Подходы и приёмы

Основные модели программирования

ПАРАДИГМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Паради́гма программи́рования — это система идей и понятий, определяющих стиль написания компьютерных программ, а также образ мышления программиста.

Важно отметить, что парадигма программирования не определяется однозначно языком программирования; практически все современные языки программирования в той или иной мере допускают использование различных парадигм.

Так на языке Си, который не является объектно-ориентированным, можно работать в соответствии с принципами объектно-ориентированного программирования, хотя это и сопряжено с определёнными сложностями; функциональное программирование можно применять при работе на любом императивном языке, в котором имеются функции (для этого достаточно не применять присваивание), и т.д. Приверженность определённого человека какой-то одной парадигме иногда носит настолько сильный характер, что споры о преимуществах и недостатках различных парадигм относятся в околокомпьютерных кругах к разряду так называемых «религиозных» войн — холиваров.

• Императивное программирование
• Структурное программирование
• Функциональное программирование
• Логическое программирование
• Объектно-ориентированное программирование
• Программирование, основанное на классах
• Программирование, основанное на прототипах
• Субъектно-ориентированное программирование

• Структурное программирование
• Процедурное программирование
• Декларативное программирование
• Аппликативное программирование
• Обобщённое программирование
• Доказательное программирование
• Порождающее программирование
• Аспектно-ориентированное программирование
• Агентно-ориентированное программирование
• Рекурсия
• Автоматное программирование
• Событийно-ориентированное программирование
• Компонентно-ориентированное программирование
• Литературное программирование

Императи́вное программи́рование — это парадигма программирования, которая, в отличие от декларативного программирования, описывает процесс вычисления в виде инструкций, изменяющих состояние программы. Императивная программа очень похожа на приказы, выражаемые повелительным наклонением в естественных языках, то есть это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер

Первыми императивными языками были машинные коды — родной язык программирования для компьютера. В этих языках инструкции были крайне просты, что снижало нагрузку на компьютеры, однако затрудняло написание крупных программ. В 1954 появился первый «человеческий» язык программирования — FORTRAN, разработанный Джоном Бэкусом в IBM. FORTRAN является компилируемым языком программирования и позволяет использовать именованные переменные, составные выражения, подпрограммы и многие другие элементы распространённых сейчас императивных языков. В конце 1950х годов с целью упростить выражение математических алгоритмов был разработан ALGOL; в дальнейшем он послужил базой для написания операционных систем для некоторых моделей компьютеров. COBOL (1960) и BASIC (1964) являлись первыми попытками сделать программирование более похожим на обычный английский язык. В 1970х годах Никлаус Вирт разработал язык Pascal. Язык C был создан Денисом Ритчи. Команда разработчиков из Honeywell начала разработку языка Ada в 1978, и через четыре года опубликовала требования для его работы. Спецификация увидела свет в 1983 и была обновлена в 1995 и 2005/6 годах.

В 1980х резко возрос интерес к объектно-ориентированному программированию. Smalltalk-80, впервые разработанный Аланом Кэем в 1969, был обновлён в 1980 исследовательским центром Xerox PARC. По образу и подобию языка Simula (предположительно, первого в мире ООП-языка, разработанного ещё в 1960х) Бьерн Страуструп разработал C++, основанный на C. C++ был впервые реализован в 1985. В 1987 Ларри Уолл выпустил язык Perl; Python был выпущен в 1990 Гвидо ван Россумом; в 1994 Расмус Лердорф разработал PHP; Java была разработана в Sun Microsystems в 1994; Ruby был выпущен в 1995; C# был зачат в декабре 1998. В 2002 — система.NET.Framework, объединяющая многие языки.

Структу́рное программи́рование — методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Предложена в 70-х годах XX века Э. Дейкстрой, разработана и дополнена Н. Виртом.

В соответствии с данной методологией:

1. Любая программа представляет собой структуру, построенную из трёх типов базовых конструкций:
• последовательное исполнение — однократное выполнение операций в том порядке, в котором они записаны в тексте программы;
• ветвление — однократное выполнение одной из двух или более операций, в зависимости от выполнения некоторого заданного условия;
• цикл — многократное исполнение одной и той же операции до тех пор, пока выполняется некоторое заданное условие (условие продолжения цикла).

В программе базовые конструкции могут быть вложены друг в друга произвольным образом, но никаких других средств управления последовательностью выполнения операций не предусматривается.

1. Повторяющиеся фрагменты программы (либо не повторяющиеся, но представляющие собой логически целостные вычислительные блоки) могут оформляться в виде т. н. подпрограмм (процедур или функций). В этом случае в тексте основной программы, вместо помещённого в подпрограмму фрагмента, вставляется инструкция вызова подпрограммы. При выполнении такой инструкции выполняется вызванная подпрограмма, после чего исполнение программы продолжается с инструкции, следующей за командой вызова подпрограммы.
2. Разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз».

Сначала пишется текст основной программы, в котором, вместо каждого связного логического фрагмента текста, вставляется вызов подпрограммы, которая будет выполнять этот фрагмент. Вместо настоящих, работающих подпрограмм, в программу вставляются «заглушки», которые ничего не делают. Полученная программа проверяется и отлаживается. После того, как программист убедится, что подпрограммы вызываются в правильной последовательности (то есть общая структура программы верна), подпрограммы-заглушки последовательно заменяются на реально работающие, причём разработка каждой подпрограммы ведётся тем же методом, что и основной программы. Разработка заканчивается тогда, когда не останется ни одной «затычки», которая не была бы удалена. Такая последовательность гарантирует, что на каждом этапе разработки программист одновременно имеет дело с обозримым и понятным ему множеством фрагментов, и может быть уверен, что общая структура всех более высоких уровней программы верна. При сопровождении и внесении изменений в программу выясняется, в какие именно процедуры нужно внести изменения, и они вносятся, не затрагивая части программы, непосредственно не связанные с ними. Это позволяет гарантировать, что при внесении изменений и исправлении ошибок не выйдет из строя какая-то часть программы, находящаяся в данный момент вне зоны внимания программиста.

Теорема о структурном программировании: (Теорема Бома-Якопини)

Любую схему алгоритма можно представить в виде композиции вложенных блоков begin и end, условных операторов if, then, else, циклов с предусловием (while) и может быть дополнительных логических переменных (флагов).
Эта теорема была сформулирована итальянскими математиками К.Бомом и Дж.Якопини в 1966 году и говорит нам о том, как можно избежать использование оператора перехода goto.

Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственного усложнения программного обеспечения. В 70-е годы XX века объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что «интуитивная» (неструктурированная, или «рефлекторная») разработка программ, которая была нормой в более раннее время, перестала удовлетворять потребностям практики. Программы становились слишком сложными, чтобы их можно было нормально сопровождать, поэтому потребовалась какая-то систематизация процесса разработки и структуры программ.

Наиболее сильной критике со стороны разработчиков структурного подхода к программированию подвергся оператор GOTO (оператор безусловного перехода), имевшийся тогда почти во всех языках программирования. Неправильное и необдуманное использование произвольных переходов в тексте программы приводит к получению запутанных, плохо структурированных программ (т.н. спагетти-кода), по тексту которых практически невозможно понять порядок исполнения и взаимозависимость фрагментов.

Достоинства структурного программирования:

1. Структурное программирование позволяет значительно сократить число вариантов построения программы по одной и той же спецификации, что значительно снижает сложность программы и, что ещё важнее, облегчает понимание её другими разработчиками.
2. В структурированных программах логически связанные операторы находятся визуально ближе, а слабо связанные — дальше, что позволяет обходиться без блок-схем и других графических форм изображения алгоритмов (по сути, сама программа является собственной блок-схемой).
3. Сильно упрощается процесс тестирования и отладки структурированных программ.

Функциона́льное программи́рование — раздел дискретной математики и парадигма программирования, в которой процесс вычисления трактуется как вычисление значений функций в математическом понимании последних (в отличие от функций как подпрограмм в процедурном программировании).

Противопоставляется парадигме императивного программирования, которая описывает процесс вычислений как последовательное изменение состояний (в значении, подобном таковому в теории автоматов). При необходимости, в функциональном программировании вся совокупность последовательных состояний вычислительного процесса представляется явным образом, например как список.

Наиболее известными языками функционального программирования являются^[2]:

• LISP — (Джон МакКарти, 1958) и множество его диалектов, наиболее современные из которых:
• Scheme
• Clojure
• Common Lisp
• Erlang — (Joe Armstrong, 1986) функциональный язык с поддержкой процессов.
• APL — предшественник современных научных вычислительных сред, таких как MATLAB.
• ML (Робин Милнер, 1979, из ныне используемых диалектов известны Standard ML и Objective CAML).
• F# — функциональный язык семейства ML для платформы.NET
• Scala
• Miranda (Дэвид Тёрнер, 1985, который впоследствии дал развитие языку Haskell).
• Nemerle — гибридный функционально/императивный язык.
• XSLT и XQuery
• Haskell — чистый функциональный. Назван в честь Хаскелла Карри.

Ещё не полностью функциональные изначальные версии и Lisp и APL внесли особый вклад в создание и развитие функционального программирования. Более поздние версии Lisp, такие как Scheme, а также различные варианты APL поддерживали все свойства и концепции функционального языка^[3].

Логи́ческое программи́рование — парадигма программирования, основанная на автоматическом доказательстве теорем, а также раздел дискретной математики, изучающий принципы логического вывода информации на основе заданных фактов и правил вывода. Логическое программирование основано на теории и аппарате математической логики с использованием математических принципов резолюций.

Самым известным языком логического программирования является Prolog.

Первым языком логического программирования был язык Planner (см. обзор Шапиро [1989]), в котором была заложена возможность автоматического вывода результата из данных и заданных правил перебора вариантов (совокупность которых называлась планом).

От языка Planner также произошли логические языки программирования QA-4, Popler, Conniver и QLISP. Языки программирования Mercury, Visual Prolog, Oz и Fril произошли уже от языка Prolog. На базе языка Planner было разработано также несколько альтернативных языков логического программирования, не основанных на методе поиска с возвратами (backtracking), например, Ether (см. обзор Шапиро [1989]).

Объе́ктно-ориенти́рованное, или объектное, программи́рование (в дальнейшем ООП) — парадигма программирования, в которой основными концепциями являются понятия объектов и классов. В случае языков с прототипированием вместо классов используются объекты-прототипы.

ООП возникло в результате развития идеологии процедурного программирования, где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны. Для дальнейшего развития объектно-ориентированного программирования часто большое значение имеют понятия события (так называемое событийно-ориентированное программирование) и компонента (компонентное программирование, КОП).

Формирование КОП от ООП произошло также, как случилось формирование модульного от процедурного программирования: процедуры сформировались в модули — независимые части кода до уровня сборки программы, так объекты сформировались в компоненты — независимые части кода до уровня выполнения программы. Взаимодействие объектов происходит посредством сообщений. Результатом дальнейшего развития ООП, по-видимому, будет агентно-ориентированое программирование, где агенты — независимые части кода на уровне выполнения. Взаимодействие агентов происходит посредством изменения среды, в которой они находятся.

Языковые конструкции, конструктивно не относящиеся непосредственно к объектам, но сопутствующие им для их безопасной (исключительные ситуации, проверки) и эффективной работы, инкапсулируются от них в аспекты (в аспектно-ориентированном программировании). Субъектно-ориентированное программирование расширяет понятие объект посредством обеспечения более унифицированного и независимого взаимодействия объектов. Может являться переходной стадией между ООП и агентным программированием в части самостоятельного их взаимодействия.

Первым языком программирования, в котором были предложены принципы объектной ориентированности, была Симула. В момент своего появления (в 1967 году), этот язык программирования предложил поистине революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Тем не менее, большинство концепций были развиты Аланом Кэйем и Дэном Ингаллсом в языке Smalltalk. Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования.

В настоящее время количество прикладных языков программирования (список языков), реализующих объектно-ориентированную парадигму, является наибольшим по отношению к другим парадигмам. В области системного программирования до сих пор применяется парадигма процедурного программирования, и общепринятым языком программирования является язык C. Хотя при взаимодействии системного и прикладного уровней операционных систем заметное влияние стали оказывать языки объектно-ориентированного программирования. Например, одной из наиболее распространенных библиотек мультиплатформенного программирования является объектно-ориентированная библиотека Qt, написанная на языке C++.

Дата добавления: 2015-07-13