Императивное программирование: парадигма и принципы

Введение

Тип парадигмы программирования в информатике

В информатике императивное программирование — это парадигма программирования, использующая операторы, изменяющие состояние программы. Подобно тому, как повелительное наклонение в естественных языках выражает команды, императивная программа состоит из команд, предназначенных для выполнения компьютером. Императивное программирование фокусируется на описании того, как программа работает шаг за шагом, а не на высокоуровневых описаниях ожидаемых результатов. Этот термин часто используется в противопоставление декларативному программированию, которое фокусируется на том, что программа должна выполнить, не указывая все детали реализации результата.

Процедурное программирование

Процедурное программирование — это тип императивного программирования, в котором программа строится из одной или нескольких процедур (также называемых подпрограммами или функциями). Эти термины часто используются как синонимы, но использование процедур оказывает значительное влияние на внешний вид и структуру императивных программ. Интенсивное процедурное программирование, при котором изменения состояния локализованы внутри процедур или ограничены явными аргументами и возвращаемыми значениями, является формой структурированного программирования. Начиная с 1960-х годов, структурированное и модульное программирование в целом продвигались как методы повышения поддерживаемости и общего качества императивных программ. Концепции, лежащие в основе объектно-ориентированного программирования, стремятся расширить этот подход. Процедурное программирование можно рассматривать как шаг в направлении декларативного программирования. Программист часто может понять, просто взглянув на имена, аргументы и типы возвращаемых значений процедур (и соответствующие комментарии), что должна делать конкретная процедура, не обязательно изучая детали её реализации. При этом, программа в целом остаётся императивной, поскольку в значительной степени определяет последовательность выполняемых операторов и порядок их выполнения.

Основания и основы императивного программирования

Парадигма программирования, используемая для создания программ для почти всех компьютеров, обычно следует императивной модели. Аппаратное обеспечение цифровых компьютеров предназначено для выполнения машинного кода, который является родным для компьютера и обычно написан в императивном стиле, хотя для некоторых архитектур, таких как Lisp-машины, существуют компиляторы и интерпретаторы низкого уровня, использующие другие парадигмы. С точки зрения низкого уровня состояние программы определяется содержимым памяти, а операторы – инструкциями на машинном языке компьютера. Императивные языки программирования более высокого уровня используют переменные и более сложные операторы, но всё равно следуют той же парадигме. Рецепты и контрольные списки процессов, хотя и не являются компьютерными программами, также представляют собой знакомые концепции, схожие по стилю с императивным программированием: каждый шаг – это инструкция, а состояние хранится в физическом мире. Поскольку основные идеи императивного программирования интуитивно понятны и непосредственно реализованы в аппаратном обеспечении, большинство языков программирования используют императивный стиль. Операторы присваивания в императивной парадигме выполняют операцию с данными, расположенными в памяти, и сохраняют результаты в памяти для последующего использования. Императивные языки программирования высокого уровня, кроме того, позволяют вычислять сложные выражения, состоящие из комбинации арифметических операций и вызовов функций, и присваивать полученное значение памяти. Операторы циклов (такие как циклы while, do-while и for) позволяют многократно выполнять последовательность операторов. Циклы могут выполнять содержащиеся в них операторы заданное количество раз или повторять их до тех пор, пока не будет выполнено определённое условие. Операторы условного ветвления позволяют выполнять последовательность операторов только при выполнении определённого условия. В противном случае операторы пропускаются, и выполнение продолжается со следующего оператора. Операторы безусловного перехода позволяют передать управление в другую часть программы. К ним относятся переход (называемый goto во многих языках), оператор switch и вызов подпрограммы, процедуры или функции (который обычно возвращает управление следующему оператору после вызова). На ранних этапах разработки языков программирования высокого уровня введение блоков позволило создавать программы, в которых группу операторов и объявлений можно рассматривать как единый оператор. Это, наряду с введением подпрограмм, позволило выражать сложные структуры посредством иерархического разложения на более простые процедурные структуры. Многие императивные языки программирования (такие как Fortran, BASIC и C) являются абстракциями языка ассемблера.

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.

