3. Języki programowania

Programowanie, czasami nazywane kodowowaniem, jest praktycznym zastosowaniem informatyki. Celem tej książki nie jest oczywiście nauka programowania (dodaliśmy jednakże kilka linków do stron, które mogą służyć jako znakomity wstęp do tego zagadnienia), zobaczymy natomiast, czym jest język programowania i jak informatycy z niego korzystają. Z punktu widzenia programisty kodowanie polega na wpisywaniu instrukcji, które są wykonywane przez komputer. Ale w jaki sposób komputer wie, co robić? Pamiętaj, że możesz używać jednego z wielu języków, takich jak Python, Java, Scratch, Basic lub C#, lecz komputery wyposażone są w sprzęt, który rozumie tylko jeden język, tzw. kod maszynowy. Składa się on z bardzo prosty podstawowych instrukcji, które jest trudno czytać i pisać ludziom. Co zrobić, gdy wymyślisz nowy język programowania, jak sprawić by komputer mógł z niego korzystać?

W tym rozdziale przyjrzymy się temu, co dzieje się podczas pisania i uruchamiania programu oraz jak wpływa to na sposób rozpowszechniania programu.

Zaczniemy od opcjonalnego podrozdziału o tym, na czym polega programowanie, dla tych, którzy wcześniej nigdy nie programowali. Wprowadzenie do programowania zawiera przykłady bardzo prostych programów w języku Python, które można uruchamiać i modyfikować. Podrozdział ten ułatwi zrozumienie dalszych części rozdziału; nie nauczymy cię programowania, ale będziesz mógł prześledzić proces myślenia programisty podczas kodowania. Jeśli masz już pewną wiedzę o programowaniu, to możesz przeskoczyć ten podrozdział.

Poniższa część rozdziału zawiera przegląd zagadnień opisanych w rozdziale, z tego względu zalecana jest jego lektura.

Uwaga: Ten podrozdział przeznaczony jest dla osób, które nie są zaznajomione z programowaniem. Jeśli masz już pewną wiedzę o programowaniu, możesz pominąć tę część rozdziału.

Oto przykład bardzo prostego programu: ma pięć instrukcji (po jednej w każdym wierszu), które są zapisane w określonej kolejności.

print("****************************************************")
print("****************************************************")
print("**** Zapraszamy do nauki programowania, uczniu *****")
print("****************************************************")
print("****************************************************")

Powyższy program został napisany w języku o nazwie Python, a po uruchomieniu wyświetli na ekranie następujący tekst

****************************************************
****************************************************
**** Zapraszamy do nauki programowania, uczniu *****
****************************************************
****************************************************

Aby uruchomić program napisany w Pythonie, potrzebujemy tak zwanego interpretera Pythona. Interpreter Pythona jest w stanie odczytać program i przetworzyć go. Poniżej znajduje się aplikacja wykorzystująca interpreter języka Python, której możesz używać do uruchamiania własnych programów. Jeśli masz zainstalowany interpreter Pythona na swoim komputerze (poradź się nauczyciela jeżeli czujesz się zdezorientowany) i wiesz, jak z niego korzystać, możesz go użyć.

Spróbuj tak zmienić program, aby zawierał Twoje imię zamiast ,,uczniu" (ale nie używaj polkich znaków, bo program ich nie obsługuje). Kiedy stwierdzisz, że program jest gotowy, spróbuj go ponownie uruchomić. Upewnij się, czy przez pomyłkę nie usunąłeś podwójnych cudzysłowów lub nawiasów okrągłych. Co się stanie, jeśli napiszesz słowo „programowania” z błędem? Czy komputer to koryguje? Jeśli całkowicie utkniesz, poproś swojego nauczyciela o pomoc, zanim przejdziesz dalej.

Mamy nadzieję, że wymyśliłeś, jak sprawić, by program wypisał twoje imię. Możesz także zamienić gwiazdki (*) na inne symbole. Co się stanie, jeśli usuniesz jeden z cudzysłowów lub jeden z nawiasów? Spróbuj!

Jeśli zmienisz istotny symbol składni programu, prawdopodobnie zobaczysz, że interpreter Pythona wyświetla komunikat o błędzie. W interpreterze online Pythona, którego link znajduje się powyżej, komunikat mówi „ParseError: bad input on line 1 (złe dane wejściowe w wierszu 1)”. Komunikat może być inny w innym interpreterze. Jeśli masz problem z naprawieniem błędu, skopiuj kod programu jeszcze raz.

Języki programowania mogą jednak znacznie więcej niż wypisywanie tekstu. Poniższy program zwraca wielokrotności liczby. Spróbuj uruchomić program.

print("Wypisze 5 pierwszych wielokrotności 3")
for i in range(5):
  print(i*3)

Pierwszy wiersz to instrukcja wypisywania print (drukuj), podobna do tych, które widziałeś wcześniej. Powoduje ona wyświetlenie podanego tekstu na ekranie. Druga linia to instrukcja pętli, dzięki której powtórzone zostaną wiersze występujące po niej pięć razy. Za każdym razem zmienia się wartość i, tzn. po przy pierwszym wykonaniu wynosi 0, potem 1, potem 2, potem 3, i na końcu 4. Może wydawać się dziwne, że wartości zaczynają się od 0 i kończą na 4, a nie od 1 do 5, ale programiści mają skłonność do liczenia od 0, ponieważ dzięki temu niektóre rzeczy działają nieco prościej. Trzecia linia odpowiada za wypisanie bieżącej wartości i pomnożonej przez 3 (chcemy wypisać wielokrotności 3). Zwróć uwagę, że instrukcja print wewnątrz pętli nie zawiera cudzysłowów. Są one potrzebne jedynie, gdy chcemy wypisać coś dosłownie jako tekst. Gdybyśmy je umieścili, ten program wydrukowałby tekst „i * 3” pięć razy zamiast odpowiedniej wartości!

Spróbuj dokonać następujących zmian w programie.

• Spraw, aby program wypisał wielokrotności 5 zamiast 3. Wskazówka: Musisz zmienić zarówno linię pierwszą jak i trzecią.
• Spraw, aby program wypisał pierwsze 10 wielokrotności zamiast pierwszych 5. Upewnij się, że wydrukowano 10 wielokrotności, a nie 9 lub 11.

Pętla może „przechodzić” po elementach listy. Spróbuj uruchomić poniższy program. Wygeneruje serię komunikatów „spamowych”, po jednym adresowanym do każdej osoby na liście odbiorców!

Zauważ, że symbol # mówi komputerowi, że powinien ignorować daną linię programu. Pozwala to programiście komentować, opisywać kod.

# Lista adresatow listu
adresaci_spamu = ["Haniu", "Asiu", "Olu", "Alu", "Basiu", "Saro", "Doroto"]
# Wybierz po kolei kazdego adresata z listy
for imie in adresaci_spamu:
# Napisz list do tego adresata
  print("Droga " + imie + ", \n")
  print("Zostalas wybrana losowo sposrod wszystkich ")
  print("przechodzacych dzisiaj w odleglosci 2 metrow od")
  print("Wydzialu Matematyki i Informatyki Uniwersytetu w Poznaniu.\n")
  print("W nagrode, " + imie + ", otrzymujesz ")
  print("10 milionow kilogramow czekolady!!!\n")
  print("Do tego, droga " + imie + ", jesli zadzwonisz do nas w czasie 10 min")
  print("dostaniesz dodatkowe 5 milionow kilogramow czekolady!!! \n")
  print("\n\n\n") # Wstaw kilka pustych linii w wiadomosci

Spróbuj zmienić odbiorców lub treść listu (pamiętaj, by nie używać polskich liter). Przyjrzyj się uważnie wszystkim symbolom, których użyto do umieszczenia imienia adresata w treści listu.

Programy mogą również używać zmiennych do przechowywania wyników obliczeń, odbierania danych wejściowych pochodzących od użytkownika i podejmowania decyzji (zwanych instrukcjami warunkowymi, takimi jak instrukcja if). Spróbuj uruchomić poniższy program. Podaj liczbę mil, gdy program o nią zapyta. Nie umieszczaj jednostek przy wpisanym numerze; na przykład wprowadź po prostu 12.

print("Ten program przekonwertuje mile na kilometry")
liczba_mil = int(input("liczba mil: "))
if liczba_mil < 0:
  print("Blad: Mozna przekonwertowac tylko dodatnia liczbe mil!")
else:
  liczba_kilometrow = liczba_mil / 0.6214
  print("Wyliczona liczba kilometrow...")
  print(liczba_kilometrow)

Pierwsza linia zawiera instrukcję print, którą powinieneś już znać. Drugi wiersz pyta użytkownika o liczbę mil, która jest konwertowana z tekstu wejściowego (zwanego łańcuchem znaków) na liczbę całkowitą. Trzecia linia używa instrukcji warunkowej if w celu sprawdzenia, czy wprowadzony numer był mniejszy niż 0. W tym przypadku wyświetlany jest komunikat błędu. Jeśli numer jest większy od 0, to program wykona sekcję else (komunikat błędu nie został wyświetlony, ponieważ warunek if nie został spełniony), oblicza liczbę kilometrów (jest 0,6214 mili w 1 kilometrze). Wartość wynikową przechowuje zmienna o nazwie liczba_kilometrow. W ostatniej linii programu wartość zmiennej jest wyświetlona na ekranie. Podobnie jak poprzednio, nie mamy cudzysłowów wokół ilosc_kilometrow w ostatnim wierszu, gdyż chcemy wypisać wartość zmiennej a nie jej nazwę. Jeśli nadal czujesz się zagubiony, nie martw się. Celem tego rozdziału nie jest nauka programowania, a jedynie zaznajomienie z tym czym jest program i co może zrobić.

Jeśli masz ochotę, możesz zmodyfikować program, aby przeliczał coś innego, np. funty na kilogramy lub stopnie Fahrenheita na stopnie Celsjusza. Korzystanie z zainstalowanego interpretera Pythona zamiast jego wersji online może okazać się korzystniejsze, szczególnie w przypadku, gdy ten drugi będzie wyświetlał niezrozumiałe komunikaty o błędach dla nieprawidłowego programu (wszystkie interpretery miewają problemy z wyświetlaniem czytelnych komunikatów o błędach!).

