Компьютерное программирование

редактировать
Процесс, который ведет от исходной формулировки вычислительной задачи к исполняемым компьютерным программам

Компьютерное программирование - это процесс проектирование и построение исполняемой компьютерной программы для выполнения конкретного результата вычисления или для выполнения конкретной задачи. Программирование включает в себя такие задачи, как: анализ, генерация алгоритмов, профилирование точности алгоритмов и потребление ресурсов, а также реализация алгоритмов на выбранном языке программирования (обычно называемом как кодировка ). исходный код программы написан на одном или нескольких языках, понятных программистам, а не на машинном коде, который непосредственно выполняется центральный процессор. Цель программирования - найти последовательность инструкций, которые автоматизируют выполнение задачи (которая может быть такой же сложной, как операционная система ) на компьютере, часто для решения данная проблема. Таким образом, для профессионального программирования часто требуются знания в нескольких различных областях, включая знание прикладной области, специализированных алгоритмов и формальной логики.

Задачи, сопутствующие программированию и связанные с ним, включают: тестирование, отладка, обслуживание исходного кода, реализация систем сборки и управление производными артефактами, такими как машина код компьютерных программ. Их можно рассматривать как часть процесса программирования, но часто термин разработка программного обеспечения используется для этого более крупного процесса, а термин «программирование», «реализация» или «кодирование» зарезервирован для фактического написания кода. Программная инженерия сочетает в себе инженерные методы с практикой разработки программного обеспечения. Обратный инжиниринг - это противоположный процесс. хакер - любой опытный компьютерный эксперт, который использует свои технические знания для решения проблемы, но он также может означать хакер безопасности на обычном языке, человек, который работает над встроенной безопасностью компьютерной системы. либо для достижения цели, либо для помощи в построении защиты от хакеров, у которых есть цель.

Содержание
  • 1 История
  • 2 Современное программирование
    • 2.1 Требования к качеству
    • 2.2 Читаемость исходного кода
    • 2.3 Алгоритмическая сложность
      • 2.3.1 Шахматные алгоритмы на примере
    • 2.4 Методики
    • 2.5 Измерение использования языка
    • 2.6 Отладка
  • 3 Языки программирования
  • 4 Программисты
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
    • 6.1 Источники
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки
История
Ада Лавлейс, чьи примечания, добавленные в конец статьи Луиджи Менабреа, включали первый алгоритм , предназначенный для обработки Аналитическая машина. Ее часто называют первым программистом в истории.

Программируемые устройства существуют веками. Еще в 9 веке программируемый музыкальный секвенсор был изобретен персидскими братьями Бану Муса, которые описали автоматизированный механический флейтовый плеер в Книга изобретательных устройств. В 1206 году арабский инженер Аль-Джазари изобрел программируемую драм-машину, где музыкально-механический автомат можно было заставить воспроизводить различные ритмы и паттерны ударных с помощью колышков и кулачки. В 1801 году жаккардовый ткацкий станок мог производить совершенно разные переплетения, изменяя «программу» - серию картонных карт с пробитыми в них отверстиями.

Алгоритмы взлома кода также существовали веками. В IX веке арабский математик Аль-Кинди описал криптографический алгоритм для расшифровки зашифрованного кода в «Рукописи о расшифровке криптографических сообщений». Он дал первое описание криптоанализа с помощью частотного анализа, самого раннего алгоритма взлома кода.

Первая компьютерная программа обычно датируется 1843 г., когда математик Ада Лавлейс опубликовал алгоритм для вычисления последовательности чисел Бернулли, предназначенный для выполнения Чарльзом Бэббиджем ' s Аналитическая машина.

Данные и инструкции когда-то хранились на внешних перфокартах, которые хранились в порядке и располагались в виде программных колод.

В 1880-е годы Герман Холлерит Изобрел концепцию хранения данных в машиночитаемой форме. Позже панель управления (коммутационная панель), добавленная к его табулятору 1906 Type I, позволила программировать его для различных работ, а к концу 1940-х годов записывающее оборудование, такое как IBM 602 и IBM 604 программировались панелями управления аналогичным образом; как и первые электронные вычислительные машины. Однако с концепцией компьютеров с хранимыми программами, представленной в 1949 году, и программы, и данные хранились и обрабатывались одинаково в компьютерной памяти.

