Исторический обзор, классификация и характеристика языков программирования

4.1 Элементы объектной модели

Каждый стиль программирования имеет свою концептуальную базу. Каждый стиль требует своего умонастроения и способа восприятия решаемой задачи. Для объектно-ориентированного стиля концептуальная база -- это объектная модель. Она имеет четыре главных элемента:

· абстрагирование;

· инкапсуляция;

· модульность;

· иерархия.

Эти элементы являются главными в том смысле, что без любого из них модель не будет объектно-ориентированной. Кроме главных, имеются еще три дополнительных элемента:

· типизация;

· параллелизм;

· сохраняемость.

Называя их дополнительными, мы имеем в виду, что они полезны в объектной модели, но не обязательны.

Без такой концептуальной основы вы можете программировать на языке типа Smalltalk, Object Pascal, C++, CLOS, Eiffel или Ada, но из-под внешней красоты будет выглядывать стиль FORTRAN, Pascal или С. Выразительная способность объектно-ориентированного языка будет либо потеряна, либо искажена. Но еще более существенно, что при этом будет мало шансов справиться со сложностью решаемых задач.

Абстрагирование

Абстрагирование является одним из основных методов, используемых для решения сложных задач.

Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя.

Абстрагирование концентрирует внимание на внешних особенностях объекта и позволяет отделить самые существенные особенности поведения от несущественных. Абельсон и Суссман назвали такое разделение смысла и реализации барьером абстракции, который основывается на принципе минимизации связей, когда интерфейс объекта содержит только существенные аспекты поведения и ничего больше. Существует еще один дополнительный принцип, называемый принципом наименьшего удивления, согласно которому абстракция должна охватывать все поведение объекта, но не больше и не меньше, и не привносить сюрпризов или побочных эффектов, лежащих вне ее сферы применимости.

Выбор правильного набора абстракций для заданной предметной области представляет собой главную задачу объектно-ориентированного проектирования.

По мнению Сейдвица и Старка "существует целый спектр абстракций, начиная с объектов, которые почти точно соответствуют реалиям предметной области, и кончая объектами, не имеющими право на существование". Вот эти абстракции:

Абстракция фокусируется на существенных с точки зрения наблюдателя характеристиках объекта.

Инкапсуляция

Абстракция и инкапсуляция дополняют друг друга: абстрагирование направлено на наблюдаемое поведение объекта, а инкапсуляция занимается внутренним устройством. Чаще всего инкапсуляция выполняется посредством скрытия информации, то есть маскировкой всех внутренних деталей, не влияющих на внешнее поведение. Обычно скрываются и внутренняя структура объекта и реализация его методов.

Инкапсуляция, таким образом, определяет четкие границы между различными абстракциями. Возьмем для примера структуру растения: чтобы понять на верхнем уровне действие фотосинтеза, вполне допустимо игнорировать такие подробности, как функции корней растения или химию клеточных стенок. Аналогичным образом при проектировании базы данных принято писать программы так, чтобы они не зависели от физического представления данных; вместо этого сосредотачиваются на схеме, отражающей логическое строение данных. В обоих случаях объекты защищены от деталей реализации объектов более низкого уровня.

Дисков утверждает, что "абстракция будет работать только вместе с инкапсуляцией". Практически это означает наличие двух частей в классе: интерфейса и реализации. Интерфейс отражает внешнее поведение объекта, описывая абстракцию поведения всех объектов данного класса. Внутренняя реализация описывает представление этой абстракции и механизмы достижения желаемого поведения объекта. Принцип разделения интерфейса и реализации соответствует сути вещей: в интерфейсной части собрано все, что касается взаимодействия данного объекта с любыми другими объектами; реализация скрывает от других объектов все детали, не имеющие отношения к процессу взаимодействия объектов.

Инкапсуляцию можно определить следующим образом:

Инкапсуляция -- это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать контрактные обязательства абстракции от их реализации.

