Основные концепции языков программирования

Предисловие

Цели, общая структура и подход к изложению материала в пятом издании "Концепций языков программирования" остались теми же, что и в четырех предыдущих изданиях. Основная цель книги - предоставить читателю инструменты, необходимые для критической оценки существующих и будущих языков и конструкций программирования. Дополнительной целью является подготовка читателя к изучению методов разработки и создания компиляторов.

Книга должна также дать ответы на бесчисленные вопросы, которые могут возникнуть у читателя, знакомого исключительно с языками программирования высокого уровня. Например, почему существует так много языков программирования? Как и для чего они создавались? Насколько они похожи? Чем отличаются? Появления каких языков можно ожидать в будущем? И почему мы просто не можем продолжать использовать языки, которые уже есть?

Существует два подхода к организации структуры книги, посвященной концепциям языков программирования: вертикальный и горизонтальный. При горизонтальном подходе каждый выбранный язык анализируется на определенном уровне. Если используется вертикальный подход, то общие концепции и конструкции языков программирования описываются в определенной последовательности. Для каждой конструкции рассматриваются вопросы ее реализации, разбираются примеры программ, написанных на различных языках. Оба подхода имеют свои достоинства. Для того чтобы точно описать индивидуальные концепции каждого языка, нужно сосредоточить на них внимание и рассмотреть их влияние на программирование и эволюцию языков программирования. Однако хронологический анализ развития языков неизбежно влечет за собой изучение специфики языков, а также их происхождения и развития. Более того, на реализацию определенной функции в отдельном языке всегда оказывают влияние другие характеристики этого языка. В связи с этим в книге было решено при изложении большей части материала использовать вертикальный подход, а там, где это удобно, применять горизонтальный подход.

В этой книге описаны основные концепции языков программирования, вопросы, связанные с разработкой разнообразных языковых конструкций, а также проанализированы различные подходы к реализации этих конструкций в наиболее распространенных языках программирования.

Указанный подход требует изучения набора тесно связанных между собой тем. Для обсуждения языков и языковых конструкций жизненно необходимы описательные инструменты. Нами подробно рассмотрены самые эффективные и широко распространенные методы синтаксического описания, а также введены наиболее общие методы описания семантики языков программирования. Для того чтобы понять причины выбора конкретных проектных решений в существующих языках программирования, следует изучать исторический контекст и конкретные нужды, обусловившие этот выбор. Поскольку сложность реализации языка зачастую значительно влияет на его разработку в целом, в книге обсуждаются различные методы и проблемы реализации языков программирования.

Ниже приводится краткое содержание глав пятого издания книги.

Глава 1 начинается с объяснения, зачем нужно изучать языки программирования. Затем обсуждаются критерии их оценки. Мы отдаем себе отчет в том, что вводить такие критерии рискованно, но, тем не менее, принципы оценки необходимы в любом серьезном исследовании проблем разработки языков программирования. Кроме того, в этой главе рассматриваются основные факторы, влияющие на разработку языков программирования, общепринятые соглашения, используемые при их разработке, а также основные подходы к реализации.

При рассмотрении эволюции большинства важнейших языков, обсуждаемых в книге, в главе 2 используется горизонтальный подход. Несмотря на то что ни один из языков не описывается полностью, указываются истоки, цели и значение каждого из них. Этот исторический обзор ценен, так как он подготавливает базу для понимания теоретических и практических основ разработки современных языков. Он также обосновывает дальнейшее изучение вопросов, связанных с разработкой языков и их оценкой. Поскольку материал остальной части книги никак не зависит от материала главы 2, без нарушения целостности изложения эта глава может быть полностью пропущена.

В главе 3 рассматриваются основные методы формального описания синтаксиса языков программирования: форма EBNF (Extended Backus-Naur Form - расширенная форма Бэкуса-Наура) и синтаксические графы. Затем следует описание атрибутной грамматики, играющей очень важную роль при разработке компилятора. Далее анализируется трудная задача описания семантики, даются основы трех наиболее распространенных методов описания: операционной, аксиоматической и денотационной семантики.

В главах 4-13 использован вертикальный подход для подробного описания разработки основных конструкций императивных языков программирования. В каждом случае представлено и оценено несколько альтернативных проектных решений. В частности, в главе 4 рассмотрены многие свойства переменных, а в главе 5 - более сложные типы данных; глава 6 посвящена выражениям и операторам присваивания; управляющие операторы описаны в главе 7; подпрограммы и их реализация разобраны в главах 8 и 9; способы абстракции данных изучаются в главе 10; особенности языков, поддерживающих объектно-ориентированное программирование (наследование и динамическое связывание), - в главе 11; параллельно выполняемые программные модули описываются в главе 12; и, наконец, обработка исключительных ситуаций описывается в главе 13. Мы решили использовать вертикальный подход, поскольку при горизонтальном подходе приходится описывать и оценивать детали некоторой конкретной конструкции в разных частях книги одновременно, что создает определенное неудобство. Например, обсуждение в одной и той же главе различных методов обеспечения параллельности позволяет нам точно сравнить и оценить эти методы.