История императивных и объектно-ориентированных языков

Самыми ранними императивными языками были машинные языки первоначальных компьютеров. В этих языках инструкции были очень простыми, что облегчало аппаратную реализацию, но затрудняло создание сложных программ. FORTRAN, разработанный Джоном Бэкусом в International Business Machines (IBM) начиная с 1954 года, стал первым крупным языком программирования, устранившим препятствия, создаваемые машинным кодом при разработке сложных программ. FORTRAN был компилируемым языком, который позволял использовать именованные переменные, сложные выражения, подпрограммы и многие другие возможности, которые сейчас распространены в императивных языках. В последующие два десятилетия было разработано множество других основных императивных языков программирования высокого уровня. В конце 1950-х и 1960-х годов ALGOL был разработан для более удобного представления математических алгоритмов и даже использовался в качестве целевого языка операционной системы для некоторых компьютеров. MUMPS (1966) довел императивную парадигму до логического предела, отказавшись от каких-либо операторов и полагаясь исключительно на команды, вплоть до того, что команды IF и ELSE стали независимыми друг от друга и связывались только внутренней переменной с именем $TEST. COBOL (1960) и BASIC (1964) были попытками сделать синтаксис программирования более похожим на английский язык. В 1970-х годах Паскаль был разработан Никлаусом Виртом, а C — Деннисом Ричи, работавшим в Bell Laboratories. Вирт продолжил разработку Modula 2 и Oberon. По заказу Министерства обороны США Жан Ичбиах и команда Honeywell приступили к разработке Ada в 1978 году после четырехлетнего проекта по определению требований к языку. Спецификация была впервые опубликована в 1983 году, с последующими редакциями в 1995, 2005 и 2012 годах. В 1980-х годах наблюдался резкий рост интереса к объектно-ориентированному программированию. Эти языки были императивными по стилю, но добавляли возможности для поддержки объектов. В последние два десятилетия XX века появилось множество таких языков. Smalltalk 80, первоначально задуманный Аланом Кеем в 1969 году, был выпущен в 1980 году исследовательским центром Xerox Palo Alto (PARC). Основываясь на концепциях другого объектно-ориентированного языка — Simula (который считается первым в мире объектно-ориентированным языком программирования, разработанным в 1960-х годах), Бьярне Строструп разработал C++, объектно-ориентированный язык, основанный на C. Разработка C++ началась в 1979 году, а первая реализация была завершена в 1983 году. В конце 1980-х и 1990-х годах наиболее заметными императивными языками, использующими объектно-ориентированные концепции, были Perl, выпущенный Ларри Уоллом в 1987 году; Python, выпущенный Гидо ван Россумом в 1990 году; Visual Basic и Visual C++ (включавшие Microsoft Foundation Class Library (MFC) 2.0), выпущенные Microsoft в 1991 и 1993 годах соответственно; PHP, выпущенный Расмусом Лердорфом в 1994 году; Java, разработанный Джеймсом Гослингом (Sun Microsystems) в 1995 году, JavaScript, разработанный Бренданом Айхом (Netscape), и Ruby, разработанный Юкихиро "Матц" Мацумото, оба выпущенные в 1995 году. Microsoft .NET Framework (2002) является императивным по своей сути, как и его основные целевые языки VB.NET и C#, работающие на нем; однако Microsoft F#, функциональный язык, также работает на нем.

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

Язык программирования C (1973) получил свое название, потому что язык BCPL был заменен на B, а AT&T Bell Labs назвала следующую версию "C". Его целью было создание операционной системы UNIX. C – относительно небольшой язык, что упрощает написание компиляторов. Его развитие шло параллельно с развитием аппаратного обеспечения в 1980-х годах. Одна область называется сегментом инициализированных данных, где хранятся переменные, объявленные со значениями по умолчанию. Другая область называется блоком, начатым сегментом, где хранятся переменные, объявленные без значений по умолчанию. Переменные, хранящиеся в глобальной и статической областях данных, получают свои адреса во время компиляции. Они сохраняют свои значения на протяжении всего времени работы процесса. Глобальная и статическая области хранят глобальные переменные, объявленные вне (выше) функции main. Глобальные переменные видны функции main и любой другой функции в исходном коде. С другой стороны, объявления переменных внутри main, других функций или в блоках, ограниченных фигурными скобками { }, являются локальными переменными. Локальные переменные также включают формальные параметры функций. Параметры функций заключаются в круглые скобки в определении функции и служат интерфейсом для нее. Локальные переменные, объявленные с префиксом static, также хранятся в глобальной и статической областях данных. Переменные, помещенные в стек, заполняются сверху вниз и называются автоматическими переменными. Как и для стека, адреса переменных в куче устанавливаются во время выполнения. Происходит ошибка нехватки памяти, когда указатель кучи и указатель стека пересекаются. C предоставляет библиотечную функцию malloc для выделения памяти в куче. Заполнение кучи данными – это дополнительная операция копирования. Переменные, хранящиеся в куче, эффективно передаются функциям с использованием указателей. Без указателей весь блок данных пришлось бы передавать функции через стек.