Бұйрықпен бағдарламалау парадигмасы

Кіріспе

Компьютерлік ғылымдағы бағдарламалау парадигмасының түрі

Компьютерлік ғылымда императивті бағдарламалау – бағдарламаның күйін өзгертетін операторларды қолданатын бағдарламалау парадигмасы. Табиғи тілдердегі императивтік рай командаларды білдіргендей, императивтік бағдарлама компьютерге орындалуға тиіс командалардан тұрады. Императивті бағдарламалау бағдарламаның қадамдық жұмыс істеуін сипаттауға, оның күтілетін нәтижелерінің жоғары деңгейдегі сипаттамаларына емес, бағытталған. Бұл термин көбінесе декларативті бағдарламалауға қарама-қарсы қолданылады, ол бағдарламаның нәтижеге қалай жетуі керектігінің барлық егжей-тегжейін көрсетпей, бағдарламаның не істеу керектігіне назар аударады.

Процедуралық бағдарламалау

Процедуралық бағдарламалау – программаның бір немесе бірнеше процедуралардан (сонымен қатар, кіші программалар немесе функциялар деп те аталады) құрылған императивті бағдарламалау түрі. Бұл терминдер көбінесе синонимдер ретінде қолданылады, бірақ процедураларды пайдалану императивті бағдарламалардың түрі мен құрылысына айқын әсер етеді. Мемлекеттік өзгерістер процедураларға локалдастырылған немесе процедураларға берілетін нақты аргументтермен және қайтарым деректерімен шектелген қатаң процедуралық бағдарламалау – құрылымдалған бағдарламалаудың бір түрі. 1960 жылдан бері құрылымдық бағдарламалау және жалпы модульдік бағдарламалау императивті бағдарламалардың қолдауға тоқтаусыз жөндеуін және жалпы сапасын жақсарту тәсілдері ретінде насихатталды. Объектіге бағытталған бағдарламалау концепциялары осы тәсілді кеңейтуге бағытталған. Процедуралық бағдарламалауды декларативті бағдарламалауға жасалған қадам ретінде қарастыруға болады. Бағдарламашы, әдетте, процедуралардың атауларын, аргументтерін және қайтарым түрлерін (және осыған байланысты түсініктемелерді) қарап, белгілі бір процедураның не істеу керектігін, оның нәтижесіне қалай жетудің егжей-тегжейін қарамай-ақ анықтай алады. Сонымен қатар, толық бағдарлама да императивті болып қалады, өйткені ол орындалатын операторлар мен олардың орындалу ретін көбінесе анықтайды.