В двух последних главах (главы 14 и 15) описываются две важнейшие парадигмы программирования: функциональная и логическая. Обе парадигмы вначале рассматриваются с точки зрения методологии программирования, а затем приводится краткое введение в конкретный язык.

В частности, глава 14 начинается с обсуждения простых математических функций, функциональных форм и языков функционального программирования. Затем представлено введение в язык Scheme с описанием некоторых его основных функций, специальных форм, функциональных форм и приведено несколько примеров простых функций, написанных на этом языке. Для иллюстрации разновидностей языков функционального программирования кратко описаны языки COMMON LISP, ML и Haskell. Завершается глава сравнением функциональных и императивных языков программирования.

Темой главы 15 является логическое программирование и языки логического программирования. Глава начинается с введения в исчисление предикатов и объяснения их использования для доказательства теорем. Затем следует обзор логического программирования. Основная часть главы посвящена языку Prolog, в частности, резолюции и унификации, а также содержит несколько примеров программ с подробными описаниями их работы.

Изменения, внесенные в пятое издание

Пятое издание данной книги подверглось значительной переработке и исправлению по сравнению с предыдущими. Большинство изменений было вызвано растущим влиянием объектно-ориентированной парадигмы программирования. Важнейшие из сделанных изменений описаны в следующих абзацах.

Нарушая традицию, поддерживаемую первыми изданиями данной книги и большинством других книг, посвященных языкам программирования, в пятое издание не входит глава, посвященная объектно-ориентированным языкам программирования. Книга содержит главу, посвященную языковой поддержке объектно-ориентированного программирования, в частности, в ней рассматриваются наследование и динамическое связывание. Эта глава была переставлена на более подходящее для нее место - сразу после главы, посвященной абстракции данных и стала главой 11. Глава была существенно увеличена за счет всестороннего обсуждения вопросов разработки объектно-ориентированных языков программирования, что создало основу для описания и оценки различных языковых конструкций, обеспечивающих наследование и динамическое связывание.

Две основные причины, обусловившие выбор этого нового подхода, заключаются в следующем: во-первых, в настоящее время появилось огромное количество объектно-ориентированного программного обеспечения, создаваемого на языках, подобных императивным языкам последних четырех десятилетий. Выражения, операторы присваивания, структура данных и управляющие структуры этих языков очень похожи на соответствующие структуры языков C и Pascal. Следовательно, нет причин отдельно обсуждать указанные свойства этих языков. Согласно нашему определению императивного языка языки C++, Ada 95 и Java являются императивными. Мы рассматриваем поддержку объектно-ориентированного программирования данными языками как начало следующей стадии развития императивных языков программирования. В то время как парадигма развития объектно-ориентированного программного обеспечения значительно отличается от процедурной парадигмы, различия между языками, относящимися к данным двум подходам, не столь значительны. В то же время различия между такими языками, поддерживающими информационно-ориентированное программирование, как Ada 83, и языками, поддерживающими объектно-ориентированное программирование, менее заметны. Второй причиной изменения подхода к обсуждению объектно-ориентированных языков программирования является то, что эта парадигма уже не такая новая и экспериментальная, какой была несколько лет назад. В современных разработках программного обеспечения этот подход доминирует, и используемые для этой цели языки программирования являются самыми распространенными на данный момент языками. Следовательно, в книге не стоит обсуждать объектно-ориентированные языковые функции в одной главе, к тому же расположенной в конце книги, - подход, до сих пор используемый по отношению к языкам логического программирования. Эту информацию легко можно подать в большинстве глав книги, что и было сделано в пятом издании.

Кроме указанных, были внесены еще некоторые изменения. Появление языка Java и быстрый рост его популярности потребовал дополнительного увеличения материала книги за счет описания некоторых его интересных свойств. В частности, обсуждение поддержки объектно-ориентированного программирования в языке Java было добавлено в главу 11, возможность параллельного функционирования - в главу 12, а обработка исключительных ситуаций - в главу 13. Кроме того, в начальные главы книги добавилось обсуждение еще нескольких его функций.

Поскольку язык Miranda запатентован, в то время как язык Haskell общедоступен, обсуждение языка Miranda было удалено из главы 14 и оставлено только описание языка Haskell.

В пятом издании вновь был расширен раздел главы 3, посвященный описанию аксиоматической и денотационной семантики.

Из-за введения в книгу описания новых языков и новых свойств старых языков обсуждение старых языков было сокращено. Например, был удален материал о сопрограммах языка Modula-2 и его поддержке абстрактных типов данных.

Текущее состояние развивающихся языков программирования отражают другие многочисленные изменения, незначительные по объему.

Указания преподавателю

При преподавании языков программирования на младших курсах университета штата Колорадо в Колорадо-Спрингс (University of Colorado at Colorado Springs) данная книга используется следующим образом: главы 1 и 3, как правило, рассматриваются подробно. На главу 2, не содержащую трудной для восприятия технической информации, отводится совсем немного лекционного времени. Тем не менее, студенты находят эту главу интересной и полезной. Как указывалось ранее, глава 2 может быть просто пропущена, поскольку она не содержит материала, необходимого для понимания последующих глав.

Главы 4-8 и глава 10 должны относительно легко восприниматься студентами, имеющими большой опыт работы с языками Pascal, C, C++ или Ada. Главы 9, 11, 12 и 13 более сложны и требуют обстоятельных лекций.

Главы 14 и 15 являются совершенно новыми для большинства студентов младших курсов. При объяснении этих глав идеальным было бы наличие языковых процессоров для языков Scheme и Prolog. Кроме того, в эти главы включено достаточно материала для того, чтобы студенты могли повозиться с простыми программами.

Cтуденты, вероятно, не смогут усвоить последние две главы во всех деталях. Однако аспиранты могут сразу приступать к обсуждению неимперативных языков программирования, пропустив части начальных глав, относящиеся к императивным языкам.

Приложения

В книгу включены два важных и полезных приложения. Электронный учебник с решениями упражнений можно получить у торгового представителя издательства "Addison-Wesley Publishing". Также доступен набор диапозитивов к лекциям (по одному на каждую из первых 13 глав), имеющий формат файлов источника программы Microsoft Powerpoint. Автор создал их за последние несколько лет чтения курса лекций по предлагаемой книге. Файлы в формате программы Powerpoint можно получить с помощью анонимного ftp-доступа на узле ftp.aw.com в каталоге /cseng/authors/sebasta/concepts4e. Подробнее об этом и других приложениях вы можете узнать из файлов README или .message, находящихся в указанном каталоге.

Доступность языкового процессора

Процессоры для работы с некоторыми из обсуждаемых языков программирования и информацию об этих языках вы можете найти на следующих Web-узлах:

• язык Java - узел http://java.sun.com
• язык Haskell - узел http://haskel.org
• язык Scheme - узел http://www-swiss.ai.mit/ftpdir/scheme-7.4/

Обновленные версии можно найти на домашней странице данной книги: http://www.aw1.com/cseng/titles/0-201-38596-1/

Благодарности

Качество этой книги было значительно улучшено благодаря большому количеству предложений, уточнений и комментариев ее рецензентов. Рецензентами первых трех изданий книги были Вики Алан (Vicki Allan), Генри Бауэр (Henry Bauer), Питер Брауэр (Peter Brouwer), Паошенг Чанг (Paosheng Chang), Джон Креншоу (John Crenshaw), Барбара Энн Грим (Barbara Ann Griem), Мери Лоу Хааг (Mary Lou Haag), Джон Мауни (Jon Mauney), Роберт Мак-Коард (Robert McCoard), Майкл Дж. Мерфи (Michel G. Murphy), Эндрю Олдройд (Andrew Oldroyd), Джеффри Попяк (Jeffery Popyack), Стивен Рапкин (Steven Rapkin), Гамильтон Ричард (Hamilton Richard), Том Сейджер (Tom Sager), Джозеф Шелл (Joseph Schell) и Мэри Луиза Соффа (Mary Louise Soffa).

Пятое издание рецензировали:

• Мэри Лоу Хааг (Mary Lou Haag), университет штата Колорадо в Колорадо-Спрингс (University of Colorado at Colorado Springs);
• Хайкью Ко (Hikyoo Koh), университет Lamar University;
• Брюс Максим (Bruce Maxim), университет штата Мичиган в Дебоне (University of Michigan at Dearborn);
• Л. Эндрю Олдройд (L. Andrew Oldroyd), Вашингтонский университет (Washington University);
• Ребекка Парсонс (Rebecca Parsons), университет Центральной Флориды (University of Central Florida);
• Дон Багерт (Don Bagert), Технический университет штата Техас (Texas Technical University).
• Мейт Суарез-Ривас (Maite Suarez-Rivas), редактор, Молли Тейлор (Molly Taylor), помощник редактора, и Пат Юнабан (Pat Unubun), производственный редактор, заслужили мою признательность за их усилия, направленные на быстрый выход пятого издания книги, а также за помощь в улучшении этого издания по сравнению с предыдущим.

В заключение автор благодарит своих детей - Джейка (Jake) и Дарси (Darcie) за их терпеливое отношение к отсутствию отца, проводившего бесконечные часы в работе над пятым изданием данной книги.

Об авторе

Роберт Себеста (Robert Sebesta) является ассоциированным профессором и деканом факультета компьютерных наук университета штата Колорадо в Колорадо-Спрингс. Профессор Себеста получил степень бакалавра по прикладной математике в университете штата Колорадо в Болдере (University of Colorado in Boulder), а степени магистра компьютерных наук и доктора философии - в Государственном университете штата Пенсильвания (Pennsylvania State University). Теорию вычислительных систем он преподает уже свыше 25 лет. К области его профессиональных интересов относятся проектирование и оценка языков программирования, разработка компиляторов, а также методы и инструменты тестирования программного обеспечения. Автор является членом Ассоциации по вычислительной технике (ACM - Association for Computing Machinery) и Компьютерного общества Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers Computer Society).

Оглавление