Основы компиляторов. Что такое компилятор – описание

1) Препроцессинг

Самая первая стадия компиляции программы.

Препроцессор - это макро процессор , который преобразовывает вашу программу для дальнейшего компилирования. На данной стадии происходит происходит работа с препроцессорными директивами. Например, препроцессор добавляет хэдеры в код (#include ), убирает комментирования, заменяет макросы (#define ) их значениями, выбирает нужные куски кода в соответствии с условиями #if , #ifdef и #ifndef .
Хэдеры, включенные в программу с помощью директивы #include , рекурсивно проходят стадию препроцессинга и включаются в выпускаемый файл. Однако, каждый хэдер может быть открыт во время препроцессинга несколько раз, поэтому, обычно, используются специальные препроцессорные директивы, предохраняющие от циклической зависимости.

Получим препроцессированный код в выходной файл driver.ii (прошедшие через стадию препроцессинга C++ файлы имеют расширение .ii ), используя флаг -E , который сообщает компилятору, что компилировать (об этом далее) файл не нужно, а только провести его препроцессинг:

Взглянув на тело функции main в новом сгенерированном файле, можно заметить, что макрос RETURN был заменен:

В новом сгенерированном файле также можно увидеть огромное количество новых строк, это различные библиотеки и хэдер iostream.

2) Компиляция

На данном шаге g++ выполняет свою главную задачу - компилирует, то есть преобразует полученный на прошлом шаге код без директив в ассемблерный код . Это промежуточный шаг между высокоуровневым языком и машинным (бинарным) кодом.

Ассемблерный код - это доступное для понимания человеком представление машинного кода.

Используя флаг -S , который сообщает компилятору остановиться после стадии компиляции, получим ассемблерный код в выходном файле driver.s :

driver.s

File "driver.cpp" .local _ZStL8__ioinit .comm _ZStL8__ioinit,1,1 .section .rodata .LC0: .string "Hello, world!" .text .globl main .type main, @function main: .LFB1021: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movl $.LC0, %esi movl $_ZSt4cout, %edi call _ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc movl $_ZSt4endlIcSt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIT_T0_ES6_, %esi movq %rax, %rdi call _ZNSolsEPFRSoS_E movl $0, %eax popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE1021: .size main, .-main .type _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, @function _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii: .LFB1030: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 subq $16, %rsp movl %edi, -4(%rbp) movl %esi, -8(%rbp) cmpl $1, -4(%rbp) jne .L5 cmpl $65535, -8(%rbp) jne .L5 movl $_ZStL8__ioinit, %edi call _ZNSt8ios_base4InitC1Ev movl $__dso_handle, %edx movl $_ZStL8__ioinit, %esi movl $_ZNSt8ios_base4InitD1Ev, %edi call __cxa_atexit .L5: nop leave .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE1030: .size _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii, .-_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii .type _GLOBAL__sub_I_main, @function _GLOBAL__sub_I_main: .LFB1031: .cfi_startproc pushq %rbp .cfi_def_cfa_offset 16 .cfi_offset 6, -16 movq %rsp, %rbp .cfi_def_cfa_register 6 movl $65535, %esi movl $1, %edi call _Z41__static_initialization_and_destruction_0ii popq %rbp .cfi_def_cfa 7, 8 ret .cfi_endproc .LFE1031: .size _GLOBAL__sub_I_main, .-_GLOBAL__sub_I_main .section .init_array,"aw" .align 8 .quad _GLOBAL__sub_I_main .hidden __dso_handle .ident "GCC: (Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.9) 5.4.0 20160609" .section .note.GNU-stack,"",@progbits

Мы можем все также посмотреть и прочесть полученный результат. Но для того, чтобы машина поняла наш код, требуется преобразовать его в машинный код, который мы и получим на следующем шаге.

3) Ассемблирование

Так как x86 процессоры исполняют команды на бинарном коде, необходимо перевести ассемблерный код в машинный с помощью ассемблера .
Ассемблер преобразовывает ассемблерный код в машинный код, сохраняя его в объектном файле .

Объектный файл - это созданный ассемблером промежуточный файл, хранящий кусок машинного кода. Этот кусок машинного кода, который еще не был связан вместе с другими кусками машинного кода в конечную выполняемую программу, называется объектным кодом .
Далее возможно сохранение данного объектного кода в статические библиотеки для того, чтобы не компилировать данный код снова.

Получим машинный код с помощью ассемблера (as ) в выходной объектный файл driver.o :

Но на данном шаге еще ничего не закончено, ведь объектных файлов может быть много и нужно их всех соединить в единый исполняемый файл с помощью компоновщика (линкера). Поэтому мы переходим к следующей стадии.

4) Компоновка

Компоновщик (линкер) связывает все объектные файлы и статические библиотеки в единый исполняемый файл, который мы и сможем запустить в дальнейшем. Для того, чтобы понять как происходит связка, следует рассказать о таблице символов .

Таблица символов - это структура данных, создаваемая самим компилятором и хранящаяся в самих объектных файлах. Таблица символов хранит имена переменных, функций, классов, объектов и т.д., где каждому идентификатору (символу) соотносится его тип, область видимости. Также таблица символов хранит адреса ссылок на данные и процедуры в других объектных файлах.
Именно с помощью таблицы символов и хранящихся в них ссылок линкер будет способен в дальнейшем построить связи между данными среди множества других объектных файлов и создать единый исполняемый файл из них.

Получим исполняемый файл driver :

5) Загрузка

Последний этап, который предстоит пройти нашей программе - вызвать загрузчик для загрузки нашей программы в память. На данной стадии также возможна подгрузка динамических библиотек .

Запустим нашу программу:

Заключение

В данной статье были рассмотрены основы процесса компиляции, понимание которых будет довольно полезно каждому начинающему программисту. В скором времени будет опубликована вторая статья про статические и динамические библиотеки.

