Компьютерное программирование - Computer programming

Разработка программного обеспечения
Активность ядер
Парадигмы и модели
Методологии и рамки
Вспомогательные дисциплины
Практики
Инструменты
Стандарты и свод знаний
Глоссарии
Контуры

Компьютерное программирование это процесс проектирования и строительства исполняемый файл компьютерная программа для достижения конкретной вычисление результат или для выполнения конкретной задачи. Программирование включает в себя такие задачи, как: анализ, создание алгоритмы, профилирование точность алгоритмов и потребление ресурсов, а также реализация алгоритмов в выбранной язык программирования (обычно называют кодирование).[1][2] В исходный код программы написаны на одном или нескольких языках, понятных для программисты, скорее, чем Машинный код, который непосредственно выполняется центральное процессорное устройство. Цель программирования - найти последовательность инструкций, которая автоматизирует выполнение задачи (которая может быть такой же сложной, как Операционная система ) на компьютер, часто для решения данной проблемы. Таким образом, профессиональное программирование часто требует опыта в нескольких различных предметах, в том числе знания домен приложения, специализированные алгоритмы и формальные логика.

Сопровождающие и связанные с программированием задачи включают: тестирование, отладка, исходный код сопровождение, реализация системы сборки, и управление производными артефакты, такой как Машинный код компьютерных программ. Их можно рассматривать как часть процесса программирования, но часто термин разработка программного обеспечения используется для этого более крупного процесса с термином программирование, выполнение, или же кодирование зарезервировано для фактического написания кода. Программная инженерия сочетает инженерное дело методы с практикой разработки программного обеспечения. Разобрать механизм с целью понять, как это работает - это связанный процесс, используемый дизайнерами, аналитиками и программистами для понимания и воссоздания / повторной реализации.[3]:3

История

Ада Лавлейс, чьи примечания добавлены в конец Луиджи Менабреа статья включала первую алгоритм предназначен для обработки Аналитическая машина. Ее часто называют первым программистом в истории.
Смотрите также: Компьютерная программа § История, Программист § История, и История языков программирования

Программируемые устройства существуют веками. Еще в 9 веке программируемый музыкальный секвенсор был изобретен персидским Бану Муса братья, описавшие автоматизированный механический флейта игрок в Книга гениальных устройств.[4][5] В 1206 году арабский инженер Аль-Джазари изобрел программируемый драм-машина где музыкальная механика автомат можно заставить играть разные ритмы и паттерны ударных с помощью колышков и кулачки.[6][7] В 1801 г. Жаккардовый ткацкий станок могли производить совершенно другие переплетения, изменяя «программу» - серию картон карты с пробитыми отверстиями.

Взлом кода алгоритмы тоже существуют веками. В 9 веке Арабский математик Аль-Кинди описал криптографический алгоритм расшифровки зашифрованного кода, в Рукопись о расшифровке криптографических сообщений. Он дал первое описание криптоанализ к частотный анализ, самый ранний алгоритм взлома кода.[8]

Первый компьютерная программа обычно датируется 1843 годом, когда математик Ада Лавлейс опубликовал алгоритм вычислить последовательность Числа Бернулли, предназначенные для выполнения Чарльз Бэббидж с Аналитическая машина.[9]

Данные и инструкции когда-то хранились на внешнем перфокарты, которые содержались в порядке и разложены по программным декам.

В 1880-е гг. Герман Холлерит изобрел концепцию хранения данные в машиночитаемой форме.[10] Позже панель управления (plugboard), добавленный к его Табулятору Типа I 1906 года, позволил программировать его для различных работ, и к концу 1940-х годов единичное записывающее оборудование такой как IBM 602 и IBM 604, программировались панелями управления аналогично, как и первые электронные компьютеры. Однако с концепцией компьютер с хранимой программой представленный в 1949 году, и программы, и данные хранились и обрабатывались одинаково в память компьютера.[нужна цитата ]

Машинный язык

Машинный код был языком ранних программ, написанных в Набор инструкций конкретной машины, часто в двоичный обозначение. Языки ассемблера вскоре были разработаны, что позволяло 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 разные наборы инструкций также есть разные языки ассемблера.

Проводная панель управления для Бухгалтерская машина IBM 402.

Языки компилятора

Языки высокого уровня сделал 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.[11] и многие другие языки были вскоре разработаны, в частности, КОБОЛ направленные на обработку коммерческих данных, и Лисп для компьютерных исследований.

Эти скомпилированные языки позволяют программисту писать программы, используя синтаксически более богатые термины и более способные к абстрагирование код, что делает его доступным для различных наборов машинных инструкций с помощью объявлений компиляции и эвристики. Первый компилятор для языка программирования был разработан Грейс Хоппер.[12] Когда Хоппер приступил к работе UNIVAC в 1949 году она принесла с собой идею использования компиляторов.[13][14] Компиляторы используют возможности компьютеров, чтобы упростить программирование[15] позволяя программистам определять вычисления, вводя формулу, используя инфиксная запись (например., Y = Х * 2 + 5 * Х + 9) Например. FORTRAN, первый широко используемый язык высокого уровня, имеющий функциональную реализацию, которая позволяла абстрагировать повторно используемые блоки кода, вышел в 1957 году.[16] и многие другие языки были вскоре разработаны, в частности, КОБОЛ направленные на обработку коммерческих данных, и Лисп для компьютерных исследований. В 1951 г. Фрэнсис Э. Холбертон разработал первый генератор сортировки-слияния, который работал на UNIVAC I.[17] Еще одна женщина, работающая в UNIVAC, Адель Милдред Косс, разработал программу, которая была предшественницей генераторы отчетов.[17] Идея создания COBOL возникла в 1959 году, когда Мэри К. Хоуз, который работал на Корпорация Берроуз, назначьте встречу, чтобы обсудить создание общего делового языка.[18] Она пригласила шесть человек, включая Грейс Хоппер.[18] Хоппер участвовал в разработке COBOL как делового языка и в создании "самодокументируемого" программирования.[19][20] Вклад Хоппер в COBOL был основан на ее языке программирования под названием ПОТОК-MATIC.[14] В 1961 г. Жан Э. Саммет развитый FORMAC а также опубликовал Языки программирования: история и основы, который впоследствии стал стандартной работой по языкам программирования.[18][21]

Ввод исходного кода

Программы по-прежнему вводились с использованием перфокарт или бумажная лента. Видеть Компьютерное программирование в эпоху перфокарт. К концу 1960-х гг. устройства хранения данных и компьютерные терминалы стал достаточно дешевым, чтобы программы можно было создавать, набирая текст прямо на компьютере. Фрэнсис Холбертон создала код, разрешающий ввод с клавиатуры, пока она работала в UNIVAC.[22]

Текстовые редакторы были разработаны, что позволяло вносить изменения и исправления намного проще, чем с перфокартами. Сестра Мэри Кеннет Келлер работал над разработкой языка программирования БАЗОВЫЙ в то время как она была аспирантом Дартмута в 1960-х.[23] Один из первых объектно-ориентированного программирования языки, Болтовня, был разработан семью программистами, в том числе Адель Голдберг, в 1970-е гг.[24] В 1985 г. Радия Перлман разработал Протокол связующего дерева для эффективной маршрутизации пакетов сетевой информации.[25][26]

Современное программирование

Требования к качеству

Каким бы ни был подход к разработке, окончательная программа должна удовлетворять некоторым фундаментальным свойствам. Следующие свойства относятся к числу наиболее важных:[27][28]

