálisak új korszak: a procedurális programozási szemlélet és az adatok struktúrájának hangsúlyozása megjelennek az objektumorientált nyelvek

29 Harmadik generációs nyelvek ( ) alkalmasak: az adatfeldolgozási és a számítási problémák megoldására rendszerprogramozásra a program szerkezete egyszerű és követhető formai előírásai nem túl szigorúak a program tartalmaz egy főprogram részt, amely: külön blokkokban több alprogramot foglalhat magába az alprogramok egymásba ágyazhatók Strukturált programozás

30 Negyedik generációs nyelvek (1973 ) napjaink programozási eszközei bonyolult lekérdező nyelvek programkód generátorok interaktív fejlesztői környezetek gyors alkalmazásfejlesztés vizuális paradigmára támaszkodó objektum- és komponensorientált kódgenerátorok magas hardverfüggetlenséget támogatnak

31 Ötödik generációs nyelvek (1981 ) Két fogalmat takarnak: egy gép-közelebbi, de magas szintű nyelvet, amely tulajdonképpen a számítógép operációs rendszerét jelenti egy természetes nyelvet, amely során az ember és gép közötti kommunikáció ( programírás ) megvalósul

32 Számítási modellek szerint Modellek, amelyeknek alapján az algoritmusokat végre kell hajtani, a feladatot meg kell oldani: Az imperatív paradigma: egyszerű operációs paradigma a Neumann-féle paradigma az automata feldolgozás paradigmája az adatbázis-kezelés paradigmája A deklaratív paradigma a funkcionális paradigma a logikai paradigma A párhuzamos és osztott paradigma Az objektumorientált paradigma A vizuális paradigma Az ötödik generációs paradigma Alternatív paradigmák

33 A programozási nyelvek elemzési szempontjai Elemzési szempontok.doc

34 Szintaxis, szemantika Utasítás: a program legkisebb funkcionális egysége Szintaxis: a programozási nyelvek nyelvtana, szabályai (általában egy metanyelvben írják le, pl. BNF forma) Szintaktikai hiba: a program írásakor fellépő hiba, a program csak szöveg, hiszen működésképtelen Szemantikai hiba: a program futásakor a várttól eltérő működés

35 BASIC (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) magas szintű programozási nyelv egyik legegyszerűbb didaktikai környezetben alkalmas komolyabb feladatok megoldására ritkán használják sok különböző változata található meg erősen gépfüggő a mai BASIC-ek már strukturáltak: CBM 64 BASIC, ZX SPECTRUM, CBM PLUS 4, GW BASIC, TURBO BASIC, QUIC K BASIC, VISUAL BASIC

36 Fortran (FORmula TRANslation) 1954 IBM, John Backus: a Fortran az algebrai nyelv fordítási lehetőségeinek eredménye a legrégebben használatos magas szintű programozási nyelv sok változata létezik elsősorban matematikai számítások, fizikai kutatóintézetekben szükséges számítások elvégzésére készült állománykezelése nem igazán fejlett karakterek kezelésére nem használják nem ismeri a rekurziót

37 Fortran verziók A különféle Fortran verziókat a megjelenési évük feltüntetésével különböztetik meg, a Fortran szó mögötti két számjegy erre utal. A jelenleg is használatban lévő verziók: Fortran 66 Fortran 77 Fortran 90 (95) speciális verziók: HPF (High Perforamance Fortran = Magas Szintű Fortran) a Fortran programok szabadon mozgathatók a különféle gépek és platformok között

38 Algol 60, Algol 68 ALGOrithmic Language a legkorábban kifejlesztett programozási nyelvek egyike elsősorban algoritmikus problémák megoldására fejlesztették ki még ma is van sok ún. "ALGOL"-szerűnek nevezett nyelv

39 Cobol (COmmon Bussines Oriented Language) a 60-as években az USA Hadügyminisztériumának megbízásából 60-as, 70-es évek: a magas szintű nyelven írt programok többségét COBOL-ban írták elsősorban adatfeldolgozásra készült ezen a területen még ma is használják hasonlít a normál beszédhez utasításai állítások

40 PL/1 IBM: 60-as évek a korábbi programozási nyelvek előnyeit egyesíti eléggé univerzális használatához nagyon nagy gépre volt szükség - IBM, ESZR legfontosabb erénye az adatállományok igen jó, rugalmas, magas logikai szintű definiálása és kezelése ill. hibakezelése ma már kevésbé használatos nyelv

