Дата создания
сайта: 20/12/2012 Дата обновления главной страницы:
14.04.2019 09:09
e-mail:
icq:
613603564
поддержка
проекта:
разместите на своей странице нашу кнопку!И мы
разместим на нашей странице Вашу кнопку или ссылку. Заявку прислать на
e-mail
код нашей кнопки:
Хорошо известно, что новое рождается в борьбе, в
результате конфликта противоречивых тенденций и приводит к разрешению -
может быть, временному - этого конфликта.
Электронные вычислительные машины с момента своего появления породили
различные конфликты, осложняющие программирование, но и стимулирующие
его развитие. Программирование здесь понимается в широком смысле - как
все виды деятельности, направленной на решение на ЭВМ конкретной задачи.
Программист - это человек, занимающийся подобной деятельностью, хотя сам
он себя программистом обычно не называет, не считает и не хочет им быть,
стремясь как можно больше усилий тратить на саму задачу, а не на то, что
связано с ее программированием в более узком смысле слова, т. е. с
детальным описанием действий, которые должна выполнить машина, чтобы
получить решение задачи или приблизиться к нему. В этом и заключается
тот конфликт, которому посвящена статья. Есть в программировании и
другие, более специфические конфликты: между временем работы программы и
пространством, которое эта программа занимает в памяти, между сложностью
текста программы и ее эффективностью и т. п. Их мы прямо касаться не
будем, хотя они довольно тесно связаны с первым.
Грубо говоря, он заключается в различии уровней языка человека и машины.
Язык, на котором мы, люди, общаемся между собой, учим друг друга,
спорим, приказываем, советуем, очень богат и емок. Он вмещает в себя все
многообразие известных нам понятий, явлений и свойств окружающего нас
мира. Язык машины отражает ее узкий и бедный внутренний мир - мир
электронных сигналов: есть импульс - нет импульса, включено - выключено.
Все слова этого языка записываются двумя "буквами" - О и 1. Правда,
слова могут быть длинными, а вместе с длиною быстро растет число
различных слов этой длины - вспомним известную легенду об изобретателе
шахмат. Много разных слов, или,
лучше сказать, текстов, могут выразить много смыслов - в этом
потенциальное могущество машин как хранителей и преобразователей
информации.
Но человека нельзя заставить без крайней нужды пользоваться информацией
в таком виде. Ремонтируя машину или контролируя ее работу, инженер
иногда бывает вынужден просмотреть несколько десятков или сотен нулей и
единиц, но " это - максимум, на что человек способен. Даже обслуживая,
налаживая или проверяя машину, человек стремится получать информацию о
ее внутреннем состоянии на более выразительном языке.
Уровень языка - это мера его близости к естественному человеческому
языку. Чем меньше в языке специфически машинных подробностей, отражающих
внутреннюю кухню хранения и обработки информации в машине, чем больше в
нем символов, слов, текстов, непосредственно понятных человеку, тем выше
уровень языка.
Итак, естественный язык и машинный язык - вот две крайности, две
противоположности, между которыми лежат все средства общения человека с
машиной, все языки программирования.
Немного истории. Долгий путь развития естественных языков привел к тому,
что в большинстве из них в устной речи используется несколько десятков
звуков, а в письменной - несколько десятков букв и других знаков.
По-видимому, это количество оптимально для человека. Первый шаг на пути
повышения уровня языка программирования - это замена групп нулей и
единиц обычными знаками письменной речи. Например, группа 1001
соответствует цифре 9, группа 1101 - букве D и т. п. Тексты становятся
более краткими (5D9 вместо 010111011001), но не более выразительными.
Аналогичная кодировка, но в обратную сторону (знаки письменной речи
заменяются последовательностями нулей и единиц) позволяет вводить в
машину любые письменные тексты. При этом машина лишь запоминает текст,
но по-прежнему остается неспособной его понять.
Следующий шаг. Операциям, которые может выполнять машина, мы даем
"человеческие" имена: например, "сложить" (или просто "+ "),
"запомнить", "выполнить". Величинам, которые встречаются в нашей задаче,
мы также даем более или менее выразительные или хотя бы привычные
обозначения: например, время обозначаем буквой Т, координаты буквами X,
Y, Z и т. д. В программе расчета зарплаты можно пользоваться
обозначениями ОКЛАД, РАЗРЯД, ФИО. Нетрудно написать программу, которая
все эти обозначения переводит в обозначения, доступные машине, пользуясь
таблицами соответствия. В результате человек получает возможность давать
машине задание в естественных и привычных обозначениях. Однако все это
задание должно быть расчленено на операции, которые машина умеет
выполнять, а эти операции очень примитивны и мелки. В них, как правило,
участвуют только отдельные числа (а точнее, последовательности нулей и
единиц), хранящиеся в ячейках памяти машины.