Инкапсуляция скрывает детали реализации объекта.

Модульность

По мнению Майерса "Разделение программы на модули до некоторой степени позволяет уменьшить ее сложность... Однако гораздо важнее тот факт, что внутри модульной программы создаются множества хорошо определенных и документированных интерфейсов. Эти интерфейсы неоценимы для исчерпывающего понимания программы в целом". В некоторых языках программирования, например в Smalltalk, модулей нет, и классы составляют единственную физическую основу декомпозиции. В других языках, включая Object Pascal, C++, Ada, CLOS, модуль -- это самостоятельная языковая конструкция. В этих языках классы и объекты составляют логическую структуру системы, они помещаются в модули, образующие физическую структуру системы. Это свойство становится особенно полезным, когда система состоит из многих сотен классов.

Согласно Барбаре Лисков "модульность -- это разделение программы на фрагменты, которые компилируются по отдельности, но могут устанавливать связи с другими модулями". Мы будем пользоваться определением Парнаса: "Связи между модулями -- это их представления друг о друге". В большинстве языков, поддерживающих принцип модульности как самостоятельную концепцию, интерфейс модуля отделен от его реализации. Таким образом, модульность и инкапсуляция ходят рука об руку. В разных языках программирования модульность поддерживается по-разному. Например, в C++ модулями являются раздельно компилируемые файлы. Для C/C++ традиционным является помещение интерфейсной части модулей в отдельные файлы с расширением .h (так называемые файлы-заголовки). Реализация, то есть текст модуля, хранится в файлах с расширением с (в программах на C++ часто используются расширения .ее, .ср и .срр). Связь между файлами объявляется директивой макропроцессора #include. Такой подход строится исключительно на соглашении и не является строгим требованием самого языка. В языке Object Pascal принцип модульности формализован несколько строже. В этом языке определен особый синтаксис для интерфейсной части и реализации модуля (unit). Язык Ada идет еще на шаг дальше: модуль (называемый package) также имеет две части - спецификацию и тело. Но, в отличие от Object Pascal, допускается раздельное определение связей с модулями для спецификации и тела пакета. Таким образом, допускается, чтобы тело модуля имело связи с модулями, невидимыми для его спецификации.

Правильное разделение программы на модули является почти такой же сложной задачей, как выбор правильного набора абстракций.

Модули выполняют роль физических контейнеров, в которые помещаются определения классов и объектов при логическом проектировании системы. Такая же ситуация возникает у проектировщиков бортовых компьютеров. Логика электронного оборудования может быть построена на основе элементарных схем типа НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, но можно объединить такие схемы в стандартные интегральные схемы (модули), например, серий 7400, 7402 или 7404.

Модульность позволяет хранить абстракции раздельно.

В традиционном структурном проектировании модульность - это искусство раскладывать подпрограммы по кучкам так, чтобы в одну кучку попадали подпрограммы, использующие друг друга или изменяемые вместе. В объектно-ориентированном программировании ситуация несколько иная: необходимо физически разделить классы и объекты, составляющие логическую структуру проекта.

Модульность -- это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули.

Принципы абстрагирования, инкапсуляции и модульности являются взаимодополняющими. Объект логически определяет границы определенной абстракции, а инкапсуляция и модульность делают их физически незыблемыми.

В процессе разделения системы на модули могут быть полезными два правила. Во-первых, поскольку модули служат в качестве элементарных и неделимых блоков программы, которые могут использоваться в системе повторно, распределение классов и объектов по модулям должно учитывать это. Во-вторых, многие компиляторы создают отдельный сегмент кода для каждого модуля. Поэтому могут появиться ограничения на размер модуля. Динамика вызовов подпрограмм и расположение описаний внутри модулей может сильно повлиять на локальность ссылок и на управление страницами виртуальной памяти. При плохом разбиении процедур по модулям учащаются взаимные вызовы между сегментами, что приводит к потере эффективности кэш-памяти и частой смене страниц.

Иерархия

Значительное упрощение в понимании сложных задач достигается за счет образования из абстракций иерархической структуры. Определим иерархию следующим образом:

Иерархия -- это упорядочение абстракций, расположение их по уровням.

Наследование -- создание новых объектов из уже существующих. Начиная с определения самых общих абстрактных объектов, можно создавать более конкретные объекты нижнего уровня, которые не только унаследуют все функции своих предшественников, но могут добавлять им свои собственные. Принцип наследования позволяет упростить выражение абстракций, делает проект менее громоздким и более выразительным.

Типизация

Типизация -- это способ защититься от использования объектов одного класса вместо другого, или по крайней мере управлять таким использованием.

Типизация заставляет нас выражать наши абстракции так, чтобы язык программирования, используемый в реализации, поддерживал соблюдение принятых проектных решений.

Идея согласования типов занимает в понятии типизации центральное место. Например, возьмем физические единицы измерения. Деля расстояние на время, мы ожидаем получить скорость, а не вес. В умножении температуры на силу смысла нет, а в умножении расстояния на силу -- есть. Все это примеры сильной типизации, когда прикладная область накладывает правила и ограничения на использование и сочетание абстракций.

Сильная типизация заставляет нас соблюдать правила использования абстракций, поэтому она тем полезнее, чем больше проект. Однако у нее есть и теневая сторона. А именно, даже небольшие изменения в интерфейсе класса требуют перекомпиляции всех его подклассов. Кроме того, не имея параметризованных классов трудно представить себе, как можно было бы создать собрание разнородных объектов.

Полиморфизм означает, что разные объекты могут описывать различные реализации одного и того же метода.

Строгая типизация предотвращает смешивание абстракций.

Параллелизм

Есть задачи, в которых автоматические системы должны обрабатывать много событий одновременно. В других случаях потребность в вычислительной мощности превышает ресурсы одного процессора. В каждой из таких ситуаций естественно использовать несколько компьютеров для решения задачи или задействовать многозадачность на многопроцессорном компьютере. Процесс (поток управления) -- это фундаментальная единица действия в системе. Каждая программа имеет по крайней мере один поток управления, параллельная система имеет много таких потоков: век одних недолог, а другие живут в течении всего сеанса работы системы. Реальная параллельность достигается только на многопроцессорных системах, а системы с одним процессором имитируют параллельность за счет алгоритмов разделения времени.

Параллелизм -- это свойство, отличающее активные объекты от пассивных.

Параллелизм позволяет различным объектам действовать одновременно.

Сохраняемость любой программный объект существует в памяти и живет во времени. Аткинсон предположил, что есть непрерывное множество продолжительности существования объектов: существуют объекты, которые присутствуют лишь во время вычисления выражения, но есть и такие, как базы данных, которые существуют независимо от программы. Этот спектр сохраняемости объектов охватывает:

· "Промежуточные результаты вычисления выражений.

· Локальные переменные в вызове процедур.

· Собственные переменные, глобальные переменные и динамически создаваемые данные.

· Данные, сохраняющиеся между сеансами выполнения программы.

· Данные, сохраняемые при переходе на новую версию программы.

· Данные, которые вообще переживают программу" .

Традиционно, первыми тремя уровнями занимаются языки программирования, а последними -- базы данных. Этот конфликт культур приводит к неожиданным решениям: программисты разрабатывают специальные схемы для сохранения объектов в период между запусками программы, а конструкторы баз данных переиначивают свою технологию под короткоживущие объекты.

Языки программирования, как правило, не поддерживают понятия сохраняемости; примечательным исключением является Smalltalk, в котором есть протоколы для сохранения объектов на диске и загрузки с диска. Однако, записывать объекты в неструктурированные файлы -- это подход, пригодный только для небольших систем.

