Системы программирования: примеры, описание, особенности

Системы программирования обеспечивают платформу для разработки прикладного программного обеспечения и непосредственно взаимодействуют с компьютерным оборудованием, чтобы получить необходимую производительность при выполнении задач пользователей. Платформу можно использовать для программирования приложений iPhone, iPad и операционных систем Android, используя язык программирования Java. Интерфейс Android Studio и Oracle Java SDK в сочетании с необходимыми базовыми знаниями позволяет создавать самые разнообразные приложения.

Элементы программных систем

Для начала раскроем понятие о системах программирования. Те, которыми мы пользуемся сейчас, относятся к периоду 3-го поколения ЭВМ. Системное программирование заключается в создании программного обеспечения. Оно может выполнять множество различных задач. Без него большинство аппаратных средств не исполняли бы свои функции. Чтобы сделать их полезными, используют программное обеспечение. Пользователю требуется выбирать нужную программу для каждого задания.

Элементы классической системы программирования:

1. Операционная система - является интерфейсом между прикладным программным обеспечением и компьютером.
2. Утилиты - небольшие, но мощные программы с ограниченными возможностями для конкретных задач. Обычно применяются пользователями для обеспечения бесперебойной работы компьютерной системы.
3. Библиотечные программы представляют собой скомпилированный набор подпрограмм, например, библиотек. Предоставляют множество функций и процедур, доступных при написании программы.
4. Программное обеспечение перевода: ассемблер, компилятор, переводчик.
5. Интерпретатор анализирует и выполняет языковую программу высокого уровня по одной строке за раз.
6. Прикладное программное обеспечение, предназначенное для помощи пользователю в выполнении конкретных задач, например, GIMP - для редактирования фотографий.

Пример современной системы программирования включает в себя сервисное и базовое ПО.

Структура программы

Общая форма программы уделяет особое внимание отдельным компонентам и взаимосвязи между ними. Программы бывают хорошо или плохо структурированными. С хорошо структурированной программой разделение на компоненты следует по принципам, например, таким как сокрытие информации, а интерфейсы между компонентами ясны и просты. На более тонком уровне она использует соответствующие структуры данных и программные единицы с единственной точкой входа и одной точкой выхода.

При плохо структурированной программе разделение на компоненты в значительной степени произвольно, а интерфейсы являются неявными и сложными. Кроме того, такая программа имеет произвольные структуры данных и поток контроля. Практически все структурированные программы имеют общий характер действий:

1. Заявление о начале программы.
2. Объявление переменной.
3. Программные заявления (блоки кода).

Примеры приветствия «Hello World»

Системы программирования и примеры приветствия «Hello World» на разных программных языках четко демонстрирует базовые различия.

Чтобы использовать переменную внутри программы, компилятор должен заранее знать тип данных, которые будут храниться в нем. По этой причине переменные объявляются в начале программы.

Объявление переменной состоит из указания нового имени и типа данных для переменной. Обычно это делается в самом начале.

На следующем рисунке показан пример системы программирования для структуры цикла, который запускает набор операторов, пока условие не станет истинным.

Бесконечный цикл

Это тот, который не имеет функционирующей процедуры выхода. В результате цикл повторяется непрерывно до тех пор, пока операционная система не почувствует его и не прекратит программу с ошибкой или пока не произойдет какое-либо другое событие, например, программа автоматически прекратится через определенное время.

Системы программирования и примеры программ на языке C для программы сортировки строк в словаре представлены ниже. Эта программа принимает 10 слов (строк) от пользователя и сортирует их в лексикографическом порядке. Например, 10 языков программирования:

1. C.
2. C++.
3. Java.
4. PHP.
5. Python.
6. Perl.
7. Cobol.
8. Ruby.
9. R.
10. JavaScript.

Результат:

1. C.
2. C++.
3. Cobol.
4. Java.
5. JavaScript.
6. PHP.
7. Perl.
8. Python.
9. R.
10. Ruby.

Основные инструменты

Для программирования нужно несколько инструментов. Схема классической системы программирования:

1. Текстовый редактор – средства редактирования. Этот инструмент позволяет написать исходный код. Это обычный инструмент, необходимый для программирования на любом языке. Действительно, при программировании ценят наличие таких функций, как: автозаполнение, подсветка синтаксиса, поиск, редактирование, замены части кода и редактор отступа.
2. Компилятор или интерпретатор. Этот инструмент напрямую связан с языком программирования.
3. Отладчик. Разработчики, как и все люди, могут ошибаться. Нахождение и исправление ошибок требует времени. Отладчик - это инструмент, который поможет отследить их. Он позволяет запускать программу шаг за шагом, видеть ее состояние в любой момент, а также проверять, выполняется ли часть кода или нет.
4. Библиотека подпрограмм.
5. Сопровождающая документация.