Programy mogą robić o wiele więcej, np. mogą posiadać graficzny interfejs użytkownika (podobnie jak większość programów komputerowych, z którymi miałeś do czynienia), mogą wyświetlać pliki graficzne lub zapisywać i odczytywać pliki z dysku, umożliwiając zapis i odczyt danych po ponownym uruchomieniu programu.

To może wyglądać na magię, że uruchomiony program daje natychmiastowe wyniki. Jednak za kulisami komputer uruchamia nasz program przy pomocy innego programu (interpretera), który tłumaczy kod programu na instrukcje zrozumiałe dla procesora komputera.

Możesz się zastanawiać, dlaczego w ogóle potrzebujemy języków takich jak Python i dlaczego nie możemy udzielać instrukcji komputerowych w języku angielskim. Gdybyśmy wpisali na komputerze „W porządku komputerze, wypisz mi pierwszych pięć wielokrotności 3”, nie jest oczywiste, czemu komputer miałby to rozumieć. Komputer po prostu nie zna takich pojęć jak „wielokrotność”, a przez to nie potrafiłby wykonać tego polecenia. Komputerów nie można nauczyć znaczenia wszystkich słów, a przez to nie mogą wykonać każdego zadania. Zrozumienie ludzkiego języka jest bardzo trudnym zadaniem dla komputera, o czym dowiesz się w rozdziale Sztuczna inteligencja. W przeciwieństwie do ludzi, którzy rozumieją świat i widzą sens pojęć, komputery mogą jedynie postępować zgodnie z precyzyjnymi instrukcjami. Dlatego potrzebujemy języków, które są ograniczone i jednoznaczne, gdyż tylko takie instrukcje „rozumie” komputer. Przykłady takich instrukcji zamieszone są w zaprezentowanych wcześniej programach.

Nie jest to jednak tak proste jak się może wydawać ponieważ komputer nie może uruchamiać instrukcji podawanych bezpośrednio w tych językach. Na najniższym poziomie komputer musi używać fizycznego sprzętu do uruchamiania instrukcji. Działania arytmetyczne, takie jak dodawanie, odejmowanie, mnożenie i dzielenie, lub proste porównania, takie jak mniejszy, większy lub równy, są wykonywane na liczbach reprezentowanych w systemie binarnym przez przepływ prądu przez fizyczne układy komputerowe składające się z tranzystorów. Wynik działania jest także liczbą reprezentowaną w postaci binarnej. Budowa szybkiego i taniego obwodu do wykonywania prostych działań arytmetycznych nie jest trudna, ale instrukcje, które ludzie chcą wydawać komputerom (np. „wypisz następujące zdanie” lub „powtórz coś 100 razy”) wymagają bardziej skomplikowanych obwodów elektrycznych.

Zamiast budować komputery, które mogą zrozumieć instrukcje języków wysokiego poziomu takich jak Python (lub Java, Basic, JavaScript, C i tak dalej), budujemy komputery, które mogą wykonywać bardzo ograniczony zestaw instrukcji, a następnie piszemy programy konwertujące instrukcje w języku programowania na proste instrukcje, które mogą być uruchomione przez sprzęt. Językiem tych prostych instrukcji jest język programowania niskiego poziomu, często nazywany kodem maszynowym.

Konwersja z języka wysokiego poziomu do języka niskiego poziomu może obejmować proces kompilacji, który zastępuje instrukcje wysokiego poziomu instrukcjami maszynowymi. Te z kolei mogą być uruchomione bezpośrednio przez sprzęt. Alternatywnie kod programu może zostać uruchomiony w procesie interpretacji. Proces ten polega na konwersji i śledzeniu każdej instrukcji podczas uruchamiania programu. W rzeczywistości wiele języków używa kombinacji tych dwóch procesów, kompilując program do języka pośredniego, a następnie interpretując go (Java to robi). Język, o którym mówiliśmy wcześniej, Python, jest językiem interpretowanym. Inne języki, takie jak C++, są kompilowane. W dalszej części rozdziału wrócimy do kompilacji i interpretacji.

Zaczniemy od zapoznania się z niskopoziomowymi językami i sposobem, w jaki komputery wykonują instrukcje języków maszynowych. Następnie przyjrzymy się innym językom programowania używanym przez programistów do udzielania instrukcji komputerom, a na końcu omówimy, w jaki sposób programy napisane przez ludzi w języku wysokiego poziomu są konwertowane na język maszynowy zrozumiały dla komputera.

Komputer wykonuje instrukcje na fizycznych obwodach elektrycznych. Obwody te zawierają tranzystory ułożone w odpowiedni sposób, taki który daje właściwe wartości wyjściowe dla podanych wartości wejściowych.

Aby dane wejściowe reprezentowane przez liczby (binarne) mogły być przetworzone przez obwód, muszą być umieszczone w specjalnych miejscach pamięci zwanych rejestrami. Rejestry mogą przechowywać bezpośrednio dane lub adres miejsca w pamięci, gdzie owe dane się znajdują. Dane w rejestrach można dodawać, odejmować, mnożyć, dzielić lub sprawdzać równość, warunki „większy” lub „mniejszy”. Wyniki tych operacji umieszczane są również w rejestrze, z którego można je odczytać lub użyć do dalszych obliczeń.

