Теоретический минимум по Computer Science

Императивное программирование

Парадигма императивного программирования подразумевает создание списка конкретных команд, описывающих, что именно должен делать компьютер на каждом шаге. Каждая команда изменяет состояние компьютера. Команды, составляющие программу, выполняются поочередно одна за другой.

Она была самой первой парадигмой программирования, поскольку является естественным отражением способа работы наших компьютеров. Вычисления всегда делаются при помощи команд ЦП, которые выполняются одна за другой. В конечном счете каждая компьютерная программа выполняется компьютерами в рамках данной парадигмы.

Рис. 8.2. Типичная задача[86]

Императивное программирование — это, безусловно, самая известная парадигма. По сути, многие программисты знакомы только с ней. Она также является естественным отражением способа, которым работают люди: мы используем эту парадигму для описания кулинарного рецепта, плана ремонта и других повседневных процедур. Когда нам лень выполнять скучную работу, мы переносим инструкции в программу, и компьютер выполняет их за нас. Программистская лень серьезно помогла прогрессу.

Программирование машинного кода. Первым программистам приходилось вводить код в компьютер вручную, используя единицы и нули, но они тоже были ленивы. Они решили, что будет намного лучше записывать последовательность команд ЦП при помощи мнемоник, таких как CP для команды «копировать», MOV для команды «переместить», CMP для команды «сравнить» и т. п. Затем они написали программу, преобразующую мнемонический код в соответствующие ему двоичные числа процессорного кода. Так родился язык ассемблера (или ASM).

Программа, написанная с использованием этого мнемокода, гораздо понятнее для человека, чем соответствующий набор единиц и нулей. Старинный мнемокод и стиль программирования по-прежнему широко используются. По мере того как более совершенные ЦП начинали поддерживать новые команды, создавался дополнительный мнемокод, но основной принцип оставался неизменным.

ASM используется, например, для программирования микроволновых печей или компьютерных систем в автомобиле. Этот язык также идеален для создания частей программы, где необходима предельная производительность и имеет значение экономия даже нескольких циклов ЦП.

Например, представьте, что вы занимаетесь оптимизацией высокопроизводительного веб-сервера и столкнулись с серьезным узким местом. Вы можете переписать его на ASM, проинспектировать, а затем раз за разом изменять, чтобы уменьшить число используемых команд. Некоторые языки поддерживают вставку в свой код фрагментов на машинном языке для такой тонкой оптимизации. Поддержка машинного кода дает вам неограниченный контроль над тем, что именно и как будет делать процессор.

Структурное программирование. Когда-то давно программисты использовали команду GOTO для управления потоком выполнения. Она заставляет процесс перепрыгивать в другую часть кода. По мере того как программы усложнялись, стало почти невозможно понимать, что она делает. Различные потоки выполнения переплетались с командами GOTO и JUMP, создавая то, что называется запутанным кодом или спагетти-кодом[87]. В 1968 году Дейкстра написал свой знаменитый манифест «О вреде оператора GOTO», и это вызвало революцию. Программный код стали разделять на логические части. Вместо ситуативных GOTO программисты начали использовать управляющие структуры (if, else, while, for). Это позволило намного упростить написание и отладку программ.

Процедурное программирование. Следующим шагом в искусстве программирования стало процедурное программирование. Оно позволяет организовать код в процедуры, избежать повторов и сделать более удобным его многократное использование. Например, вы можете создать функцию, преобразующую единицы метрической системы мер в единицы британской системы, принятые в США, а затем вызывать свою функцию, многократно используя один и тот же код, когда это потребуется. Процедуры усовершенствовали структурное программирование еще больше. Их использование сильно упростило разбиение связанных кусков программного кода на группы.

Декларативное программирование

Парадигма декларативного программирования позволяет объявить желаемый результат, не разбираясь с каждым отдельным шагом, ведущим к нему. Эта парадигма связана с объявлением того, что (а не как) вы хотите сделать. Во многих ситуациях она позволяет сильно сократить и упростить программы. Кроме того, нередко их бывает легче читать.