Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

22.1.1. Цели и философия языка программирования

Что такое язык программирования? Для чего он предназначен? Ниже приводятся распространенные варианты ответа на первый вопрос.

• Инструмент для инструктирования машин.

• Способ записи алгоритмов.

• Средство общения программистов.

• Инструмент для экспериментирования.

• Средство управления компьютеризированными устройствами.

• Способ выражения отношения между понятиями.

• Средство выражения проектных решений высокого уровня.

Наш ответ таков: “Все вместе и еще больше!” Очевидно, что здесь речь идет об универсальных языках программирования. Кроме них существуют специализированные и предметно-ориентированные языки программирования, предназначенные для более узких и более точно сформулированных задач. Какие свойства языка программирования считаются желательными?

• Переносимость.

• Типовая безопасность.

•Точная определенность.

• Высокая производительность.

• Способность точно выражать идеи.

• Легкая отладка.

• Легкое тестирование.

• Доступ ко всем системным ресурсам.

• Независимость от платформы.

• Возможность выполнения на всех платформах.

• Устойчивость на протяжении десятилетий.

• Постоянное совершенствование в ответ на изменения, происходящие в прикладной области.

• Легкость обучения.

• Небольшой размер.

• Поддержка популярных стилей программирования (например, объектно-ориентированного и обобщенного программирования).

• Возможность анализа программ.

• Множество возможностей.

• Поддержка со стороны крупного сообщества.

• Поддержка со стороны новичков (студентов, учащихся).

• Исчерпывающие возможности для экспертов (например, конструкторов инфраструктуры).

• Доступность большого количества инструментов для разработки программ.

• Доступность большого количества компонентов программного обеспечения (например, библиотек).

• Поддержка со стороны сообщества разработчиков открытого кода.

• Поддержка со стороны поставщиков основных платформ (Microsoft, IBM и т.д.).

К сожалению, все эти возможности нельзя получить одновременно. Это досадно, поскольку каждое из этих свойств объективно является положительным: каждое из них приносит пользу, а язык, не имеющий этих свойств, вынуждает программистов выполнять дополнительную работу и осложняет им жизнь. Причина, из-за которой невозможно получить все эти возможности одновременно, носит фундаментальный характер: некоторые из них являются взаимоисключающими. Например, язык не может полностью не зависеть от платформы и в то же время открывать доступ ко всем системным ресурсам; программа, обращающаяся к ресурсу, не существующему на конкретной платформе, не сможет на ней работать вообще. Аналогично, мы очевидно хотели бы, чтобы язык (а также инструменты и библиотеки, необходимые для его использования) был небольшим и легким для изучения, но это противоречит требованию полной поддержки программирования на всех системах и в любых предметных областях.

Идеалы в программировании играют важную роль. Они служат ориентирами при выборе технических решений и компромиссов при разработке каждого языка, библиотеки и инструмента, который должен сделать проектировщик. Да, когда вы пишете программы, вы играете роль проектировщика и должны принимать проектные решения.

22.1.2. Идеалы программирования

Предисловие к книге The C++ Programming Language начинается со слов: “Язык C++ — универсальный язык программирования, разработанный для того, чтобы серьезные программисты получали удовольствие от работы”. Что это значит? Разве программирование не предусматривает поставку готовой продукции? А почему ничего не сказано о правильности, качестве и сопровождении программ? А почему не упомянуто время от начального замысла новой программы до ее появления на рынке? А разве поддержка разработки программного обеспечения не важна? Все это, разумеется, тоже важно, но мы не должны забывать о программисте. Рассмотрим другой пример. Дональд Кнут (Don Knuth) сказал: “Самое лучшее в компьютере Alto то, что он ночью не работает быстрее”. Alto — это компьютер из центра Xerox Palo Alto Research Center (PARC), бывший одним из первых персональных компьютеров. Он отличался от обычных компьютеров, предназначенных для совместного использования и провоцировавших острое соперничество между программистами за дневное время работы.

Наши инструменты и методы программирования предназначены для того, чтобы программист работал лучше и достигал более высоких результатов. Пожалуйста, не забывайте об этом. Какие принципы мы можем сформулировать, чтобы помочь программисту создавать наилучшее программное обеспечение с наименьшими затратами энергии? Мы уже выражали наше мнение по всей книге, поэтому этот раздел по существу представляет собой резюме.

Основная причина, побуждающая нас создавать хорошую структуру кода, — стремление вносить в него изменения без излишних усилий. Чем лучше структура, тем легче изменить код, найти и исправить ошибку, добавить новое свойство, настроиться на новую архитектуру, повысить быстродействие программы и т.д. Именно это мы имеем в виду, говоря “хорошо”.

В оставшейся части раздела мы рассмотрим следующие вопросы.

• Что мы хотим от кода?

• Два общих подхода к разработке программного обеспечения, сочетание которых обеспечивает лучший результат, чем использование по отдельности.

• Ключевые аспекты структуры программ, выраженные в коде.

 • Непосредственное выражение идей.

 • Уровень абстракции.

 • Модульность.

 • Логичность и минимализм.

Идеалы должны воплощаться в жизнь. Они являются основой для размышлений, а не просто забавными фразами, которыми перекидываются менеджеры и эксперты. Наши программы должны приближаться к идеалу. Когда мы заходим в тупик, то возвращаемся назад, чтобы увидеть, не является ли наша проблема следствием отступления от принципов (иногда это помогает). Когда мы оцениваем программу (желательно еще до ее поставки пользователям), мы ищем нарушение принципов, которые в будущем могут вызвать проблемы. Применяйте идеалы как можно чаще, но помните, что практичные концепции (например, производительность и простота), а также слабости языка (ни один язык не является совершенным) часто позволяют лишь достаточно близко приблизиться к идеалу, но не достичь его.

