815338A Ohjelmointikielten periaatteet

Transkriptio

1 815338A Ohjelmointikielten periaatteet I Johdanto

2 Sisältö 1. Ohjelmointikielen määritelmä 2. Syitä tutkia ohjelmointikieliä 3. Ohjelmointiparadigmat 4. Suunnittelu- ja arviointikriteerit 5. Suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 2

3 I.1 Ohjelmointikielen määritelmä Merkintäjärjestelmä, joka kuvaa laskentaa sellaisessa muodossa, että se on koneen ja ihmisen luettavissa. (Louden) Tyhjentävä määritelmä hankala keksiä, yo. riittää tässä Laskenta Määritellään usein formaalisti Turingin koneen avulla Tässä (epätarkasti): mikä tahansa tietokoneen suorittama toiminto Ohjelmointikieli koneen luettavissa Mahdollisuus kääntää automaattisesti konekielelle A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 3

4 I.1 Ohjelmointikielen määritelmä (2) Ohjelmointikieli ihmisen luettavissa Epätarkempi vaatimus Kielessä oltava koneen toimintaa kuvaavia abstraktioita, jotta kielen käyttäminen ei vaadi koneen syvällistä ymmärtämistä Ohjelmointikielet muistuttavat usein jossain määrin luonnollista kieltä A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 4

5 I.2 Syitä tutkia ohjelmointikieliä 1. Ohjelmointitaito kehittyy Ohjelmointi-ideoiden ilmaisuvalmius kasvaa Konstruktiot kielelle ominaisia Käytettävän kielen valinta helpottuu Kielen syvempi ymmärtäminen auttaa virhetilanteissa Oheistyökalujen käyttö tehostuu 2. Valmius oppia uusia kieliä kasvaa Perusperiaatteiden tuntemus auttaa 3. Periaatteita tarvitaan ohjelmoinnin opettamisessa A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 5

6 I.2 Syitä tutkia ohjelmointikieliä (2) 4. Uusien kielten suunnittelu helpottuu Olemassaolevat kielet tunnettava Suunnitteluperiaatteet tunnettava 5. Tietojenkäsittely edistyy yleisesti Parhaat ratkaisut yleistyvät, jos tunnetaan periaatteet A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 6

7 I.3 Ohjelmointiparadigmat Ohjelmointikielen tyyppi läheisessä yhteydessä ohjelmointitapaan (paradigmaan) Paradigman osat: 1. laskennallinen malli, 2. käsitteistö ja 3. välineistö Yleisjako: Imperatiivinen ohjelmointi vs. deklaratiivinen ohjelmointi A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 7

8 I.3.1 Imperatiivinen ohjelmointi Luonnollisin ohjelmointiparadigma von Neumanntietokoneympäristössä Tunnuspiirteet: 1. Muistia mallintavat muuttujat, 2. Muistia manipuloivat sijoituslauseet 3. Komentojen peräkkäinen suorittaminen Suurin osa nykyisistä ohjelmointikielistä pääosin imperatiivisia A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 8

9 I Olio-ohjelmointi Lasketaan joskus omaksi paradigmaksi Ohjelma koostuu olioista ja toiminta niiden kommunikaatiosta Nykyiset oliokielet luonteeltaan enimmäkseen imperatiivisia A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 9

10 I Rinnakkainen ohjelmointi Viitataan usein ohjelmointimallina (peräkkäinen vs. rinnakkainen) Voidaan myös laskea ohjelmointiparadigmaksi Voidaan määritellä samanaikaisesti suoritettavia toimenpiteitä -> huolehdittava operaatioiden kommunikoinnin synkronoimisesta Monet nykyiset ohjelmointikielet tukevat A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 10

11 I.3.2 Deklaratiivinen ohjelmointi Paradigmaan lasketaan kuuluvaksi 1. Funktionaalinen ohjelmointi 2. Logiikkaohjelmointi 3. Tietokantakielet A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 11

12 I Funktionaalinen ohjelmointi Perustaa laskennan funktioiden soveltamiseen Perusmekanismi on funktiokutsu Muuttujat ja toistorakenteet puuttuvat Kielet tunnetaan myös nimellä applicative languages Tunnettuja kieliä LISP ja Haskell A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 12

13 I Logiikkaohjelmointi Pohjautuu symbolisen logiikan käyttöön Ohjelma koostuu väitteistä (statements) Ei tarvita kontrollirakenteita Käyttää muuttujia, mutta eivät mallinna muistialueita vaan muistuttavat matematiikassa käytettäviä muuttujia Prolog harvoja yleisesti tunnettuja logiikkaohjelmointikieliä A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 13