Wszystkie komputery mają swój język maszynowy (zwykle nazywany zbiorem instrukcji), który jest używany do instruowania komputera, aby umieścił wartości w rejestrach, wykonał obliczenia i umieścił wynik w innym rejestrze. Kod maszynowy zawiera również instrukcje dotyczące ładowania i zapisywania wartości z i do pamięci (z lub do rejestrów), przeskakiwania do określonej linii w programie (przed lub za bieżącą linią), lub do przejścia do linii tylko wtedy, gdy pewien warunek jest spełniony (wykonywane jest pewne porównanie wartości w rejestrach). Istnieją również instrukcje dotyczące obsługi prostych operacji wejścia/wyjścia oraz interakcji z innymi komponentami komputera.

Instrukcje maszynowe znacząco różnią się od tych, które występują w językach wysokiego poziomu. Na przykład poniższy program napisany jest w języku maszynowym o nazwie MIPS, który jest używany w niektórych wbudowanych systemach komputerowych. Języka MIPS będziemy używać w przykładach tego podrozdziału.

Program zaczyna się od zsumowania dwóch liczb (które zostały umieszczone w rejestrach $t0 i $t1) i wypisaniu wyniku. Następnie wypisywane jest „Witaj swiecie!”. Nie martw się, nie chcemy, abyś nauczył się programować w tym języku! A jeśli rzeczywiście nie rozumiesz programu, to tylko potwierdza, iż języki wysokiego poziomu nie zostały stworzone na darmo.

.data            
str:  .asciiz "\n Witaj swiecie!\n"
# Mozesz zmienic tekst miedzy cudzyslowami

.text            
.globl main          

main:
# Wykonaj dodawanie
# W tym celu umiesc wartosci w rejestrach ($t0 oraz $t1)
li $t0, 10 #Mozesz zmienic 10
li $t1, 20 #Mozesz zmienic 20
# Teraz mozemy dodac wartosci, umieszczajac wyniki w rejestrze $a0
add $a0, $t0, $t1
# Przygotowanie do wypisania wartości w $a0.
# '1' w $v0 oznacza, ze chcemy wypisac typ int
li $v0, 1
# Wywolanie systemowe sprawia ze system widzi zawartosc $v0 i $a0
# i wypisuje wartosc $a0
syscall      

# Teraz wypiszemy 'Witaj swiecie!'
# Zatem ladujemy adres tego napisu do rejestru $a0
la $a0, str
# '4' w $v0 oznacza, ze chcemy wypisac napis (lancuch znakow)
li $v0, 4
# Podobnie jak poprzednio dzieki syscall na podstawie wartości $v0 i $a0
# wie, ze ma wypisac napis
syscall

# Poprawnie konczymy program
li $v0, 0
jr $ra

Przykład możesz uruchomić przy pomocy emulatora MIPS za pomocą tego narzędzia:

Asembler MIPS. Kliknij, by załadować.

Skopiuj i wklej dane wyjściowe z pola „Okno asemblera” do symulatora MIPS:

Symulator MIPS. Kliknij, by załadować.

Po udanym uruchomieniu programu spróbuj zmienić sumowane wartości. Komentarze w kodzie wskazują, gdzie można zmienić te liczby. Powinieneś również być w stanie, bez większego kłopotu, zmienić komunikat, który jest wyświetlany. Opcjonalnie możesz przerobić program, aby odejmował zamiast dodawać liczby. Wskazówka: nazwy instrukcji są zawsze bardzo krótkie. Niestety nie będzie można pomnożyć ani podzielić za pomocą tego symulatora, ponieważ nasz symulator tego nie potrafi. Pamiętaj, że aby ponownie uruchomić program po jego zmianie, musisz ponownie wykonać dwa kroki, czyli użyć obu narzędzi.

Możesz się zastanawiać, dlaczego musisz wykonać oba te kroki. Wynika to z faktu, że komputery działają na zerach i jedynkach, stąd konieczność konwersji na system szesnastkowy (heksadecymalny). Szesnastkowy jest skróconym zapisem liczb binarnych. Nie myl tego procesu z kompilacją lub interpretacją! Jest to znacznie prostsza operacja, polegająca na prostej zamianie każdej linii kodu na linię w reprezentacji heksadecymalnej.

Jedną z rzeczy, które być może zauważyłeś podczas przeglądania listy instrukcji języka MIPS, jest brak instrukcji pętli. Jednakże przy użyciu kilku instrukcji możliwe jest napisanie pętli za pomocą tego prostego języka. Jeszcze raz przeczytaj paragraf opisujący różne instrukcje w MIPS. Czy masz jakiś pomysł, jak rozwiązać ten problem? To wymaga kreatywności!

Instrukcja skoku oraz skoku warunkowego mogą być użyte do utworzenia pętli! Przykładem prostego programu z pętlą jest program, który odlicza w dół od pięciu, a następnie wypisuje „Start!!!!!”, gdy liczniki dojdzie do zera. W Pythonie możemy z łatwością napisać ten program w trzech linijkach.

# Zacznij od 5, odliczaj w dol o 1, i zatrzymaj sie na wartosci 0
for number in range(5, 0, -1):
   print(number)
print("Start!!!!!")

Ale w MIPS to nie jest takie proste. Musimy umieścić wartości w rejestrach i musimy zbudować pętlę z instrukcją skoku. Jak możemy właściwie zaprojektować pętlę?

Pełny program MIPS dla naszego problemu jest następujący. Możesz go przerobić.

# Zdefiniuj napisy
.data
go_str:   .asciiz "Start!!!!!\n"
new_line: .asciiz "\n"

.text
# Gdzie zaczynamy?
.globl main

main:
  # Umiesc wartosc poczatkowa 5 w rejestrze $t0. Bedziemy ja potem zmieniac
  li $t0, 5
  # Umiesc wartosc koncowa 0 w rejestrze $t1
  li $t1, 0

# Ta etykieta jest uzwana przez instrukcje skoku
start_loop:
  # Ponizsza instrukcja sprawdza czy wartosci $t0 i $t1 sa takie same,
  # jesli tak to wykonuje skok do etykiety end_loop. Jest to warunek
  # zakonczenia petli glownej.
  beq $t0, $t1, end_loop
  # Poniższe linie kodu pozwalaja wypisac aktualna wartosc licznika
  # Musi zostac umieszczona w rejestrze $a0
  move $a0, $t0
  li $v0, 1
  syscall
  # Poniższe trzy linie kodu wypisuja znaki nowej lini
  # kazda liczba zostanie wypisana w osobnej lini
  li $v0, 4
  la $a0, new_line
  syscall
  # Zmniejszamy wartosc rejestru $t0, poprzez dodanie -1
  addi $t0, $t0, -1
  # Wykonaj skok do etykiety start_loop
  j start_loop

# Ponizsza etykieta pozwala wyskoczyc poza glowna petle
end_loop:
  # Ponizsze trzy linie wypisuja napis “Start!!!!!”
  li $v0, 4
  la $a0, go_str
  syscall
  # Poprawnie konczymy program
  li $v0, 0
  jr $ra

Czy możesz zmienić program Python tak, aby odliczał od 10? Czy potrafisz sprawić, aby się zatrzymał na wartości 5? (Być może będziesz musiał spróbować kilka razy, ponieważ jest to trochę nieintuicyjne. Pamiętaj, że jeśli i jest numerem zatrzymania, to program uruchamia pętlę dla tej wartości!). Czy potrafisz zmniejszać licznik o 2 zamiast 1? I zmienić komunikat wyświetlany na końcu?

Prawdopodobnie program w języku Python nie był zbyt trudny do modyfikacji. Sprawdź, czy możesz wprowadzić te same zmiany w programie MIPS.

Jeśli to było dla ciebie zbyt proste, może sprawisz, aby oba programy wypisywały „Start!!!!!” dwa razy zamiast raz? (nie musisz do tego używać pętli). A jeśli i to było zbyt łatwe, to jakbyś go zmodyfikował, aby wypisał „Start!!!!!” 10 razy? Ponieważ powtarzanie linii w programie 10 razy bez pętli byłoby okropną praktyką programistyczną, do tego zadania musiałbyś użyć pętli.

Najprawdopodobniej będziesz raczej zdezorientowany w tym momencie i nie będziesz w stanie zmodyfikować programu MIPS z wszystkimi naszymi życzeniami. Natomiast jeśli stworzyłeś jeszcze jedną pętlę w swoim programie MIPS, poprawnie wypisującą "Start!!!!!" 10 razy, to jesteś na najlepszej drodze do bycia dobrym programistą!

Jaki jest zatem sens tego wszystkiego? Te instrukcje niskiego poziomu wydają się żmudne i niezrozumiałe, lecz dzięki ich prostocie komputer może je uruchomić bezpośrednio na sprzęcie. Programista może napisać program w tym języku, jeśli go dobrze zna, a komputer będzie mógł go uruchomić bezpośrednio, bez dalszego przetwarzania. Jak już zapewne wiesz, nie jest to najszybszy sposób programowania komputerów. Trzeba załadować dane i pobrać je z rejestrów, implementacja pętli za pomocą instrukcji skoku oraz wypisywanie ciągów znaków i liczb całkowitych przy pomocy trzyliniowego schematu instrukcji, którego znaczenia pewnie być nie odgadł bez naszych wyjaśnień. Wypisywanie w ten sposób, jak się okazuje w praktyce, stwarza wiele okazji do popełnienia błędu, nie wspominając o tym, że powstałe programy są niezwykle trudne do odczytania i zrozumienia.

Ponieważ komputery nie mogą bezpośrednio uruchamiać instrukcji w językach, które lubią programiści, same języki programowania wysokiego poziomu nie wystarczą. Rozwiązaniem tego problemu różnych potrzeb jest użycie kompilatora lub interpretera, który jest w stanie przekonwertować program w języku programowania wysokiego poziomu, który napisał programista, na zrozumiały dla komputera kod maszynowy.