Идеалы могут помочь нам принять конкретные технические решения. Например, мы не можем принять решение о выборе интерфейса для библиотеки самолично и в полной изоляции (см. раздел 14.1). В результате может возникнуть путаница. Вместо этого мы должны вспомнить о нашем первом принципе и решить, что именно является важным для данной конкретной библиотеки, а затем создать логичный набор интерфейсов. А главное — следовало бы сформулировать принципы проектирования и принятия компромиссных решений для каждого проекта в его документации и прокомментировать их в коде.

Начиная проект, обдумайте принципы и посмотрите, как они связаны с задачами и ранее существующими решениями вашей задачи. Это хороший способ выявления и уточнения идей. Когда позднее, на этапе проектирования и программирования, вы зайдете в тупик, вернитесь назад и найдите место, где ваш код отклонился от идеалов, — именно там, вероятнее всего, кроются ошибки и возникают проблемы, связанные с проектированием. Этот подход является альтернативой методу отладки, принятому по умолчанию, когда программист постоянно проверяет одно и то же место с помощью одного и того же метода поиска ошибок. “Ошибка всегда кроется там, где вы ее не ожидаете, — или вы ее уже нашли”.

22.1.3. Стили и парадигмы

Когда мы проектируем и реализуем программы, мы должны придерживаться последовательного стиля. Язык С++ поддерживает четыре главных стиля, которые можно считать фундаментальными.

• Процедурное программирование.

• Абстракция данных.

• Объектно-ориентированное программирование.

• Обобщенное программирование.

Иногда их называют (несколько помпезно) парадигмами программирования. Существует еще несколько парадигм, например: функциональное программирование (functional programming), логическое программирование (logic programming), продукционное программирование (rule-based programming), программирование в ограничениях (constraints-based programming) и аспектно-ориентированное программирование (aspect-oriented programming). Однако язык С++ не поддерживает эти парадигмы непосредственно, и мы не можем охватить их в одной книге, поэтому откладываем эти вопросы на будущее.

• Процедурное программирование. Основная идея этой парадигмы — составлять программу из функций, применяемых к аргументам. Примерами являются библиотеки математических функций, таких как

sqrt()

cos()

struct

• Абстракция данных. Основная идея этой парадигмы — сначала создать набор типов для предметной области, а затем писать программы для их использования. Классическим примером являются матрицы (разделы 24.3–24.6). Интенсивно используется явное сокрытие данных (например, использование закрытых членов класса). Распространенными примерами абстракции данных являются стандартные классы

string

vector

• Объектно-ориентированное программирование. Основная идея этой парадигмы программирования — организовать типы в иерархии, чтобы выразить их отношения непосредственно в коде. Классический пример — иерархия Shape, описанная в главе 14. Этот подход имеет очевидную ценность, когда типы действительно имеют иерархические взаимоотношения. Однако существует сильная тенденция к его избыточному применению; иначе говоря, люди создают иерархии типов, не имея на это фундаментальных причин. Если люди создают производные типы, то задайте вопрос: “Зачем?” Что выражает это выведение? Чем различие между базовым и производным классом может мне помочь в данном конкретном случае?

• Обобщенное программирование. Основная идея этой парадигмы программирования — взять конкретные алгоритмы и поднять их на более высокий уровень абстракции, добавив параметры, позволяющие варьировать типы без изменения сущности алгоритма. Простым примером такого повышения уровня абстракции является функция

high()

find()

sort()

Итак, подведем итоги! Часто люди говорят о стилях программирования (парадигмах) так, будто они представляют собой противоречащие друг другу альтернативы: либо вы используете обобщенное программирование, либо объектно-ориентированное. Если хотите выразить решения задач наилучшим образом, то используйте комбинацию этих стилей. Выражение “наилучшим образом” означает, что вашу программу легко читать, писать, легко эксплуатировать и при этом она достаточно эффективна.

Рассмотрим пример: классический класс

Shape

void draw_all(vector& v)

{

 for(int i = 0; idraw();

}

Этот фрагмент кода действительно выглядит “довольно объектно-ориентированным”. Он основан на иерархии классов и вызове виртуальной функции, при котором правильная функция

draw()

Shape

Circle

Circle::draw()

Open_polyline

Open_polyline::draw()

vector

void draw_all(vector& v)

{

 for_each(v.begin(),v.end(),mem_fun(&Shape::draw));

}

Третьим аргументом функции

for_each()

f(x)

p–>f()

Shape::draw()

mem_fun()

for_each()

mem_fun()

mem_fun()

Зачем же мы написали вторую версию примера для рисования всех фигур? По существу, она не отличается от первой, к тому же на несколько символов длиннее! В свое оправдание укажем, что выражение концепции цикла с помощью функции

for_each()

for

for_each()

template void draw_all(Iter b, Iter e)

{

 for_each(b,e,mem_fun(&Shape::draw));

}

Теперь этот код работает со всеми видами последовательностей фигур. В частности, мы можем даже вызвать его для всех элементов массива объектов класса

Shape

Point p(0,100);

Point p2(50,50);

Shape* a[] = { new Circle(p,50), new Triangle(p,p2,Point(25,25)) };

draw_all(a,a+2);

За неимением лучшего термина мы называем программирование, использующее смесь наиболее удобных стилей, мультипарадигменным (multi-paradigm programming).

22.2.1. Первые языки программирования

Когда в 1949 году появились первые электронные компьютеры, позволяющие хранить программы, каждый из них имел свой собственный язык программирования. Существовало взаимно однозначное соответствие между выражением алгоритма (например, вычисления орбиты планеты) и инструкциями для конкретной машины. Очевидно, что ученый (пользователями чаще всего были ученые) писали математические формулы, но программа представляла собой список машинных инструкций. Первые примитивные списки состояли из десятичных или восьмеричных цифр, точно соответствовавших их представлению в машинной памяти. Позднее появился ассемблер и “автокоды”; иначе говоря, люди разработали языки, в которых машинные инструкции и средства (например, регистры) имели символьные имена. Итак, программист мог написать “LD R0 123”, чтобы загрузить содержимое памяти, расположенной по адресу 123, в регистр 0. Однако каждая машина по-прежнему имела свой собственный набор инструкций и свой собственный язык программирования.

Ярким представителем разработчиков языков программирования в то время является, несомненно, Дэвид Уилер (David Wheeler) из компьютерной лаборатории Кембриджского университета (University of Cambridge Computer Laboratory). В 1948 году он написал первую реальную программу, которая когда-либо была выполнена на компьютере, хранившем программы в своей памяти (программа, вычислявшая таблицу квадратов; см. раздел 4.4.2.1). Он был одним из десяти людей, объявивших о создании первого компилятора (для машинно-зависимого автокода). Он изобрел вызов функции (да, даже такое очевидное и простое понятие было когда-то изобретено впервые). В 1951 году он написал блестящую статью о разработке библиотек, которая на двадцать лет опередила свое время! В соавторстве с Морисом Уилксом (Maurice Wilkes) (см. выше) и Стенли Гиллом (Stanley Gill) он написал первую книгу о программировании. Он получил первую степень доктора философии в области компьютерных наук (в Кембриджском университете в 1951 году), а позднее внес большой вклад в развитие аппаратного обеспечения (кэш-архитектура и ранние локальные сети) и алгоритмов (например, алгоритм шифрования TEA (см. раздел 25.5.6) и преобразование Бэрроуза–Уилера (Burrows-Wheeler transform) — алгоритм сжатия, использованный в архиваторе bzip2). Дэвид Уилер стал научным руководителем докторской диссертации Бьярне Страуструпа (Bjarne Stroustrup). Как видите, компьютерные науки — молодая дисциплина. Дэвид Уилер выполнил большую часть своей выдающейся работы, будучи еще аспирантом. Впоследствии он стал профессором Кембриджского университета и членом Королевского общества (Fellow of the Royal Society).

Ссылки

Burrows, M., and David Wheeler. “A Block Sorting Lossless Data Compression Algorithm.” Technical Report 124, Digital Equipment Corporation, 1994.

Bzip2 link: www.bzip.org.

Cambridge Ring website: http://koo.corpus.cam.ac.uk/projects/earlyatm/ cr82.

Campbell-Kelly, Martin. “David John Wheeler.”Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, Vol. 52, 2006. (Его формальная биография.)

EDSAC: http://en.wikipedia.org/wiki/EDSAC.

Knuth, Donald. The Art of Computer Programming. Addison-Wesley, 1968, and many revisions. Look for “David Wheeler” in the index of each volume.

TEA link: http://en.wikipedia.org/wiki/Tiny_Encryption_Algorithm.

Wheeler, D. J. “The Use of Sub-routines in Programmes.” Proceedings of the 1952 ACM National Meeting. (Это библиотека технических отчетов, начиная с 1951 года.)

Wilkes, M. V., D. Wheeler, and S. Gill. Preparation of Programs for an Electronic Digital Computer. Addison-Wesley Press, 1951; 2nd edition, 1957. Первая книга о программировании.

22.2.2. Корни современных языков программирования

Ниже приведена диаграмма важнейших первых языков.

Важность этих языков частично объясняется тем, что они широко используются (а в некоторых случаях используются и ныне), а частично тем, что они стали предшественниками важных современных языков, причем часто наследники имели те же имена. Этот раздел посвящен трем ранним языкам — Fortran, COBOL и Lisp, — ставшим прародителями большинства современных языков программирования.

22.2.3. Семейство языков Algol

В конце 1950-х годов многие почувствовали, что программирование стало слишком сложным, специализированным и слишком ненаучным. Возникло убеждение, что языки программирования излишне разнообразны и что их следует объединить в один язык без больших потерь для общности на основе фундаментальных принципов. Эта идея носилась в воздухе, когда группа людей собралась вместе под эгидой IFIP (International Federation of Information Processing — Международная федерация по обработке информации) и всего за несколько лет создала новый язык, который совершил революцию в области программирования. Большинство современных языков, включая язык С++, обязаны своим существованием этому проекту.

22.2.4. Язык программирования Simula

Язык Simula был разработан в первой половине 1960-х годов Кристеном Нюгордом (Kristen Nygaard) и Оле-Йоханом Далем (Ole-Johan Dahl) в Норвежском вычислительном центре (Norwegian Computing Center) и университете Осло (Oslo University). Язык Simula несомненно принадлежит семейству языков Algol. Фактически язык Simula является практически полным надмножеством языка Algol-60. Однако мы уделили особое внимание языку Simula, потому что он является источником большинства фундаментальных идей, которые сегодня называют объектно-ориентированным программированием. Он был первым языком, в котором реализованы наследование и виртуальные функции. Слова class для пользовательского типа и virtual для функции, которую можно заместить и вызвать с помощью интерфейса базового класса, пришли в С++ из языка Simula.

Вклад языка Simula не ограничен языковыми свойствами. Он состоит в явно выраженном понятии объектно-ориентированного проектирования, основанного на идее моделирования реальных явлений в коде программы.

• Представление идей в виде классов и объектов классов.

• Представление иерархических отношений в виде иерархии классов (наследование).

Таким образом, программа становится множеством взаимодействующих объектов, а не монолитом.

Кристен Нюгорд — один из создателей языка Simula 67 (вместе с Оле-Йоханом Далем, на фото слева в очках) — был энергичным и щедрым гигантом (в том числе по росту). Он посеял семена фундаментальных идей объектно-ориентированного программирования и проектирования, особенно наследования, и неотступно придерживался их на протяжении десятилетий. Его никогда не устраивали простые, краткие и близорукие ответы. Социальные вопросы также волновали его на протяжении десятков лет. Он искренне выступал против вступления Норвегии в Европейский Союз, видя в этом опасность излишней централизации, бюрократизации и пренебрежения интересами маленькой страны, находящейся на далеком краю Союза. В середине 1970-х годов Кристен Нюгорд отдавал значительное время работе на факультете компьютерных наук в университете Аархуса (University of Aarhus) в Дании, где в это время Бьярне Страуструп проходил обучение по программе магистров.

Магистерскую степень по математике Кристен Нюгорд получил в университете Осло (University of Oslo). Он умер в 2002 году, всего через месяц после того, как (вместе с другом всей своей жизни Оле-Йоханом Далем) получил премию Тьюринга — наивысший знак почета, которым Ассоциация по вычислительной технике (Association for Computing Machiner — ACM) отмечает выдающихся ученых в области компьютерных наук.

Оле-Йохан Дал был более традиционным академическим ученым. Его очень интересовали спецификации языков и формальные методы. В 1968 году он стал первым профессором по информатике (компьютерным наукам) в университете Осло.

В августе 2000 года король Норвегии объявил Даля и Нюгорда командорами ордена Святого Олафа (Commanders of the Order of Saint Olav). Все таки есть пророки в своем отечестве!

Ссылки

Birtwistle, G., O-J. Dahl, B. Myhrhaug, and K. Nygaard: SIMULA Begin. Studentlitteratur (Lund. Sweden), 1979. ISBN 9144062125.

Holmevik, J. R. “Compiling SIMULA: A Historical Study of Technological Genesis”. IEEE Annals of the History of Computing, Vol. 16 No. 4, 1994, p. 25–37.

Kristen Nygaard’s homepage: http://heim.ifi.uio.no/~kristen/.

Krogdahl, S. “The Birth of Simula”. Proceedings of the HiNC 1 Conference in Trondheim, June 2003 (IFIP WG 9.7, in cooperation with IFIP TC 3).

Nygaard, Kristen, and Ole-Johan Dahl. “The Development of the SIMULA Languages”. ACM SIGPLAN Notices, Vol. 13 No. 8, 1978. Special Issue: History of Programming Languages Conference.

SIMULA Standard. DATA processing — Programming languages — SIMULA. Swedish Standard, Stockholm, Sweden (1987). ISBN 9171622349.

22.2.5. Язык программирования С

В 1970-м году считалось, что серьезное системное программирование — в частности, реализация операционной системы — должно выполняться в ассемблерном коде и не может быть переносимым. Это очень напоминало ситуацию, сложившуюся в научном программировании перед появлением языка Fortran. Несколько индивидуумов и групп бросили вызов этой ортодоксальной точке зрения. В долгосрочной перспективе язык программирования C оказался наилучшим результатом этих усилий (подробнее об этом — в главе 27).

Деннис Ритчи (Dennis Ritchie) разработал и реализовал язык программирования С в Исследовательском центре по компьютерным наукам (Computer Science Research Center) компании Bell Telephone Laboratories в Мюррей-Хилл, штат НьюДжерси (Murray Hill, New Jersey). Прелесть языка С в том, что он был преднамеренно простым языком программирования, позволявшим непосредственно учитывать фундаментальные аспекты аппаратного обеспечения. Большинство усложнений (которые в основном были позаимствованы у языка С++ для обеспечения совместимости) было внесено позднее и часто вопреки желанию Денниса Ритчи. Частично успех языка С объясняется его широкой доступностью, но его реальная сила проявлялась в непосредственном отображении свойств языка на свойства аппаратного обеспечения (см. разделы 25.4–25.5). Деннис Ритчи лаконично описывал язык С как строго типизированный язык со слабым механизмом проверки; иначе говоря, язык С имел систему статических (распознаваемых на этапе компиляции) типов, а программа, использовавшая объект вопреки его определению, считалась неверной. Однако компилятор языка С не мог распознавать такие ситуации. Это было логично, поскольку компилятор языка С мог выполняться в памяти, размер которой составлял 48К. Вскоре язык С вошел в практику, и люди написали программу lint, которая отдельно от компилятора проверяла соответствие кода системе типов.

Кен Томпсон (Ken Thompson) и Деннис Ритчи стали авторами системы Unix, возможно, наиболее важной операционной системы за все времена. Язык C ассоциировался и по-прежнему ассоциируется с операционной системой Unix, а через нее — с системой Linux и движением за открытый код.

Деннис Ритчи вышел на пенсию из компании Lucent Bell Labs. На протяжении сорока лет он работал в Исследовательском центре по компьютерным наукам компании Bell Telephone. Он закончил Гарвардский университет (Harvard University) по специальности “физика”, степень доктора философии в прикладной математике он также получил в этом университете.

В 1974–1979 годах на развитие и адаптацию языка С++ оказали влияние многие люди из компании Bell Labs. В частности, Дуг Мак-Илрой (Doug McIlroy) был всеобщим любимцем, критиком, собеседником и генератором идей. Он оказал влияние не только на языки C и C++, но и на операционную систему Unix, а также на многое другое.

Брайан Керниган (Brian Kernighan) — программист и экстраординарный писатель. Его программы и проза — образцы ясности. Стиль этой книги частично объясняется подражанием его шедевру — учебнику The C Programming Language (известным как K&R по первым буквам фамилий его авторов — Брайана Кернигана и Денниса Ритчи).

Мало выдвинуть хорошие идеи, для того чтобы польза была ощутимой, их необходимо выразить в простейшей форме и ясно сформулировать, чтобы вас поняло много людей. Многословность — злейший враг ясности; кроме него следует упомянуть также запутанное изложение и излишнюю абстрактность. Пуристы часто насмехаются над результатами такой популяризации и предпочитают “оригинальные результаты”, представленные в форме, доступной только экспертам. Мы к пуристам не относимся: новичкам трудно усвоить нетривиальные, но ценные идеи, хотя это необходимо для их профессионального роста и общества в целом.

В течение многих лет Брайан Керниган участвовал во многих важных программистских и издательских проектах. В качестве примера можно назвать язык AWK — один из первых языков подготовки сценариев, получивший название по инициалам своих авторов (Aho, Weinberger и Kernighan), а также AMPL — (A Mathematical Programming Language — язык для математического программирования).

В настоящее время Брайан Керниган — профессор Принстонского университета (Princeton University); он превосходный преподаватель, ясно излагающий сложные темы. Более тридцати лет он работал в Исследовательском центре по компьютерным наукам компании Bell Telephone. Позднее компания Bell Labs стала называться AT&T Bell Labs, а потом разделилась на компании AT&T Labs и Lucent Bell Labs. Брайан Керниган закончил университет Торонто (University of Toronto) по специальности физика; степень доктора философии по электротехнике он получил в Принстонском университете.

Генеалогическое дерево семейства языка C представлено ниже.

Корни языка С уходят в так никогда и не завершившийся проект по разработке языка CPL в Англии, язык BCPL (Basic CPL), разработанный сотрудником Кембриджского университета (Cambridge University) Мартином Ричардсом (Martin Richards) во время его посещения Массачусетсского технологического института (MIT), а также в интерпретируемый язык B, созданный Кеном Томпсоном. Позднее язык C был стандартизован институтами ANSI и ISO и подвергся сильному влиянию языка C++ (например, в нем появились проверка аргументов функций и ключевое слово const).

Разработка языка CPL была целью совместного проекта Кембриджского университета и Имперского колледжа Лондона (Imperial College). Изначально планировалось выполнить проект в Кембридже, поэтому буква “C” официально означает слово “Cambridge”. Когда партнером в проекте стал Имперский колледж, официальным объяснением буквы “C” стало слово “Combined” (“совместный”). На самом деле (по крайней мере, нам рассказывали) его всегда связывали с именем Christopher в честь Кристофера Стрэчи (Christopher Strachey), основного разработчика языка CPL.

Ссылки

Домашняя веб-страница Брайана Кернигана: http://cm.bell-labs.com/cm/cs/ who/bwk.

Домашняя веб-страница Денниса Ритчи: http://cm.bell-labs.com/cm/cs/who/dmr. ISO/IEIC 9899:1999. Programming Languages — C. (The C standard.)

Kernighan, Brian, and Dennis Ritchie. The C Programming Language. Prentice Hall, 1978. Second Edition, 1989. ISBN 0131103628.

Список сотрудников Исследовательского центра по компьютерным наукам компании Bell Labs: http://cm.bell-labs.com/cm/cs/alumni.html.

Ritchards, Martin. BCPL — The Language and Its Compiler. Cambridge University Press, 1980. ISBN 0521219655.

Ritchie, Dennis. The Development of the C Programming Language. Proceedings of the ACM History of Programming Languages Conference (HOPL-2). ACM SIGPLAN Notices, Vol. 28 No. 3, 1993.

Salus, Peter. A Quarter Century of UNIX. Addison-Wesley, 1994. ISBN 0201547775.

22.2.6. Язык программирования С++

Язык C++ — универсальный язык программирования с уклоном в системное программирование. Перечислим его основные свойства.

• Он лучше языка С.

• Поддерживает абстракцию данных.

• Поддерживает объектно-ориентированное программирование.

• Поддерживает обобщенное программирование.

Язык С++ был разработан и реализован Бьярне Страуструпом из Исследовательского центра по компьютерным наукам компании Bell Telephone Laboratories в Мюррей-Хилл (Murray Hill), штат Нью-Джерси (New Jersey), где работали также Деннис Ритчи, Брайан Керниган, Кен Томпсон, Дуг Мак-Илрой и другие великаны системы Unix.

Бьярне Страуструп получил степень магистра по математике и компьютерным наукам в своем родном городе Эрхусе (Еrhus), Дания. Затем он переехал в Кембридж (Cambridge), где получил степень доктора философии по компьютерным наукам, работая с Дэвидом Уилером (David Wheeler). Цель создания языка С+ заключалась в следующем.

• Сделать методы абстрагирования доступными и управляемыми в рамках широко распространенных проектов.

• Внедрить объектно-ориентированное и обобщенное программирование в прикладные области, где основным критерием успеха является эффективность.

До появления языка С++ эти методы (часто необоснованно объединяемые под общим названием “объектно-ориентированное программирование”) были практически неизвестны в индустрии. Как и в научном программировании до появления языка Fortran, так и в системном программировании до появления языка С считалось, что эти технологии слишком дорогие для использования в реальных приложениях и слишком сложные для обычных программистов.

Работа над языком С++ началась в 1979 году, а в 1985 году он был выпущен для коммерческого использования. Затем Бьярне Страуструп и его друзья из компании Bell Labs и нескольких других организаций продолжали совершенствовать язык С++, и в 1990 году началась официальная процедура его стандартизации. С тех пор определение языка C++ было сначала разработано ANSI (Национальный институт стандартизации США), а с 1991 года — ISO (Международная организация по стандартизации). Бьярне Страуструп играл главную роль в этом процессе, занимая должность председателя ключевой подгруппы, ответственной за создание новых свойств языка. Первый международный стандарт (C++98) был ратифицирован в 1998 году, а над вторым стандартом (C++0x) работа продолжается по сей день.

