Классификация языков программирования. Язык Лисп

Разработка программного обеспечения для компьютеров в настоящее время производится почти исключительно при помощи языков программирования высокого уровня. Данные языки представляют собой систему мнемонических обозначений с жестко заданными синтаксисом и семантикой, которые понятны человеку и преобразуются в последовательность машинных команд при помощи специальной программы-транслятора. Существует множество классификаций языков программирования. Рассмотрим классификацию по стилю программирования.

Стиль - совокупность правил, лежащих в основе синтаксиса и семантики языка программирования. Различают следующие стили:

неструктурный;

структурный;

логический;

объектно-ориентированный;

функциональный.

Рассмотрим перечисленные стили подробнее.

Неструктурное программирование допускает использование в явном виде команды безусловного перехода (в большинстве языков GOTO). Типичные представители неструктурных языков - ранние версии Бейсика и Фортрана. Данный стиль вызван особенностями выполнения машиной программы в кодах и унаследован от программ на языке ассемблера, поскольку там команда перехода является обязательной.

Структурный стиль был разработан в середине 60х - начале 70х гг. В его основе лежат две идеи: задача разбивается на большое число мелких подзадач, каждая из которых решается своей процедурой или функцией (декомпозиция задачи). При этом проектирование программы идет по принципу сверху вниз: сначала определяются необходимые для решения программы модули, их входы и выходы, а затем уже эти модули разрабатываются. Такой подход вместе с локальными именами переменных позволяет разрабатывать проект силами большого числа программистов.

Логическое программирование представляет собой попытку возложить на программиста только постановку задачи, а поиски путей ее решения предоставить транслятору. Логические языки (Пролог, Симула) имеют специальные конструкции для описания объектов и связей между ними.

Объектно-ориентированное (ОО) программирование, разработанное в середине 70х гг. Керниганом и Риччи и реализованное в версиях языков Си и Паскаль, представляет собой отображение объектов реального мира, их свойств (атрибутов) и связей между ними при помощи специальных структур данных. Структурное программирование подразумевает наличие ряда встроенных структур данных: целых, вещественных и строковых переменных, массивов, записей - при помощи которых и производится отображение свойств объектов реального мира. При объектно-ориентированном подходе для объекта создается своя структура данных (класс), содержащая как свойства объекта (поля), так и процедуры для управления объектом (методы).

Например, рассмотрим простейший объект - точку на экране. Она имеет как минимум три поля (координаты и цвет) и методы вроде " ChangeColor " (поменять цвет), " MoveXY " (переместиться в точку х, у) и т.д. Объектно-ориентированный подход является в настоящее время доминирующим и позволяет сократить время разработки и увеличить надежность больших проектов. Однако программы в данном стиле отличаются громоздким синтаксисом; в целом идеология объектно-ориентированного подхода весьма неочевидна часто воспринимается с трудом (особенно это характерно для языка Си, который и в своем первоначальном виде отличается крайне неудобочитаемым синтаксисом) и переход к его использованию труден или невозможен для большого числа программистов.

К языкам искусственного интеллекта (сокращенно обозначается AI - artificial intelligence) относят такие языки, которые способны в зависимости от набора исходных данных модифицировать алгоритм работы, т.е. "на ходу" менять программу (поговорка гласит, что на языках искусственного интеллекта программируют те, кому не хватает интеллекта естественного).

Рассмотрим язык Лисп, созданный американским ученым Джоном Маккарти в 1957 в Массачусетском технологическом институте (там он и работает по сей день) и нашедший широкое применение.

Название языка официально означает LIS t P rocessing, а неофициально - L ots of I diotic S illy P arentheses. Лисп отличается высокой компактностью - ядро интерпретатора занимает 4..10Кб, функциональным стилем программирования и использованием обратной польской нотации.

Основное понятие языка Лисп - список.

Список - перечень атомов или списков, отделенных друг от друга пробелами и заключенных в скобки.

Как видно из определения, списки могут быть вложенными. А что же такое атом в Лиспе? Это простой (в отличие от списка) тип данных: число, символьная строка, функция.