14 I.4 Suunnittelu- ja arviointikriteerit Yksi kurssin päätavoitteista: arvioida olemassa olevia ohjelmointikieliä -> periaatteita, joiden avulla kieliä voidaan arvostella 1950-luvulla kielet mahdollisimman yksinkertaisia 1970-luvun alkupuolella Hoaren kriteerit: 1.Yksinkertaisuus (Simplicity) 2.Turvallisuus (Security) 3.Nopea käännettävyys (Fast translation) 4.Käännetyn ohjelmakoodin tehokkuus (Efficient object code) 5. Luettavuus (Readibility) A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 14

15 I.4.1 Loudenin kriteerit 1. Tehokkuus (Efficiency) 2. Yleisyys (Generality) 3. Ortogonaalisuus (Orthogonality) 4. Sisäinen yhdenmukaisuus (Uniformity) 5. Yksinkertaisuus (Simplicity) 6. Ilmaisuvoima (Expressiveness) 7. Täsmällisyys (Preciseness) 8. Laiteriippumattomuus (Machine independence) 9. Turvallisuus (Security) A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 15

16 I.4.1 Loudenin kriteerit (2) 10.Yhdenmukaisuus yleisesti käytettyjen merkintöjen ja sopimusten kanssa (Consistency with accepted notations and conventions) 11. Laajennettavuus (Extensibility) 12. Rajoitettavuus (Restrictability) A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 16

17 I.4.1 Loudenin kriteerit (3) *x++=*y++ Tehokkuus Käännetyn koodin tehokkuus: yksi tärkeimpiä mittareita (varsinkin aiemmin) Käännöksen tehokkuus Kielellä ohjelmoimisen tehokkuus Yleisyys Kielen piirre koota ominaisuutensa muutamista peruskäsitteistä Esimerkki: Pascalissa kahdentyyppisiä aliohjelmia (proseduuri ja funktio), C:ssä vain funktio. Samat toiminnot mahdolliset -> C yleisempi A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 17

18 I.4.1 Loudenin kriteerit (4) Ortogonaalisuus Kielen piirteiden riippumattomuus toisistaan, mahdollisimman vähän perusrakenteita, joita voidaan yhdistellä riippumattomasti ALGOL 68-kielen suunnittelun pääperiaate Yhdenmukaisuus Johdonmukaisuus kielen rakenteiden ulkoasussa ja käyttäytymisessä Rikotaan kahdella tavalla: 1. Samankaltaisesti käyttäytyvät asiat näyttävät erilaisilta 2. Samalta näyttävät asiat käyttäytyvät eri lailla A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 18

19 I.4.1 Loudenin kriteerit (5) Yksinkertaisuus Aikoinaan yksi tärkeimmistä suunnitteluperiaatteista Pascalissa tärkeä Sotii monia muita tavoiteltavia asioita vastaan Yksinkertaisen kielen käyttäminen voi olla vaikeata Täsmällisyys Kielellä tarkka määrittely Lisää kielen luotettavuutta A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 19

20 I.4.1 Loudenin kriteerit (6) Ilmaisuvoima Kuinka helppoa kielessä on ilmaista monimutkaisia toimintoja ja rakenteita Auttaa tuottamaan ohjelmia tehokkaammin Yleensä ristiriidassa yksinkertaisuuden kanssa Nykyään lisätään luokkakirjastojen tai pakkausten avulla Esimerkki C:n ilmaisuvoimasta: strcpy(char *s, char *t){ } while( *s++ = *t++); A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 20

21 I.4.1 Loudenin kriteerit (7) Laiteriippumattomuus Saavutetaan pääasiassa käyttämällä tietotyyppejä, jotka eivät vaadi koneen sisäisten ominaisuuksien tuntemusta Esimerkki: C-kielen int voi olla 16- tai 32-bittinen, Javassa aina 32-bittinen -> Java laiteriippumattomampi Turvallisuus Estää ohjelmointivirheiden (sekä syntaktisten että semanttisten) syntymistä Edistää ohjelmointivirheiden havaitsemista Turvallisuusperiaate -> tyypintarkistus A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 21

22 I.4.1 Loudenin kriteerit (8) Yhdenmukaisuus yleisesti käytettyjen merkintöjen ja sopimusten kanssa Edistää kokeneen ohjelmoijan mahdollisuuksia oppia ja käyttää ohjelmointikieltä Laajennettavuus Mekanismi, jonka avulla kieleen voidaan lisätä ominaisuuksia Rajoitettavuus Ei tarvitse tuntea kaikkia kielen ominaisuuksia, jotta pystyisi käyttämään kieltä hyödyllisesti A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 22