Еще один шаг связан с переходом от машинных операций к более сложным
операциям и действиям, от машинных чисел - к более крупным совокупностям
обрабатываемых величин (данных). В современных языках программирования
есть довольно богатые средства объединения простых действий в более
сложные, простых данных - в комплексы данных. Такое объединение может
выполняться многократно, в результате одно короткое имя может быть дано
весьма сложному действию (обычно называемому процедурой) или сложному
комплексу данных. Современные средства программного обеспечения ЭВМ
позволяют накапливать, хранить и использовать обширные библиотеки
процедур и наборы данных.
Наиболее употребительные языки программирования сложились в конце 60-х -
начале 70-х гг. и с тех пор довольно удовлетворительно обеспечивают
нужды программистов по составлению и записи программ. Однако в последнее
десятилетие сформировались новые понятия, не укладывающиеся в круг
понятий, свойственных большинству языков программирования. Это понятия
"баз данных" (БД), "пакетов прикладных программ" (ППП), возникшие из
нужд практики, и понятие "абстрактного типа данных" (АТД), являющееся
попыткой еще более абстрагироваться от особенностей машин в языках
программирования.
Смысл этих понятий вкратце таков. Методы работы с данными в рамках
традиционных языков программирования опираются в основном на способы
размещения этих данных в памяти ЭВМ и в значительно меньшей степени
учитывают характер смысловых связей между элементами
Перфорационная. Здесь готовят данные для ввода в
установленную в Институте теоретической астрономии (ИТА) АН СССР машину
БЭСМ-6
данных. Такие связи, когда в них возникает
необходимость, описываются в виде взаимных ссылок на место хранения
элементов данных. В базах данных, напротив, логические связи между
элементами данных выступают на первый план, все операции над данными
описываются в терминах этих связей, а все, что связано с размещением
данных, со средствами реализации этих связей, почти полностью скрыто от
пользователя.
В рамках традиционных языков программирования имеются, как уже было
сказано, богатые возможности создавать библиотеки процедур, написанных
на этих языках. Но при этом всю последовательность работы таких процедур
для решения любой конкретной задачи, всю схему и средства обмена
информацией между процедурами обязан разрабатывать и описывать
пользователь. В пакетах прикладных программ заранее предусматриваются
возможные схемы взаимодействия процедур между собой и их возможные
информационные связи. Появляются описания задач, которые могут быть
решены средствами данного ППП. Пользователю достаточно указать, какая
задача перед ним стоит, и задать параметры и исходные данные для решения
этой задачи.
В большинстве случаев для работы с базами данных и пакетами прикладных
программ создаются специальные системы управления со своими собственными
языками, существующими параллельно с обычными языками программирования и
используемыми независимо от них. Поэтому часто бывает трудно или даже
невозможно использовать БД или ППП совместно с данными и процедурами,
описанными пользователем в программе на универсальном языке
программирования.
Со своей стороны разработчики языков программирования также пытаются
повысить уровень языка, сделать его более далеким от машинного языка и
приблизить к естественному языку или хотя бы к языку математики
(последний на протяжении веков складывался как надстройка естественного
языка, приспособленная для описания закономерностей и явлений,
изучаемых, главным образом, в естественных и технических науках).
Абстрактные типы данных - это, пожалуй, наиболее яркое проявление таких
попыток.
Более подробно познакомимся с понятием АТД на примере его использования
в системе СПОРА, созданной в Институте теоретической астрономии АН СССР,
и во входном языке этой системы - языке "Декарт".
Система СПОРА была задумана, как средство обеспечения прикладных
исследований в одной конкретной предметной области (СПОРА -
Специализированное Программное Обеспечение Работ по Астрономии). Ее
разработчики исходили из следующих основных положений (а точнее, пришли
к ним в начале своей работы).
Предметная направленность системы должна отражаться только в ее
наполнении конкретными данными и процедурами, а общая организация и
структура управления должна быть универсальными. Именно эта
универсальная часть системы воплощена в конструкциях и понятиях языка
"Декарт".
Предполагаемые пользователи системы - это люди, стремящиеся (или
вынужденные) использовать ЭВМ в своей работе, но не всегда являющиеся
программистами-профессионалами. Однако эта категория людей очень
неоднородна. Некоторые из них сталкиваются с ЭВМ лишь эпизодически, для
получения ответа на какие-то время от времени возникающие вопросы, их
программистская квалификация низка, хотя в своей области они могут быть
крупными специалистами. Другие, напротив, все свое время посвящают
работе на ЭВМ, умеют составлять очень сложные программы, хорошо знают
технологию программирования, в совершенстве владеют традиционными
языками и другими средствами программирования. Все остальные размещаются
где-то посередине между этими крайностями. Система должна быть полезна
всем без исключения.
Все уже накопленное информационное богатство - будь то в виде данных,
программ или методов работы на машине - должно быть доступно
пользователям ценой минимальных усилий. Для доступа к данным их не
следует преобразовывать в совершенно другой формат и, тем более, вводить
в машину заново. Программы, включаемые в ППП, не должны переписываться и
отлаживаться заново. В тех случаях, когда какую-то часть программы
целесообразно написать на традиционном, привычном пользователю языке,
система должна позволять это сделать.
При соблюдении всех этих требований система должна предоставлять
пользователю новые языковые средства для работы с имеющимися и вновь
создаваемыми данными и программами. Уровень этих средств должен быть
существенно более высоким.Система должна быть хорошо сбалансированной,
все ее части должны иметь ясно определенные функции и четко
взаимодействовать между собой.
Какими средствами могут быть достигнуты все эти цели?
Уровень языка системы повышается благодаря использованию в ней понятий
абстрактного типа и абстрактного отображения. Абстрактный тип - это либо
первичный тип, либо отношение. Первичный тип - это, грубо говоря,
некоторая отдельная величина (для естественнонаучных приложений -
физическая величина), отношение - величина, значения которой состоят из
нескольких компонентов. Например, в астрономии первичные типы - это
время, угол, масса, яркость и т. д., а отношения - это экваториальные
координаты, элементы орбиты, звезда и пр. В последнем случае имеется в
виду набор сведений о звезде, включаемых в звездные каталоги, - название
звезды, ее координаты, спектральный тип, звездная величина, собственное
движение и т. п.
При этом в понятии абстрактного типа мы
абстрагируемся, во-первых, от различных возможных способов физического
представления (или измерения) величины и ее компонент, во-вторых - от
возможных представлений величины средствами традиционных языков
программирования и тем более от машинного представления на более низком
уровне.
Аналогично вводится понятие абстрактного отображения - указывается имя
отображения, перечисляются его аргументы и результаты. И те и другие -
это некоторые абстрактные типы.
Итак, на первый план выступают термины - имена типов, отношений и
отображений - и структурные связи между ними - связи между отношением и
его компонентами, между отображением и его аргументами и результатами.
Эти связи могут быть достаточно сложными, так как компонентами
отношения, аргументами и результатами отображения могут быть не только
первичные типы, но и отношения. Уже эти связи позволяют сделать ряд
полезных заключений о свойствах совокупности величин, представленных
абстрактными типами. Например, мы можем знать, что некоторое абстрактное
отображение
Зал запоминающих устройств на магнитных дисках в
ИТА АН СССР
сопоставляет заданному набору элементов орбиты и
заданному моменту времени прямоугольные координаты тела, движущегося по
этой орбите, а другое отображение по координатам тела и наблюдателя
(движущегося вместе со своей планетой по своей орбите) позволяет найти
видимое положение наблюдаемого тела (для краткости мы не перечисляем
всех исходных данных, реально необходимых для подобных вычислений).
Это создает основу для построения так называемой абстрактной программы -
плана вычислений, сформулированного только в терминах абстрактных типов
и отображений. Названные выше структурные связи позволяют строить лишь
простейшие абстрактные программы. Возможности планирования вычислений
значительно расширяются, если сформулировать дополнительные условия,
накладывающие ограничения на применение того или иного отображения или
указывающие, что желаемый результат еще не достигнут и требуется
дальнейшее применение того же или других отображений.
Совокупность подобных условий характеризует свойства абстрактных типов и
отображений и вместе с описанием их структуры составляет так называемую
модель предметной области (МПО), к которой они относятся.
В терминах модели предметной области мы можем поставить задачу -
указать, какие величины или их компоненты нам известны и какие требуется
определить. Для такой задачи может быть построена абстрактная программа
(хотя это далеко не простое дело, поэтому в системе СПОРА предусмотрена
возможность "подсказок" планировщику абстрактной программы, а также
возможность совместного планирования решения задачи системой и
человеком). Но абстрактную программу еще нельзя выполнить: ведь
абстрактное отображение, как мы его описали, - это только указание на
существование связи между аргументами и результатами отображения, а не
способ фактического вычисления результатов по значениям аргументов.
Поэтому язык "Декарт" предусматривает, что описание абстрактного типа
или отображения должно содержать, кроме того, что уже было упомянуто
(так называемой наружности типа или
Накопители на магнитных лентах (ИТА АН СССР)
Зал внешних устройств в ИТА АН СССР (телетайп и
автоматические цифровые печатающие устройства)
отображения), еще и его внутренность. Задание
внутренности типа или отображения опускает нас с высокого уровня
абстракции на более низкий, на котором уже можно говорить о задании
численного значения величины (т. е. о ее измерении) и представлении
этого значения в машине, а точнее - на одном из языков программирования,
называемых базовыми (для языка "Декарт").
Описание внутренности типа содержит названия его представлений (или
способов измерения - например, для типа угол это градусное, радианное и
популярное в астрономии часовое измерение - 360° =2л = 24Л), перечень
базовых языков, поддерживающих каждое из представлений (в системе СПОРА
это могут быть широко распространенные языки программирования АЛГОЛ,
ФОРТРАН и "Паскаль"), и для каждого из этих языков - тип значения,
соответствующего данному представлению, или типы его компонент.
Например, значение угла в градусной мере состоит из трех компонент -
градусы, минуты и секунды, и в АЛГОЛе первые две компоненты имеют тип
integer (целый), а третья - тип real (вещественный). Описание
внутренности типа содержит и другие сведения, необходимые для работы со
значениями этого типа, - например, названия процедур, преобразующих одно
представление в другое и т. п. Главная часть описания внутренности
отображения - это название процедуры, реализующей это отображение, с
указанием языка, на котором она написана, представлений (аргументов и
результатов), которые она использует, и способа обращения к ней.
Вся эта информация позволяет перевести абстрактную программу на один из
базовых языков, а полученная после перевода программа уже может быть
выполнена обычными средствами.
Все сказанное относится как к базам данных, так и к пакетам прикладных
программ, но в большей степени - к последним. Основная разница между БД
и ППП состоит в том, что отношения базы данных задаются явным
перечислением всех наборов значений, составляющих отношение. Это
отражается и в терминологии. Отношения БД называются таблицами, а
составляющие их наборы значений - строками таблицы.
Отношения, с которыми имеет дело пакет прикладных программ, задаются
более абстрактным образом - указанием условий, которым должны
удовлетворять наборы значений, принадлежащие отношению. Фактически такое
описание задает только некоторую систему понятий и их свойств. Поэтому
оно и называется моделью предметной области.
Кратко охарактеризованные здесь возможности языка "Декарт" могут
показаться слишком сложными для обычного пользователя с минимальной
программистской подготовкой. Но к счастью, такому пользователю и не
нужно прибегать ко всем этим возможностям. В его функции не входит
создание схем баз данных и моделей предметных областей. Все это - задача
лиц, называемых конструкторами (традиционный термин "администратор"
менее удачен) БД и МПО. К конструктору предъявляются очень высокие
требования. Он должен быть, прежде всего, глубоким знатоком своей
предметной области, прекрасно владеть всеми сложившимися в этой области
понятиями и их вариантами, отчетливо представлять все их свойства,
взаимные связи и сферы применения. С другой стороны, он должен быть
высококвалифицированным программистом, способным написать все
необходимые программы, реализующие абстрактные отображения и
обеспечивающие работу со значениями абстрактных типов, и подготовить
наполнение баз данных. Он должен свободно владеть всеми средствами
базовых языков программирования или хотя бы одного из них и средствами
операционных систем ЭВМ. У разных БД и МПО могут быть разные
конструкторы, но если предполагается совместное использование БД и ППП,
обеспечивающих МПО, то работа этих конструкторов должна очень четко
координироваться. От квалификации конструкторов и их серьезного
отношения к своим обязанностям полностью зависят судьба и практическая
польза создаваемых ими БД и ППП.
Задача пользователя, обращающегося к БД или к ППП со своими
потребностями (такого пользователя можно назвать рабочим), значительно
скромнее. Он должен уметь прочесть описание схемы БД и модели предметной
области, чтобы знать, какие понятия нашли в них свое отражение (подобно
тому как обычный рабочий умеет прочесть чертеж детали или узла). Он
должен изучить сравнительно простой язык запросов к БД и заданий для ППП
(часть языка "Декарт") и лишь те возможности базового языка
программирования, которые нужны для обрамления этих запросов и заданий,
включаемых в программу на базовом языке. В простейших случаях все это
вместе взятое составляет довольно небольшой ассортимент языковых
средств. Описание задачи этими средствами намного проще, компактнее и
понятнее, чем та программа, которая возникает после планирования
абстрактной программы и ее перевода на базовый язык. Но с этой
программой имеет дело только машина.
Более квалифицированный пользователь-рабочий имеет и большие
возможности. Он может расширить схему БД и пополнить саму базу данных,
создать на основе имеющейся новую модель предметной области, т. е.
выступить в роли рационализатора или изобретателя. Язык "Де-
карт" допускает наличие взаимосвязанных БД и МПО. Если в МПО не
предусмотрены некоторые виды обработки данных, то все средства базового
языка программирования можно привлечь для их описания. Нет никаких
ограничений на соотношение частей программы, написанных на собственно
"Декарте" и на базовом языке.
Модели предметных областей, подобно обычным программам для ЭВМ, могут
быть очень разными по масштабам. Типичными, по-видимо-му, будут модели,
обеспечивающие решение задач в своей области на протяжении многих лет.
При этом помимо формальной модели будут создаваться пособия для
пользователей-рабочих, в которых понятия и связи, воплощенные в модели,
описываются неформально, даются практические советы, рекомендации и
примеры, облегчающие составление описаний задач. Сами эти описания также
могут быть более или менее детальными, в зависимости от соотношения
между средствами базового языка программирования и собственно языка
"Декарт".
Все это делает систему СПОРА очень гибкой и, во всяком случае,
значительно повышает ее уровень по сравнению с уровнем традиционных
языков программирования.
Первая версия системы СПОРА, в которой реализована часть упомянутых выше
возможностей, главным образом средства работы с базами данных, уже
работает в Институте теоретической астрономии АН СССР. Эта версия сразу
же нашла применение при разработке других частей системы.
Многие из перечисленных здесь идей берут свое начало в системе ПРИЗ,
созданной в Институте кибернетики АН Эстонской ССР под руководством
члена-корреспондента АН ЭССР Э. X. Тыугу. Общение с Э. X. Тыугу во
многом способствовало прояснению этих идей, за что авторы системы СПОРА
глубоко ему благодарны. Сходные идеи, но в более теоретическом плане
реализованы в языке "Пролог" (Р. Ко-вальски - R. Kowalsky, М. ван Эмден
- М. van Emden, Англия). Другие источники, в той или иной мере
повлиявшие на состав и структуру системы, - это реляционная модель баз
данных Э. Кодда (Е. Codd, США) и ряд работ, написанных под влиянием этой
модели, абстрактные типы данных в трактовке Б. Дисков, Дж. Гуттага {В.
Liskov, J. Guttag, США) и других авторов, уровни абстракций Э. Дейкстра
(Е. Dijkstra, Голландия), работы Н. Н. Непейводы по синтезу программ и,
несомненно, - весь общий фон, на котором развивалось прикладное
программирование в 70-е гг.
Сто лет назад
ИТАЛИЯ. Очень часто случается, особенно во время
снегов и туманов, что машинист затрудняется точно определить место, где
в данную минуту находится поезд. Это ведет к частым замедлениям и даже
остановкам поезда. Инженер М. Вито изобрел аппарат, указывающий в
километрах расстояние, прошедшее поездом. Аппарат состоит из счетчика,
приводимого в движение колесами локомотива и отмечающего десятки метров,
километры, сотни километров. Шнурок, разделенный на ровные части,
приводится в движение счетчиком и накатывается на барабан, снабженный
пружиной. При известных расстояниях шнурок приводит в действие свисток,
который свистит до тех пор, пока его не остановит машинист.
"Техник"
Святослав Сергеевич ЛАВРОВ,
(р. 1923) - специалист в области механики, автоматического
управления и прикладной математики, член-корреспондент АН СССР,
профессор, директор Института теоретической астрономии АН СССР.
В 1944 окончил Ленинградскую военную воздушную академию, а в
1954 - Московский государственный университет им. М. В.
Ломоносова. В 1957 получил степень доктора технических наук; с
1963 - профессор Московского государственного университета. В
1966 избран членом-корреспондентом АН СССР. Работал в
промышленности (до 1966), затем в Вычислительном центре АН СССР
(до 1971). С 1973 профессор Ленинградского государственного
университета. С 1977 -директор Института теоретической
астрономии АН СССР. С начала 60-х гг. основные научные интересы
почти целиком сосредоточены на вопросах системного и
теоретического программирования. Участвовал в реализации ряда
алгоритмических языков на отечественных ЭВМ
Размещение фотографий и
цитирование статей с нашего сайта на других ресурсах разрешается при
условии указания ссылки на первоисточник и фотографии.
