ГРАММАТИКА ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Описанию грамматики языка предшествует описание его алфавита. Алфавит любого языка состоит из фиксированного набора символов, однозначно трактуемых. Алфавит языков программирования, как правило, связан с литерами клавиатуры печатной машинки. Клавиатуры персональных компьютеров близки к ним по наличию литер.

Алфавиты большинства языков программирования близки друг другу и основываются на буквах латинского алфавита, арабских цифрах и общепринятых спецсимволах, таких как знаки препинания, математических операций, сравнений и обозначений. Большинство популярных языков программирования в своем алфавите содержат следующие элементы:

<буква> : : = AaBbCcDdEeFf и т.д.

<цифра> ::=0123456789

<знак арифметической операции >::=*/+-

<разделитель> ::=.,;:()[]{}':=

<служебное слово> :: = begin end if then else for next и т.д.

<спецсимвол> :: = <знак арифметической операции> | <разделитель> |

<служебное слово>

<основной символ>::=<буква> | <цифра> | <спецсимвол>

<комментарий>::=<любая последовательность символов>

Несмотря на значительные различия между языками программирования, ряд фундаментальных понятий в большинстве из них схожи. Приведем часть этих понятии.

Оператор - одно из ведущих понятий всех языков программирования (теоретически, за исключением чисто декларативных; но в действительности и они используют родственное понятие). Каждый оператор представляет собой законченную фразу языка и определяет однозначно трактуемый этап обработки данных В соответствии с теорией алгоритмов выделяют основные (базисные) операторы языка: присвоения, условный и безусловный переход, пустой оператор. К производным, не основным, относят составной оператор, оператор выбора, оператор цикла и оператор присоединения.

Все операторы языка в тексте программы отделяются друг от друга явными или неявными разделителями, например:

Sl;S2;...;Sn

Операторы выполняются в порядке их следования в тексте программы. Лишь с помощью операторов перехода этот естественный порядок может быть нарушен.

Большая часть операторов ведет обработку величин.Величины могут бытьпостоянными и переменными. Значения постоянных величин не изменяются в ходе выполнения программы. Величина характеризуетсятипом, именем и значением.Наиболее распространенные типы величин - числовые (целые и вещественные), символьные, логические. Тип величины определяется ее значением.

Другая важная классификация величин - простые и структурированные. Простая величина в каждый момент может иметь не более одного значения. Ей соответствует одна ячейка памяти (поскольку термин «ячейка» несколько устарел, часто говорят «машинное слово») или ее эквивалент во внешней памяти компьютера. Структурированная величина, имея одно имя, может иметь разом несколько значений. Эти значения представляют собой элементы (компоненты) величины. Самый широкоизвестный пример - массив, у которого элементы различаются по индексам (номерам). Вопрос о структурировании величин - входных, выходных и промежуточных - для успеха решения прикладной задачи не менее важен, чем вопрос о правильном написании последовательности операторов.

Важнейшие характеристики структурированной величины таковы: упорядоченность (да или нет), однородность (да или нет), способ доступа к элементам, фиксированность числа элементов (да или нет). Так, массив является упорядоченной однородной структурой с прямым доступом к элементам и фиксированным их количеством.

Всем программным объектам в языках даются индивидуальныеимена. Имя программного объекта называют идентификатором (от слова «идентифицировать»). Чаще всего идентификатором является любая конечная последовательность букв к цифр, начинающаяся с буквы:

<идентификатор>::=<буква> | <идентификатор> | <буква>

<идентификатор><цифра>

Как правило, в большинстве языков программированияв качестве идентификатора запрещается использовать служебные слова языка.

Многим слово «идентификатор» не нравится, и в настоящее время чаще употребляют слово «имя», поскольку

<имя>::=<идентификатор>.

Программисты выбирают имена по своему усмотрению. Принципы выбора и назначения имен программным объектам естественны. Следует избегать мало выразительных обозначений, не гоняться за краткими именами. Имена должны быть понятны, наглядны, отражать суть обозначаемого объекта. Например,

Summa, Time, i, j, integral, init и т. п.

Некоторым идентификаторам заранее предписан определенный смысл и их называют стантартными, например, Sin - это имя известной математической функции.

Описания или объявления программных объектов связаны с правилами обработки данных. Данные бывают разные и необходимо для каждого из них определить его свойства. Например, если в качестве данных выступает массив, то необходимо задать его размерность, границы индексов, тип элементов массива. Описательная часть языка программирования является необходимой как для системных программистов - разработчиков трансляторов, которые должны, в частности, проводить синтаксическую и семантическую диагностику программ, - так и для «прикладного» программиста, которому объявления программныхобъектов частооблегчают процесс разработки и отладки программ.

В некоторых языках стандартные описания простых числовых и символьных данных опускают (описания по умолчанию), или в них задаются правила описания по имени объекта. Например, в Фортране переменные, имена которых начинаются с букв I, J, К, L, M, N, могут принимать целые значения (при отсутствии явного описания типа, которое возможно), т.е. определены как числовые данные целого типа. В Бейсике-MSX данные строкового типа присваиваются переменным, имена которых заканчиваются специальным символом $: A$, S1$.

Особый интерес представляют в языках программирования описания нестандартных структур данных, таких как запись, файл, объект, список, дерево и т.п.

Приведем список наиболее употребительных обозначений типов данных, используемых в описаниях:

Целый - Integer

Вещественный - Real

Логический - Boolean

Символьный - Char

Строковый - String

Массив - Array

Множество -Set

Файл - File

Запись - Record

Объект - Object

Переменные играют важнейшую роль в системах программирования. Понятие «переменная» в языках программирования отличается от общепринятого в математике. Переменная - это программный объект, способный принимать некоторое значение с помощью оператора присваивания. В ходе выполнения программы значения переменной могут неоднократно изменяться. Каждая переменная после ее описания отождествляется с некоторой ячейкой памяти, содержимое которой является ее значением. Синтаксис переменной, точнее, ее идентификатора, как правило, имеет вид:

<имя переменной>::=

——><буква>———>

—><буква>———>

—><цифра>——>

—><спецсимвол>

Семантический смысл переменной заключается в хранении некоторого значения. соответствующего ее типу (например, переменная целого типа может принимать значение произвольного целого числа), а также в выполнениис ней операций пересылки в нее и извлечения из нее этого значения.

Функция - это программный объект, задающий вычислительную процедуру определения значения, зависимого от некоторых аргументов. Вводится в языки программирования для задания программистом необходимых ему функциональных зависимостей. В каждом языке высокого уровня имеется в наличии библиотека стандартных функций: арифметических, логических, символьных, файловых и т.п. Функции -стандартные и задаваемые программистом - используются в программе в выражениях.

Выражения строятся из величин - постоянных и переменных, функций, скобок. знаков операций и т.д. Выражение имеет определенный тип, определяемый типом принимаемых в итоге его вычисления значений. Возможны выражения арифметические, принимающие числовые значения, логические, символьные, строковые и т.д. Выражение 5+7 является, несомненно, арифметическим, выражение А + В может иметь cамый разный смысл - в зависимости от того, что стоит за идентификаторами А и В.

Процедура - это программный объект, представляющий некоторый самостоятельный этап обработки данных. По сути, процедуры явились преемниками подпрограмм, которые были введены для облегчения разработки программ еще на самых ранних стадиях формирования алгоритмических языков. Процедура имеет входные и выходные параметры, называемые формальными. При использовании процедуры формальные параметры заменяются на фактические.

Модуль (Unit) -это специальная программная единица, предназначенная для создания библиотек и разделения больших программ на логически связанные блоки.

По сути, модуль - это набор констант, типов данных, переменных, процедур и функций. В состав модуля входят разделы: заголовок, интерфейс, реализация, инициализация.

Заголовок необходим для ссылок на модуль.

Интерфейс содержит объявления, включая процедуры и функции.

Раздел «реализация» содержит тела процедур и функций, перечисленных в интерфейсной части.

Раздел «инициализация»содержит операторы, необходимые для инициализации модуля.

Каждый модуль компилируется отдельно, и каждый элемент модуля можно использовать в программе без дополнительного объявления.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие преимущества имеют языки программирования высокого уровняпосравнению с машинно-ориентированными языками?

2. Каковы основные составляющие языка программирования высокого уровня?

3. В чем различия понятий языков программирования от аналогичных понятий математического «языка»?

4. С какой целью используются и что представляют собой металингвистические формулы Бэкуса-Наура?

5. Что представляет собой синтаксическая диаграмма Вирта?

6. В чем различие между постоянными и переменными величинами? Чем характеризуется величина?

7. В чем принципиальная разница между величинами простыми и структурированными?

8. Для чего служит описание величин в программах?

9. В чем состоит назначение функций? процедур? модулей?

§3. ПАСКАЛЬ КАК ЯЗЫК
СТРУКТУРНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Язык Паскаль, начиная с момента своего создания Н.Виртом в 1971 г., играет особую роль и в практическом программировании, и в его изучении. С непревзойденной четкостью в нем реализованы принципы структурного программирования, которые мы рассматривали в п. 1.8. Паскаль стал первым языком, с которым знакомится большинство будущих программистов в мире.

Трансляторы для программ, написанных на Паскале, разработаны для различных компьютеров и в настоящее время имеют множество разновидностей. Они являются компиляторами, обрабатывающими разработанные программистами тексты программ.

Существует много версий языка Паскаль. Различия между ними порой весьма велики. Так, базовая версия Вирта имеет многократно меньшие возможности чем, скажем, версия Турбо-Паскаль 7.0 (первая, фактически - язык для обучения будущих программистов, а вторая - орудие профессиональных разработчиков прикладного программного обеспечения). Тем не менее, это версии одного языка, что, в частности, подтверждается их совместимостью «сверху вниз», т.е. любая программа, соответствующая «младшей» версии, соответствует и «старшей» (за исключением малозначащих синтаксических оговорок). Приведенные ниже тексты программ и примеры соответствуют (если нет специальных оговорок) версиям не ниже Турбо-Паскаль 3.0.

Любая Паскаль-программа является текстовым файлом с собственным именем и с расширением .pas. Рассмотрим в качестве примера текст программы 1 решения квадратного уравнения. Паскаль-программа имеет вид последовательности символов латинских и русских букв, арабских цифр, знаков операции, скобок, знаков препинания и некоторых дополнительных символов. В ней можно выделить описания данных и операторы, описывающие действия, которые надо выполнить машине над этими данными.

Программа I

program KvadUravn; (заголовок программы)

var (список переменных)

а,b,с: real; (коэффициенты уравнения)

d,xlx2: real; (вспомогательные переменные)

begin (начало программы)

writein; (пропуск строки на экране)

writein('введи a,b,c'); read(а,Ь,с); (ввод данных)

d:=b*b-4*a*c; (дискриминант)

if d<0 then (если d<0, то)

write('корней нет') (печатать)

else (иначе)

begin (начало серии команд)

xl:=(-b+sqrt(d))/(2*a);

x2:=(-b-sqrt(d))/(2*а); (вычисляем корни)

write('х1=',х1,' х2=',х2) (печать корней)

end (конец серии)

end.(конец программы)

Схематически программа представляется в виде последовательности восьми разделов:

1) заголовок программы;

2) описание внешних модулей, процедур и функций;

3)описание меток;

4) описание констант;

5) описание типов переменных;

6) описание переменных;

7) описание функций и процедур;

8) раздел операторов.

Не в каждой программе обязательно присутствуют все восемь разделов, в простейшей программе, например, могут быть только 5-й и 8-й разделы.

Каждый раздел начинается со служебного слова, назначение которого зафиксировано в Паскале так, что его нельзя употреблять для других целей (список и перевод служебных слов дан в Приложении).

Рассмотрим пример программы 2, вычисляющей длину окружности и площадь круга по данному радиусу.

Программа 2

program circle;

const

pi=3.14159;

var

r,s,1 : real;

begin

writeln (введите радиус'); readln(r);

s:=pi*r*r; l:=2*pi*r;

writeln('площадь круга=',S:8:4); writeln('длина окружности=', l:8:4)

end.

В этой программе можно выделить четыре раздела. Описание заголовка начинается со служебного слова program, описание констант - const, описание переменных -var, раздел операторов начинается с begin. Программа заканчивается служебным словом end, после которого ставится точка. Описания величин и операторы друг от друга отделяются знаком «точка с запятой».

Для обозначения величин используются имена. Они составляются из латинских букв и цифр, причем первым символом должна быть буква. В примере использованы имена величин - pi, r,s и 1.

Имя программы (в примере - circle) выбирается автором и составляется по такому же правилу.

Постоянные величины (константы) чаще всего бывают числовыми или символьными (но могут быть и других типов, о которых речь пойдет ниже). Значения символьных констант заключаются в апострофы.

Постоянные величины описываются в разделе констант по схеме:

const <имя> = <константа>

В разделе констант может быть описано несколько постоянных величин.

Например:

const

pi=3.14159; k=-15; s='площадь';

Данные, обрабатываемые программой, могут быть разных типов (числа, символы, строки, массивы и т.д.). Тип определяет область допустимых значений, а также операции и функции, применяемые к величинам этого типа. В Паскале имеется несколько встроенных простых типов со стандартными именами.

Группа типов, значения каждого из которых можно перечислить в некотором списке- скалярные типы. Для них определена порядковая функция ord(x) - номер значения х в списке (для целочисленного х ord(x)=x); функции pred(x) - значение в списке, предшествующее х, и suce(x) - значение в списке, следующее за х.

Упорядоченный тип - это тип, значения которого упорядочены в обычном смысле. К данным такого типа применимы операции отношения <,>, <= (меньше или равно), >=(больше или равно), =, <> ( не равно). Для логического типа выполняется неравенство:

false < true.

Переменные описываются в разделе описания переменных посхеме:

var <список имен переменных>: <тип>

Имена в списке разделяются запятой. В этом разделеможет быть описано несколько переменных разного типа, например:

var a,b,c:real; k,l:integer; p:boolean;

Надцелыми величинами (тип integer) определены арифметические операции : * (умножение), div (деление нацело), mod (вычисление остатка от деления), + , -(сложение и вычитание); операции перечислены в порядке старшинства.

Например: 25 div 4 = 6 ; 25 mod 4=1. Целый результат дают некоторые стандартные функции (аргумент функции заключается в круглые скобки):

abs(x) - абсолютная величина целого х;

sqr(x) -квадрат значения х;

trunc(x) - целая часть вещественной величины х;

round(x) - целое число, полученное из вещественного х по правилу округления;

random(x) - случайное целое числоиз интервала от 0 до х.

Например: trunc(4.7)=4 ; round(4.7)=5 ; sqr(3)=9 . Для данных типа byte определены те же операции и функции, что и для данных типа integer.

Над вещественными величинами определены операции: *, +, -, /, а также стандартные функции при вещественном или целом аргументе: abs(x), sqr(x), sin(x), cos(x), arctan(x), ln(x), exp(x), sqrt(x) - квадратный корень из х, int(x) - целая частьизх, random - случайное число из интервала от 0 до 1. Указанные операции и функции дают вещественный результат.

Надлогическими величинами определены операции: not - отрицание, and -конъюнкция, or-дизъюнкция. Логическая функция odd(x) принимает значение true, если целочисленное х является нечетным и false , если четным.

Множество всех символов образуютсимвольные величины (тип char), которые являются упорядоченными, причем 'А' < 'В'< 'С'<...< 'Z', 'а' < 'b'<...< 'z', '0' < 'I'<...< '9'.

Выражения - это конструкции, задающие правила вычисления значений переменных. В общем случае выражения строятся из переменных, констант, функций с помощью операций и скобок.

Эта роль выражений отражена в основном операторе языка - операторе присваивания. Он имеет следующий вид:

<имя переменной> := <выраженне>

Тип переменной и тип выражения должны быть согласованы (величины принадлежат одному и тому же типу). Есть исключение: имя переменной может относиться к типу real, а значение выражения - к типу integer.

Примеры.

l:=2*pi*r; p:=(a+b+c)/2; z:=sqrt(sqr(x)+sqr(y))

В Паскале можно вводить с клавиатуры числовые и символьные данные. Имеются две встроенные процедуры (подпрограммы) ввода:

1) read(<cписок переменных>); 2) readln(<cписок переменных>).

При выполнении процедуры read(xl,x2,...,xN) программа прерывается и компьютер ждет ввода с клавиатуры N значений переменных из списка х1, х2,..., xN. Эти значения - константы соответствующих типов - должны при вводе разделяться пробелами. Набор данных завершается клавишей ввода.

Процедура readin отличается от read только тем, что при завершении ввода курсор перемещается в начало следующей строки.

Пример.

var a,b:real; c:char; d:integer;

...

read(a,c,d,b);

...

Допустимый ввод: 83.14 k 200-7.15

Программа на Паскале может выводить на экран или на принтер значения числовых или символьных выражений. Имеются две процедуры вывода на экран:

1) write(<cписок выражений>); 2) writeln(<cписок выражений>).

Процедура write(xl,x2,...,xN) печатает на экране значения выражений из списка х1, х2, ..., xN. Процедура writeln отличается от write тем, что переводит курсор в начало следующей строки. Для вывода на принтер используются те же процедуры с добавлением служебного слова 1st перед списком выражений.

Пример: write(lst,'нет решений');

На бумаге будет напечатан текст «нет решений».

Для управления печатью используютсяформаты данных. Пусть х - переменная типа real. Если не использовать форматы, то значение х будет выводиться в «плавающей» форме (типа 1.654887892Е-04). Форматы позволяют напечатать вещественное число в естественной форме. Пусть m, n - целые числа. Процедура write(x:m:n) выводит на экран значение переменной х в виде десятичной дроби, причем m определяет общее число выводимых символов, включая цифры, точку и знак числа, n - количество цифр после точки. Если количество выводимых символов меньше m, то перед числом добавляются пробелы.

Пусть, например, х = 387.26. Следующая таблица демонстрирует влияние форматов на вывод значения х:

оператор строка вывода

writeln('*',x) * 3.8726000000E+02

writeln('*',x:8:3) * 387.260

writeln('*',x:8:l) * 387.3

Один формат - ширину поля вывода - можно использовать и для вывода значений выражений типов integer, boolean, char.

Контрольные вопросы

1. Какова последовательность разделов в программе на Паскале?

2. Какие типы данных называются скалярными? упорядоченными?

3. Какие действия допустимы над величинами целого типа? вещественного типа?

4. Как в Паскале осуществляется ввод и вывод данных?