TIE542 Ohjelmointikielten periaatteet, syksy Antti-Juhani Kaijanaho. 6. syyskuuta 2010

Transkriptio

1 TIE542 periaatteet, syksy 2010 Antti-Juhani Kaijanaho TIETOTEKNIIKAN LAITOS 6. syyskuuta 2010

2 Sisällys Esia

3 Oppimistavoitteet arvolauseelle 1 Kurssin suorittanut opiskelija kykenee vertailemaan ohjelmointikieliä toisiinsa; selostamaan käsky-, funktio-, olio- ja logiikkakielten pääperiaatteet; toistamaan ohjelmointikielten n pääkohdat; ja lukemaan keskeisiä ohjelmointikielten kuvaamisessa käytössä olevia formalismeja.

4 Oppimistavoitteet arvolauseille 4 5 Kurssin erinomaisin arvolausein suorittanut opiskelija kykenee lisäksi arvioimaan ohjelmointikieliä tieteellisesti ja kriittisesti; analysoimaan käsky-, funktio-, olio- tai logiikkakielen periaatteita; ja käyttämään jotakin formalismia ohjelmointikielen kuvaamiseen.

5 Lähiopetus luennot (suomeksi) (18 luentokertaa) ma klo 12 ja ti klo 10 saatan joutua perumaan 1 2 luentoa kurssin aikana käräjäoikeuden lautamiehen tehtävän vuoksi aikataulu sisältää varauksen 2 korvaavalle luentokerralle demot klo 12 (9 kertaa) tarkista sali aina Korpista! lähiopetus 36 h + 18 h = 54 h (eli 41 %)

6 Kotitehtävät luentojen kertaus ja demojen teko 54 h (eli 6 h/vko) osaamisnäytön (tentti tai essee) valmistelu 25 h kotitehtävät yhteensä 79 h (59 %)

7 Suoritustavat essee deadline n. 10 sivua rajoitetusti vapaasta aiheesta tarkoituksena harjoitella kurssin ensimmäistä oppimistavoitetta samalla osoitetaan kurssin tietosisällön hallinta tarkemmat ohjeet kurssin nettisivuilla tentti

8 Sisällys Esia Esia

9 Esillisia ohjelmointivälineitä Välineitä, joilla ohjelmoitavia koneita ohjelmoitiin ennen yleiskäyttöisten tietokoneiden käyttöönottoa: Jacquardin kangaspuiden ohjelmakortit (1801) Babbagen analyyttisen koneen ohjelmakortit (1837) Ada Augustan, Lovelacen kreivittären, huomautukset (1942 3) automaattipianoiden rullat (1883) Esia Formaaleja kieliä, joilla esitettiin algoritmeja ennen yleiskäyttöisten tietokoneiden käyttöönottoa: lambda-laskento (1936) Turingin kone (1936)

10 Plankalkül Konrad Zusen Saksassa kehittämä kieli ei saanut juurikaan huomiota ennen 1970-lukua kirjoitustapa on erikoinen muuten yllättävän moderni kieli Tarkemmin: F. L. Bauer & H. Wössner: The Plankalkül of Konrad Zuse: A Forerunner of Today s Programming Languages. Communications of the ACM, 15 (7), Esia

11 Konekielet 1940-luvulta alkaen alun perin: kieli, jota tietokoneen laitteisto käyttää toimintaohjeiden saamiseksi koostuu tavallisesti tavujonoista (käskyistä) kukin tavujono koodaa yhden primitiivisen käskyn, kuten yhteenlaskun tai hypyn ohjelmointi on erittäin työlästä ja virhealtista Esia

12 Assembly eli symbolinen konekieli 1940-luvulta alkaen (käsin käännettynä), 1951 (koneellisesti käännettynä) konekielen symbolinen esitystapa kukin konekielen käsky esitetään yhtenä rivinä hyppyjen kohteille ja muistipaikoille voidaan antaa nimet käännettävä joko käsin tai automaattisesti konekielelle joka koneella omansa Esia

13 Makroassembly alkaen 1955 assembly, jossa ohjelmoija voi määritellä makroja nimettyjä, parametrisoituja käskyjonoja makron nimi käskyn paikalla korvataan ko. käskyjonon kopiolla Esia

14 Sisällys Esia Esia

15 Fortran C PROGRAM FOR FINDING THE LARGEST VALUE C 1 ATTAINED BY A SET OF NUMBERS DIMENSION A(999) FREQUENCY 30(2,1,10), 5(100) READ 1, N, (A(I), I = 1,N) 1 FORMAT (I3/(12F6.2)) BIGA = A(1) 5 DO 20 I= 2,N 30 IF (BIGA-A(I)) 10,20,20 10 BIGA = A(I) 20 CONTINUE PRINT 2, N, BIGA 2 FORMAT (22H1THE LARGEST OF THESE I3, 1 12H NUMBERS IS F7.2) STOP (columns 1 5) statement number (C for comment) 2. (column 6) continuation 3. (columns 7 72) Fortran statement 4. (columns 73 80) identification Esia Lähde: Fortran automatic coding system for the IBM 704 programmer s reference manual, 1956.

16 Fortran kehitetty julkaistu 1956, 1958 (FORTRAN II) osoitti että ohjelmallisesti käännettävät ohjelmointikielet ovat käyttökelpoisia kontribuutioita: symboliset muuttujat aritmeettiset lausekkeet taulukot, joiden koko on tiedossa käännösaikana silmukat ja ehtorakenteet erilliset (ei-rekursiiviset) aliohjelmat edelleen käytössä merkittävästi muuttuneena Esia

17 FLOW-MATIC 0) INPUT INVENTORY FILE=A PRICE FILE=B, OUTPUT PRICED-INV FILE=C UNPRICED-INV FILE=D, HSP D. 1) COMPARE PRODUCT-NO(A) WITH PRODUCT-NO(B) IF GREATER GO TO OPERATION 10; IF EQUAL GO TO OPERATION 5; OTHERWISE GO TO OPERATION 2. 2) TRANSFER A TO D. 3) WRITE ITEM D. 4) JUMP TO OPERATION 8. Esia 5) TRANSFER A TO C. 6) MOVE UNIT-PRICE(B) TO UNIT-PRICE(C). 7) WRITE ITEM C. 8) READ ITEM A; IF END OF DATA GO TO OPERATION 14. 9) JUMP TO OPERATION 1. 10) READ ITEM B; IF END OF DATA GO TO OPERATION ) JUMP TO OPERATION 1. 12) SET OPERATION 9 TO GO TO OPERATION 2. 13) JUMP TO OPERATION 2. 14) TEST PRODUCT-NO(B) AGAINST ZZZZZZZZZZZZ; IF EQUAL GO TO OPERATION 16; OTHERWISE GO TO OPERATION ) REWIND B. 16) CLOSE-OUT FILES C, D. 17) STOP. (END)

18 FLOW-MATIC kehitystyö teollisessa käytössä viimeistään vuonna 1958 ensimmäinen kaupalliseen laskentaan käytetty kieli ensimmäinen kieli, jossa mahdollista kuvata tietueiden rakenne erillään ohjelman toiminnallisesta kuvauksesta ei nykyään käytössä perillinen COBOL (1960 ) Esia

19 Algol procedure Absmax(a) Size:(n, m) Result:(y) Subscripts:(i, k); value n, m; array a; integer n, m, i, k; real y; comment The absolute greatest element of the matrix a, of size n by m is transferred to y, and the subscripts of this element to i and k; begin integer p, q; y := 0; i := k := 1; for p:=1 step 1 until n do for q:=1 step 1 until m do if abs(a[p, q]) > y then begin y := abs(a[p, q]); i := p; k := q end end Absmax Esia Lähde: Naur (ed.), Backus, et al.: Revised report on the algorithmic language Algol 60. CACM, 6 (1), 1963

20 Algol kehitetty julkaistu 1958 (Algol 58), 1960 (Algol 60), 1963 (Algol 60 revised) myös Algol 68, mutta se kaatui omaan monimutkaisuuteensa tarkoituksena luoda maailmanlaajuisesti käytössä oleva kieli algoritmien kuvaamiseen kontribuutioita: sisäkkäiset lohkot rekursiiviset aliohjelmat arvo- ja nimivälitys eksplisiittiset tyyppimäärittelyt taulukot, joiden koko on tiedossa vasta ajon aikana ei nykyään käytössä perillisiä: C, Pascal, C++, C#, Java,... Esia

21 LISP apply [f;args] = eval [cons [f; appq [args]]; NIL] appq [m] = [ null [m] T ] NIL; cons [list [QUOTE; car[m]]; appq[cdr [m]]] Esia eval [e;a] = [ atom [e] assoc [e;a] eq [car [e]; QUOTE] cadr [e]; eq [car [e]; ATOM] atom [eval [cadr [e]; a]]; eq [car [e]; EQ] [eval [cadr [e]; a] = eval [caddr [e]; a]] eq [car [e]; COND] evcon [cdr [e]; a] eq [car [e]; CAR] car [eval [cadr [e]; a]] eq [car [e]; CDR] cdr [eval [cadr [e]; a]] eq [car [e]; CONS] cons [eval [cadr [e]; a]] atom [car [e]] eval [cons [assoc [car [e]; a]; evlis [cdr [e],a ]]; a]; eq [caar [e]; LABEL] eval [cons [caddar [e]; cdr [e]]; cons [list [cadar [e]; car [e]; a]]]; eq [caar [e]; LAMBDA] eval [caddar [e]; append [pair [cadar [e]; evlis [cdr [e]; a]; a]]] ] evcon [e;a] = [ eval [caar [e]; a] eval [cadar [e]; a] T evcon [cdr [e]; a] ] evlis [m;a] = [ null[m] NIL; T cons [eval [car [m]; a]; evlis [cdr [m]; a]]] ] John McCarthy: Recursive Functions of Symbolic Expressions and Their Computation by Machine, Part I. Communications of the ACM 3 (4), 1960.

22 LISP kehitetty julkistus 1960 John McCarthyn tekoälytutkimusta varten kehittämä kieli kontribuutioita: rekursiiviset aliohjelmat ohjelma on dataa eval-funktio muistinsiivous (roskienkeruu) edelleen käytössä merkittävästi muuttuneena perillisiä: Scheme, ML, Haskell, F# Esia

23 SIMULA class point (x,y); real x, y; begin ref (point) procedure plus (P); ref (point) P; plus :- new point (x+p.x, y.p.y); end point; Esia point class polar; begin real r, v; ref (polar) procedure plus (P); ref (point) P; plus :- new polar (x+p.x, y+p.y); r := sqrt (x 2+y 2); v := arctg (x,y); end polar; Ole-Johan Dahl & Bjørn Myhrhaug & Kristen Nygaard: Common Base Language. Authorized by SIMULA Standards Group as the Common Base from May 19th Norwegian Computing Center S-22, Page 23.

24 SIMULA julkaisut 1964 (SIMULA I) ja 1967 (SIMULA 67) Kristen Nygaard ja Ole-Johan Dahl kehittivät Simulan diskreettien simulaatioiden ohjelmointia varten pohjakielenä Algol 60 kontribuutioita (SIMULA 67): luokat perintä virtuaalimetodit perillisiä kaikki oliokielet, mutta erityisesti C++ Esia

25 In the spring of 1967 a new employee at the NCC in a very shocked voice told the switchboard operator: "Two men are fighting violently in front of the blackboard in the upstairs corridor. What shall we do?" The operator came out of her office, listened for a few seconds and then said: "Relax, it s only Dahl and Nygaard discussing SIMULA". The story is true. Esia Kristen Nygaard & Ole-Johan Dahl: The development of the SIMULA languages. In History of Progamming Languages, Academic Press, 1981, p. 476.

26 PROLOG $ cat foo.pl suoralinja(mattilanniemi,keskusta,5). suoralinja(keltinmaki,keskusta,27). suoralinja(kortepohja,keskusta,18). suoralinja(keskusta,x,y) :- suoralinja(x,keskusta,y). Esia paasee(x,y,[z]) :- suoralinja(x,y,z). paasee(x,y,[z1 Z2]) :- suoralinja(x,z,z1), paasee(z,y,z2). $ gprolog --entry-goal [foo] GNU Prolog By Daniel Diaz Copyright (C) Daniel Diaz compiling foo.pl for byte code... foo.pl compiled, 8 lines read bytes written, 29 ms?- paasee(kortepohja,mattilanniemi,x). X = [18,5]? yes?-

27 PROLOG kehitys käytössä 1973 alkaen kieli luonnollisen kielen käsittelyyn taustalla formaali logiikka ja Robinsonin resoluutioperiaate (1965) lähtökohtana ei ollut mikään olemassa ollut ohjelmointikieli kontribuutio: ohjelmointikieli voi olla radikaalisti erilainen edelleen käytössä Esia

28 Smalltalk linecount "Answer the number of lines represented by the receiver, where every cr adds one line. 5/10/96 sw" Esia cr count cr := Character cr. count := 1 min: self size.. 1 to: self size do: [:i (self at: i) = cr iftrue: [count := count + 1]]. ^ count Squeak v. 4.0, String-luokan metodi linecount

29 Smalltalk kehitys julkaisu 1980 keskeisimmät edeltäjät LISP ja SIMULA ensimmäinen paradimaattinen oliokieli (yhtenä) tarkoituksena kieli, jolla lapsetkin voivat ohjelmoida edelleen käytössä Esia

30 Sisällys Esia Esia

31 C, C++, Java, C# edeltäjiä: CPL (1963), BCPL (1966), B (1969) muilla kuin C:llä lisäksi SIMULA kehitys alkanut: C 1971, C , Java 1991, C# 199x julkaisut: C 1978, C , Java 1996, C# 2000 Esia

32 BASIC kehitettiin 1964 suunniteltu opiskelijoiden (muut kuin luonnontieteet) käyttöön pohjana FORTRAN ja ALGOL, mutta yksinkertaistaen merkittävästi muuttunut nykyversioissa (Visual Basic ym.) Esia

33 Perl kehitys alkoi julkaisu 1987 alun perin tekstuaalisessa muodossa esitetyn datan raportointiin taustalla C, awk, sed Esia 1 Andrew Leonard: The Joy of Perl. Salon (technology feature)

34 Python kehitys alkoi julkaistu 1991 alkuaan Amoeba-käyttöjärjestelmän apuohjelmaohjelmointiin taustalla ABC ja sen kautta ALGOL 68 Esia 2 Guido van Rossum: Personal History - part 1, CWI. The History of Python

35 Ruby kehitys alkoi julkaisu 1995 tarkoituksena olla Pythonia ja Perliä parempi olioskriptikieli Esia 3 Bruce Stewart: An Interview with the Creator of Ruby. O Reilly Linux devcenter

36 PHP kehitys alkaa 1995 (PHP/FI), 1997 (PHP 3.0) julkaisu 1995 (PHP/FI), 1998 (PHP 3.0) alkujaan WWW-sivunrakennuskieli, joka kasvanut orgaanisesti Esia

37 O Caml, Haskell, F# taustalla LISP, ISWIM (1966), SASL (1972), ML (1973), FP (1977) innokkaat: O Caml (1996), F# (2002) taustalla lisäksi Standard ML eli SML (1990) laiska: Haskell ( ) taustalla lisäksi Orwell (1984), Miranda (1985) funktiokieliä Esia

38 Sisällys Esia Esia

39 Konrad Zuse ( ) saksalainen rakensi varhaisia tietokoneita: Z1 (1936), Z2 (1939), Z3 (1941), Z4 ( ) suunnitteli Plankalkül-kielen sotien jälkeen toimi tietokonealan yrittäjänä Esia

40 John Backus ( ) amerikkalainen johti IBM:n FORTRAN-projektia, oli FORTRANin pääsuunnittelija osallistui ALGOL-kehitystyöhön loi kielioppien BNF-notaation (Backus Naur Form) piti Turing-palkinnon vastaanottopuheenaan palopuheen perinteistä ohjelmointityyliä vastaan ja esitteli FP-kielen Esia

41 Grace Hopper ( ) FLOW-MATICin pääkehittäjä sanotaan luoneen sanan bug tietokonemerkityksen myöhemmin Yhdysvaltain ensimmäinen kenraalikuntaan ylennetty nainen (commodore / lippueamiraali) vastoin yleistä luuloa Hopper ei osallistunut COBOLin määrittelyyn Esia

42 Peter Naur (1928 ) tanskalainen osallistui ALGOLin kehitykseen oli ALGOL 60 -kielen alkuperäisen määrittelydokumentin toimittaja popularisoi Backusin luoman BNF-notaation Esia

43 John McCarthy (1927 ) Esia amerikkalainen popularisoi termin artificial intelligence loi LISP-kielen

44 Niklaus Wirth (1934 ) sveitsiläinen osallistui ALGOL 68:n kehitykseen ja jätti kielestä eriävän mielipiteen kehitti kielet Euler (1966) ALGOL W (1968) Pascal (1970) Modula (1977) Modula 2 (1979) Oberon (1986) Oberon 2 (1991) Esia

45 Ole-Johan Dahl ( ) Esia norjalainen kehitti SIMULAn yhdessä Kristen Nygaardin kanssa

46 Kristen Nygaard ( ) Esia norjalainen kehitti SIMULAn yhdsessä Ole-Johan Dahlin kanssa osallistui myös BETAn kehitykseen

47 Alan Kay (1940 ) amerikkalainen johti henkilökohtaisen tietokoneen tutkimusprojektia Xeroxin Paolo Alton tutkimuskeskuksessa (PARC) loi Smalltalk-kielen loi object orientation -termin Esia