Внимание: в Лиспе нет различия между текстом программы и обрабатываемыми ею данными!

В других языках (например, в Паскале) программа (PROCEDURE, FUNCTION) и данные (VAR, CONST) жестко разделены. В Лиспе же и данные, и текст программы являются списками. Разумеется, список, являющийся программой, включает в себя атомы-функции, которые и вызываются при выполнении программы. То, что с программой можно работать, как с данными, и определяет возможность динамической модификации текста программы, что является свойством языков искусственного интеллекта. Как же отличить список-программу от списка-данных?

В Лиспе по умолчанию любой список является программой и интерпретатор будет пытаться ее выполнить. Если список - не программа, а данные, надо явно отключить его интерпретацию.

Из того, что текст программы - тоже список, вытекает необходимость использования специальной системы его записи - обратной польской нотации (названа так по причине изобретения ее польским математиком Яном Лукасевичем). Вызов любой функции в данной нотации записывается как список следующего вида:

, где - аргументы функции.

Например, если функция сложения двух чисел имеет имя "+", то операция 2+3 запишется как (+ 2 3). В качестве аргументов могут фигурировать другие функции, что позволяет записывать сколь угодно сложные формулы в обратной польской нотации.

Пусть дана функция . В обратной польской записи она приобретет следующий вид:

(* (/ (+ (* 2 x) 3) (- y 1)) (- y x)).

Теперь рассмотрим конкретную реализацию языка Лисп - встроенный в САПР AutoCAD интерпретатор языка AutoLISP. Выбор столь экзотического языка в качестве встроенного для столь популярной САПР вызван тем, что список - оптимальный способ представления графической информации, а также легкостью реализации и небольшими размерами интерпретатора. Однако следует признать относительно большую трудоемкость разработки программ на Автолиспе. Зато программы на Автолиспе отличаются чрезвычайно высокой надежностью; за многие годы работы ошибок в работе интерпретатора не выявлено.

Начнем с атомов.

Атом в Автолиспе является аналогом указателя на динамическую переменную в Паскале и представляет собой ссылку (адрес) ячейки памяти, начиная с которой записана та или иная информация.

Каждый атом имеет имя, дающееся по следующим правилам - допускаются английские буквы, цифры, большинство имеющихся на клавиатуре знаков за исключением ";", "(", ")", ".", ","," ", строчные и заглавные буквы не различаются, первым символом должна быть буква.

Буква T зарезервирована и не должна использоваться в качестве имени атома. Слово NIL зарезервировано и не должно использоваться в качестве имени атома. Использование в качестве имени атома имени встроенной функции приведет к потере работоспособности этой функции до перезагрузки AutoCAD'а.

Длина имени формально не ограничена, но для экономии памяти настоятельно рекомендуется не превышать длину в шесть знаков.

Итак, программист в тексте программы дает атому имя, а интерпретатор Автолиспа сам динамически выделяет память под содержимое атома и автоматически определяет тип и размер хранящейся в атоме информации (рисунок 1.2)

Атом Динамическая память

						Адрес	Содержимое
Имя	Number					0010:0020
Адрес	0010:0020					0010:0021
Тип	Целое число					0010:0022
Размер	2 байта					0010:0023

Рисунок 1.2 - Хранение в памяти атома с именем Number, представляющего собой ссылку на целое число (в данном случае 5).

Автолисп поддерживает следующие типы данных:

целое число со знаком от -32768 до 32767 или от 0 до 65535 (2 байта) без знака;

вещественное число, записываемое через десятичную точку: 10.52 или в экспоненциальном формате: 2.52Е-12;

строка символов длиной до 127 знаков, заключенная в двойные кавычки. Символ "\" является служебным и, если он нужен в тексте, должен удваиваться: текст "3\2" запишется как "3\\2". "\" используется для обозначения перевода строки: "\n", возврата каретки: "\r" и табуляции: "\t";

логический тип, принимающий два возможных значения: истина (обозначатся Т) или ложь.(обозначается NIL);

ссылка на встроенную функцию языка;

ссылка на созданный программистом список (программу или данные);

ссылка на переменную;

ссылка на таблицу диспетчера виртуальной памяти.