Наиболее значительным событием в истории языка С++ спустя десять лет после его появления стала стандартная библиотека контейнеров и алгоритмов — STL. Она стала результатом многолетней работы, в основном под руководством Александра Степанова (Alexander Stepanov), направленной на создание как можно более универсального и эффективного программного обеспечения и вдохновляемой красотой и полезностью математики.

Алекс Степанов — изобретатель библиотеки STL и пионер обобщенного программирования. Он закончил

Московский государственный университет и работал в области робототехники и алгоритмов, используя разные языки программирования (включая Ada, Scheme и C++). С 1979 года он работал в академических организациях США, а также в промышленных компаниях, таких как GE Labs, AT&T Bell Labs, Hewlett-Packard, Silicon Graphics и Adobe.

Генеалогическое дерево языка C++ приведено ниже.

Язык C with Classes был создан Бьярне Страуструпом как результат синтеза идей языков C и Simula. Этот язык вышел из употребления сразу после реализации его наследника — языка C++.

Обсуждение языков программирования часто сосредоточено на их элегантности и новых свойствах. Однако языки С и С++ стали самыми успешными языками программирования за всю историю компьютерных технологий не поэтому: их сила заключается в гибкости, производительности и устойчивости. Большинство систем программного обеспечения существует несколько десятилетий, часто исчерпывая свои аппаратные ресурсы и подвергаясь совершенно неожиданным изменениям. Языки С и С++ смогли преуспеть в этой среде. Мы очень любим изречение Денниса Ритчи: “Одни языки люди разрабатывали, чтобы доказать свою правоту, а другие — для того, чтобы решить задачу”. Язык С относится ко второй категории языков. Бьярне Страуструп любит говорить: “Даже я знаю, как разработать язык, который красивее языка С++”. Цель языка С++, как и языка С, — не абстрактная красота (хотя мы очень ее ценим), а полезность.

Я часто сожалел, что не мог использовать в этой книге возможности версии C++0x. Это упростило бы многие примеры и объяснения. Примерами компонентов стандартной библиотеки версии С++0х являются классы

unordered_map

array

regexp

Ссылки

Публикации Александра Степанова: www.stepanovpapers.com.

Домашняя страница Бьярне Страуструпа: www.research.att.com/~bs.

ISO/IEC 14882:2003. Programming Languages — C++. (Стандарт языка C++.)

Stroustrup, Bjarne. “A History of C++: 1979–1991. Proceedings of the ACM History of Programming Languages Conference (HOPL-2). ACM SIGPLAN Notices, Vol. 28 No. 3, 1993.

Stroustrup, Bjarne. The Design and Evolution of C++. Addison-Wesley, 1994. ISBN 0201543303.

Stroustrup, Bjarne. The C++ Programming Language (Special Edition). Addison-Wesley, 2000. ISBN 0201700735.

Stroustrup, Bjarne. “C and C++: Siblings”; “C and C++: A Case for Compatibility”; and “C and C++: Case Studies in Compatibility”. The C/C++ Users Journal. July, Aug., and Sept. 2002.

Stroustrup, Bjarne. “Evolving a Language in and for the RealWorld: C++ 1991–2006”. Proceedings of the Third ACM SIGPLAN Conference on the History of Programming Languages (HOPL-III). San Diego, CA, 2007. http://portal.acm.org/toc. cfm?id=1238844.

22.2.7. Современное состояние дел

Как в настоящее время используются языки программирования и для чего они нужны? На этот вопрос действительно трудно ответить. Генеалогическое дерево современных языков, даже в сокращенном виде, слишком перегружено и запутано.

Фактически большинство статистических данных, найденных в веб (или в других местах), ничуть не лучше обычных слухов, поскольку они пытаются оценить явления, слабо связанные с интенсивностью использования, например, количество упоминаний в сети веб какого-нибудь языка программирования, продаж компиляторов, академических статей, продаж книг и т.д. Эти показатели завышают популярность новых языков программирования по сравнению со старыми. Как бы то ни было, кто такой программист? Человек, использующий язык программирования каждый день? А может быть, студент, пишущий маленькие программы с целью изучения языка? А может быть, профессор, только рассуждающий о программировании? А может быть, физик, создающий программы почти каждый год? Является ли профессиональным программистом тот, кто — про определению — использует несколько языков программирования каждую неделю несколько раз или только один раз? Разные статистические показатели будут приводить к разным ответам.

Тем не менее мы обязаны ответить на этот вопрос, поскольку в 2008 году в мире было около десяти миллионов профессиональных программистов. Об этом свидетельствуют отчет С89 С++ компании IDC (специализирующейся на сборе данных), дискуссии с издателями и поставщиками компиляторов, а также различные источники в сети веб. Можете с нами спорить, но нам точно известно, что от одного до ста миллионов человек хотя бы наполовину подходят под разумное определение программиста. Какие языки они используют? Вероятно (просто вероятно), что более 90% их программ написано на языках Ada, C, C++, C#, COBOL, Fortran, Java, PERL, PHP и Visual Basic.

Кроме упомянутых выше языков, мы могли бы перечислять десятки и даже сотни названий. Однако мы считаем необходимым упомянуть только интересные или важные языки. Если вам нужна дополнительная информация, можете найти ее самостоятельно. Профессионалы знают несколько языков и при необходимости могут изучить новый. Не существует единственного правильного языка для всех людей и для всех приложений. На самом деле все основные системы, которые нам известны, используют несколько языков.

22.2.8. Источники информации

Описание каждого языка содержит свой собственный список ссылок. Ниже приведены ссылки для нескольких языков.

Страницы и фотографии разработчиков языков программирования

www.angelfire.com/tx4/cus/people/.