41 Pascal az első legteljesebb körű megvalósítása a struktúrált programozás elveinek Niklaus Wirth, a zürichi Műszaki Főiskola oktatója dolgozta ki a 70-es években Wirth az ALGOL programozási nyelv alapján definiálta a PASCAL szabályait általános célú programozási nyelv elsősorban az oktatásban a műszaki-tudományos számítások területén a komplex programrendszerek fejlesztése során alkalmazzák elterjedten

42 Pascal szabad formátumú nyelv viszonylag kevés utasítást tartalmaz a programok szerkezete kötött, szigorú előírások vonatkoznak rá a Pascal programok blokkokból épülnek fel, a blokkok a begin foglalt szóval kezdődnek és az end foglalt szóval érnek véget két utasítást ; választ szét támogatja a moduláris programozást függvények és eljárások definiálhatók a function és a procedure foglalt szavak segítségével a függvények, eljárások egymásba ágyazhatók

43 Pascal a nyelv támogatja a rekurziót is erősen típusos nyelv a programban használni kívánt változókat a felhasználásuk előtt, a deklarációs részben fel kell tüntetnünk és meg kell adnunk a típusukat a Pascal fordítók compiler típusú fordítók a programok szabályos, szigorú, egyértelmű felépítése miatt a nyelv az oktatás kedvelt programozási nyelve jó alapot biztosít más programozási nyelvek tanulásához, a struktúrált programozás alapelveinek megértéséhez

44 Java a Sun által kifejlesztett programozási nyelv a web számára tervezték lényege: HTML dokumentumban hivatkozhatunk Java programokra platform-függetlenek bárhol futtathatók a Java programot a fordító egy köztes gépi kódra, úgynevezett virtuális gépi kódra fordítja le, amelyet majd a Webböngésző fordít le futtatható formátumra vannak olyan operációs rendszerek, amelyekbe már be van építve a Java támogatás

45 C Ken Thompson (1970): B nyelv ezen készült el az első UNIX operációs rendszer Dennis Ritchie (1971) C nyelv 1983: első szabványos C nyelv C nyelven írták a UNIX operációs rendszert, és ehhez hozzátartozik általában a C fordító is nagyon hatékony programozási nyelv a C forrásprogramok elég jól hordozhatók különböző platformok között

46 C++ a C++ a C nyelv objektum-orientált kiterjesztése a C támogatja bitstruktúrák kezelését is a C nyelv nem tartalmaz I/O utasításokat ezeknek a műveleteknek az elvégzésére függvénykönyvtárakban található alprogramokat alkalmazunk a C nyelv nem tartalmaz műveleteket sztringek, halmazok, listák és tömbök kezelésére sem a függvénykönyvtárak több hasznos eszközt kínálnak, mint más programozási nyelvekben

47 Az objektum-orientált programozás alapelvei Egységbezárás (encapsulation): adatstruktúrákat és az adott struktúrájú adatokat kezelő függvényeket kombináljuk ezeket az egységeket kezeljük elzárjuk őket a külvilág elől az így kapott egységeket objektumoknak nevezzük Az objektumoknak megfelelő tárolási egységek típusa az osztály, amiben adattagok (data members) és tagfüggvények (metódusok) (methods) szerepelnek

48 Az objektum-orientált programozás alapelvei Információrejtés (information hiding) a lokális adattagok tartalma rejve van a külvilág elől, s csak a tagfüggvények férhetnek hozzájuk Üzenet (message) az objektummal való kapcsolattartás módja Öröklődés (inheritance) adott, meglévő osztályokból származtatott újabb (utód) osztályok öröklik a definiálásukhoz használt alaposztályok (ős) már létező adatstruktúráit és függvényeit újabb tulajdonságokat is definiálhatnak, vagy régieket újraértelmezhetnek így osztályhierarchiához jutunk

49 Az objektum-orientált programozás alapelvei Sokalakúság/Többrétűség (polymorphism) egy adott tevékenység (metódus) azonosítója ugyanaz lehet egy adott osztályhierarchián belül a hierarchia minden egyes osztályában a tevékenységet végrehajtó függvény megvalósítása az adott osztályra nézve specifikus

50 Három implementációs formája C++-ban: Függvényoverloading korai kötéssel azonos hatáskörben, azonos néven, de különböző paraméterszignatúrával definiálhatunk függvényeket Virtuális függvény késői kötéssel származtatás során a hierarchiában lejjebb álló függvények azonos néven azonos paraméterszignatúrával és visszatérési értékkel szerepelhetnek, mint a feljebb deklarált és virtual kulcsszóval ellátott tagfüggvények Operátoroverloading a C nyelv szabványos operátorainak átdefiniálása