Obecnie niewielu programistów programuje bezpośrednio w językach niskiego poziomu. Na początku rozwoju komputerów programy były pisane bezpośrednio w języku maszynowym, gdyż działały wyraźnie szybciej niż te skompilowane z języków wysokiego poziomu. Wynika to z faktu, że kompilatory nie były zbyt dobre w minimalizowaniu liczby instrukcji języka maszynowego, czyli w tak zwanej optymalizacji. Osoby przeszkolone do pisania w kodzie maszynowym były w tym lepsze. Obecnie jednak kompilatory są o wiele inteligentniejsze i mogą zoptymalizować kod znacznie lepiej niż większość ludzi. Napisanie programu bezpośrednio w kodzie maszynowym może spowodować, że program będzie mniej zoptymalizowany niż program skompilowany. Z tego względu trzeba uważać, gdy się mówi, że się języki niskiego poziomu są szybsze!

To nie jest koniec opowieści. Opisany tutaj kod maszynowy MIPS jest przykładem architektury ograniczonego zestawu instrukcji RISC (ang. Reduced Instruction Set Architecture). Obecnie wiele komputerów korzysta z architektury złożonego zestawu instrukcji CISC (ang. Complex Instruction Set Architecture). Oznacza to, że procesory komputerowe mogą być trochę bardziej inteligentne i mogą zrobić więcej w jednym kroku. Jest to jednak zagadnienie znacznie wykraczające poza zakres tej książki. Dla zrozumienia różnic między kodem maszynowym a wysokopoziomowymi językami wystarczy MIPS, dotyczy to również większości informatyków i inżynierów oprogramowania.

Podsumowując, potrzebujemy języków programowania niskiego poziomu, ponieważ komputery je rozumieją. Potrzebujemy również języków programowania wysokiego poziomu, bo rozumieją je ludzie. Dalsza część rozdziału poświęcona jest kompilatorom i interpreterom; będziemy korzystać z programów do konwersji programu napisanego w języku wysokiego poziomu (dla ludzi) na język niskiego poziomu (dla komputerów).

Istnieje wiele różnych języków programowania. Tutaj prezentujemy jedynie mały podzbiór języków, aby zademonstrować zakres ich zastosowań. Należy zdawać sobie sprawę, że poza tymi językami istnieje wiele innych, które mają wielu zwolenników.

Bardziej kompletną listę języków programowania (po angielsku) znajdziesz w Wikipedii.

Python jest powszechnie używanym językiem, który stał się bardzo popularny w edukacji. Wiele osób uczy się Pythona jako swojego pierwszego języka programowania. We wstępie przyjrzeliśmy się kilku przykładom programów w Pythonie, przeznaczonych dla początkujących programistów.

Pierwotnie jednak Python miał być językiem skryptowym. Języki skryptowe mają uproszczoną składnię, która umożliwia szybkie pisanie programów do przetwarzania plików i wykonywania powtarzalnych zadań na komputerze.

Oto przykładowa sytuacja, w której Phyton jest bardzo przydatny: Wyobraź sobie, że twój nauczyciel przeprowadził 5 sprawdzianów przez cały rok. Następnie zapisał wyniki dla każdego ucznia w pliku oceny.txt, podobnym do poniższego (może to być więcej niż 6 uczniów), w którym po imieniu każdego ucznia następują jego wyniki. Niektórzy uczniowie nie byli obecni podczas wszystkich sprawdzianów, więc zanotowano mniej niż 5 wyników.

Kasia 12 12 14 18 17
Janek 9 7 1
Bogdan 19 17 19 13
Lidka 9 1 3 0
Amelia 20 20 19 15 18
Cyryl 19 15 12 9 3

W pewnym momencie nauczyciel zdaje sobie sprawę, że musi ustalić średnią (z 5 sprawdzianów), którą zdobył każdy uczeń. Nie chce jednak, mając wiele innych spraw na głowie, poświęcać zbyt wiele czasu na to zadanie. Korzystając z Pythona, może bardzo szybko wygenerować potrzebne dane za pomocą mniej niż 10 linijek kodu.

Zrozumienie szczegółów poniższego kodu jest nieistotne dla tego rozdziału, szczególnie jeśli nie jesteś jeszcze programistą. Jeśli kod nie jest dla ciebie jasny, po prostu przeczytaj komentarze (zaczynające się od „#”), dzięki czemu zrozumiesz z grubsza, jak problem został rozwiązany.