Машинный код был языком ранних программ, написанных в наборе команд конкретной машины, часто в двоичной нотации. Языки ассемблера были вскоре разработаны, что позволило программисту указывать инструкции в текстовом формате (например, ADD X, TOTAL) с сокращениями для каждого кода операции и значимыми именами для указания адресов. Однако, поскольку язык ассемблера - это не что иное, как разные обозначения машинного языка, любые две машины с разными наборами инструкций также имеют разные языки ассемблера.

Проводная панель управления для IBM 402 Accounting Machine.

Языки высокого уровня сделали процесс разработки программы более простым и понятным и менее привязанным к базовому оборудованию. FORTRAN, первый широко используемый язык высокого уровня с функциональной реализацией, вышел в 1957 году, и вскоре были разработаны многие другие языки, в частности, COBOL, предназначенный для коммерческой обработки данных, и Lisp для компьютерных исследований.

Программы по-прежнему вводились с использованием перфокарт или бумажной ленты. См. компьютерное программирование в эпоху перфокарт. К концу 1960-х годов устройства хранения данных и компьютерные терминалы стали достаточно недорогими, чтобы программы можно было создавать, вводя их непосредственно в компьютеры. (сами программы), которые позволяли вносить изменения и исправления намного проще, чем с перфокартами.

Современное программирование

Требования к качеству

Каким бы ни был подход к разработке, окончательная программа должна удовлетворять некоторым фундаментальным свойствам. Следующие свойства являются одними из наиболее важных:

  • Надежность : как часто результаты программы верны. Это зависит от концептуальной правильности алгоритмов и минимизации ошибок программирования, таких как ошибки в управлении ресурсами (например, переполнение буфера и состояние гонки ) и логические ошибки (такие как деление на ноль. или отдельные ошибки ).
  • Устойчивость : насколько хорошо программа предвидит проблемы из-за ошибок (не ошибок). Это включает такие ситуации, как неправильные, несоответствующие или поврежденные данные, недоступность необходимых ресурсов, таких как память, службы операционной системы и сетевые подключения, ошибки пользователя и неожиданные отключения электроэнергии.
  • Удобство использования : эргономика программы: легкость, с которой человек может использовать программу для ее намеченной цели, а в некоторых случаях даже непредвиденных целей. Такие проблемы могут привести к успеху или помешать его успеху даже независимо от других проблем. Это включает в себя широкий спектр текстовых, графических, а иногда и аппаратных элементов, которые улучшают четкость, интуитивность, связность и полноту пользователь программы
  • Переносимость : диапазон компьютерного оборудования и операционных систем платформ, на которых может быть скомпилирован исходный код программы / интерпретировал и запустил. Это зависит от различий в средствах программирования, предоставляемых разными платформами, включая аппаратные средства и ресурсы операционной системы, ожидаемого поведения оборудования и операционной системы, а также наличия компиляторов для конкретных платформ (а иногда и библиотек) для языка исходного кода.
  • Ремонтопригодность : легкость, с которой программа может быть изменена ее нынешними или будущими разработчиками для внесения улучшений или настроек, исправления ошибок и дыр в безопасности или адаптировать его к новым условиям. В этом отношении важны передовые практики на начальном этапе разработки. Это качество может не быть очевидным для конечного пользователя, но оно может существенно повлиять на судьбу программы в долгосрочной перспективе.
  • Эффективность / производительность : Измерение системных ресурсов, потребляемых программой ( время процессора, объем памяти, медленные устройства, такие как диски, пропускная способность сети и в некоторой степени даже взаимодействие с пользователем): чем меньше, тем лучше. Это также включает в себя тщательное управление ресурсами, например очистку временных файлов и устранение утечек памяти. Это часто обсуждается под тенью выбранного языка программирования. Язык, безусловно, влияет на производительность, но даже более медленные языки, такие как python, могут мгновенно выполнять программы с человеческой точки зрения. Скорость, использование ресурсов и производительность могут быть важны для некоторых программ, которым это необходимо, но многие программы, которые не ограничены скоростью оборудования, как правило, не требуют оптимизации.

Читаемость исходного кода

В компьютерном программировании читаемость относится к легкости, с которой человек-читатель может понять цель, поток управления и работу исходного кода. Это влияет на перечисленные выше аспекты качества, включая портативность, удобство использования и, самое главное, ремонтопригодность.