Теги: c++, compiler, gcc, g++

Создавая на завершающем этапе определенную программу, любому программисту приходиться обращаться к услугам компилятора. В технической документации этой программе отведено довольно скромное определение как утилите, выполняющей компиляцию. Компиляция - это процесс превращения программы, написанной на языке, понятном человеку (языке высокого уровня), в команды, понятные для машины (низкоуровневый язык). В результате получаем программу, которая близка Она может выглядеть как объектный модуль, абсолютный код. Иногда такая программа похожа на

Таким образом, компиляция - это когда входная информация (исходный код), представляющая описание алгоритма или написанная на проблемно-ориентированном языке программа, переписывается в эквивалентный перечень команд, представленных в объектном коде (машинно-ориентированном языке).

Если еще упростить определение, то компилировать - это транслировать машинную программу с проблемно-ориентированного в машинно-ориентированный язык.

Несмотря на прозрачность и простоту определения, компиляция - это процесс довольно многоплановый. Существует несколько ее видов. Пакетная компиляция осуществляется над несколькими исходными модулями в одном пункте задания. Построчная компиляция - это то же самое, что и интерпретация (пошаговая независимая компиляция каждого последующего оператора). Еще существует условная компиляция. В таком случае транслируемый текст имеет зависимость от условий, которые заданы в исходной программе директивами компилятора.

Меняя значение определенной константы, можно регулировать включение или выключение трансляции части текста программы.

Для удобства программистов при решении различных задач применяются наиболее удобные и приспособленные компиляторы. Если произвести их классификацию, то можно выделить несколько видов подобных утилит.

Компилятор векторизующий производит трансляцию исходного кода в машинный компьютерный код, подстраиваясь под векторные процессоры.

Гибкий компилятор был разработан на основе модульного принципа. Его управление осуществляется таблицами. Запрограммирован он на высокоуровневом языке. Также возможна его реализация при помощи компилятора компиляторов.

Компилятор инкрементальный осуществляет повторное транслирование фрагментов программы и дополнений к ней, при этом перекомпиляция всей программы исключается.

Интерпретирующий или пошаговый компилятор использует принцип последовательного выполнения независимой компиляции для каждого отдельного оператора или команды из исходной программы.

Который воспринимает формальное описание для языка программирования. Он способен самостоятельно генерировать компилятор для конкретного языка.

Отладочный компилятор может самостоятельно устранять некоторые виды ошибок синтаксиса.

Резидентному компилятору отведено постоянное место в оперативной памяти, и он доступен при повторном использовании широким спектром задач.

Существуют самокомпилируемые компиляторы. Они пишутся тем же языком, с которого происходит трансляция.

Универсальный компилятор имеет в основании формальное описание семантики и синтаксиса входного языка. Он состоит из ядра, синтаксического и семантического загрузчиков.

Наиболее часто встречающиеся задачи, где компиляторы находят себе применение, − это компиляция ядра для платформы Linux. Операция эта позволяет решить широкий спектр проблем, связанных с согласованием оборудования и настройки наиболее приемлемой версии платформы.

Компиляция Java реализовывается при использовании компиляторов, работающих на самых различных платформах. Это позволяет исходные коды перекомпилировать под потребности операционных систем от разных производителей.

Компиля́тор - программа или техническое средство, выполняющее компиляцию .

Компиляция - трансляция программы, составленной на исходном языке высокого уровня, в эквивалентную программу на низкоуровневом языке, близком машинному коду (абсолютный код, объектный модуль, иногда на язык ассемблера). Входной информацией для компилятора (исходный код) является описание алгоритма или программа напроблемно-ориентированном языке, а на выходе компилятора - эквивалентное описание алгоритма на машинно-ориентированном языке (объектный код).

Компилировать - проводить трансляцию машинной программы с проблемно-ориентированного языка на машинно-ориентированный язык.

Виды компиляторов

Векторизующий . Транслирует исходный код в машинный код компьютеров, оснащённых векторным процессором.

Гибкий . Сконструирован по модульному принципу, управляется таблицами и запрограммирован на языке высокого уровня или реализован с помощью компилятора компиляторов.

Диалоговый . См.: диалоговый транслятор.

Инкрементальный . Повторно транслирует фрагменты программы и дополнения к ней без перекомпиляции всей программы.

Интерпретирующий (пошаговый) . Последовательно выполняет независимую компиляцию каждого отдельного оператора (команды) исходной программы.

Компилятор компиляторов . Транслятор, воспринимающий формальное описание языка программирования и генерирующий компилятор для этого языка.

Отладочный . Устраняет отдельные виды синтаксических ошибок.

Резидентный . Постоянно находится в оперативной памяти и доступен для повторного использования многими задачами.

Самокомпилируемый . Написан на том же языке, с которого осуществляется трансляция.

Универсальный . Основан на формальном описании синтаксиса и семантики входного языка. Составными частями такого компилятора являются: ядро, синтаксический исемантический загрузчики.

Виды компиляции

Пакетная . Компиляция нескольких исходных модулей в одном пункте задания.

Построчная . То же, что и интерпретация.

Условная . Компиляция, при которой транслируемый текст зависит от условий, заданных в исходной программе директивами компилятора. Так, в зависимости от значения некоторой константы, можно включать или выключать трансляцию части текста программы.

Структура компилятора

Процесс компиляции состоит из следующих этапов:

Лексический анализ. На этом этапе последовательность символов исходного файла преобразуется в последовательность лексем.

Синтаксический (грамматический) анализ. Последовательность лексем преобразуется в дерево разбора.

Семантический анализ. Дерево разбора обрабатывается с целью установления его семантики (смысла) - например, привязка идентификаторов к их декларациям, типам, проверка совместимости, определение типов выражений и т. д. Результат обычно называется «промежуточным представлением/кодом», и может быть дополненным деревом разбора, новым деревом, абстрактным набором команд или чем-то ещё, удобным для дальнейшей обработки.

Оптимизация. Выполняется удаление излишних конструкций и упрощение кода с сохранением его смысла. Оптимизация может быть на разных уровнях и этапах - например, над промежуточным кодом или над конечным машинным кодом.

Генерация кода. Из промежуточного представления порождается код на целевом языке.

В конкретных реализациях компиляторов эти этапы могут быть разделены или, наоборот, совмещены в том или ином виде.

Генерация кода

Генерация машинного кода

Большинство компиляторов переводит программу с некоторого высокоуровневого языка программирования в машинный код, который может быть непосредственно выполнен процессором. Как правило, этот код также ориентирован на исполнение в среде конкретной операционной системы, поскольку использует предоставляемые ею возможности (системные вызовы, библиотеки функций). Архитектура (набор программно-аппаратных средств), для которой производится компиляция, называется целевой машиной .

Результат компиляции - исполнимый модуль - обладает максимальной возможной производительностью, однако привязан к определённой операционной системе и процессору (и не будет работать на других).

Для каждой целевой машины (IBM, Apple, Sun и т. д.) и каждой операционной системы или семейства операционных систем, работающих на целевой машине, требуется написание своего компилятора. Существуют также так называемые кросс-компиляторы , позволяющие на одной машине и в среде одной ОС генерировать код, предназначенный для выполнения на другой целевой машине и/или в среде другой ОС. Кроме того, компиляторы могут оптимизировать код под разные модели из одного семейства процессоров (путём поддержки специфичных для этих моделей особенностей или расширений наборов инструкций). Например, код, скомпилированный под процессоры семейства Pentium, может учитывать особенности распараллеливания инструкций и использовать их специфичные расширения - MMX, SSE и т. п.

Некоторые компиляторы переводят программу с языка высокого уровня не прямо в машинный код, а на язык ассемблера. Это делается для упрощения части компилятора, отвечающей за кодогенерацию, и повышения его переносимости (задача окончательной генерации кода и привязки его к требуемой целевой платформе перекладывается на ассемблер), либо для возможности контроля и исправления результата компиляции программистом.

Генерация байт-кода

Результатом работы компилятора может быть программа на специально созданном низкоуровневом языке, подлежащем интерпретации виртуальной машиной . Такой язык называется псевдокодом или байт-кодом. Как правило, он не является машинным кодом какого-либо компьютера и программы на нём могут исполняться на различных архитектурах, где имеется соответствующая виртуальная машина, но в некоторых случаях создаются аппаратные платформы, напрямую поддерживающие псевдокод какого-либо языка. Например, псевдокод языка Java называется байт-кодом Java (англ. Java bytecode ) и выполняется в Java Virtual Machine, для его прямого исполнения была создана спецификация процессора picoJava. Для платформы.NET Framework псевдокод называется Common Intermediate Language (CIL), а среда исполнения - Common Language Runtime (CLR).

Некоторые реализации интерпретируемых языков высокого уровня (например, Perl) используют байт-код для оптимизации исполнения: затратные этапы синтаксического анализа и преобразование текста программы в байт-код выполняются один раз при загрузке, затем соответствующий код может многократно использоваться без промежуточных этапов.

Динамическая компиляция

Основная статья: JIT-компиляция

Из-за необходимости интерпретации байт-код выполняется значительно медленнее машинного кода сравнимой функциональности, однако он более переносим (не зависит от операционной системы и модели процессора). Чтобы ускорить выполнение байт-кода, используется динамическая компиляция , когда виртуальная машина транслирует псевдокод в машинный код непосредственно перед его первым исполнением (и в при повторных обращениях к коду исполняется уже скомпилированный вариант).

CIL-код также компилируется в код целевой машины JIT-компилятором, а библиотеки.NET Framework компилируются заранее.

Декомпиляция

Существуют программы, которые решают обратную задачу - перевод программы с низкоуровневого языка на высокоуровневый. Этот процесс называют декомпиляцией, а такие программы - декомпиляторами. Но поскольку компиляция - это процесс с потерями, точно восстановить исходный код, скажем, на C++, в общем случае невозможно. Более эффективно декомпилируются программы в байт-кодах - например, существует довольно надёжный декомпилятор для Flash. Разновидностью декомпилирования являетсядизассемблирование машинного кода в код на языке ассемблера, который почти всегда выполняется успешно (при этом сложность может представлять самомодифицирующийся код или код, в котором собственно код и данные не разделены). Связано это с тем, что между кодами машинных команд и командами ассемблера имеется практически взаимно-однозначное соответствие.

Раздельная компиляция

Раздельная компиляция (англ. separate compilation ) - трансляция частей программы по отдельности с последующим объединением их компоновщиком в единый загрузочный модуль.

Исторически особенностью компилятора, отражённой в его названии (англ. compile - собирать вместе, составлять), являлось то, что он производил как трансляцию, так и компоновку, при этом компилятор мог порождать сразу абсолютный код. Однако позже, с ростом сложности и размера программ (и увеличением времени, затрачиваемого на перекомпиляцию), возникла необходимость разделять программы на части и выделять библиотеки, которые можно компилировать независимо друг от друга. При трансляции каждой части программы компилятор порождает объектный модуль, содержащий дополнительную информацию, которая потом, при компоновке частей в исполнимый модуль, используется для связывания и разрешения ссылок между частями.

Появление раздельной компиляции и выделение компоновки как отдельной стадии произошло значительно позже создания компиляторов. В связи с этим вместо термина «компилятор» иногда используют термин «транслятор» как его синоним: либо в старой литературе, либо когда хотят подчеркнуть его способность переводить программу в машинный код (и наоборот, используют термин «компилятор» для подчёркивания способности собирать из многих файлов один).

ТРАНСЛЯЦИЯ, КОМПИЛЯЦИЯ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

Транслятор – это программа или техническое средство, выполняющее преобразование программы, представленной на одном из языков программирования, в программу на другом языке, в определенном смысле равносильную первой.

Компиляция в программировании – преобразование программы, представленной на одном из языков программирования, в коды на машинно-ориентированном языке, которые принимаются и исполняются непосредственно процессором. Результатом компиляции является объектный файл с необходимыми внешними ссылками для компоновщика. Программа уже переведена в машинные инструкции, однако еще не полностью готова к выполнению.

Компилятор – это программа, предназначенная для трансляции исходного текста программы с высокоуровневого языка в объектный код. Входной информацией для компилятора является описание алгоритма или программа на языке программирования. На выходе компилятора – эквивалентное описание алгоритма на машинно-ориентированном языке (объектный код).

Компоновка – это один из этапов создания исполняемого файла.
Компилировать – проводить трансляцию машинной программы с проблемно-ориентированного языка на машинно-ориентированный язык (создание объектного кода) для ее исполнения. Результатом компиляции является объектный файл с необходимыми внешними ссылками для компоновщика. Программа уже переведена в машинные инструкции, однако еще не полностью готова к выполнению. В объектном файле имеются ссылки на различные системные функции. Даже если в программе явно не упомянута ни одна функция, необходим, по крайней мере, один вызов системной функции – завершение программы и освобождение всех принадлежащих ей ресурсов.

Компоновщик – модуль системы программирования или самостоятельная программа, которая собирает результирующую программу из объектных модулей и стандартных библиотечных модулей. Этот процесс называется компоновкой, его результатом и будет исполняемый файл. С процедурой интерпретации компоновка не связана.

При работе с программами существуют этапы:
а) компиляции
б) компоновки
в) интерпретации
г) исполнения программы.
Создание исполняемого файла из исходного текста программы предполагает выполнение этапов а и б (компиляции и компоновки).

Исполняемый файл – это файл, который может быть обработан или выполнен компьютером без предварительной трансляции. Обычно исполняемый файл получается в результате компиляции и компоновки объектных модулей и содержит машинные команды и/или команды операционной системы.

Интерпретатор анализирует и тут же выполняет программу покомандно, по мере поступления ее исходного кода на вход интерпретатора.
Алгоритм работы простого интерпретатора: 1) прочитать инструкцию;
2) проанализировать инструкцию и определить соответствующие действия;
3) выполнить соответствующие действия;
4) если не достигнуто условие завершения программы, прочитать следующую инструкцию и перейти к пункту 2.

Утверждение «Языковый процессор, который построчно анализирует исходную программу и одновременно выполняет предписанные действия, а не формирует на машинном языке скомпилированную программу, которая выполняется впоследствии» справедливо для интерпретатора

Режим интерпретации можно использовать при отладке программ на языке высокого уровня.

Интерпретация в разработке программ – процесс непосредственного покомандного выполнения программы без предварительной компиляции, «на лету». В большинстве случаев интерпретируемая программа работает намного медленнее, чем скомпилированная программа, но не требует затрат на компиляцию, что в случае небольших программ может повышать общую производительность. Интерпретация связана с получением переменными значений в процессе работы программы.

Интерпретация и компиляция не позволяют изменить семантику (смысл) языка программирования. Обычно при описании семантики в рамках операционного подхода исполнение конструкций языка программирования трактуется с помощью некоторой воображаемой (абстрактной) ЭВМ.

Интерпретация и компиляция не позволяют изменить синтаксис языка – набор правил построения фраз алгоритмического языка, позволяющий определить осмысленные предложения в этом языке.

Синтаксический анализ – это процесс сопоставления линейной последовательности лексем (слов) языка с его формальной грамматикой, обычно это программа или часть программы, выполняющая синтаксический анализ. Результатом обычно является дерево разбора.

Дисплейный файл – набор команд дисплейного процессора (представление интерактивной графики). В составе команд дисплейного процессора могут предусматриваться не только графические команды формирования изображений и перехода, но и команды организации циклов и обращения к подпрограммам.

Командные файлы используются, когда в процессе работы необходимо часто выполнять одни и те же действия. Операционная система позволяет записать нужную для этого последовательность команд в специальный файл, называемый командным файлом.

Этапы решения задачи на компьютере.

Для того чтобы правильно решить задачу с помощью автоматизированного подхода на ПЭВМ, необходимо пройти определенные этапы ее решения.
1. Формализация данных

2. Создание математической модели
3. Детальное описание алгоритма (блок-схема, текстовое)
4. Реализация на языке программирования
5. Отладка программы
6. Тестирование программы
7. Анализ результатов работы

Данная цепочка будет корректна с точки зрения решения задачи на ПЭВМ, поскольку на начальных этапах («Формализация данных» и «Создание математической модели») определяются исходные данные и модель решения. Далее, на этапах «Детальное описание алгоритма (блок-схема, текстовое)» и «Реализация на языке программирования», проходит пошаговое построение целевого алгоритма и реализация его на заданном языке программирования. На этапе «Отладка программы» устраняются явные некорректные ситуации реализации алгоритма, а этап «Тестирование программы» позволяет устранить скрытые и явные недостатки реализации исходной задачи. На финальном этапе «Анализ результатов работы» проводится исследование полученных результатов.

ПОНЯТИЕ АЛГОРИТМА И ЕГО СВОЙСТВА. БЛОК-СХЕМА АЛГОРИТМА

Единого определения понятия «алгоритм» нет. Приведем одно из возможных определений.

Алгоритм – это некоторый конечный набор рассчитанных на определенного исполнителя операций, в результате выполнения которых через определенное число шагов может быть достигнута поставленная цель или решена некоторая задача.

Пять важных свойств алгоритма – дискретность, конечность, детерминированность, результативность, массовость.

Дискретность – при выполнении алгоритм разбивается на конечную последовательность действий или шагов.

Конечность (завершаемость) – при корректно заданных исходных данных алгоритм должен завершать работу за конечное число шагов.

Детерминированность – это определенность (т. е. общепонятность и точность). В каждый момент времени следующий шаг работы однозначно определяется состоянием системы. Таким образом, алгоритм выдает один и тот же результат (ответ) для одних и тех же исходных данных, т. е. при повторениях алгоритма для одних и тех же исходных данных всегда получается одинаковый результат.

С другой стороны, существуют вероятностные алгоритмы, в которых следующий шаг работы зависит от текущего состояния системы и генерируемого случайного числа. Однако при включении метода генерации случайных чисел в список «исходных данных» вероятностный алгоритм становится подвидом обычного.

Результативность (направленность на получение искомого результата) ­– алгоритм должен завершаться определенными результатами.

Массовость (возможность использования различных данных при решении однотипных задач) – алгоритм должен быть применим к разным наборам исходных данных. Например, алгоритм решения квадратного уравнения должен быть применим к квадратным уравнениям с различными значениями коэффициентов.

Линейный алгоритм – алгоритм, в котором все действия (операции) выполняются один раз последовательно друг за другом

Способы записи (представления) алгоритма:

– формульный

– словесный

– табличный

– с помощью блок-схем

– с помощью программы

Наиболее наглядным способом записи алгоритма является изображение в виде последовательно блоков, каждый из которых предписывает выполнение определенных действий, то есть с помощью блок-схемы.

Способы представления алгоритмов (еще раз):

– Словесный (описание на естественном человеческом языке)

– Графический (на языке блок-схем)

– С помощью символов специального языка проектирования программ-псевдокодов

– С использованием HIPO-диаграмм

– С использованием таблиц решений

– С помощью схемы Насси-Шнейдермана

– С помощью одного из алгоритмических языков программирования

Правила построения алгоритмов на языке блок-схем:

1. Блок-схема строится сверху вниз.

2. В любой блок-схеме имеется только один элемент, соответствующий началу алгоритма, и один элемент, соответствующий концу алгоритма.

3. Должен быть хотя бы один путь из начала блок-схемы к любому элементу.

4. Должен быть хотя бы один путь от каждого элемента блок-схемы в конец блок-схемы.

Основные методы современной технологии проектирования алгоритмов.

1. Метод структурного проектирования. Любой алгоритм может быть построен из комбинаций трех базовых структур: линейный алгоритм (следование), разветвляющийся алгоритм (развилка) и циклический алгоритм (повтор).

2. Метод нисходящего проектирования. Первоначально определяются главные функции, затем второстепенные.

3. Метод пошаговой детализации.

4. Метод модульности. Модуль – логически связанный фрагмент программы, выполняющий одну функцию и состоящий из обозримого числа шагов.

Перед началом составления блок-схемы необходимо:

1. Определить имена входных данных, промежуточных и выходных результатов.

2. Дать наименование основной программе и вспомогательным алгоритмам.

Циклы . Оператор цикла. Заголовок цикла определяет число повторений. Тело цикла – блок повторяемых операторов (действий). Циклы бывают двух видов: с фиксированным числом повторений (цикл типа for = цикл типа для = цикл с параметром = арифметический цикл) и условные операторы цикла (цикл с предусловием = цикл типа while = цикл типа пока ; цикл с постусловием ).

Зацикливание – тело цикла выполняется бесконечное число раз.

Реализация циклов в алгоритмах уменьшает объем памяти, используемой программой, выполняющей алгоритм, и сокращает количество записей одинаковых последовательностей команд.

ЭВОЛЮЦИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЯЗЫКОВ...

Выражение на языке программирования задает правило вычисления некоторого значения. Выражение состоит из констант, переменных, указателей функций, знаков операций и скобок. Каждое выражение имеет тип , зависящий от типов входящих в него операндов.

Выражение называют арифметическим , если его значением является число. Арифметическое выражениезаписывается в строку. Нельзя ставить подряд два знака арифметических операций. Нельзя опускать знак умножения.

При вычислении значений выражений важен порядок выполнения операций . Приняты следующие правила. Действия выполняются слева направо с соблюдением следующего старшинства (в порядке убывания приоритетов ):

1) действия в скобках;
2) вычисление функций;
3) NOT;
4) *, /, DIV, MOD, AND;
5) +, -, OR;
6) =, <>, <, >, <=, >=.

Если приоритет операций одинаков, то операция, стоящая левее, выполняется раньше . Порядок выполнения операций можно переопределить с помощью скобок.

Язык программирования – искусственный язык, который имеет

– ограниченное число слов, значение которых понятно транслятору

(ключевые слова)

– очень строгие правила записи команд

Синтаксис языка – совокупность правил записи команд

Семантика языка – смысл каждой команды и других конструкций языка

Язык программирования - формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических , синтаксических и семантических правил , задающих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (компьютер) под ее управлением.

Каждый язык программирования поддерживает один или несколько встроенных типов данных (базовых типов). Кроме того, развитые языки программирования предоставляют программисту возможность описывать собственные типы данных, комбинируя или расширяя существующие.

Тип данных – характеристика набора данных, которая определяет:

- диапазон возможных значений данных из набора;

- допустимые операции, которые можно выполнять над этими значениями;

- способ хранения этих значений в памяти.

Различают:

- простые типы данных: целые, действительные числа и др.;

- составные типы данных: массивы, файлы и др.

Переменная – именованная область памяти, хранящая некоторое значение.

Массивы используются во всех современных языках программирования.

Массив – именованный набор однотипных данных, расположенных в памяти непосредственно друг за другом (в отличие от списка ), доступ к которым осуществляется по индексу элемента массива (номеру по порядку, упорядоченному по возрастанию в индексных массивах). Индекс массива, указывающий на элемент массива, – это целое число.

Программа – логически упорядоченная последовательность команд, необходимых для решения определенной задачи.