Императивті бағдарламалаудың негіздері мен негіздері

Барлық компьютерлер үшін бағдарлама жасау үшін қолданылатын бағдарламалау парадигмасы көбінесе императивті үлгіні ұстанады. Цифрлық компьютерлік аппараттық құрал машиналық кодты орындау үшін жасалған, ол компьютерге тән және әдетте императивті стильде жазылады, бірақ кейбір архитектуралар үшін басқа парадигмаларды қолданатын төменгі деңгейдегі компиляторлар мен интерпретаторлар бар, мысалы, Lisp машиналары. Бұл төменгі деңгейдегі көзқарас бойынша бағдарламаның күйі жадтың мазмұнымен анықталады, ал операторлар компьютердің түпкілікті тіліндегі нұсқаулар болып табылады. Жоғары деңгейдегі императивті тілдер айнымалыларды және күрделірек операторларды пайдаланады, бірақ олар әлі де сол парадигманы ұстанады. Рецепттер мен процестік тізімдер компьютерлік бағдарламалар болмаса да, императивті бағдарламалау стиліне ұқсас таныс ұғымдар болып табылады; әр қадам – оператор, ал физикалық әлем күйді сақтайды. Императивті бағдарламалаудың негізгі идеялары түсінік бойынша таныс және аппараттық құралда тікелей бейнеленгендіктен, көптеген компьютерлік тілдер императивті стильде жазылған. Императивті парадигмада тапсырма операторлары жадта орналасқан мәліметтерге операция жасайды және нәтижелерін кейінірек пайдалану үшін жадта сақтайды. Жоғары деңгейдегі императивті тілдер сонымен қатар күрделі өрнектерді бағалауға мүмкіндік береді, олар арифметикалық операциялар мен функцияларды бағалаудың комбинациясынан тұрады, содан кейін алынған мәнді жадқа беруге болады. Цикл операторлары (мысалы, while, do while және for циклдары) операторлар тізбегін бірнеше рет орындауға мүмкіндік береді. Циклдар өздерінің ішіндегі операторларды алдын ала белгіленген санда орындай алады немесе белгілі бір шарт орындалғанға дейін оларды қайта-қайта орындай алады. Шартты тармақталу операторлары операторлар тізбегін тек белгілі бір шарт орындалған жағдайда ғана орындауға мүмкіндік береді. Әйтпесе, операторлар жіберіліп, орындалу тізбегі олардан кейінгі оператордан жалғасады. Шартсыз тармақталу операторлары орындалу тізбегін бағдарламаның басқа бөлігіне көшіруге мүмкіндік береді. Бұларға секіру (көптеген тілдерде goto деп аталады), switch және кіші бағдарлама, кішкентай бағдарлама немесе процедураны шақыру (әдетте шақырудан кейін келесі операторға қайта оралады) кіреді. Жоғары деңгейдегі бағдарламалау тілдерін дамытудың алғашқы кезеңдерінде блоктарды енгізу бағдарламаларды құруға мүмкіндік берді, онда операторлар мен жарияланымдар тобы бір оператор ретінде қарастырылатын болды. Бұл, сонымен қатар кіші бағдарламаларды енгізу арқылы, күрделі құрылымдарды қарапайым процедуралық құрылымдарға иерархиялық түрде бөлу арқылы көрсетуге мүмкіндік берді. Көптеген императивті бағдарламалау тілдері (мысалы, Fortran, BASIC және C) – ассемблер тілінің абстракциялары болып табылады.

The programming paradigm used to build programs for almost all computers typically follows an imperative model. Digital computer hardware is designed to execute machine code, which is native to the computer and is usually written in the imperative style, although low level compilers and interpreters using other paradigms exist for some architectures such as lisp machines. From this low level perspective, the program state is defined by the contents of memory, and the statements are instructions in the native machine language of the computer. Higher level imperative languages use variables and more complex statements, but still follow the same paradigm. Recipes and process checklists, while not computer programs, are also familiar concepts that are similar in style to imperative programming; each step is an instruction, and the physical world holds the state. Since the basic ideas of imperative programming are both conceptually familiar and directly embodied in the hardware, most computer languages are in the imperative style. Assignment statements, in imperative paradigm, perform an operation on information located in memory and store the results in memory for later use. High level imperative languages, in addition, permit the evaluation of complex expressions, which may consist of a combination of arithmetic operations and function evaluations, and the assignment of the resulting value to memory. Looping statements (as in while loops, do while loops, and for loops) allow a sequence of statements to be executed multiple times. Loops can either execute the statements they contain a predefined number of times, or they can execute them repeatedly until some condition is met. Conditional branching statements allow a sequence of statements to be executed only if some condition is met. Otherwise, the statements are skipped and the execution sequence continues from the statement following them. Unconditional branching statements allow an execution sequence to be transferred to another part of a program. These include the jump (called goto in many languages), switch, and the subprogram, subroutine, or procedure call (which usually returns to the next statement after the call). Early in the development of high level programming languages, the introduction of the block enabled the construction of programs in which a group of statements and declarations could be treated as if they were one statement. This, alongside the introduction of subroutines, enabled complex structures to be expressed by hierarchical decomposition into simpler procedural structures. Many imperative programming languages (such as Fortran, BASIC, and C) are abstractions of assembly language.

Императивті және объектке бағдарланған тілдердің тарихы

Ең алғашқы императивті тілдер бастапқы компьютерлердің машиналық тілдері болды. Бұл тілдерде нұсқаулар өте қарапайым болды, бұл аппараттық іске асыруды жеңілдетті, бірақ күрделі бағдарламаларды жасауға кедергі келтірді. 1954 жылы International Business Machines (IBM) компаниясында Джон Бэкус әзірлеген FORTRAN, күрделі бағдарламаларды жасау кезінде машиналық кодтың тудырған қиындықтарын жойған алғашқы маңызды бағдарламалау тілі болды. FORTRAN – компиляцияланатын тіл, ол аталатын айнымалыларды, күрделі өрнектерді, кіші бағдарламаларды және императивті тілдерде кең таралған көптеген басқа да мүмкіндіктерді қамтиды. Келесі 20 жылдың ішінде көптеген басқа да маңызды жоғары деңгейдегі императивті бағдарламалау тілдері пайда болды. 1950-1960 жылдары математикалық алгоритмдерді оңай бейнелеу үшін ALGOL тілі дамытылды, тіпті кейбір компьютерлер үшін операциялық жүйенің мақсатты тілі ретінде де қолданылды. MUMPS (1966) императивті парадигманы логикалық шегіне дейін жеткізді, ешқандай операторларды пайдаланбады, тек командаларға сүйенді, тіпті IF және ELSE командаларын бір-бірінен тәуелсіз етіп, оларды тек $TEST деп аталатын ішкі айнымалымен байланыстырды. COBOL (1960) және BASIC (1964) бағдарламалау синтаксисін ағылшын тіліне ұқсатуға бағытталған әрекеттер болды. 1970 жылдары Никлаус Вирт Pascal тілін, ал Денис Ричи Bell Laboratories-те жұмыс істеген кезде C тілін жасады. Вирт Modula 2 және Oberon тілдерін жобалауға кірісті. АҚШ Қорғаныс министрлігінің қажеттіліктері үшін Жан Ичбиах және Honeywell компаниясының командасы 1978 жылы Ada тілін жобалауды бастады, бұл тілге қойылатын талаптарды анықтауға арналған 4 жылдық жобадан кейін болды. Тілінің сипаттамасы алғаш рет 1983 жылы жарияланды, содан кейін 1995, 2005 және 2012 жылдары қайта қарастырылды. 1980 жылдары объектіге бағытталған бағдарламалауға қызығушылық күрт өсті. Бұл тілдер императивті стильде болды, бірақ объектілерді қолдау үшін қосымша мүмкіндіктермен толықтырылды. 20-шы ғасырдың соңғы екі онжылдығында осындай көптеген тілдер пайда болды. Smalltalk 80 бағдарламасын 1969 жылы Алан Кей ойлап тапқан, ал 1980 жылы Xerox Palo Alto Research Center (PARC) компаниясы шығарды. Басқа объектіге бағытталған тілдегі ұғымдарға сүйене отырып – Simula (1960 жылдары жасалған әлемдегі алғашқы объектіге бағытталған бағдарламалау тілі деп саналады) – Бьярне Строуструп C тіліне негізделген объектіге бағытталған C++ тілін жасады. C++ тілін жобалау 1979 жылы басталды және алғашқы іске асыру 1983 жылы аяқталды. 1980 және 1990 жылдардың соңында объектіге бағытталған ұғымдарды пайдаланған маңызды императивті тілдер: Ларри Уоллдың 1987 жылы шығарған Perl тілі; Гидо ван Россумның 1990 жылы шығарған Python тілі; Microsoft Foundation Class Library (MFC) 2.0 кіретін Visual Basic және Visual C++ (Microsoft Foundation Class Library (MFC) 2.0), оларды Microsoft 1991 және 1993 жылдары шығарды; Расмус Лердорфтың 1994 жылы шығарған PHP тілі; Джеймс Гослингтің (Sun Microsystems) 1995 жылы шығарған Java тілі, Брендан Эйхтің (Netscape) шығарған JavaScript және Юкихиро "Матц" Мацумотоның 1995 жылы шығарған Ruby тілі. Microsoft-тың .NET Framework (2002) өз негізінде императивті болып табылады, сондай-ақ оның негізгі мақсатты тілдері VB.NET және C# да оған сәйкес жұмыс істейді; алайда Microsoft-тың F# функционалдық тілі де оның үстінде жұмыс істейді.