Шаблоны проектирования

Использование шаблона дизайна состоит в том, чтобы структурировать программу или использовать инструменты языка и максимально четко обеспечить системный подход к программированию, а также связь с базой данных шаблона, создание страницы, которая будет отображать пользовательский вид. В более общем плане шаблон проектирования представляет собой многозадачное и усовершенствованное решение.

Структура программного обеспечения (или фреймворка) представляет собой специальный тип библиотеки программного обеспечения. Его первая цель состоит в том, чтобы компоновать программирование, обеспечивая максимально инструментами, которые понадобятся. Например, Django 2 представляет собой структуру в Python, предназначенную для облегчения создания реактивных веб-сайтов. Она создает структуру и предлагает общие инструменты, которые могут потребоваться всем сайтам (интерфейс администрирования, службы аутентификации, способ перевода сайта на несколько языков и т. д).

Другим примером является наличие нескольких фреймворков в JavaScript (jQuery или angular.js) с одной целью - одни и те же действия должны быть написаны по-разному в зависимости от типа браузера, используемого посетителем на веб-сайте. Они имеют уникальный интерфейс, чтобы превратить это в код, понятный каждому браузеру. На фото пример системы программирования в JavaScript для задачи по открытию нового окна после нажатия на кнопку.

Скомпилированные языки

Язык программирования - это набор соглашений и абстракций, которые позволяют писать то, что нужно пользователю, чтобы компьютер выдавал результат в более понятной форме. Компиляции заключается в преобразовании исходного кода в исполняемый файл. Это преобразование выполняется компилятором. Разница в скорости исполнения огромна. В целом при прочих равных условиях программа на скомпилированном языке будет работать примерно в десять раз быстрее, чем на интерпретируемом. Ниже приведен пример системы программирования на Си. Он демонстрирует программу, которая использует так называемые функции высшего порядка и чистые функции.

В случае интерпретируемых языков исходный код предоставляется интерпретатору, который выполняет программу напрямую. При этом нет необходимости беспокоиться об операционной системе или типе процессора, так как он должен быть установлен на компьютере пользователя. Более того, поскольку исходный код должен быть «переведен» в машинный при каждом выполнении, интерпретируемые языки часто медленны по сравнению с эквивалентными скомпилированными языками. При этом интерпретаторы не оптимизируют генерируемый машинный код, что заставляет их работать медленнее, но процесс генерации машинного кода выполняется быстрее, чем у компиляторов.

Языки виртуальных машин

Часто сокращено их называют «языки VM» (в соответствии с аналогий английского названия виртуальной машиной). Принцип действия и назначение системы программирования заключается в том, чтобы исходный код переводился не в машинный, понятный конкретному процессору, а в «фиктивный» (байт-код), который сам будет интерпретироваться языком виртуальной машиной. Такой язык имеет свои преимущества и недостатки.

Как и в интерпретируемых языках, программа, скомпилированная в байт-код, может работать на любой операционной системе и процессоре при условии, что виртуальная машина доступна для этой комбинации. С другой стороны, поскольку была компиляция восходящего потока, программа работает быстрее, чем на эквивалентном интерпретируемом языке. Часто она достигает скорости, аналогичной скорости «реального» машинного кодового языка. Однако это нивелируется тем фактом, что виртуальная машина может быть достаточно ресурсоемкой, особенно в памяти.

Наконец, можно создавать новые языки, которые скомпилируются в один и тот же байт-код как еще один существующий язык, что упрощает их взаимодействие. Это одна из задач системы программирования. Пример - языки Clojure и Frege компилируются как для байт-кода Java. Они являются функциональными и радикально отличными от Java в их дизайне. В этом случае можно написать разные части программы с одним из наиболее подходящих языков и заставить их работать вместе на виртуальной машине. Java - язык, который лучше всего компилируется на виртуальную машину. Но потребуется приложение, состоящее из набора классов Java. В начале любого класса существует определенная структура, такая как JavaClassFileFormat.