Удобочитаемость важна, потому что программисты тратят большую часть своего времени на чтение, пытаясь понять и изменить существующий исходный код, а не писать новый исходный код. Нечитаемый код часто приводит к ошибкам, неэффективности и дублированию кода. Исследование показало, что несколько простых преобразований для удобства чтения сделали код короче и резко сократили время, необходимое для его понимания.

Следование последовательному стилю программирования часто способствует удобочитаемости. Однако удобочитаемость - это больше, чем просто стиль программирования. Многие факторы, мало или совсем не связанные со способностью компьютера эффективно компилировать и выполнять код, способствуют удобочитаемости. Некоторые из этих факторов включают:

Аспекты представления этого (такие как отступы, разрывы строк, цветовое выделение и т. Д.) Часто обрабатываются, но аспекты содержания отражают талант и навыки программиста.

Различные языки визуального программирования также были разработаны с намерением решить проблемы читабельности путем принятия нетрадиционных подходов к структуре кода и отображению. Интегрированные среды разработки (IDE) стремятся объединить всю такую ​​помощь. Такие методы, как рефакторинг кода, могут улучшить читаемость.

Алгоритмическая сложность

Академическая область и инженерная практика компьютерного программирования в значительной степени связаны с обнаружением и реализацией наиболее эффективных алгоритмов для данного класса проблем. С этой целью алгоритмы классифицируются по порядкам с использованием так называемой нотации Big O, которая выражает использование ресурсов, например время выполнения или потребление памяти, с точки зрения размера ввода. Опытные программисты знакомы с множеством хорошо зарекомендовавших себя алгоритмов и их соответствующих сложностей и используют эти знания для выбора алгоритмов, которые лучше всего подходят для конкретных обстоятельств.

Шахматные алгоритмы в качестве примера

«Программирование компьютера для игры в шахматы» - это статья 1950 года, в которой оценивался «минимаксный» алгоритм, который является частью истории алгоритмической сложность; курс по IBM Deep Blue (шахматный компьютер) является частью учебной программы по информатике в Стэнфордском университете.

Методологии

Первым шагом в большинстве формальных процессов разработки программного обеспечения является анализ требований с последующим тестированием для определения модели ценности, реализации и устранения сбоев (отладка). Для каждой из этих задач существует множество разных подходов. Одним из популярных подходов к анализу требований является анализ варианта использования. Многие программисты используют формы гибкой разработки программного обеспечения, где различные этапы формальной разработки программного обеспечения более интегрированы в короткие циклы, которые занимают несколько недель, а не лет. Есть много подходов к процессу разработки программного обеспечения.

Популярные методы моделирования включают объектно-ориентированный анализ и проектирование (OOAD ) и архитектуру, управляемую моделями (MDA ). Унифицированный язык моделирования (UML ) - это обозначение, используемое как для OOAD, так и для MDA.

Аналогичный метод, используемый для проектирования базы данных, - это моделирование отношений сущностей (Моделирование ER ).

Методы реализации включают императивные языки (объектно-ориентированный или процедурный ), функциональные языки и логические языки.

Измерение использование языка

Очень сложно определить, какие из современных языков программирования являются наиболее популярными. Методы измерения популярности языков программирования включают: подсчет количества объявлений о вакансиях, в которых упоминается этот язык, количества проданных книг и курсов, обучающих языку (это переоценивает важность новых языков), а также оценки количества существующих строк написанного кода. на языке (это недооценивает количество пользователей деловых языков, таких как COBOL).

Некоторые языки очень популярны для определенных типов приложений, в то время как некоторые языки регулярно используются для написания множества различных типов приложений. Например, COBOL по-прежнему хорошо работает в корпоративных центрах обработки данных, часто на больших мэйнфреймах, Fortran в инженерных приложениях, языках сценариев в Веб разработка и C во встроенном программном обеспечении. Многие приложения при создании и использовании используют смесь нескольких языков. Новые языки обычно разрабатываются на основе синтаксиса предыдущего языка с добавлением новых функций (например, C ++ добавляет объектную ориентацию в C, а Java добавляет управление памятью и байт-код на C ++, но в результате теряет эффективность и возможность низкоуровневых манипуляций).