До сих пор мы говорили о сохранении объектов во времени. В большинстве систем объектам при их создании отводится место в памяти, которое не изменяется и в котором объект находится всю свою жизнь. Однако для распределенных систем желательно обеспечивать возможность перенесения объектов в пространстве, так, чтобы их можно было переносить с машины на машину и даже при необходимости изменять форму представления объекта в памяти.

Определим сохраняемость следующим образом:

Сохраняемость -- способность объекта существовать во времени, переживая породивший его процесс, и (или) в пространстве, перемещаясь из своего первоначального адресного пространства.

Сохраняемость поддерживает состояние и класс объекта в пространстве и во времени.

4.2 Характеристики языков программирования с точки зрения элементов объектной модели

Приведем характеристики объектно-ориентированных языков программирования с точки зрения семи основных элементов объектной модели.

Табл.1 Основные характеристики Smalltalk

Табл.2 Основные характеристики Object Pascal.

Табл.3.Основные характеристики C++ .

Табл.4 Основные характеристики CLOS(Common Lisp Object System).

Табл. 5 Основные характеристики Ada

Табл. 6 Основные характеристики Eiffel.

Приложение

Таблица «популярности языков программирования» (TIOBE Programming Community Index for December 2006)

Заключение

Выделим некоторую общую тенденцию в развитии языков программирования: языки развиваются в сторону все большей и большей абстракции. И это сопровождается падением эффективности. Но это стоит того: повышение уровня абстракции влечет за собой повышение уровня надежности программирования. С низкой эффективностью можно бороться путем создания более быстрых компьютеров. Если требования к памяти слишком высоки, можно увеличить ее объем. Это, конечно, требует времени и средств, но это решаемо. А вот с ошибками в программах можно бороться только одним способом: их надо исправлять. А еще лучше -- не совершать. А еще лучше максимально затруднить их совершение. И именно на это направлены все исследования в области языков программирования. А с потерей эффективности придется смириться.

Целью данного обзора была попытка дать представление о всем многообразии существующих языков программирования. Среди программистов часто бытует мнение о всеобщей применимости того или иного языка (C, C++, Pascal и т.п.). Это мнение возникает по нескольким причинам: недостаток информации, привычка, инертность мышления. Настоящий профессионал должен постоянно стремиться повышать свои профессиональную квалификацию. А для этого нужно не бояться экспериментировать. Разумеется, прежде чем приниматься использовать новый язык, нужно внимательно изучить все его особенности, включая наличии эффективной реализации, возможности взаимодействия с существующими модулями и т.п., и только после этого принимать решение. Конечно, всегда есть риск пойти не тем путем, но не ошибается лишь тот, кто ничего не делает.

Часто проводятся дискуссии вида <язык A лучше, чем язык B>. Прочитав этот обзор, можно убедится в бессмысленности таких споров. Максимум, о чем может идти речь -- это о преимуществах одного языка над другим при решении той или иной задачи в тех или иных условиях. Вот здесь действительно иногда есть о чем поспорить. И решение подчас отнюдь не очевидно.

Этот обзор языков программирования задумывался как ответ тем, кто кричит <язык X MUST DIE>. Надеюсь, что ответ получился достаточно адекватным и убедительным.

Литература

1.Информатика под редакцией Е.К. Хеннера, М.,Академия,2004г.

2.Информатика.Базовый курс под ред. С. В. Симоновича, С.-П «Питер» 2005г.

3.Языки программирования. Обзор-ликбез. Хакер №4,с.36-40.

4.Р.Богатырев, Природа и эволюция сценарных языков, Мир ПК, №11,2001

5.Г.Буг, Объектно-ориентированный анализ и проектирование

6.http://citforum.ru

7. http://school.keldysh.ru/sch444/MUSEUM /LANR/evol.htm

8. http://ru.wikipedia.org

9. http://www.levenez.com/lang

10. http://tiobe.com