23 I.4.2 Sebestan kriteerit *x++=*y++ Ainoastaan arviointikriteerejä Neljä pääkategoriaa, jakaantuvat alikategorioihin: 1. Luettavuus (Readibility) i. Yksinkertaisuus (Simplicity) ii. Ortogonaalisuus (Orthogonality) iii. Tietotyypit (Data types) iv. Syntaksi (Syntax design) A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 23

24 I.4.2 Sebestan kriteerit (2) 2. Kirjoitettavuus (Writability) i. Luettavuuden kriteerit ii. Abstraktiotuki (Support for abstraction) iii. Ilmaisuvoima (Expressivity) 3. Luotettavuus i. Luettavuus ja kirjoitettavuus ii. Tyypin tarkistus (Type checking) iii. Poikkeusten käsittely (Exception handling) iv. Moninimisyys (Aliasing) 4. Resurssivaatimukset A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 24

25 I.4.2 Sebestan kriteerit (3) Luettavuus Yksi tärkeimmistä kriteereistä Arvioi kuinka hyvin ihminen ymmärtää kirjoitettua ohjelmakoodia Tietotyypit liittyvät ilmaisuvoimaan Syntaksin vaikutus: Varsinkin erikoissanat, kuten while, if, for, A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 25

26 I.4.2 Sebestan kriteerit (4) Kirjoitettavuus Arvioi, kuinka helposti kielellä voi tuottaa valitun sovellusalueen ohjelmia Yksinkertaisuus ja ortogonaalisuus edesauttavat Tapa tukea abstraktiota vaikuttaa suuresti kirjoitettavuuteen Erityisesti tuki tietorakenteille Ilmaisuvoima monitahoinen käsite Kielessä mahdollisuus ilmaista operaatioita lyhyesti Lisääminen edistää kirjoitettavuutta, ei aina luettavuutta A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 26

27 I.4.2 Sebestan kriteerit (5) Luotettavuus Kieli käyttäytyy määritellyllä tavalla kaikissa tilanteissa Tyypin tarkistus Tyyppivirheiden tarkistus ohjelmassa (käännöksen tai ohjelman ajon aikana) Poikkeusten käsittely Kielen kyky havaita ajonaikaiset virheet ja mahdollisesti toipua niistä Moninimisyys (aliasing) Kielen kyky muodostaa eri muuttujia viittaamaan samaan muistipaikkaan Voi aiheuttaa virhetilanteita, mutta hankala karsia kokonaan A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 27

28 I.4.2 Sebestan kriteerit (6) Resurssivaatimukset Resurssit kouluttamaan ohjelmoijia Ohjelman kirjoittamisen vaatimat resurssit Kääntämisen tehokkuus Ohjelmien suorittamisen tehokkuus Implementointijärjestelmän kustannukset A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 28

29 I.5 Suunnitteluun vaikuttavia tekijöitä I.5.1 Tietokoneen arkkitehtuuri Keskeisimpiä seikkoja - von Neumannin arkkitehtuuri vallitseva: Ohjelman muistialue: DATA KÄSKYT... CPU Aritmeettislooginen yksikkö (ALU) Laskennan tulokset Käskyt ja data Kontrolliyksikkö Käskyjen dekoodaus IO A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 29

30 I.5.1 Tietokoneen arkkitehtuuri (2) von Neumannin arkkitehtuurin perusominaisuudet: Data ja ohjelma samassa muistissa, ei voi erottaa toisistaan Keskusyksikkö muistista erillään, suorittaa käskyt -> käskyt ja data siirrettävä muistista keskusyksikköön von Neumannin arkkitehtuurin käyttöönotto -> mahdollisuus manipuloida tietokoneohjelmia samalla tavalla kuin dataa -> ohjelmointikielten synty Imperatiiviset ohjelmointikielet pohjautuvat von Neumannin arkkitehtuuriin A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 30

31 I.5.2 Ohjelmistojen suunnitteluperiaatteet 1950-luvulla automaattinen ohjelmointi FORTRAN lähellä konekieltä 1960-luvulla eri periaatteiden kokeilua Satoja kieliä suunniteltiin 1970-luvulla rakenteinen ohjelmointi Top-down suunnittelu ja askeleittain tarkentaminen Monet merkittävimmistä ideoista 1970-luvulla 1980-luvulta alkaen abstraktit tietotyypit ja olioohjelmointi Dataorientoitunut suunnittelumalli Nykyään vallitseva A Ohjelmointikielten periaatteet, Johdanto 31