Несколько примеров языков программирования

http://dmoz.org/Computers/Programming/Languages/.

Учебники

Scott, Michael L. Programming Language Pragmatics. Morgan Kaufmann, 2000. ISBN 1558604421.

Sebesta, Robert W. Concepts of Programming Languages. Addison-Wesley, 2003. ISBN 0321193628.

Книги об истории языков программирования

Bergin, T.J., and R.G. Gibson, eds. History of Programming Languages — II. Addison-Wesley, 1996. ISBN 0202295021.

Hailpern, Brent, and Barbara G. Ryder, eds. Proceedings of the Third ACM SIGPLAN Conference on the History of Programming Languages (HOPL-III).

San Diego, CA, 2007. http://portal.acm.org/toc.cfm?id=1238844.

Lohr, Steve. Go To: The Story of the Math Majors, Bridge Players, Engineers, Chess Wizards, Maverick Scientists and Iconoclasts—The Programmers Who Created the Software Revolution. Basic Books, 2002. ISBN 9780465042265.

Sammet, Jean. Programming Languages: History and Fundamentals. Prentice-Hall, 1969. ISBN 0137299885.

Wexelblat, Richard L., ed. History of Programming Languages. Academic Press, 1981. ISBN 0127450408.

Контрольные вопросы

1. Зачем нужна история?

2. Зачем нужны языки программирования? Приведите примеры.

3. Перечислите некоторые фундаментальные принципы хороших языков программирования.

4. Что такое абстракция? Что такое высокий уровень абстракции?

5. Назовите высокоуровневые идеалы программирования.

6. Перечислите потенциальные преимущества высокоуровневого программирования.

7. Что такое повторное использование кода и в чем заключается его польза?

8. Что такое процедурное программирование? Приведите конкретный пример.

9. Что такое абстракция данных? Приведите конкретный пример.

10. Что такое объектно-ориентированное программирование? Приведите конкретный пример.

11. Что такое обобщенное программирование? Приведите конкретный пример.

12. Что такое мультипарадигменное программирование? Приведите конкретный пример.

13. Когда была выполнена первая программа на компьютере, допускающем хранение данных в памяти?

14. Какую выдающуюся работу выполнил Дэвид Уилер?

15. Расскажите об основном вкладе Джона Бэкуса в создание первого языка программирования.

16. Какой первый язык разработала Грейс Мюррей Хоппер?

17. В какой области компьютерных наук выполнил свою главную работу Джон Мак-Карти?

18. Какой вклад внес Питер Наур в создание языка Algol-60?

19. Какую выдающуюся работу выполнил Эдсгер Дейкстра?

20. Какой язык спроектировал и реализовал Никлаус Вирт?

21. Какой язык разработал Андерс Хейльсберг?

22. Какова роль Жана Ишбиа в проекте Ada?

23. Какой стиль программирования впервые открыл язык Simula?

24. Где (кроме Осло) преподавал Кристен Нюгорд?

25. Какую выдающуюся работу выполнил Оле-Йохан Дал?

26. Какая операционная система была разработана под руководством Кена Томпсона?

27. Какую выдающуюся работу выполнил Дуг Мак-Илрой?

28. Назовите наиболее известную книгу Брайана Кернигана.

29. Где работал Деннис Ритчи?

30. Какую выдающуюся работу выполнил Бьярне Страуструп?

31. Какие языки пытался использовать Алекс Степанов для проектирования библиотеки STL?

32. Назовите десять языков программирования, не описанных в разделе 22.2.

33. Диалектом какого языка программирования является язык Scheme?

34. Назовите два наиболее известных наследника языка C++.

35. Почему язык C стал частью языка C++?

36. Является ли слово Fortran аббревиатурой? Если да, то какие слова в нем использованы?

37. Является ли слово COBOL аббревиатурой? Если да, то какие слова в нем использованы?

38. Является ли слово Lisp аббревиатурой? Если да, то какие слова в нем использованы?

39. Является ли слово Pascal аббревиатурой? Если да, то какие слова в нем использованы?

40. Является ли слово Ada аббревиатурой? Если да, то какие слова в нем использованы?

41. Назовите самый лучший язык программирования.

Термины

В этой главе раздел “Термины” содержит названия языков, имена людей и названия организаций.

• Языки

 • Ada

 • Algol

 • BCPL

 • C

 • C++

 • COBOL

 • Fortran

 • Lisp

 • Pascal

 • Scheme

 • Simula

• Люди

 • Чарльз Бэббидж

 • Джон Бэкус

 • Оле-Йохан Дал

 • Эдсгер Дейкстра

 • Андерс Хейльсберг

 • Грейс Мюррей Хоппер

 • Жан Ишбиа

 • Брайан Керниган

 • Джон Маккарти

 • Дуг Мак-Илрой

 • Питер Наур

 • Кристен Нюгорд

 • Деннис Ритчи

 • Алекс Степанов

 • Бьярне Страуструп

 • Кен Томпсон

 • Дэвид Уилер

 • Никлаус Вирт

• Организации

 • Bell Laboratories

 • Borland

 • Cambridge University (England)

 • ETH (Швейцарский федеральный технический университет)

 • IBM

 • MIT

 • Norwegian Computer Center

 • Princeton University

 • Stanford University

 • Technical University of Copenhagen

 • U.S. Department of Defense

 • U.S. Navy

Упражнения

1. Дайте определение понятия программирование.

2. Дайте определение понятия язык программирования.

3. Пролистайте книгу и прочитайте эпиграфы к главам. Какие из них принадлежат специалистам по компьютерным наукам? Напишите один абзац, суммирующий их высказывания.

4. Пролистайте книгу и прочитайте эпиграфы к главам. Какие из них не принадлежат специалистам по компьютерным наукам? Назовите страну, где они родились, и область работы каждого из них.

5. Напишите программу “Hello, World!” на каждом из языков, упомянутых в этой главе.

6. Для каждого из упомянутых языков программирования найдите популярный учебник и первую законченную программу, написанную на нем. Напишите эту программу на всех остальных языках, упомянутых в главе. Предупреждение: скорее всего, вам придется написать около ста программ.

7. Очевидно, мы пропустили много важных языков. В частности, мы были вынуждены отказаться от описания всех языков, появившихся после языка С++. Назовите пять современных языков, которые вы считаете достойными внимания, и напишите полторы страницы о трех из них.

8. Зачем нужен язык С++? Напишите 10–20-страничное сочинение.

9. Зачем нужен язык С? Напишите 10–20-страничное сочинение.

10. Выберите один язык программирования (не C и не C++) и напишите 10–20-страничное сочинение о его истории, целях и возможностях. Приведите много конкретных примеров. Кто использует эти языки и почему?

11. Кто в настоящее время занимает Лукасианскую кафедру в Кембридже (Lucasian Chair in Cambridge)?

12. Кто из разработчиков языков программирования, перечисленных в главе, имеет научную степень по математике, а кто нет?

13. Кто из разработчиков языков программирования, перечисленных в главе, имеет степень доктора философии, а кто нет? В какой области?

14. Кто из разработчиков языков программирования, перечисленных в главе, является лауреатом премии Тьюринга? За какие достижения? Найдите официальные объявления о присуждении премии Тьюринга лауреатам, упомянутым в главе.

15. Напишите программу, которая считывает файл, содержащий пары (имя, год), например (Algol,1960) и (C,1974), и рисует соответствующий график.

16. Модифицируйте программу из предыдущего упражнения так, чтобы она считывала из файла кортежи (имя, год, (предшественники)), например (Fortran, 1956, ()), (Algol, 1960, (Fortran)) и (C++, 1985, (C, Simula)), и рисовала граф со стрелками, направленными от предшественников к последователям. Используя эту программу, нарисуйте улучшенные варианты диаграмм из разделов 22.2.2 и 22.2.7.

Послесловие

Очевидно, что мы лишь вскользь затронули историю языков программирования и идеалов программного обеспечения. Поскольку мы считаем эти вопросы очень важными, мы не можем, к нашему величайшему огорчению, глубоко изложить их в настоящей книге. Надеемся, что нам удалось передать свои чувства и идеи, относящиеся к нескончаемому поиску наилучшего программного обеспечения и методов программирования при проектировании и реализации языков программирования. Иначе говоря, помните, пожалуйста, что главное, это программирование, т.е. разработка качественного обеспечения, а язык программирования — просто инструмент для ее реализации.

23.4.1. Детали реализации

Очевидно, что мы должны реализовать используемые нами функции. Соблазнительно, конечно, сэкономить бумагу и спасти дерево, предоставив читателям самостоятельно решить эту задачу, но мы решили, что пример должен быть полным.

Конструктор класса

Mail_file

lines

m

Mail_file::Mail_file(const string& n)

 // открывает файл с именем "n"

 // считывает строки из файла "n" в вектор lines

 // находит сообщения в векторе lines и помещает их в вектор m,

 // для простоты предполагая, что каждое сообщение заканчивается

 // строкой "––––" line

{

 ifstream in(n.c_str()); // открываем файл

 if (!in) {

   cerr << " нет " << n << '\n';

   exit(1); // прекращаем выполнение программы

}

string s;

 while (getline(in,s)) lines.push_back(s); // создаем вектор

                       // строк

 Line_iter first = lines.begin(); // создаем вектор сообщений

 for (Line_iter p = lines.begin(); p!=lines.end(); ++p) {

   if (*p == "––––") { // конец сообщения

    m.push_back(Message(first,p));

    first = p+1; // строка –––– не является частью

            // сообщения

   }

 }

}

Обработка ошибок носит слишком элементарный характер. Если бы писали эту программу для своих друзей, то постарались бы сделать ее лучше.

ПОПРОБУЙТЕ

Что значит “более хорошая обработка ошибок”? Измените конструктор класса

Mail_file

Функции

find_from_addr()

find_subject()

int is_prefix(const string& s, const string& p)

 // Является ли строка p первой частью строки s?

{

 int n = p.size();

 if (string(s,0,n)==p) return n;

 return 0;

}

bool find_from_addr(const Message* m, string& s)

{

 for(Line_iter p = m–>begin(); p!=m–>end(); ++p)

 if (int n = is_prefix(*p,"From: ")) {

   s = string(*p,n);

  return true;

 }

 return false;

}

string find_subject(const Message* m)

{

 for(Line_iter p = m.begin(); p!=m.end(); ++p)

 if (int n = is_prefix(*p,"Subject: "))

   return 

string(*p,n);

  return "";

}

Обратите внимание на то, как мы используем подстроки: конструктор

string(s,n)

s

s[n]

s[n]..s[s.size()–1]

string(s,0,n)

s[0]..s[n–1]

Почему функции

find_from_addr()

find_subject()

bool

string

• Функция

find_from_addr()

""

find_from_addr()

true

s

""

false

• Функция

find_subject()

""

Насколько полезным является такое различие, которое проводит функция

find_from_addr()

find_from_addr()

find_subject()

find_from_addr()

Эта программа не является оптимальной с точки зрения производительности, но мы надеемся, что в типичных ситуациях она работает достаточно быстро. В частности, она считывает входной файл только один раз и не хранит несколько копий текста из этого файла. Для крупных файлов было бы целесообразно заменить класс

multimap

unordered_multimap

Введение в стандартные ассоциативные контейнеры (

map

multimap

set

unordered_map

unordered_multimap