# Otworz plik oceny.txt
plik_z_ocenami = open("oceny.txt", "r")
# Stworz i otworz plik do zapisu wynikow
plik_roboczy = open("srednie.txt", "w")

# Dla kazdej linii w pliku roboczym
for line in plik_z_ocenami.readlines():
    # Przeczytaj imie, ktore jest na poczatku linii
    uczen = line.split()[0]
    # Przeczytaj liste ocen, ktore sa dalej w linii
    lista_ocen = [int(liczba) for liczba in line.split()[1:]]
    # Oblicz srednia, czyli sume wynikow podziel przez 5
    srednia = sum(lista_ocen) / 5
    # Zapisz srednia do pliku wynikowego
    plik_roboczy.write(uczen + " " + str(srednia) + "\n")

# zamknij oba pliki
plik_z_ocenami.close()
plik_roboczy.close()

Wynikiem działania programu będzie plik zawierający imię każdego ucznia, po którym wypisana będzie suma ocen podzielona przez 5. Jeśli masz zainstalowany Python na swoim komputerze, możesz uruchomić program na próbę (nie zadziała on na internetowym interpreterze, ponieważ potrzebuje dostępu do systemu plików). Po prostu zapisz dane do pliku o nazwie „oceny.txt” w tym samym formacie, w jakim był wyświetlany powyżej. Program zadziała pod warunkiem, że plik znajduje się w tym samym katalogu co plik kodu źródłowego.

Ten problem można oczywiście rozwiązać w dowolnym języku, ale w niektórych językach jest to znacznie prostsze. Standardowe języki programowania, takie jak Java, o których wkrótce wspomnimy, nie oferują tak prostego przetwarzania plików. Java wymaga od programisty określenia, co zrobić, jeśli otwarcie pliku się nie powiedzie. Pomaga to zapobieganiu awariom programu. Python nie wymaga tego od programisty, chociaż opcjonalnie jest to możliwe, jeśli programista sobie tego życzy. Oba te podejścia mają zalety w różnych sytuacjach. Dla nauczyciela piszącego szybki skrypt do przetworzenia wyników quizu, nie ma to większego znaczenia, czy program się czasem zawiesza. Nie musi więc tracić czasu na pisanie kodu obsługującego sytuacje wyjątkowe. W przypadku dużego oprogramowania, z którego korzysta wiele osób, awarie mogą stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa. Zmuszenie wszystkich programistów pracujących nad takim systemem do właściwego radzenia sobie z sytuacjami wyjątkowymi może zapobiec wielu problemom. W tym przypadku podejście języka Java jest korzystniejsze.

Oprócz prostej obsługi plików Python nie wymagał od nauczyciela z naszego przykładu umieszczania kodu wewnątrz specjalnych konstrukcji językowych takich jak funkcje lub klasy. Funkcje to fragmenty kodu, które na podstawie odpowiednio zdefiniowanych parametrów wejściowych wykonują pewne obliczenia. Klasy opisane przy pomocy języka programowania struktury danych wraz z funkcjami, które te dane przetwarzają wykonując na nich pewne operacje. Przykładem użyteczny funkcji wbudowanych w Pythona jest zawarta w przykładzie funkcja sum, która wyznacza sumę listy. W wierszu konwertującym tekst na listę liczb (przy użyciu bardzo często używanej, wygodnej konstrukcji), mamy przykład wykonania operacji split na strukturze danych jaką jest tekst (opisanej przez jedną z klas, będących częścią języka Python).

Ten sam kod napisany w Javie byłby co najmniej dwukrotnie dłuższy.

Poza Pythonem jest wiele innych języków skryptowych, takich jak Perl, Bash i Ruby.

Scratch jest językiem programowania przeznaczonym do nauczania młodszych adeptów programowania. Interfejs typu „przeciągnij i upuść” jest używany zamiast edytora kodu, aby nowi programiści nie musieli się martwić o składnię. Programy napisane w Scratch koncentrują się wokół kontrolowania postaci z kreskówek lub innych elementów animowanych na ekranie.

Scratch nie jest przeznaczony do programowania dla przemysłu, tylko do celów edukacyjnych. Jeśli jesteś zainteresowany wypróbowaniem Scratch, możesz go wypróbować online tutaj, nie musisz niczego pobierać ani instalować.

Poniżej zamieszczony został przykład prostego programu w Scratch. Jest podobny do programów, które zamieściliśmy dla Pythona i Javy. Program pyta użytkowników o liczby, dopóki nie wpiszą „stop”, a następnie wyznacza średnią z podanych liczb.

Po kliknięciu zielonej flagi wyświetli się następujący rezultat:

Scratch może posłużyć do prostych obliczeń, tworzenia gier i animacji. Jednak nie ma wszystkich możliwości pozostałych języków.

Przykładami innych języków edukacyjnych są Alice i Logo. Alice używa również techniki „przeciągnij i upuść”, lecz odbywa się to w środowisku 3D. Logo to bardzo stary język ogólnego przeznaczenia oparty na Lispie. Nie jest już używany, ale zasłynął z żółwia z długopisem, który rysuje na ekranie, podobnie do Scratch. Scratch powstał dzięki inspiracji językiem Logo. Języki te nie są używane poza zastosowaniami edukacyjnymi.

Java jest popularnym językiem programowania ogólnego przeznaczenia. Służy do budowania dużych systemów informatycznych. Jest używana przez bardzo wielu programistów na całym świecie. W przeciwieństwie do Pythona, zmusza programistów do określania, w jaki sposób program ma sobie radzić z sytuacjami wyjątkowymi i wymaga określenia, jaki typ danych przechowują zmienne, np. int (liczba całkowita) lub String (ciąg znaków). Python nie wymaga podawania typów danych. Wszystkie te cechy pomagają zmniejszyć liczbę błędów w kodzie. Dodatkowo, mogą ułatwić innym programistom odczytanie kodu, ponieważ łatwo zobaczyć typ każdej zmiennej -- ustalenie tego w programie Pythona napisanym przez innych może być czasem trudne i niełatwo zmienić cudzy kod bez psucia go!