Программа – Алгоритм, записанный на языке программирования.

Текст программы – полное, законченное и детальное описание алгоритма на языке программирования. Затем этот текст программы обрабатывается специальными служебными приложениями, которые называются трансляторами.

Команды, поступающие в процессор по его шинам, на самом деле являются электрическими сигналами. Эти сигналы можно интерпретировать как нули и единицы, то есть как числа. Поэтому реально программа, с которой работает процессор, представляет собой последовательность чисел, называемую машинным кодом .

тестирование программного обеспечения - процесс исследования программного обеспечения (ПО) с целью получения информации о качестве продукта (в том числе поиск ошибок в программе).

Альфа-тестирование – тестирование готового продукта на специально созданных задачах.

Бета-тестирование – опробование бесплатной тестовой версии программного продукта на реальных задачах.

Если «альфа-» и «бета-тестирование» относятся к стадиям до выпуска продукта (а также, неявно, к объёму тестирующего сообщества и ограничениям на методы тестирования), тестирование «белого ящика» и «чёрного ящика» имеет отношение к способам, которыми тестировщик достигает цели .

При тестировании белого ящика (англ. white- box testing , также говорят - прозрачного ящика ), разработчик теста имеет доступ к исходному коду программ и может писать код, который связан с библиотеками тестируемого ПО. Это типично для юнит-тестирования (англ. unit testing ), при котором тестируются только отдельные части системы. Оно обеспечивает то, что компоненты конструкции - работоспособны и устойчивы, до определённой степени. При тестировании белого ящика используются метрики покрытия кода.

При тестировании чёрного ящика , тестировщик имеет доступ к ПО только через те же интерфейсы, что и заказчик или пользователь, либо через внешние интерфейсы, позволяющие другому компьютеру либо другому процессу подключиться к системе для тестирования. Например, тестирующий модуль может виртуально нажимать клавиши или кнопки мыши в тестируемой программе с помощью механизма взаимодействия процессов, с уверенностью в том, все ли идёт правильно, что эти события вызывают тот же отклик, что и реальные нажатия клавиш и кнопок мыши. Как правило, тестирование чёрного ящика ведётся с использованием спецификаций или иных документов, описывающих требования к системе. Как правило, в данном виде тестирования критерий покрытия складывается из покрытия структуры входных данных, покрытия требований и покрытия модели (в тестировании на основе моделей).

Регрессионное тестирование . После внесения изменений в очередную версию программы, регрессионные тесты подтверждают, что сделанные изменения не повлияли на работоспособность остальной функциональности приложения. Регрессионное тестирование может выполняться как вручную, так и средствами автоматизации тестирования.

Отла́дка - этап разработки компьютерной программы, на котором обнаруживают, локализуют и устраняют ошибки. Чтобы понять, где возникла ошибка, приходится:

узнавать текущие значения переменных; и выяснять, по какому пути выполнялась программа.

Существуют две взаимодополняющие технологии отладки .

Использование отладчиков - программ, которые включают в себя пользовательский интерфейс для пошагового выполнения программы: оператор за оператором, функция за функцией, с остановками на некоторых строках исходного кода или при достижении определённого условия. Вывод текущего состояния программы с помощью расположенных в критических точках программы операторов вывода - на экран, принтер, громкоговоритель или в файл. Вывод отладочных сведений в файл называется журналированием .

Отладчик – программа, позволяющая исследовать внутреннее устройство программы. Отладчик обеспечивает пошаговое исполнение программы, просмотр текущих значений переменных, вычисление значения любого выражения программы и др. Debugger .

Рефакторинг - процесс изменения внутренней структуры программы, не затрагивающий её внешнего поведения и имеющий целью облегчить понимание её работы

Подпрограмма – набор операторов, выполняющих нужное действие и не зависящих от других частей исходного кода.

Подпрограммы бывают двух видов – процедуры и функции . Они отличаются тем, что процедура просто выполняет группу операторов, а функция к тому же передает в главную программу некоторое вычисленное значение. Передает = возвращает. Функция имеет тип, совпадающий с типом возвращаемого значения.

Внешняя программа вызывает подпрограмму. Данные передаются подпрограмме в виде параметров или аргументов, которые описываются в заголовке подпрограммы.

Подпрограммы могут быть вложенными, т. е. допускается вызов подпрограммы не только из главной программы, но и из другой подпрограммы. Подпрограмма может вызывать сама себя. Такой прием называется рекурсией .

Важная характеристика подпрограмм – возможность их повторного использования. С интегрированными системами программирования поставляются большие библиотеки стандартных подпрограмм.

Модуль – процедура, функция, юнит, программа в целом – логически законченная составная часть программы.

Процедурные языки программирования – те, где возможно использование подпрограмм.

Структурное программирование – структура программы должна отражать структуру решаемой задачи, чтобы алгоритм решения был ясно виден из исходного текста. С этой целью введено понятие подпрограммы.

Структурное программирование - методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX века Э. Дейкстрой, разработана и дополнена Н. Виртом.

В соответствии с данной методологией

последовательное исполнение - однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы; ветвление - однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия; цикл - многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие (условие продолжения цикла).

В программе базовые конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом, но никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

Сначала пишется текст основной программы, в котором, вместо каждого связного логического фрагмента текста, вставляется вызов подпрограммы, которая будет выполнять этот фрагмент. Вместо настоящих, работающих подпрограмм, в программу вставляются «заглушки», которые ничего не делают. Полученная программа проверяется и отлаживается. После того, как программист убедится, что подпрограммы вызываются в правильной последовательности (то есть общая структура программы верна), подпрограммы-заглушки последовательно заменяются на реально работающие, причём разработка каждой подпрограммы ведётся тем же методом, что и основной программы. Разработка заканчивается тогда, когда не останется ни одной «затычки», которая не была бы удалена. Такая последовательность гарантирует, что на каждом этапе разработки программист одновременно имеет дело с обозримым и понятным ему множеством фрагментов, и может быть уверен, что общая структура всех более высоких уровней программы верна. При сопровождении и внесении изменений в программу выясняется, в какие именно процедуры нужно внести изменения, и они вносятся, не затрагивая части программы, непосредственно не связанные с ними. Это позволяет гарантировать, что при внесении изменений и исправлении ошибок не выйдет из строя какая-то часть программы, находящаяся в данный момент вне зоны внимания программиста.

Нисходящее проектирование – разработка приложения (программы) сверху вниз. Сначала выделяется несколько подпрограмм (модулей), решающих самые глобальные задачи (например, инициализация данных), потом каждый из этих модулей детализируется на более низком уровне, разбиваясь на небольшое число других подпрограмм и т. д.

Событийно-ориентированное программирование – главная часть программы представляет собой один бесконечный цикл, который опрашивает Windows, следя за тем, не появилось ли новое сообщение о событии. При обнаружении события вызывается подпрограмма, ответственная за обработку события. Цикл продолжается, пока не будет получено сообщение «завершить работу».

События могут быть

– пользовательскими (возникают в результате действий пользователя)

– системными (возникают в ОС, например, сообщение от таймера)

– программными (генерируются программой, например, надо обработать ошибку)

Исключение – ситуация в программе или ОС, требующая немедленного реагирования, например, деление на 0.

Виды программирования

Структурное Функциональное программирование Логическое программирование Автоматное программирование Процедурное программирование Объектно-ориентированное программирование Прототипное программирование Аспектно-ориентированное программирование Компонентно-ориентированное программирование

Логическое программирование - парадигма программирования, основанная на автоматическом доказательстве теорем, а также раздел дискретной математики, изучающий принципы логического вывода информации на основе заданных фактов и правил вывода. Логическое программирование основано на теории и аппарате математической логики с использованием математических принципов резолюций. (язык Пролог ).

Процедурное (императивное) программирование является отражением архитектуры традиционных ЭВМ, которая была предложена фон Нейманом в 1940-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.

Выполнение программы сводится к последовательному выполнению операторов с целью преобразования исходного состояния памяти, то есть значений исходных данных, в заключительное, то есть в результаты. Таким образом, с точки зрения программиста имеются программа и память, причем первая последовательно обновляет содержимое последней.

Процедурный язык программирования предоставляет возможность программисту определять каждый шаг в процессе решения задачи. Особенность таких языков программирования состоит в том, что задачи разбиваются на шаги и решаются шаг за шагом. Используя процедурный язык, программист определяет языковые конструкции для выполнения последовательности алгоритмических шагов.

Процедурные языки программирования

· Аda (язык общего назначения)

· Basic (версии начиная с Quick Basic до появления Visual Basic)

· Фортран

· Модула-2

Функциональное программирование объединяет разные подходы к определению процессов вычисления на основе достаточно строгих абстрактных понятий и методов символьной обработки данных. Программирование с использованием математического понятия функции вызывает некоторые трудности, поэтому функциональные языки, в той или иной степени предоставляют и императивные возможности, что ухудшает дизайн программы (например возможность безболезненных дальнейших изменений). Дополнительное отличие от императивных языков программирования заключается в декларативности описаний функций. Тексты программ на функциональных языках программирования описывают «как решить задачу», но не предписывают последовательность действий для решения. Первым, спроектированным функциональным языком стал Лисп.

Машинный язык – язык программирования для представления программ в форме, допускающей их непосредственную реализацию аппаратными средствами конкретной ЭВМ.

Языки низкого уровня – Ассемблер и Макроассемблер.

Язык разметки данных в компьютерной терминологии – набор символов или последовательностей, вставляемых в текст для передачи информации о его выводе или строении. Принадлежит классу компьютерных языков . Текстовый документ, написанный с использованием языка разметки, содержит не только сам текст (как последовательность слов и знаков препинания), но и дополнительную информацию о различных его участках, например, указание на заголовки, выделения, списки и т. д. В более сложных случаях язык разметки позволяет вставлять в документ интерактивные элементы и содержание других документов.

Языки разметки используются везде, где требуется вывод форматированного текста: в типографии (SGML, TeX, PostScript, PDF), пользовательских интерфейсах компьютеров (Microsoft Word, OpenOffice, troff), Всемирной Сети (HTML, XHTML, XML, WML, VML, PGML, SVG).

XML (Hypertext Markup Language – «язык разметки гипертекста») – это стандартный язык разметки документов во Всемирной паутине.

Java – язык объектно-ориентированного программирования, разработан корпорацией Sun Microsistems как межплатформенный, интерпретируемый, объектно-ориентированный язык программирования, используемый для создания приложений, работающих под управлением веб-браузера и характеризующихся высоким уровнем интерактивности.

Java . Объектно-ориентированный язык программирования. Главная особенность этого языка – компиляция не в машинный код, а в байт-код, где каждая команда занимает 1 байт и который может выполняться на любой машине с любой операционной системой, если там есть интерпретатор. Этот интерпретатор называется «виртуальная машина Java ». Программы на языке java можно переносить с машины на машину в виде исходного текста или в виде байт-кода. По популярности Java занимает второе место в мире после Basic.

Java script – язык программирования, который разработан на основе языка Java и используется в составе html страниц с целью увеличения функциональности сайта.

Основное отличие языка Java script от любого другого языка программирования в том, что java скрипты размещаются внутри html страницы и не могут существовать как отдельные программы, а функционируют только будучи запущенными в браузерах.

SQL (Structured Query Language) – язык структурированных запросов. Структурированный язык запросов основан на реляционной алгебре. Это язык манипулирования данными, позволяющий описывать условия поиска информации, не задавая для этого последовательность действий, нужных для получения ответа. SQL является стандартным средством доступа к серверу баз данных . Стандарт SQL содержит компоненты для определения, изменения, проверки и защиты данных.

Пролог (англ. Prolog ) - язык и система логического программирования, основанные на языке предикатов математической логики дизъюнктов Хорна, представляющей собой подмножество логики предикатов первого порядка. Основными понятиями в языке Пролог являются факты, правила логического вывода и запросы, позволяющие описывать базы знаний, процедуры логического вывода и принятия решений.

ADA – язык программирования для встраиваемых систем. Это универсальный язык программирования, предназначенный для создания сложных систем, характеризующийся высокой степенью независимости от операционных систем и обеспечивающий поддержку средств параллельной обработки данных в реальном времени.

Интегрированные системы программирования включают в себя

· текстовый редактор

· компилятор

· редактор связей

· библиотеки функций

· отладчик (пошаговое выполнение)

Визуальные среды быстрого проектирования:

· Basic; Microsoft Visual Basic

· Pascal; Borland Delphi

· C++; Microsoft Visual C++

· Java; Borland JBuilder

· C#; Microsoft Visual ? Borland C# Builder

Архитектура программных систем : автономное приложение (работает на одном компьютере); файл-серверная архитектура, клиент-серверная архитектура, многозвенная архитектура (распределение функций между серверами, соединенными последовательно = позвенно), распределенная (программа в виде набора компонентов, которые можно запускать на любых серверах, связанных в сеть).

Параллельные вычисления – одновременное выполнение независимых частей одной программы на различных процессорах.

С точки зрения ISO 9126, Качество (программных средств) можно определить как совокупную характеристику исследуемого ПО с учётом следующих составляющих:

Надёжность Сопровождаем ость Практичность Эффективность Мобильность Функциональность

Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированный язык – язык программирования, поддерживающий понятие объектов, их свойств и методов обработки, а также поддерживающий наследование и полиморфизм.

Класс – специальный тип данных, который содержит поля, методы и свойства.

Поля – инкапсулированные в классе данные

Свойства – специальный механизм, регулирующий доступ к полям.

Методы – инкапсулированные в классе процедуры и функции.

В основе классов лежат 3 фундаментальных принципа , которые называются инкапсуляция, наследование и полиморфизм.

Инкапсуляция – объединение трех сущностей (полей, методов и свойств) в единое целое (т. е. в класс), что позволяет во многом изолировать класс от остальных частей программы, сделать его самодостаточным для решения конкретной задачи. Например, класс Tform содержит (инкапсулирует в себе) все необходимое для создания Windows-окна.

Наследование – возможность создания новых классов на основе имеющегося класса с наследованием всех его полей, методов и свойств и добавлением новых. Класс, не имеющий предшественника, называется базовым.

Объект – это экземпляр реализации класса.

Объект (по тренажеру) – это совокупность свойств (структур данных, характерных для этого объекта), методов их обработки (подпрограмм изменения свойств) и событий, на которые данный объект может реагировать и которые приводят, как правило, к изменению свойств объекта.

Класс , от которого произошло наследование, называется базовым (по тренажеру) или родительским .

Классы , которые произошли от базового, называются потомками, наследниками или производными классами . Производные классы наследуют свойства и методы от базового класса.

Если базовый класс имеет ряд свойств и методов по обработке списков данных, то все наследники базового класса наследуют эти свойства и методы, но в то же время они могут иметь новые свойства и методы обработки.

Абстрактный класс в объектно-ориентированном программировании – класс, экземпляры которого не создаются. Абстрактный класс не может иметь объектов, так как в нем не определены операции над объектами; объекты должны принадлежать конкретным подклассам абстрактного класса. Абстрактные классы используются для спецификации интерфейсов операций.

Основным – Понятие основного класса не существует .

В основе объектно-ориентированного подхода лежит понятие иерархии классов .

· В объектно-ориентированном программировании понятию объекта соответствует схема А.

· При создании программы было использовано три визуально разных объекта, основанных на разных классах. Все объекты позволяют обрабатывать списки данных (но в разных графических представлениях) и обладают различными свойствами. На рисунке также представлена иерархическая структура классов для этих объектов. Класс, выделенный красным цветом, для трех используемых классов будет являться базовым

Разработана модель программы на языке визуального программирования Visual Basic, которая генерирует случайные числа в соответствии с выбранным законом и определенными параметрами. В разработанном графическом интерфейсе приложения используется_____9 _____ визуальных объектов.

Всего используется 9 объектов:
· 2 объекта «Поле ввода»,
· 3 объекта «Надпись»,
· 1 объект «Выпадающий список»,
· 1 объект «Выбор»,
· 1 объект «Кнопка»,
· 1 объект «Форма».

Разработана программа обработки графических изображений с использованием объектно-ориентированного подхода. Список доступных процедур обработки приведен на рисунке, а также реализован обработчик событий, который обрабатывает только те события, которые заданы пользователем. Сколько будет изменено свойств объекта изображение, если выполнить обработку при таком выборе? 3

Из всех выбранных событий только процедуры «Изменить размер изображения», «Изменить контраст», «Изменить Яркость» изменяют свойства объекта изображение.

Создана программа с использованием средств объектно-ориентированного подхода. На форме размещено два объекта: «Кнопка» и «Поле Выбора». Обработчик события «Нажатие кнопки» запрограммирован таким образом, чтобы изменить визуальные свойства этих объектов. На рисунке представлены объекты и их размещение до и после выполнения заявленного события. Если считать, что пространственные координаты объектов – это также визуальные свойства, то у объектов «Кнопка» и «Поле Выбора» изменилось ___7 ____визуальных свойств.

У объекта «Поле Выбора» изменились свойства: «Горизонтальное положение» и «Вертикальное положение», а также «Надпись» и «Состояние выбора». У объекта «Кнопка» изменилось «Горизонтальное положение» и «Вертикальное положение», а также «Надпись».