The earliest imperative languages were the machine languages of the original computers. In these languages, instructions were very simple, which made hardware implementation easier but hindered the creation of complex programs. FORTRAN, developed by John Backus at International Business Machines (IBM) starting in 1954, was the first major programming language to remove the obstacles presented by machine code in the creation of complex programs. FORTRAN was a compiled language that allowed named variables, complex expressions, subprograms, and many other features now common in imperative languages. The next two decades saw the development of many other major high level imperative programming languages. In the late 1950s and 1960s, ALGOL was developed in order to allow mathematical algorithms to be more easily expressed and even served as the operating system's target language for some computers. MUMPS (1966) carried the imperative paradigm to a logical extreme, by not having any statements at all, relying purely on commands, even to the extent of making the IF and ELSE commands independent of each other, connected only by an intrinsic variable named $TEST. COBOL (1960) and BASIC (1964) were both attempts to make programming syntax look more like English. In the 1970s, Pascal was developed by Niklaus Wirth, and C was created by Dennis Ritchie while he was working at Bell Laboratories. Wirth went on to design Modula 2 and Oberon. For the needs of the United States Department of Defense, Jean Ichbiah and a team at Honeywell began designing Ada in 1978, after a 4 year project to define the requirements for the language. The specification was first published in 1983, with revisions in 1995, 2005, and 2012. The 1980s saw a rapid growth in interest in object oriented programming. These languages were imperative in style, but added features to support objects. The last two decades of the 20th century saw the development of many such languages. Smalltalk 80, originally conceived by Alan Kay in 1969, was released in 1980, by the Xerox Palo Alto Research Center (PARC). Drawing from concepts in another object oriented language—Simula (which is considered the world's first object oriented programming language, developed in the 1960s)—Bjarne Stroustrup designed C++, an object oriented language based on C. Design of C++ began in 1979 and the first implementation was completed in 1983. In the late 1980s and 1990s, the notable imperative languages drawing on object oriented concepts were Perl, released by Larry Wall in 1987; Python, released by Guido van Rossum in 1990; Visual Basic and Visual C++ (which included Microsoft Foundation Class Library (MFC) 2.0), released by Microsoft in 1991 and 1993 respectively; PHP, released by Rasmus Lerdorf in 1994; Java, by James Gosling (Sun Microsystems) in 1995, JavaScript, by Brendan Eich (Netscape), and Ruby, by Yukihiro "Matz" Matsumoto, both released in 1995. Microsoft's NET Framework (2002) is imperative at its core, as are its main target languages, VB. NET and C# that run on it; however Microsoft's F#, a functional language, also runs on it.

С

C бағдарламалау тілі (1973) BCPL тілі B тілімен алмастырылғандықтан және AT&T Bell Labs келесі нұсқасын "C" деп атағандықтан осы атты алды. Оның мақсаты UNIX операциялық жүйесін жазу болды. C салыстырмалы түрде кішкентай тіл, сондықтан компиляторларды жазу оңай. Оның дамуы 1980-жылдардағы аппараттық дамумен қатар жүрді. Бір аймақ – инициализацияланған деректер сегменті деп аталады, онда бастапқы мәндермен жарияланған айнымалылар сақталады. Екінші аймақ – сегментпен басталатын блок деп аталады, онда бастапқы мәндерсіз жарияланған айнымалылар сақталады. Глобалды және статикалық деректер аймағында сақталған айнымалылардың мекенжайлары компиляция уақытында белгіленеді. Олар процесс өмірі бойына өз мәндерін сақтайды. Глобалды және статикалық аймақ негізгі функцияның сыртында (жоғарысында) жарияланған глобалды айнымалыларды сақтайды. Глобалды айнымалылар негізгі және кодтың басқа барлық функцияларына көрінеді. Ал main, басқа функциялардың ішіндегі немесе { } блок шегіндірушілеріндегі айнымалылар – жергілікті айнымалылар болып табылады. Жергілікті айнымалыларға формальды параметрлік айнымалылар да кіреді. Параметрлік айнымалылар функция анықтамасының жақшаларында орналасқан. Олар функцияға интерфейс ұсынады. Статикалық префиксімен жарияланған жергілікті айнымалылар да жаһандық және статикалық деректер аймағында сақталады. Стекке орналастырылған айнымалылар жоғарыдан төменге толтырылады және автоматты айнымалылар деп аталады. Стек пен үйіндінің көрсеткіштері кездескенде жадтан тыс қате пайда болады. C үйінді жадын бөлу үшін malloc кітапханалық функциясын ұсынады. Үйіндіні деректермен толтыру – қосымша көшіру функциясы. Үйіндіде сақталған айнымалылар көрсеткіштерді пайдалана отырып функцияларға тиімді беріледі. Көрсеткіштер болмаса, деректердің бүкіл блогы стек арқылы функцияға жіберілуі керек болар еді.