9. Языки программирования
9.1. Основные понятия и элементы языков программирования
Язык программирования – это набор букв, слов, чисел и мнемонических сокращений, используемых при записи компьютерной программы, а также правила записи программы из элементов языка (его синтаксис).
Обычный разговорный (естественный) язык состоит из четырех основных элементов: символов, слов, словосочетаний и предложений. Компьютерный (формальный) язык программирования содержит подобные же элементы, только слова называют элементарными конструкциями, словосочетания – выражениями, предложения – операторами. Язык программирования (как и любой другой язык), образуют три его составляющие: алфавит, синтаксис и семантика.
Алфавит – фиксированный для данного языка набор символов (букв, цифр, специальных знаков и т. д.), которые могут быть использованы при написании программы.
Синтаксис – правила построения из символов алфавита специальных конструкций, с помощью которых составляется команда. Множество правил порождения элементов языка программирования, выражений и предложений называют грамматикой формального языка или формальной грамматикой.
Семантика – система правил толкования конструкций языка. Таким образом, программа составляется с помощью соединения символов алфавита в соответствии с синтаксическими правилами и с учетом правил семантики.
У формального языка много общего с естественным языком, предложения которого также строятся в соответствии с грамматическими правилами. Однако грамматика естественного языка, подобно наукам о природе с известной степенью достоверности описывает и обобщает результаты наблюдений за естественным языком как за явлением окружающего мира. Характерные для грамматики естественных языков исключения из правил свидетельствуют о том, что зафиксированная в грамматике языка система правил не может в точности описать все закономерности развития языка.
Формальные языки проще естественных языков. Они создаются одновременно с системой правил построения слов и предложений. Исключения из правил в формальном языке могут свидетельствовать лишь о противоречивости и некорректности системы грамматических правил.
Иными словами, язык программирования имеет жёсткую структуру. По русски (на естественном языке) мы можем одну и ту же мысль выразить по-разному: «завтра идти на работу», «на работу идти завтра» или «завтра на работу идти». Эмоциональные оттенки этих фраз будут немного отличаться благодаря смысловому ударению. Однако, в программах такие вольности не допускаются. Если в любой конструкции языка программирования изменить порядок следования элементов, конструкция станет ошибочной.
Грамматические правила можно записывать различными способами. Грамматика естественного языка традиционно описывается в виде грамматических правил на естественном языке. Грамматика формального языка также может быть описана в виде множества правил на естественном языке. Но обычно для этого используют специальные средства записи: формулы и схемы.
Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные стандарты. Специальные организации проводят регулярное обновление и публикацию спецификаций и формальных определений соответствующего языка. В рамках таких комитетов продолжается разработка и модернизация языков программирования и решаются вопросы о расширении или поддержке уже существующих и новых языковых конструкций.
Основными элементами (понятиями) языков программирования являются следующие.
Имена (идентификаторы) – последовательность символов для обозначения объектов программы (переменных, массивов, функций и дp.).
Операции. Существуют следующие типы операций:
- арифметические операции: сложение, обозначается символом “+”; вычитание, обозначается символом “–”; умножение, обозначается символом “*”; деление, обозначается символом “/” и дp.;
- логические операции: операции “логическое и”, “логическое или”, “логическое не” и др.;
- операции отношения: меньше, обозначается символом “”; меньше или равно, обозначается символами “=”; равно, обозначается символом “=”; не равно, обозначается символами “<>”.
- операция конкатенации символьных значений дpуг с другом, изображается знаком «+».
- числовые: (7.5, 12;)
- логические: (true(истина), false(ложь));
- символьные: («А», «+»; и т.п.)
- строковые: (например «abcde», «информатика»).
- целые,
- вещественные,
- логические,
- символьные
- строковые.
- арифметические;
- логические;
- строковые.
Глава 1. Основные понятия
Любой язык программирования представляет собой систему обозначений для записи последовательности действий, которые следует выполнены над данными. Текст программы на языке программирования состоит из основных элементов, соединенных по синтаксическим правилам, которые определяют допустимые комбинации элементов. Алфавит Программа на языке программирования записывается с помощью символов, образующих алфавит языка . Алфавит включает: большие латинские буквы от A до Z малые латинские буквы от a до z цифры от 0 до 9 знаки препинания: , . ; : ! ? скобки: ( ) [ ] < >знаки математических операций: + — * / < >= специальные символы: \ (обратная наклонная черта) ~ (волна или тильда ) & (амперсант) # (решетка или диез ) ’ ( апостроф или одиночная кавычка) ” ( двойная кавычка ) ^ ( стрелка ) % (процент) _ ( знак подчеркивания ) Большие и малые буквы считаются различными. Знак подчеркивания считается буквой. Русские буквы нельзя использовать в предложениях языка C++, их можно применять в комментариях и в строках символов, заключенных в двойные кавычки, а также как одиночные символы, заключенные в апострофы. Лексемы
Текст программы представляет собой последовательность лексем. Лексема – это фрагмент программы, имеющий самостоятельное значение. Различают шесть типов лексем: ключевые слова,
Основные понятия 15 идентификаторы, константы, строки, знаки препинания и знаки операторов. Ключевое слово – это лексема, имеющая некоторое предопределенное значение, например, ключевое слово int указывает, что величина, перед которой оно стоит, является целым числом, а ключевое слово for используется при организации циклов. Ключевые слова нельзя использовать для каких-либо других целей. Идентификатор – это лексема, используемая как имя объекта программы (переменной, функции, класса). Идентификатор – это последовательность букв и цифр, начинающаяся с буквы. Например, в строку программы int x0; входят три лексемы: ключевое слово int , имя переменной целого типа x0 и знак препинания ( ; ), который завершает данную инструкцию. Константа – это лексема, задающая в программе конкретное значение. Числовые константы – это конкретные целые или дробные числа, записываемые по обычным правилам записи чисел, например, 123, 32.1, 3.21e2. Символьные константы ограничиваются апострофами, они представляют в программе одиночные символы, например, ’a’, ’A’, ’0’, ’1’ . Важно понимать, что ’0’ это символ цифры нуль, а не число нуль.
| Строка | символов – это | последовательность | произвольных |
| символов, | заключенная в | двойные кавычки, | например, |
”Строка символов” , ”String of characters”. К знакам препинания в C++ относятся два символа: ( ; ) (точка с запятой) и ( , ) (запятая), служащие для разделения лексем. Символом ( ; ) оканчивается любое предложение ( инструкция ) языка. Запятая разделяет переменные при их объявлении, аргументы функций. В некоторых случаях запятая является не только чистым знаком препинания, но и оператором . Другие символы ( . : ? ! ), которые в естественных языках являются знаками препинания, в C++ обозначают операторы . Кроме знаков препинания, разделителями лексем являются пробелы и знаки операторов. Термином оператор в языке C++ обозначают действие, которое следует выполнить над данными, например, оператор сложения чисел ( + ) , оператор умножения чисел ( * ) , оператор логического отрицания ( !) . Выражения В ходе работы программы могут вычисляться значения выражений . Выражения образуются по правилам языка программирования. В состав выражений могут входить переменные, соединенные знаками операторов и другие выражения.
16 1 Переменные хранят данные, которые обрабатываются в процессе работы программы. Для обозначения переменных используются идентификаторы . Каждая переменная имеет определенный тип , например, целый, символьный и т.д. Значение выражения можно присвоить какой-либо переменной или использовать в дальнейших вычислениях. Выражения в программах подобны выражениям в математике. С помощью круглых скобок можно определять порядок проведения вычислений. Например, если a, b, c, d – это какие-то переменные программы, то допустима следующая инструкция: d = (a + b) * c ; Здесь можно выделить три выражения: сумма a и b , произведение этой суммы на c и выражение присваивания, в результате которого d получает новое значение. Подчеркнем, что присваивание, обозначаемое знаком = , также является выражением, значение которого равно левому операнду, в данном случае d . Выражения присваивания можно использовать в других выражениях. Функции Функция – это подпрограмма, имеющая собственное имя и вызываемая для выполнения по этому имени. Обычно программа на языке C++ состоит из нескольких функций, каждая из которых решает отдельную самостоятельную часть общей задачи. Каждая программа должна иметь в своем составе функцию с именем main , которая, впрочем, может быть единственной функцией программы. Вычисления в программе начинаются именно с функции main . Комментарии Программы на языке C++ могут содержать комментарии , которые никак не влияют на вычисления и служат для пояснения хода работы программы. Комментарии предназначаются не компьютеру, а человеку, который будет читать программу, в том числе и ее автору. В комментариях допустимо использование любых символов, в том числе и русских букв. Возможны два вида комментариев. Комментарии, занимающие одну строку, начинаются двумя символами наклонной черты // и оканчиваются концом строки . Текст, окаймленный знаками /* и */ , также является комментарием. Такой комментарий может быть многострочным.
Основные понятия 17 Начинающие программисты, как правило, преувеличивают возможности своей памяти, считая, что написанное сегодня, они легко могут понять в будущем и бывают разочарованы, когда не могут этого сделать. Поэтому комментарии надо писать сразу же после написания фрагмента кода, то есть в тот момент, когда этот код наиболее понятен. Обязательными являются комментарии, поясняющие назначение функций, переменных, ключевые места программы.
1.2. Процесс создания программы
Программа, написанная на языке программирования, называется исходной . В языке C++ исходная программа может состоять из нескольких файлов двух видов: с расширениями .cpp и с расширениями .h . В файлы с расширением .h , которые называются заголовочными , помещаются фрагменты программы, которые обычно вставляют в Текст исходной программы на языке С++ Препроцессор Преобразованный текст программы на языке С++ Компилятор Программа в машинных командах (объектный код) Редактор связей Рабочая программа другие файлы. Рис.1. Процесс создания программы Чтобы исходную программу можно было выполнить, ее нужно перевести на язык машинных команд. Готовая к выполнению программа на языке машинных команд называется рабочей . Схема преобразования исходной программы в рабочую показана на рис.2. Препроцессор осуществляет предварительную обработку исходного текста в соответствии с включенными в него директивами, например,