Примеры языков и систем программирования

Представляем самые известные языки программирования:

• Assembler. Он не новый, однако научит пользователей многим вещам, скрытым в других языках.
• C. Один наиболее часто используемых в мире. Именно этот язык дает самый полный контроль над машиной. Он используется для кодирования операционных систем. Его приличный почти полувековой возраст и огромное количество библиотек, которые подойдут для чего угодно, становятся незаменимыми как для начинающих, так и для продвинутых пользователей.
• Cobol. Это старый язык. Он, как правило, сложнее в использовании, чем другие. Однако по историческим причинам он по-прежнему широко используется в банковском деле, финансах и страховании.
• Fortran. Он все еще востребован в области научных вычислений, для которого и был разработан. Хотя синтаксис этого языка регулярно обновляется, ощущается его возраст. Кроме того, некоторые программные библиотеки в Fortran никогда не были сопоставлены с точки зрения эффективности.
• Java. Имеет особенность компиляции в байт-код, который затем интерпретируется виртуальной машиной. Это значительно упрощает создание программ для использования на нескольких платформах операционных систем. Например, Java является шлюзом для кодирования приложения для Android.
• Perl. Это язык, который в основном ценится в мире Linux и Unixoids. Он эффективен для создания небольших, но очень мощных приложений с командной строкой. Однако Perl не очень подходит для создания графических интерфейсов.
• PHP. Во многом доминирует в мире веб-программирования.
• Python. Этот язык рекомендуется начинающим.
• Ruby. Связан с Python, регулярно заимствует инновации. В целом они очень похожи. Можно констатировать, что Ruby предлагает больше синтаксической свободы и больше настаивает на своем объектно-ориентированном характере, а Python легче и поддерживается более крупным сообществом.
• Swift. Это довольно молодой язык, подвержен изменениям и корректировкам, подходит для продуктов Apple. В ближайшие годы он вполне может стать основным продуктом программирования приложений iOS и OSX.

Применение

Представляем пример машинного кода:

110101010010001000111001001 010101001000100001011101001 000111001101110001101101010 001111010010010101011001010 001010101111110100101010001.

Как видим, в этом типе кода очень мало различимой структуры. В языках программирования семантический разрыв - это разница между языком, который используется для программирования аппаратного обеспечения (машинный код), и тем, который нужно использовать для программирования компьютера, как системы. Пример системы программирования: для клиентской стороны JavaScript потребуется использование двух языков, за исключением того, который генерирует JavaScript (CoffeScript или Elm).

Для серверной стороны PHP держит верхние позиции, но Python и Ruby тоже активно применяются. JavaScript также используется на стороне сервера, благодаря NodeJS. Для видеоигр в Windows применяют C ++, Python и C #. Однако они далеко не единственные. Любой язык, который делает его достаточно легким для создания графического интерфейса, может быть подходящим (C, Java, Ruby или Tcl / Tk).

Для крупных приложений на рынке доминируют C ++ и Java, хотя C # тоже набирает силу. Для небольших утилитарных приложений, в частности, в командной строке, легко найти C, Perl, Python или Ruby. В области научных вычислений Фортран остается королем. Он все чаще конкурирует с C ++, Python или со специализированными языками, такими как Matlab и R.

Программирование PASCAL

На протяжении всей истории вычислений было предпринято сотни попыток сделать языки программирования на компьютере такими, как письменный английский - легко читать и легко понять. PASCAL является результатом одного из таких усилий. Создатель PASCAL Николас Вирт хотел иметь HLL, который можно было бы легко учить, читать и писать. Он разработал PASCAL на базе следующих концепций:

1. PASCAL должен закрыть или существенно сузить семантический разрыв.
2. Каждый оператор PASCAL должен быть как предложение в англоязычном тексте.
3. Программу PASCAL можно рассматривать как предложение на английском языке.
4. Имена процедур, структур данных и переменных в PASCAL должны быть легко узнаваемы.

Пример системы программирования в PASCAL

Ниже приведен пример для определения количества букв в слове.

PASCAL облегчает модульное кодирование посредством:

1. Использования инкапсулирующего кода в процедурах и функциях.
2. Использования операторов BEGIN и END для определения функционального блока кода.
3. Строгой переменной (например, назначение типов данных, таких как integer, real или string) для поддержки передачи параметров между процедурами.
4. Дружественного синтаксиса, который сужает семантический разрыв.

В приведенном примере системы программирования на Паскале программа показывает двоичный выбор (есть только два случая: ActualMark> = 50 или ActualMark<50).

Распространенные ошибки в программировании

Необходимо избегать распространенных ошибок при кодировании. Тем самым пользователь сэкономит время и избежит проблем. Виды ошибок:

1. Плохое форматирование кода. Он должен быть понятен. В нем должны быть комментарии в верхней части программы.
2. Плохое тестирование и проверка ошибок. Обработка ошибок принимает две формы: обработка структурированных исключений и функциональная проверка ошибок.
3. Плохая практика комментариев.
4. Наименование ненадежных переменных. Очень сложно работать над кодом, когда многие имена переменных короткие, а не описательного характера.
5. Выбор неправильной структуры данных.

Выделение синтаксиса и стиль отступов часто используются, чтобы помочь программистам распознавать элементы исходного кода.

При этом важно, чтобы цветовое кодирование выделялось во фрагменте кода как на примере системы программирования, написанной на Python.