  • 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 условия гонки ) и логические ошибки (например, деление на ноль или отдельные ошибки ).
  • Надежность: насколько хорошо программа предвидит проблемы из-за ошибок (а не ошибок). Сюда входят такие ситуации, как неправильные, несоответствующие или поврежденные данные, недоступность необходимых ресурсов, таких как память, службы операционной системы и сетевые соединения, ошибка пользователя и неожиданные отключения электроэнергии.
  • Удобство использования: the эргономика программы: легкость, с которой человек может использовать программу по прямому назначению или в некоторых случаях даже для непредвиденных целей. Такие проблемы могут привести к успеху или помешать ему даже независимо от других проблем. Это включает в себя широкий спектр текстовых, графических и иногда аппаратных элементов, которые улучшают ясность, интуитивность, связность и полноту пользовательского интерфейса программы.
  • Портативность: диапазон компьютерное железо и Операционная система платформы, на которых исходный код программы может быть составлен /интерпретированный и беги. 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 настоящими или будущими разработчиками для внесения улучшений или настроек, исправлений ошибки и дыры в безопасности, или адаптировать его к новым условиям. Хорошая практика[29] во время начальной разработки имеют значение в этом отношении. Это качество может не быть очевидным для конечного пользователя, но оно может существенно повлиять на судьбу программы в долгосрочной перспективе.
  • Эффективность /спектакль: 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 временные файлы и устранение утечки памяти. Это часто обсуждается под тенью выбранного языка программирования. Хотя язык определенно влияет на производительность, даже более медленные языки, такие как Python, может выполнять программы мгновенно с точки зрения человека. Скорость, использование ресурсов и производительность важны для программ, которые создают узкие места в системе, но эффективное использование времени программиста также важно и связано с затратами: большее количество оборудования может быть дешевле.

Читаемость исходного кода

В компьютерном программировании читаемость относится к легкости, с которой человек-читатель может понять цель, поток управления, и работа 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 дублированный код. Изучение[30] обнаружил, что несколько простых преобразований для удобства чтения сделали код короче и значительно сократили время на его понимание.

После последовательной стиль программирования часто помогает читаемость. 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.[31] Некоторые из этих факторов включают:

В презентация аспекты этого (такие как отступы, разрывы строк, выделение цветом и т. д.) часто обрабатываются редактор исходного кода, но аспекты содержания отражают талант и навыки программиста.

Разные языки визуального программирования также были разработаны с целью решить проблемы с удобочитаемостью за счет принятия нетрадиционных подходов к структуре и отображению кода. Интегрированные среды разработки (IDE) стремятся интегрировать всю такую ​​помощь. Такие методы, как Рефакторинг кода может 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. Для этого алгоритмы подразделяются на заказы используя так называемые Обозначение Big O, который выражает использование ресурсов, например время выполнения или потребление памяти, в терминах 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 на примере

«Программирование компьютера для игры в шахматы» - это статья 1950 года, в которой оценивался «минимакс» алгоритм это часть истории алгоритмической сложности; курс по IBM Deep Blue (шахматный компьютер) является частью учебной программы по информатике в Стэндфордский Университет.[32]

Методологии

Первым шагом в большинстве формальных процессов разработки программного обеспечения является анализ требований с последующим тестированием для определения модели ценности, реализации и устранения сбоев (отладки). Для каждой из этих задач существует множество разных подходов. Один из популярных подходов к анализу требований: Пример использования анализ. Многие программисты используют формы Гибкая разработка программного обеспечения где различные этапы формальной разработки программного обеспечения более объединены 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 дизайн (OOAD ) и модельно-ориентированная архитектура (MDA ). Единый язык моделирования (UML ) - это обозначение, используемое как для OOAD, так и для MDA.

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

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

Измерение использования языка

Основная статья: Измерение популярности языков программирования

Очень сложно определить, какие современные языки программирования наиболее популярны. Методы измерения популярности языка программирования включают: подсчет количества объявлений о вакансиях, в которых упоминается этот язык,[33] количество проданных книг и курсов, обучающих языку (это переоценивает важность новых языков), а также оценки количества существующих строк кода, написанных на этом языке (это недооценивает количество пользователей бизнес-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, КОБОЛ по-прежнему сильна в корпоративных центрах обработки данных[34] часто на большом мэйнфреймы, Фортран в инженерных приложениях, языки сценариев в Интернет развитие, и C в встроенное программное обеспечение. 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, и Ява добавляет управление памятью и байт-код в C ++, но в результате теряет эффективность и возможность низкоуровневого манипулирования).

Отладка

Первой известной фактической ошибкой, вызвавшей проблему в компьютере, была моль, застрявшая внутри мэйнфрейма Гарварда, что было зарегистрировано в журнале регистрации от 9 сентября 1947 г.[35] «Ошибка» уже было обычным термином для обозначения дефекта программного обеспечения, когда эта ошибка была обнаружена.
Основная статья: Отладка

Отладка - очень важная задача в процессе разработки программного обеспечения, поскольку наличие дефектов в программе может иметь серьезные последствия для ее пользователей. Некоторые языки более подвержены некоторым видам ошибок, поскольку их спецификация не требует, чтобы компиляторы выполняли такую ​​же тщательную проверку, как другие языки. Использование статический анализ кода инструмент 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, возможно, потребуется упростить ввод программы, чтобы упростить отладку. Например, ошибка в компиляторе может привести к сбою, когда разбор некоторый большой исходный файл, упрощение тестового примера, в результате которого получается всего несколько строк из исходного исходного файла, может быть достаточным для воспроизведения того же сбоя. Необходим метод проб и ошибок / разделяй и властвуй: программист попытается удалить некоторые части исходного тестового примера и проверить, существует 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. Сценарии и остановка также является частью этого процесса.

Отладка часто выполняется с помощью Иды подобно Затмение, Visual Studio, Xcode, Kdevelop, NetBeans и Код :: Блоки. Автономные отладчики, такие как GDB также используются, и они часто обеспечивают меньшую визуальную среду, обычно используя командная строка. Некоторые текстовые редакторы, такие как Emacs позволяют вызывать GDB через них, чтобы обеспечить визуальную среду.

Языки программирования

Основные статьи: Язык программирования и Список языков программирования

Разные языки программирования поддерживают разные стили программирования (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 его книге Как думать как компьютерный ученый, пишет:

Детали выглядят по-разному на разных языках, но несколько основных инструкций есть 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.
  • Арифметика: выполняйте основные арифметические операции, такие как сложение и умножение.
  • Условное выполнение: проверьте наличие определенных условий и выполните соответствующую последовательность операторов.
  • Повторение: повторяйте какое-то действие, обычно с некоторыми вариациями.

Многие компьютерные языки предоставляют механизм для вызова функций, предоставляемых общие библиотеки. При условии, что функции в библиотеке следуют соответствующим соглашениям во время выполнения (например, метод передачи аргументы ), то эти функции могут быть написаны на любом другом языке.

Программисты

Основная статья: Программист
Смотрите также: Разработчик программного обеспечения и Инженер-программист

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

Смотрите также

Основная статья: Очерк компьютерного программирования

Рекомендации

  1. ^ Беббингтон, Шон (2014). "Что такое кодирование". Tumblr. В архиве с оригинала 29 апреля 2020 г.. Получено 3 марта, 2014.CS1 maint: дата и год (связь)
  2. ^ Беббингтон, Шон (2014). «Что такое программирование». Tumblr. В архиве с оригинала 29 апреля 2020 г.. Получено 3 марта, 2014.
  3. ^ Эйлам, Эльдад (2005). Реверсинг: секреты реверс-инжиниринга. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-7645-7481-8.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  4. ^ Koetsier, Teun (2001), "О предыстории программируемых машин: музыкальные автоматы, ткацкие станки, калькуляторы", Механизм и теория машин, Эльзевьер, 36 (5): 589–603, Дои:10.1016 / S0094-114X (01) 00005-2.
  5. ^ Капур, Аджай; Карнеги, Дейл; Мерфи, Джим; Лонг, Джейсон (2017). «Громкоговорители по желанию: история электроакустической музыки без использования громкоговорителей». Организованный звук. Издательство Кембриджского университета. 22 (2): 195–205. Дои:10.1017 / S1355771817000103. ISSN  1355-7718.
  6. ^ Фаулер, Чарльз Б. (октябрь 1967 г.). «Музей музыки: история механических инструментов». Журнал музыкальных педагогов. 54 (2): 45–49. Дои:10.2307/3391092. JSTOR  3391092. S2CID  190524140.
  7. ^ Ноэль Шарки (2007), Программируемый робот XIII века, Университет Шеффилда
  8. ^ Дули, Джон Ф. (2013). Краткая история криптологии и криптографических алгоритмов. Springer Science & Business Media. С. 12–3. ISBN  9783319016283.
  9. ^ Fuegi, J .; Фрэнсис, Дж. (2003). Заметки "Лавлейс и Бэббидж и создание 1843 года"'". IEEE Annals of the History of Computing. 25 (4): 16. Дои:10.1109 / MAHC.2003.1253887.
  10. ^ да Круз, Франк (10 марта 2020 г.). "История вычислительной техники Колумбийского университета - Герман Холлерит". Колумбийский университет. Columbia.edu. В архиве с оригинала 29 апреля 2020 г.. Получено 25 апреля, 2010.
  11. ^ Бергштейн, Брайан (20 марта 2007 г.). "Создатель Fortran Джон Бэкус умер - Технологии и гаджеты - NBC News". Новости NBC. NBC News. В архиве с оригинала 29 апреля 2020 г.. Получено 25 апреля, 2010.
  12. ^ Смит 2013, п. 6.
  13. ^ Ceruzzi 1998, п. 84-85.
  14. ^ а б Гюрер 1995, п. 176.
  15. ^ «Создатель Fortran Джон Бэкус умер». msnbc.com. Получено 19 ноября, 2014.
  16. ^ «Умер создатель Fortran Джон Бэкус - Tech and gadgets- msnbc.com». MSNBC. 20 марта 2007 г.. Получено 25 апреля, 2010.
  17. ^ а б Гюрер 1995, п. 177.
  18. ^ а б c Гюрер 1995, п. 179.
  19. ^ Смит 2013, п. 7.
  20. ^ Ceruzzi 1998, п. 92.
  21. ^ «Компьютерные власти говорят здесь». Времена. 9 апреля 1972 г.. Получено 13 октября, 2018 - через Newspapers.com.
  22. ^ "Умирает Фрэнсис Холбертон, пионер компьютерных языков". Курьер-Журнал. 12 декабря 2001 г.. Получено 13 октября, 2018 - через Newspapers.com.
  23. ^ Гюрер 1995, п. 180-181.
  24. ^ «Адель Голдберг». Университет Мэриленда, Колледж-Парк. Получено 14 октября, 2018.
  25. ^ Эванс 2018, п. 126.
  26. ^ Розен, Ребекка Дж. (3 марта 2014 г.). "Радия Перлман: не называйте меня матерью Интернета". Атлантический океан. Получено 15 октября, 2018.
  27. ^ «NIST для разработки облачной дорожной карты». Информационная неделя. 5 ноября 2010 г. Инициатива в области вычислительной техники направлена ​​на устранение препятствий для внедрения облачных технологий в области безопасности, взаимодействия, переносимости и надежности.
  28. ^ «На чем это основано». ComputerWorld. 9 апреля 1984 г. с. 13. Это основано на ... Надежности Портативности. Совместимость
  29. ^ «Программирование 101: советы, как стать хорошим программистом - мудрость компьютерщик». Мудрость Компьютерщик. 19 мая 2016 г.. Получено 23 мая, 2016.
  30. ^ Эльшофф, Джеймс Л .; Маркотти, Майкл (1982). «Улучшение читабельности компьютерных программ для облегчения модификации». Коммуникации ACM. 25 (8): 512–521. Дои:10.1145/358589.358596. S2CID  30026641.
  31. ^ Множественный (вики). «Читаемость». Докфорж. В архиве с оригинала 29 апреля 2020 г.. Получено 30 января, 2010.
  32. ^ Пих, Крис. "Темно-синий". В 1950 году Клод Шеннон опубликовал ... "Программирование компьютера для игры в шахматы", ... "минимаксный" алгоритм.
  33. ^ Обзор объявлений о работе с упоминанием данного языка
  34. ^ Митчелл, Роберт (21 мая 2012 г.). "Утечка мозгов Кобола". Компьютерный мир. Получено 9 мая, 2015.
  35. ^ Фотография любезно предоставлена ​​Центром наземной войны ВМС, Дальгрен, Вирджиния, из National Geographic, сентябрь 1947 г.

Источники

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Библиотечные ресурсы о
Компьютерное программирование