1.1. Структура программы и языка программирования

Изучение программирования нельзя начать, не ответив на ряд вопросов: а что же такое программа, алгоритм, данные, язык программирования. В этом списке основным термином является алгоритм, который, как и большинство понятий общего вида, имеет множество определений. Например:

«Алгоритм — это конечный набор правил, который определяет последовательность операций для решения конкретного множества задач и обладает пятью важными чертами: конечность, определённость, ввод, вывод, эффективность». (Д. Э. Кнут)

«Алгоритм — это точное предписание, определяющее вычислительный процесс, идущий от варьируемых исходных данных к искомому результату». (А. Марков).

В самых общих чертах алгоритм – это однозначное описание порядка (последовательности) выполнения действий из заданного набора, позволяющее получить требуемый результат за конечное число шагов. Можно сказать, что компьютерная программа – это один из способов реализации понятия алгоритма, а язык программирования – средство описания алгоритмов. Однако в определении алгоритма не говорится, над чем производятся действия., выполняемые в нем. В принципе, это могут быть управляемые объекты внешней среды, но тогда они тоже входят в состав понятия алгоритм.

Компьютерная программа, в отличие от абстрактного алгоритма, имеет собственные элементы, над которыми она совершает действия, и которые являются ее составной частью. Это – данные. Таким образом, она представляет собой замкнутую систему, отделенную от внешней среды. Посмотрим, из каких еще частей состоит компьютерная программа. Все они должны выражаться в соответствующих компонентах языка программирования:

• прежде всего, программа работает не с пользователем, а с данными. Эта первая и основная компонента программы – предметы (объекты), над которыми реализуется алгоритм. Данные состоят из отдельных переменных, связанных как между собой непосредственно (через указатели), так и косвенно (как входные данные – результат);
• в языке программирования имеются средства описания данных, которые позволяют программисту конструировать различные формы их представления – типы данных;
• программа базируется на наборе операций (системе команд), которые можно выполнять над данными. В этот набор входят арифметические операции, присваивание (сохранение результата в переменной), ввод-вывод, проверка значения переменной и т.п..;
• вторая основная компонента программы – описание порядка, последовательности выполняемых действий, также называется алгоритмом «в узком смысле», или алгоритмической компонентой. Она обычно состоит из двух частей. Первая часть – выражения, представляет собой описание линейной последовательности выполнения простейших действий из набора операций (арифметические операции, присваивание, условные выражения). Они включаются во вторую компоненту – операторы, которые задают ту или иную последовательность действий;
• как уже отмечалось, программа работает исключительно с данными, что и определяет сущность алгоритма. В наборе операций имеются команды ввода-вывода, осуществляющие обмен данными между переменными и внешней средой (посредством устройств ввода-вывода). С «программно-эгоцентрической» точки зрения это выглядит чистой формальностью и не является существенной частью программы;

Любая программа выполняется в компьютере. Посмотрим, как соотносятся между собой компоненты программы и компьютерной архитектуры:

• компоненты программы находятся в памяти. В принципе, память является общей для них всех, но логически она разделяется на области, именуемые сегментами. Прежде всего, это сегмент данных, содержащий, естественно, данные программы. Алгоритмическая компонента (выражения, операторы) также находится в памяти в собственном сегменте команд;
• одновременное нахождение в памяти «алгоритма» и данных соответствует принципу хранимой программы. Перед загрузкой в память эти же компоненты находятся в программной файле, который представляет собой точную копию представления программы в памяти – «образ памяти». Это позволяет рассматривать всю программу (в том числе и алгоритм) как данные для работы других программ, например, трансляторов;
• набор операций, выполняемый в программе, соответствует системе команд процессора, на котором она выполняется. Сюда же входят команды, которые обеспечивают заданный в программе порядок действий (операторов).

И, наконец, язык программирования также содержит в себе компоненты, предназначенные для описания соответствующих частей программы:

• средства описания данных: определение типов данных (форма представления) и переменных;
• набор операций над основными типами данных (включая ввод-вывод), а также средства записи выражений;
• набор операторов, определяющих различные варианты порядка выполнения выражений в программе (последовательность, условие, повторение, блок);
• средства разбиения программы на независимые части – модули (функции, процедуры), взаимодействующие между собой через программные интерфейсы.

  Определение программы уже давно дано в простой формуле: «Программа = алгоритм + данные». Но в ней алгоритм и данные не просто «складываются» в одно целое как независимые части, но являются двумя взаимозависимыми элементами. Это своего рода «Янь и Инь» программы, олицетворяющие единство и борьбу двух противоположных начал (в философии этот принцип положен в основу диалектики – учения о развитии). Попробуем привести несколько аналогий, поясняющих сущность взаимодействий в этой «парочке»:

• если данные можно в какой-то мере обладают свойствами пространства (объем, протяженность), то алгоритм – свойствами времени (эффективность, быстродействие). Тезис «проигрывая в пространстве, выигрываем во времени» здесь также уместен: эффективность программ может быть принципиально повышена за счет использования дополнительных структур данных в памяти;
• cинтаксически данные являются аналогом существительных (объектов, над которыми производятся действия), набор операций – аналогом глаголов (выполняемых действий). Программа в целом аналогично предложению, описывающему процесс – последовательность действий над заданными предметами с целью получения результата

Взаимосвязь алгоритма и данных в программе не является простой и линейной. Процесс выполнения любой программы можно рассматривать с двух точек зрения: как последовательность выполнения операций (команд), в которых содержится информация об операндах (данных), которые они обрабатывают – поток команд (поток управления). С другой стороны – любой элемент данных можно рассматривать как результат выполнения действий над исходными данными и как источник данных (операнд) для последующих результатов. Т.е. в программе также присутствует логическая последовательность вычислений (преобразований данных), называемая потоком данных. Исторически сложилось, что в традиционной (фон Неймановской) архитектуре в программе в явном виде задается последовательность команд, т.е. программа выглядит как поток управления, в котором алгоритмическая компонента является первичной (ведущей), а данные – вторичной (ведомой).

  Для начинающего программиста непривычным является «программный эгоцентризм»: ввод-вывод инициализируется не пользователем, а программой, которая является активной компонентой и инициатором диалога. Т.е. не пользователь ведет диалог с программой, а программа запрашивает у него необходимые данные. Другое дело, что «правильные» программные системы работают в режиме «всегда готов», но очевиден и другой факт: если программа не требует ввода, а «крутится где-то в другом месте», то принудить ее в приему данных ничем нельзя.

  Уравнение «Программа = алгоритм + данные» можно разрешить и по-другому: «Алгоритм = программа - данные», что также имеет некоторый смысл, несмотря на явную натяжку. Например, конечный автомат (см.3.8) как раз и является программой, лишенной данных, т.е. алгоритмической компонентой, взаимодействующей с внешней средой без сохранения результатов во внутренних данных. Также и «Данные = программа - алгоритм» определяют их как пассивную программную систему, лишенную действий.