Файл: История развития программирования в России (Понятие программирования).pdf

Это программы общего пользования, которые предназначены для всех пользователей компьютера. Системное программное обеспечение разрабатывается так, чтобы компьютер мог эффективно выполнять прикладные программы [18].

2 Этапы программирования

Профессиональное программирование подразумевает, что результатом труда, – программным продуктом, – будет пользоваться определенный круг людей, пользователей. На этапе разработки программы, в которой может участвовать группа людей, пользователей представляет Заказчик.

Для выполнения задачи создания и эксплуатации программного обеспечения ее разбивают на определенные этапы:

1. Постановка задачи.

2. Составление алгоритма.

3. Составление и ввод программы.

4. Отладка и тестирование программы.

5. Сопровождение программного продукта [20].

Создание любой программы начинается с постановки задачи. Изначально задача ставится в терминах некоторой предметной области, и необходимо перевести ее в понятия и выражения, более близкие к программированию. Поскольку программист первоначально редко досконально разбирается в предметной области, а Заказчик – в программировании, то постановка задачи может стать весьма непростым итерационным процессом.

Постановка задачи заканчивается созданием технического задания, а затем и внешней спецификации программы, которая включает в себя:

1. Описание исходных данных и результатов (виды, представление, точность, ограничения и т.п.).

2. Описание задачи, реализуемой программой.

3. Способ обращения к программе.

4. Описание возможных особых и аварийных ситуаций и ошибок пользователя. На этом этапе программа рассматривается как «черный ящик», для которого определяется выполняемая им функция, входные и выходные данные. Каким образом достигается выполнение функций, здесь не указывается.

На втором этапе разрабатываются алгоритмы, задаваемые спецификациями, и формируется (проектируется) общая структура программ [3]. Здесь обычно применяется технология нисходящего проектирования с использованием метода пошаговой детализации. То есть сначала составляется укрупненный алгоритм в самом общем виде.

Затем уточняются шаги (блоки) с более подробным описанием. На этом этапе описания производятся на языке, понятном человеку, используя определенную форму записи алгоритма. В программировании широко используется графическая форма записи в виде блок–схем или граф–схем.

Третий этап как раз и является непосредственно программированием на языке, понятном ЭВМ. По своей сути третий этап является продолжением второго, так как программа тоже есть форма записи алгоритма с максимальной степенью детализации, – программная.

Четвертый этап подразумевает устранение всех ошибок и недопониманий, возникших на предыдущих этапах. Человеку свойственно ошибаться, поэтому четвертому этапу уделяется много внимания. Существуют самые разнообразные методы и рекомендации по тестированию и отладке. Необходимо различать эти два понятия.

Тестирование представляет собой процесс, посредством которого проверяется правильность функционирования программы и соответствие всем проектным спецификациям. В частности, для этих целей создается набор тестов.

Отладка – процесс исправления ошибок в программе. Так, при отладке исправляются синтаксические ошибки, алгоритмические, ошибки, обнаруженные при тестировании и другие.

Пятый этап наступает, когда программный продукт сдан в эксплуатацию (или начались его продажи). Здесь так же возможно обнаружение не найденных на этапе тестирования ошибок, – их необходимо локализовать и исправить. Кроме этого, возможно изменение свойств программы для удобства эксплуатации: элементов интерфейса, некоторых функций и т.д. Казалось бы, пятый этап самый простой. Но ему отводится самая большая часть затрат времени и средств: до половины и более. Все эти этапы разработки и сопровождения программного продукта, включая завершение поддержки эксплуатации, составляют жизненный цикл программы [3].

Возможно и другое деление на этапы [1] с приблизительным делением по времени реализации:

1. Анализ требований.

2. Определение спецификаций.

3. Проектирование.

4. Кодирование.

5. Автономное тестирование.

6. Комплексное тестирование.

Временные затраты на реализацию этапов цикла разработки программного обеспечения (за исключением этапа эксплуатации и сопровождения) [1] На последний же этап эксплуатации и сопровождения объемных программных продуктов отводится более половины времени: до 67% от общего времени жизненного цикла.

Классическим называется следующий набор технологических этапов (процессов) [11]:

1. Возникновение и исследование идеи

2. Управление

3. Анализ требований

4. Проектирование

5. Программирование

6. Тестирование и отладка

7. Ввод в действие

8. Эксплуатация и сопровождение

9. Завершение эксплуатации

Процессы жизненного цикла программного обеспечения определены международным стандартом ISO 12207 [ISO/IEC 12207:1995] и делятся на три группы (без привязки ко времени) [7]:

Основные процессы:

• приобретение,
• поставка,
• разработка,
• эксплуатация,
• сопровождение. ·

Вспомогательные процессы:

• документирование,
• управление конфигурацией,
• обеспечение качества,
• верификация,
• аттестация,
• совместная оценка,
• аудит,
• разрешение проблем. ·

Организационные процессы:

• управление,
• создание инфраструктуры,
• усовершенствование,
• обучение.

В первой главе работы рассмотрены основные понятия и категории, на которых основывается программирование вне зависимости от выбранного языка, типа и платформы разрабатываемого программного продукта. Определено, что на настоящий момент развития науки, выделены некоторые универсальные категории, которые являются универсальными для всех языков программирования. В частности, это такие понятия как алгоритм, транслятор, операция и т.д.

Кроме того, в данной главе были рассмотрены различные подходы к выделению этапов программирования. Этапы программирования также формировались на протяжении определенного времени и переживали различные изменения. Причем изменения эти вызваны различными факторами, среди которых, в первую очередь, сам процесс развития и усложнения технологий. В связи с этим на сегодняшний день сформировалось несколько подходов к выделению этапов программирования. На практике наиболее подходящий порядок разработки программы выбирается сообразно целям программирования и ожидаемым результатам.