Отладка

Первая известная фактическая ошибка, вызывающая проблемы в работающей программе. «Ошибка» уже было обычным термином для обозначения дефекта программного обеспечения, когда эта ошибка была обнаружена.

Отладка - очень важная задача в процессе разработки программного обеспечения, поскольку наличие дефектов в программе может иметь серьезные последствия для пользователей. Некоторые языки более подвержены некоторым видам ошибок, поскольку их спецификация не требует, чтобы компиляторы выполняли такую ​​же тщательную проверку, как другие языки. Использование инструмента статического анализа кода может помочь обнаружить некоторые возможные проблемы. Обычно первым шагом в отладке является попытка воспроизвести проблему. Это может быть нетривиальная задача, например, с параллельными процессами или некоторыми необычными программными ошибками. Кроме того, конкретная пользовательская среда и история использования могут затруднить воспроизведение проблемы.

После воспроизведения ошибки ввод программы, возможно, потребуется упростить, чтобы упростить отладку. Например, ошибка в компиляторе может привести к сбою при передаче большого исходного файла. Однако после упрощения тестового примера всего нескольких строк из исходного исходного файла может быть достаточно для воспроизведения того же сбоя. Такое упрощение можно сделать вручную, используя подход «разделяй и властвуй». Программист попытается удалить некоторые части исходного тестового примера и проверить, сохраняется ли проблема. При отладке проблемы в графическом интерфейсе программист может попытаться пропустить некоторые действия пользователя из исходного описания проблемы и проверить, достаточно ли оставшихся действий для появления ошибок.

Отладка часто выполняется с помощью IDE, например Eclipse, Visual Studio, Xcode, Kdevelop, NetBeans и Code :: Blocks. Также используются автономные отладчики, такие как GDB, и они часто обеспечивают меньшую визуальную среду, обычно с использованием командной строки. Некоторые текстовые редакторы, такие как Emacs, позволяют вызывать GDB через них, чтобы обеспечить визуальную среду.

Языки программирования

Различные языки программирования поддерживают разные стили программирования (так называемые парадигмы программирования ). Выбор используемого языка зависит от многих факторов, таких как политика компании, соответствие задаче, доступность сторонних пакетов или индивидуальные предпочтения. В идеале будет выбран язык программирования, наиболее подходящий для поставленной задачи. Компромиссы от этого идеала включают поиск достаточного количества программистов, знающих язык, для создания команды, наличие компиляторов для этого языка и эффективность выполнения программ, написанных на данном языке. Языки образуют приблизительный спектр от «низкого уровня» до «высокого уровня»; "низкоуровневые" языки обычно более ориентированы на машины и быстрее выполняются, тогда как "высокоуровневые" языки более абстрактны и проще в использовании, но выполняются медленнее. Обычно кодировать на «высокоуровневых» языках проще, чем на «низкоуровневых».

Аллен Дауни в своей книге «Как мыслить как компьютерный ученый» пишет:

Детали выглядят по-разному на разных языках, но несколько основных инструкций появляются практически на каждом языке:
  • Ввод: сбор данных с клавиатуры, файла или другого устройства.
  • Вывод: отображение данных на экране или отправка данных в файл или другое устройство.
  • Арифметические операции: выполнение основных арифметические операции, такие как сложение и умножение.
  • Условное выполнение: проверьте наличие определенных условий и выполните соответствующую последовательность операторов.
  • Повторение: выполните некоторые действия повторно, обычно с некоторыми вариациями.

Многие компьютерные языки предоставляют механизм для вызова функций, предоставляемых разделяемыми библиотеками. Если функции в библиотеке следуют соответствующим соглашениям времени выполнения (например, метод передачи аргументов ), то эти функции могут быть написаны на любом другом языке.

Программисты

Программисты - это те, кто пишет компьютерное программное обеспечение. В их работу обычно входят:

См. Также
  • значок Портал компьютерного программирования
Ссылки

Источники

Дополнительная литература
Внешние ссылки
В Викиучебниках есть книга по теме: Компьютерное программирование
В Викиучебнике есть книга по теме: Программирование под Windows
В Викиверситете есть учебные ресурсы по Компьютерное программирование
Последняя правка сделана 2021-05-15 08:35:54
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте