9. Языки программирования
9.1. Основные понятия и элементы языков программирования
Язык программирования – это набор букв, слов, чисел и мнемонических сокращений, используемых при записи компьютерной программы, а также правила записи программы из элементов языка (его синтаксис).
Обычный разговорный (естественный) язык состоит из четырех основных элементов: символов, слов, словосочетаний и предложений. Компьютерный (формальный) язык программирования содержит подобные же элементы, только слова называют элементарными конструкциями, словосочетания – выражениями, предложения – операторами. Язык программирования (как и любой другой язык), образуют три его составляющие: алфавит, синтаксис и семантика.
Алфавит – фиксированный для данного языка набор символов (букв, цифр, специальных знаков и т. д.), которые могут быть использованы при написании программы.
Синтаксис – правила построения из символов алфавита специальных конструкций, с помощью которых составляется команда. Множество правил порождения элементов языка программирования, выражений и предложений называют грамматикой формального языка или формальной грамматикой.
Семантика – система правил толкования конструкций языка. Таким образом, программа составляется с помощью соединения символов алфавита в соответствии с синтаксическими правилами и с учетом правил семантики.
У формального языка много общего с естественным языком, предложения которого также строятся в соответствии с грамматическими правилами. Однако грамматика естественного языка, подобно наукам о природе с известной степенью достоверности описывает и обобщает результаты наблюдений за естественным языком как за явлением окружающего мира. Характерные для грамматики естественных языков исключения из правил свидетельствуют о том, что зафиксированная в грамматике языка система правил не может в точности описать все закономерности развития языка.
Формальные языки проще естественных языков. Они создаются одновременно с системой правил построения слов и предложений. Исключения из правил в формальном языке могут свидетельствовать лишь о противоречивости и некорректности системы грамматических правил.
Иными словами, язык программирования имеет жёсткую структуру. По русски (на естественном языке) мы можем одну и ту же мысль выразить по-разному: «завтра идти на работу», «на работу идти завтра» или «завтра на работу идти». Эмоциональные оттенки этих фраз будут немного отличаться благодаря смысловому ударению. Однако, в программах такие вольности не допускаются. Если в любой конструкции языка программирования изменить порядок следования элементов, конструкция станет ошибочной.
Грамматические правила можно записывать различными способами. Грамматика естественного языка традиционно описывается в виде грамматических правил на естественном языке. Грамматика формального языка также может быть описана в виде множества правил на естественном языке. Но обычно для этого используют специальные средства записи: формулы и схемы.
Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные стандарты. Специальные организации проводят регулярное обновление и публикацию спецификаций и формальных определений соответствующего языка. В рамках таких комитетов продолжается разработка и модернизация языков программирования и решаются вопросы о расширении или поддержке уже существующих и новых языковых конструкций.
Основными элементами (понятиями) языков программирования являются следующие.
Имена (идентификаторы) – последовательность символов для обозначения объектов программы (переменных, массивов, функций и дp.).
Операции. Существуют следующие типы операций:
- арифметические операции: сложение, обозначается символом “+”; вычитание, обозначается символом “–”; умножение, обозначается символом “*”; деление, обозначается символом “/” и дp.;
- логические операции: операции “логическое и”, “логическое или”, “логическое не” и др.;
- операции отношения: меньше, обозначается символом “”; меньше или равно, обозначается символами “=”; равно, обозначается символом “=”; не равно, обозначается символами “<>”.
- операция конкатенации символьных значений дpуг с другом, изображается знаком «+».
- числовые: (7.5, 12;)
- логические: (true(истина), false(ложь));
- символьные: («А», «+»; и т.п.)
- строковые: (например «abcde», «информатика»).
- целые,
- вещественные,
- логические,
- символьные
- строковые.
- арифметические;
- логические;
- строковые.
2.2. Структура и способы описания языков программирования высокого уровня
Во всяком языке программирования определены способы организации данных и способы организации действий над данными. Кроме того, существует понятие «элементы языка», включающее в себя множество символов (алфавит), лексемы и другие изобразительные средства языка программирования. Несмотря на разнообразие указанных языков, их изучение происходит приблизительно по одной схеме. Это связано с общностью структуры различных языков программирования высокого уровня, которая схематически отражена на рис. 5.
Надо сказать, что в изучении естественных языков и языков программирования есть сходные моменты. Во-первых, для того чтобы читать и писать на иностранном языке, нужно знать алфавит этого языка. Во-вторых, следует знать правописание слов и правила записи предложений, т. е. то, что называется синтаксисом языка. В-третьих, важно понимать смысл слов и фраз, чтобы адекватно реагировать на них. Смысловое содержание языковой конструкции называется семантикой.
Всякий язык программирования имеет три основные составляющие: алфавит, синтаксис и семантику.
Соблюдение правил в языке программирования должно быть более строгим, чем в разговорном языке. Человеческая речь содержит значительное количество избыточной информации. Не расслышав какое-то слово, можно понять смысл фразы в целом. Слушающий или читающий человек может додумать, дополнить, исправить ошибки в воспринимаемом тексте.
Компьютер же — автомат, воспринимающий все «всерьез». В текстах программ нет избыточности, компьютер сам не исправит даже очевидной (с точки зрения человека) ошибки. Он может лишь указать на место, которое «не понял», и вывести замечание о предполагаемом характере ошибки. Исправить же ошибку должен программист.
Для описания синтаксиса языка программирования тоже нужен какой-то язык
В этом случае речь идет о метаязыке («надъязыке»), предназначенном для описания других языков. Наиболее распространенными метаязыками в литературе по программированию являются металингвистические формулы Бекуса— Наура (язык БНФ) и синтаксические диаграммы. В дальнейшем мы чаще всего будем использовать язык синтаксических диаграмм. Они более наглядны, легче воспринимаются. В некоторых случаях для удобства мы будем обращаться к отдельным элементам языка БНФ.
В БНФ всякое синтаксическое понятие описывается в виде формулы, состоящей из правой и левой части, соединенных знаком ::=, смысл которого эквивалентен словам «по определению есть». Слева от знака ::= записывается имя определяемого понятия (метапеременная), которое заключается в угловые скобки < >, а в правой части записывается формула или диаграмма, определяющая все множество значений, которые может принимать метапеременная.
Синтаксис языка описывается путем последовательного усложнения понятий: сначала определяются простейшие (базовые), затем все более сложные, включающие в себя предыдущие понятия в качестве составляющих.
В такой последовательности, очевидно, конечным определяемым понятием должно быть понятие программы.
В записях метаформул приняты определенные соглашения. Например, формула БНФ, определяющая понятие «двоичная цифра», выглядит следующим образом:
Значок | эквивалентен слову «или». Это определение можно представить на языке синтаксических диаграмм (рис. 6).
В диаграммах стрелки указывают на последовательность расположения элементов синтаксической конструкции; кружками обводятся символы, присутствующие в конструкции.
Понятие «двоичный код» как непустую последовательность двоичных цифр БНФ описывает так:
Определение, в котором некоторое понятие определяется само через себя, называется рекурсивным. Рекурсивные определения характерны для БНФ.
Синтаксическая диаграмма двоичного кода представлена на рис. 7.
Возвратная стрелка обозначает возможность многократного повторения. Очевидно, что диаграмма более наглядна, чем БНФ.
Синтаксические диаграммы были введены Н. Виртом и использованы для описания созданного им языка Паскаль.