3. История развития программирования

3.1 История развития программирования в мире

Программирование появилось задолго до 50–х годов XX века. Первые идеи высказал ещё Чарльз Бэббидж (1792–1871), которого по праву считают отцом компьютера. Он не знал о транзисторах, микросхемах и мониторах, но достаточно точно описал основные принципы, на которых будут строится все вычислительные машины. Развила идею графиня Ада Лавлейс (1815–1852). Её место в истории до сих вызывает немало споров, но одно абсолютно точно – именно Ада фактически стала первым известным программистом. Благодаря её трудам стало понятно, что путь к эффективному использованию машин – алгоритмы, описанные в коде [9].

Рис. 2. Аналитическая машина Бэббиджа

Но программирование не могло развиваться в отрыве от компьютеров. Без них это просто игры разума, абстракция, вне зависимости от качества идей. Поэтому вплоть до 1950–х языки программирования представляли из себя набор машинных инструкций, часто узкоспециализированные и вымирающие вместе с целевым устройством.

В 1950–х работать с элементарными машинными кодами, а это практически всё равно что программировать при помощи паяльника.

Ещё одной проблемой было то, что за разработку языков отвечали люди, непосредственно связанные с созданием компьютеров – в первую очередь инженеры и лишь вынужденно программисты. Потому они и представляли язык в виде последовательности номеров операций и ячеек памяти

Программистам приходилось долго учиться машинным командам, потом внимательно писать код, а после завершения ещё несколько раз его перепроверять – риск ошибки был велик. Проблемы возникла, когда развитие машин стало тормозиться нехваткой кадров для написания программ. Требовалось срочное решение.

Решение лежало на поверхности: необходимо перевести цифровые обозначения операций в буквы. То есть вместо «01 10 15» использовать «ADD 10 15». Это требовало дополнительного перевода символов в машинную команду, но, учитывая проблему, жертва была минимальна [21].

Решение оказалось настолько очевидным, что доподлинно неизвестно, кто первым изобрёл язык Ассемблера. Вероятнее всего, он появился одновременно сразу в нескольких местах. За название и популяризацию ответственными принято считать авторов книги «The preparation of programs for a digital computer» Уилкса, Уилера и Гилла. Нетрудно догадаться, что название Ассемблер происходит от английского слова assemble – собирать, монтировать, что вполне точно описывает процесс. Позднее символы стали касаться не только простейших операций, но и адресации, что значительно упростило читаемость кода.

Сейчас это кажется элементарным решением, но тогда реализация была сложным процессом, требующим созданий таблиц соответствия, присовения обозначения каждой ячейке памяти. Это привело к трём фундаментальным вещам:

• появлению понятия символьная переменная или просто переменная;
• созданию таблиц, с помощью которых вы могли найти соответствие символов, операций и ячеек памяти;
• пониманию, что программирование может стать искусством;
• это стало катализатором языкового прорыва

Ассемблер позволил создать простые превращения. Например, перевод 01 в ADD. Макроассемблер расширил эту идею и подарил программистам возможность сворачивать несколько инструкций в одну. К примеру, если в программе вы постоянно добавляли значение в ячейку памяти и проверяли, не переполнена ли она, всё это можно было записать в макрос INCRT и использовать его, меняя лишь переменные. По сути, макроассемблеры превратились в первые языки высокого уровня [17].

Но в таком подходе заключалась важная проблема – каждый раз перед созданием кода необходимо было сворачивать базовые операции в макросы. Требовался инструмент, который освободит программистов от постоянного копирования. Так появился компилятор.

Теперь–то мы знаем, что благодаря компилятору мы можем создать язык программирования с абсолютно любым синтаксисом, главное, чтобы он грамотно переводил наш код в машинные команды. А в то время специалисты скептически относились к языкам высокого уровня. Частично это было обусловлено производительностью компьютеров – упрощение синтаксиса со сложными трансформациями дорого обходилось, могло вернуть технологический прогресс на несколько лет назад. Частично причиной были эмоции – было тяжело отойти от формы машинных команд, потерять контроль над процессами. Программисты всерьёз боялись, что после компиляции они не смогут понять исполняемые команды. Сегодня нам наплевать, как выглядит машинный код, а в те времена это казалось важной проблемой.

Тем не менее компилятор стал единственным выходом из ситуации, но здесь проявилась другая трудность – арифметические выражения. Их исполнение не совпадает с тем, как машина читает код. Из школьного курса мы знаем порядок вычислений в выражении «2+3*5», но машина читает код в одном направлении, так что ответ будет неверным. Да, указанный пример можно решить, создав макрос, но для сложных выражений уровня «(2 + 3 * 5 + 4/6) * 10 + 16– (14 + 15) * 8» требовался принципиально иной подход

Найти алгоритм анализа стека удалось Джону Бэкусу, создателю Фортрана. Он начал работать над ним в 1954 году и ему потребовалось почти 5 лет, чтобы доказать право языков высокого уровня на существование. Полное название Фортрана – The IBM Formula Translating System, или FORmula TRANslator. Несмотря на 60–летний возраст, он остаётся одним из самых популярных языков программирования и невероятно востребован в Data Science. За это время мы видели множество версий: Fortran 1, II, 66, 77, 90, 95, 2008, а в следующем году выйдет ещё одна (планировался Fortran 2015, но из–за задержек название может смениться на 2018). Именно в Фортране впервые были одновременно реализованы многие атрибуты языка высокого уровня, среди которых: