Реализация системы

спринт Реализация системы
Реализация
5/5
О чём этот спринт
Языки программирования
Парадигмы программирования
Обзор языков программирования
Процесс программирования
Тестирование
3/3
Воркшоп и домашнее задание
2/2

Языки программирования

В этом уроке вы познакомитесь с основами программирования. Вы узнаете, как устроены языки программирования и что нужно, чтобы компьютер мог выполнить программы, написанные разработчиками.
Айгуль
Завтра у нас встреча с разработчиками!
Даня
ОЙ!
Айгуль
Что такое?
Даня
Боюсь, что ничего не пойму… Мы с разработчиками говорим на разных языках.
Айгуль
Значит, пришло время освоить их язык 🙃

Машинный код

Компьютер — это программируемая машина, которая выполняет арифметические или логические операции над данными в соответствии с написанными человеком инструкциями — программами.
Компьютер не говорит на человеческих языках. Компьютер, а именно его мозг — процессор, непосредственно выполняющий программы, понимает только машинный язык. Поэтому инструкции, которые человек просит компьютер выполнить, должны быть сформулированы на машинном языке — в машинном коде (machine code).
Машинный код представляет собой последовательность цифр (digit). Процессор понимает не все цифры, а только единицы и нули. Цифры 0 и 1 называют двоичными цифрами, или битами (bit).

Двоичный вид представления

Текст, изображения, видео и аудио, которые обрабатывает компьютер, должны быть представлены с помощью двоичных цифр — в двоичном виде (binary).
Рассмотрим представление данных в двоичном виде на примере.
В реальном мире люди представляют числовые данные в виде цифр от 0 до 9, то есть используют десятичную систему счисления. Например, люди могут посчитать яблоки: одно яблоко, два яблока, три яблока и так далее.
Компьютер использует двоичную систему счисления (цифры 0 и 1). Поэтому те же яблоки компьютер будет считать иначе: одно яблоко компьютер представит в виде цифры 1 (один бит), два яблока — в виде числа 10 (два бита), а три яблока — в виде числа 11 (три бита).
Сплошные единицы и нули сложны для человеческого восприятия. Поэтому машинный код для удобства чтения человеком, как правило, представляют в шестнадцатеричном виде. Например, число 15 в десятичной системе счисления (которой пользуются люди) записывается в шестнадцатеричном виде как буква “F”.
Ниже представлен машинный код программы, которая даёт компьютеру указание отобразить на экране компьютера текст “Hello, World!”, представленный в шестнадцатеричном виде.
b8    21 0a 00 00   
a3    0c 10 00 06   
b8    6f 72 6c 64   
a3    08 10 00 06   
b8    6f 2c 20 57   
a3    04 10 00 06   
b8    48 65 6c 6c   
a3    00 10 00 06   
b9    00 10 00 06   
ba    10 00 00 00   
bb    01 00 00 00   
b8    04 00 00 00   
cd    80            
b8    01 00 00 00   
cd    80

Языки программирования

Машинный код невероятно сложен для человека. Он идеально подходит компьютерам, но разработчикам были необходимы иные языки, более удобные для чтения, понимания и написания.
Одной и первых попыток облегчить работу разработчиков стал язык ассемблера (assembly language). Программы на языке ассемблера компьютер может самостоятельно преобразовать в машинный код — перевести на язык, понятный процессору.
Ниже представлена та же самая программа “Hello, World!”, написанная на языке ассемблера. В отличие от написанной на машинном коде программы, в ней человек может хотя бы различить текст, который необходимо отобразить на мониторе.
NASM
section     .text
global      _start                               
_start:                                         
    mov     edx,len                             
    mov     ecx,msg                             
    mov     ebx,1                               
    mov     eax,4                               
    int     0x80                                
    mov     eax,1                               
    int     0x80                                
section     .data
msg     db  'Hello, World!',0xa                 
len     equ $ - 
msg
Язык ассемблера оказался всё же недостаточно удобным, поэтому на замену ему пришли языки программирования (ЯП) более высокого уровня абстракции. Эти языки позволили разработчикам работать с программным кодом, в достаточной степени напоминающим английский язык. Такими языками стали, например, Fortran, COBOL, ALGOL, Simula и Lisp.
Рассмотрим примеры программы “Hello, World!”, написанной на языках программирования высокого уровня, которые появились одними из первых.
На языке Fortran:
FORTRAN
program Hello
  print *, "Hello, World!"
end program Hello
На языке COBOL:
FORTRAN
IDENTIFICATION DIVISION.
PROGRAM-ID. HELLO-WORLD.
PROCEDURE DIVISION.
    DISPLAY 'Hello, World!'.
    STOP RUN.
Теперь рассмотрим примеры той же программы, написанной на более современных языках программирования: Python, Ruby, C, C++, C#, Java и JavaScript.
На языке Python:
PYTHON
print("Hello, World!")
На языке Ruby:
RUBY
puts "Hello, World!"
На языке C:
C
#include <stdio.h>
int main(void)
{
  printf("Hello, World!");
  return 0;
}
На языке C++:
CPP
#include <iostream.h>
int main()
{
    std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
    return 0;
}
На языке C#:
CSHARP
class HelloWorld
{
    static void Main()
    {
        System.Console.WriteLine("Hello, World!");
    }
}
На языке Java:
JAVA
class HelloWorld {
  static public void main( String args[] ) {
    System.out.println("Hello, World!");
  }
}
На языке JavaScript:
JSX
console.log("Hello, World!");
Эти языки мало похожи друг на друга, а некоторые из них содержат много вспомогательного программного кода, окружающего отображение текста “Hello, World!”. При этом очевидно, что IT-индустрия проделала большой путь от машинного кода до кода, понятному человеку.
Даня
Подожди, я что-то не понял — чем эти языки отличаются друг от друга?🙃
Айгуль
Обязательно это обсудим, но позже! Сначала разберём, как устроены все языки, а потом — особенности каждого.

Перевод программного кода на машинный язык

Программный код, который пишут разработчики, называется исходным кодом (source code). Исходный код должен быть переведён на понятный компьютеру язык — машинный код.
Существует два основных подхода к переводу исходного кода на машинный код:
  • Интерпретация (interpreting).
  • Компиляция (compiling).
Язык программирования может использовать только один из подходов или оба. Если ЯП использует интерпретацию, то он называется интерпретируемым, если компиляцию — компилируемым, если оба подхода — то либо интерпретируемым, либо компилируемым.

Интерпретируемые языки программирования

Интерпретатор (interpreter) — это программа, которая последовательно переводит и выполняет каждую строку программного кода.
Работа интерпретатора похожа на работу переводчика-синхрониста. Представьте, что переводчик-синхронист работает на конференции: спикер выступает перед иностранной аудиторией на своём родном языке, а переводчик слушает выступление и сразу его переводит. Аудитория может слушать речь спикера в режиме реального времени на своём родном языке.
Так и интерпретатор сначала прочитает одну строку исходного кода, затем переведёт её в машинный код и отправит его процессору, который выполнит соответствующую инструкцию. Затем интерпретатор повторит этот процесс для следующей строки и так далее, пока не дойдёт до конца программного кода.
Примерами интерпретируемых языков являются PHP, Ruby, and JavaScript.

Компилируемые языки программирования

Компилятор (compiler) — это программа, которая сначала переводит все строки программного кода, а затем выполняет его.
Работа компилятора похожа на работу переводчика литературы. Сначала автор книги пишет её на своём родном языке. Затем переводчик переводит книгу на другой язык, и пока перевод всей книги не будет закончен, она не будет доступна читателям.
Компилятор переводит весь исходный код в машинный и записывает его в файл. Когда потребуется запустить программу, процессор выполнит машинный код файла.
Примерами компилируемых языков являются C, C++, COBOL, ALGOL, Fortran, and Lisp.

Интерпретируемые и компилируемые языки программирования

Существуют также языки программирования, которые и интерпретируются, и компилируются одновременно. Например, это языки Python, Java, C#, and Perl.
Когда ЯП компилируют исходный код, они не переводят его сразу в машинный. Сначала они компилируют его в байт-код (bytecode), который затем интерпретируется при выполнении программы.
Байт (byte) — это группа из восьми бит, которую компьютер интерпретирует как единое целое (например, число, букву или другой символ).
Например, так выглядит байт-код программы “Hello, World!” на языке Java:
0000 0034
0016
0700 02
0100 0a   48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64
0700 04
0100 10   6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74
0700 06
0100 10   6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d
0700 08
0100 13   6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d
0800 0a
0100 0b   48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64
0900 0500 0c
0c00 0d00 0e
0100 03   6f 75 74
0100 15   4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 
          69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b
0a00 0700 10
0c00 1100 12
0100 07   70 72 69 6e 74 6c 6e
0100 15   28 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 
          2f 53 74 72 69 6e 67 3b 29 56
0100 04   6d 61 69 6e
0100 16   28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 
          67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b 29 56
0100 04   43 6f 64 65
0021 0001 0003
0000 0000 0000 0000
Соотнесите термин с его определением.
Машинный код
Понятный компьютеру код, состоящий из цифр 1 и 0.
Исходный код
Человекопонятный код, написанный на языках программирования.
Интерпретатор
Программа, которая переводит и выполняет код строка за строкой
Компилятор
Программа, которая читает весь код целиком, делает его перевод и только потом выполняет его.

Синтаксис языка программирования

Грамматика определяет правила для человеческих языков. У языков программирования есть своя грамматика, которая называется синтаксисом (syntax).
Синтаксис — это набор правил, определяющих то, как разработчики пишут программы на определённом языке программирования.
Самое значимое различие между правилами человеческих языков и правилами ЯП — это отношение к ошибкам.
Если вы общаетесь с иностранцем, который только начал изучать ваш родной язык, то, несмотря на его ошибки в грамматике, вы, скорее всего, сможете понять хотя бы часть разговора. Компьютер, в отличие от людей, не прощает ошибок в синтаксисе ЯП.
Программный же код будет переводить компилятор или интерпретатор. Поэтому, чтобы этот перевод работал, синтаксис должен быть безупречным.
Каждый язык программирования имеет свои синтаксические правила, при этом некоторые правила являются общими для нескольких родственных языков. Поэтому разработчикам проще понимать родственные языки программирования.
Например, языки C и C++ имеют практически одинаковый синтаксис, потому что C++ создавался на основе C. Разработчик C++ без труда поймёт программный код, написанный на языке C.
Вы можете убедиться в этом сами, сравнив код программы “Hello, World!” на языках C и C++, представленный ранее в этом уроке.
Если программный код имеет ошибку в синтаксисе, она будет обнаружена в процессе перевода кода на машинный язык.
Если ошибка в синтаксисе программного кода обнаружится при компиляции, то процесс компиляции сразу же прекратится. Разработчик должен найти строку кода с ошибкой, исправить её, а затем снова запустить компиляцию кода. Иными словами, компиляция завершится, только если в программном коде не будет ни одной ошибки в синтаксисе.
А вот интерпретация программного кода завершится и несмотря на ошибки в синтаксисе. Программа даже может выполняться процессором, но как только он дойдёт до строки кода с ошибкой, программа сразу же вылетит (прекратит работать).
Таким образом, исходный код может быть синтаксически правильным или неправильным.

Ключевые слова

Синтаксис в том числе определяет слова, из которых состоит язык программирования, — ключевые слова (keyword).
Ключевое слово — это специальное слово с предопределённым в языке программирования смыслом. Ключевые слова также называют зарезервированными (reserved words), потому что они «зарезервированы» для специального использования.
Отличительная особенность ключевых слов заключается в том, что они не могут быть использованы разработчиками в качестве названий таких элементов, как:
  • Переменная (variable) Буква, символ или слово, общие для некоего множества значений (числовых или буквенных).
  • Функция (function) Некое выражение, которое принимает входные данные и преобразует их в выходные данные.
Переменная и функция — это одни из множества позаимствованных программированием математических концепций. Программирование в целом тесно связано с математикой.
Правила именования переменных также являются частью синтаксиса языка программирования.
Функции в языке программирования немного сложнее, чем в математике, но системному аналитику необязательно понимать все их нюансы. Для СА важно в целом понимать, как работают математические концепции, чтобы применить это понимание к программному коду.
Языки программирования содержат, как правило, от 30 до 50 ключевых слов. Самые распространённые ключевые слова, встречающиеся практически во всех языках программирования, это:
  • for (для)
  • if (если)
  • else (иначе)
  • break (прервать)
  • continue (продолжить)
  • return (вернуть)
  • while (пока)
Большинство языков программирования чувствительны к регистру (case sensitive). Это значит, что разработчикам следует внимательно относиться к использованию прописных (больших) и строчных (маленьких) букв. Например, компьютер поймёт “else”, но не поймёт “Else” или “ELSE”.

Операторы

Помимо ключевых слов, синтаксис языков программирования описывает набор операторов (operators). Оператор обозначает некоторую операцию над данными:
  • Арифметическую операцию Например, сложение, вычитание и умножение.
  • Операцию сравнения Например, больше одно значение другого, меньше или равно ему.
Для обозначения операторов в языках программирования, как правило, используются символы.
Самые распространённые операторы:
ОператорОписание
+Сложение
-Вычитание
*Умножение
/Деление
==Равно
!=Не равно
>Больше чем
<Меньше чем
>=Больше или равно
<=Меньше или равно
%Модуль
=Присвоение значения переменной

Блоки программного кода

Текст книги разделяют на главы и абзацы, чтобы его было проще читать. Программный код — это тоже текст. Разработчики разбивают его на части, называемые блоками кода (code blocks), для удобства понимания программного кода.
В текстовых редакторах, таких как Microsoft Word, для разметки текста используются, например, символы пробела и табуляции, а также знаки абзаца.
Синтаксис языка программирования также определяет символы для разметки текста — символы начала и конца блока. В большинстве языков программирования используются фигурные скобки {}. Весь программный код, находящийся между скобок — это блок кода.
Например, в программе “Hello, World!” на языке C выделен один блок (одна пара фигурных скобок):
C
#include <stdio.h>
int main(void)
{
  printf("Hello, World!");
  return 0;
}
Один блок может включать в себя другие блоки. Например, в той же программе на языке C# выделены два блока (две пары фигурных скобок):
CSHARP
class HelloWorld
{
    static void Main()
    {
        System.Console.WriteLine("Hello, World!");
    }
}
Теперь вы знаете составляющие синтаксиса языков программирования. Соотнесите термин с его определением.
Функция
Выражение, которое принимает входные данные и преобразует их в выходные данные.
Оператор
Символы, используемые для обозначения операций над данными.
Блок кода
Часть программного кода, которую выделяют для удобства его понимания.
Переменная
Буква, символ или слово, общие для некоего множества значений (числовых или буквенных).
Ключевое слово
Специальное слово с предопределённым в языке программирования смыслом.
Даня
А ты когда-нибудь писала код?
Айгуль
Да, псевдокод.
Даня
Это что, код для псевдоразработчиков и псевдокомпьютеров?🤪
Айгуль
Для системных аналитиков 😉

Псевдокод

Системный аналитик тоже может написать код. Правда, особенный, который называется псевдокодом (pseudocode).
Псевдокод — это формат описания требований, который представляет собой сочетание человеческого языка и языка программирования, а значит, не может быть выполнен компьютером.
Такой код не относится к какому-то конкретному ЯП и использует, как правило, самые распространённые ключевые слова, операторы и другие элементы синтаксиса языков программирования. В псевдокоде могут быть также использованы переменные и функции.
Разработчикам, как правило, легко понять псевдокод, потому что он похож на программный код.
Рассмотрим пример псевдокода. Напишем в формате псевдокода требования к алгоритму, который будет определять, является ли число положительным или отрицательным.
Сначала составим первоначальную структуру алгоритма. Для этого воспользуемся ключевыми словами ЕСЛИ (if) и ИНАЧЕ (else):
  • В первой строке записывается ключевое слово ЕСЛИ и условие. В конце строки ставится двоеточие.
  • В строке ниже описывается то, что нужно сделать, если условие выполняется.
  • В новой строке записывается ключевое слово ИНАЧЕ и двоеточие.
  • В строке ниже описывается то, что нужно сделать, если условие не выполняется.
ЕСЛИ условие:
    # что нужно сделать, если условие выполняется
ИНАЧЕ:
    # что нужно сделать, если условие не выполняется
Затем нужно описать условие и добавить в псевдокод переменную «число», а также функцию «напечатать».
число = 33

ЕСЛИ число > 0:
    напечатать("Положительное число")
ИНАЧЕ:
    напечатать("Отрицательное число")
При заданном в этом примере значении переменной «число» псевдокод напечатает сообщение «Положительное число».
Один алгоритм с ключевыми словами ЕСЛИ и ИНАЧЕ также может быть вложен в другой алгоритм.
Например, псевдокод может быть дополнен вариантом сообщения для случая, когда значение переменной «число» равно нулю.
число = 0

ЕСЛИ число > 0:
    напечатать("Положительное число")
ИНАЧЕ:
    ЕСЛИ число = 0:
        напечатать("Ни положительное, ни отрицательное число")
    ИНАЧЕ:
        напечатать("Отрицательное число")
При заданном здесь значении переменной «число» псевдокод напечатает сообщение «Ни положительное, ни отрицательное число».
Перед вами примеры псевдокода. Выберите для каждого примера сообщение, которое напечатает псевдокод при заданных значениях переменных.
В примерах используются следующие операторы:
  • = (присвоение значения переменной)
  • <= (меньше или равно)
  • == (равно)
  • != (не равно)
    • (вычитание)
Псевдокод 1
z = 10
x = z
y = z

ЕСЛИ x <= y:
    напечатать("x меньше или равно y")
ИНАЧЕ:
    напечатать("x больше y")
Псевдокод 2
коровы = 33

ЕСЛИ коровы == 33:
    напечатать("Тридцать три коровы - свежая строка!")
ИНАЧЕ:
    напечатать("Песни не будет")
Псевдокод 3
А = 11.11
B = 0.11
C = A - B
D = -25

ЕСЛИ A != B:
    ЕСЛИ C == D:
        напечатать("Ты вкусно поешь")
    ИНАЧЕ:
        напечатать("Ты обязательно выспишься")
ИНАЧЕ:
    напечатать("Ты отлично погуляешь")

Подведём итоги

Программный код, который пишут разработчики на языках программирования, называется исходным кодом. Исходный код должен быть переведён на понятный компьютеру язык — машинный код.
Перевести исходный код в машинный код можно с помощью:
  • интерпретатора — программы, которая последовательно переводит и выполняет каждую строку программного кода;
  • компилятора — программы, которая сначала переводит все строки программного кода, а затем выполняет его.
У всех языков программирования есть свои правила, они называются синтаксисом. Синтаксис языков программирования описывает в том числе:
  • ключевые слова;
  • функции и переменные;
  • операторы;
  • блоки программного кода.
Зная устройство языков программирования, системному аналитику будет проще общаться с разработчиками и понимать их задачи.
Системный аналитик также пишет псевдокод для удобства понимания алгоритмов разработчиками.