Poniżej zamieszczony został kod w Javie do rozwiązania problemu średnich, który wcześniej rozwiązaliśmy w Pythonie.

import java.io.*;
import java.util.*;

public class Averager {
    public static void main() {
        String plikWejsciowy = "oceny.txt";
        String plikWynikowy = "srednie.txt";
        try {
            Scanner scanner = new Scanner(new File(plikWejsciowy));
            PrintStream plikWynikowy = new PrintStream(new File(plikWynikowy));
            while (scanner.hasNextLine()) {
                String uczen = scanner.next();
                Scanner numbersToRead = new Scanner(scanner.nextLine());
                int sumaUcznia = 0;
                while (numbersToRead.hasNextInt()) {
                    sumaUcznia += numbersToRead.nextInt();
                }
                plikWynikowy.println(uczen + " " + sumaUcznia/5.0 + "\n");
            }
            plikWynikowy.close();
        } catch (IOException e) {
            System.out.println("Plik nie moze byc otworzony!" + e);
        }
    System.out.println("Gotowe!");
    }
}

Kod jest dłuższy, lecz gwarantuje większą niezawodność. Mówi, aby spróbować (ang. try) otworzyć i czytać plik, a jeśli wystąpi błąd, to powinien przechwycić (ang. catch) ten błąd i wypisać komunikat dla użytkownika o błędzie. Niezależnie od tego, czy wystąpi błąd, to i tak linia „Gotowe!” zostanie wypisana, gdyż błąd został bezpiecznie przechwycony. W języku Python możemy również wyrazić podobne zachowanie, ale nie jest to obowiązkowe i zależy od programisty. Java nawet nie skompiluje kodu, jeśli nie zostało to zrobione! Dzięki temu programista nie zapomni o sytuacjach wyjątkowych, ani nie pominie ich z lenistwa.

Istnieje wiele innych języków programowania ogólnego przeznaczenia, takich jak C# i C++. Python jest czasem używany do tworzenia dużych systemów oprogramowania, chociaż generalnie nie jest uważany za idealny język w tym kontekście.

• Interpretowany w przeglądarce internetowej
• Podobny język: Actionscript (Flash)

Uwaga: podrozdział ten zostanie uzupełniony w przyszłej wersji podręcznika. Na razie po więcej informacji odsyłamy do stron Wikipedii.

• Język niskiego poziomu ze składnią języka wysokiego poziomu.
• Używany powszechnie do programowania systemów operacyjnych i systemów wbudowanych.
• Programy napisane w C są przeważnie bardzo szybkie (język został zaprojektowany w sposób, który ułatwia optymalne skompilowanie do kodu maszynowego).
• Podatny na błędy ze względu na swoją niskopoziomowość. Najlepiej nie używać go w sytuacjach, w których nie jest to konieczne.
• Powiązane języki: C++ (w pewnym sensie).

Uwaga: podrozdział ten zostanie uzupełniony w przyszłej wersji podręcznika. Na razie po więcej informacji odsyłamy do stron Wikipedii.

• Używany do pisania programów wymagających zaawansowanej matematyki (rachunku różniczkowego, algebry liniowej itp.).
• Nie jest darmowy.
• Powiązane języki: Mathematica, Maple.

Uwaga: podrozdział ten zostanie uzupełniony w przyszłej wersji podręcznika. Na razie po więcej informacji odsyłamy do stron Wikipedii.

Każdy może stworzyć własny język programowania. Wymaga to wymyślenia składni języka, napisania analizatora składni (tzw. parsera) i kompilatora lub interpretera. Elementy te pozwolą uruchomić program w nowym języku. Większość języków programowania nigdy nie była powszechnie używana.

Oprócz języków programowania, które mają praktyczne zastosowanie, stworzono wiele języków programowania, które miały być jedynie dowcipami lub testami na granice tego, jak zawiły może być język programowania. Niektóre z nich sprawiają, że języki maszynowe niskiego poziomu, które wcześniej widzieliście, wydają się logiczne! Wikipedia zawiera wykaz takich języków.

Jeśli tylko masz ochotę, możesz stworzyć własny język programowania!

Język programowania, taki jak Python lub Java jest uruchamiany przez program, który został przez kogoś napisany!

Ponieważ sprzęt komputerowy może uruchamiać tylko programy w języku niskiego poziomu (kod maszynowy), system programowania musi umożliwiać wykonywanie instrukcji w języku Python przy użyciu języka maszynowego. Można to zrobić na dwa sposoby: interpretując i kompilując.

Ten film z 1983 r. przedstawia trafną analogię między interpreterem a kompilatorem.

Główna różnica sprowadza się do faktu, że kompilator to program, który konwertuje kod programu na język maszynowy, który następnie jest uruchamiany na komputerze. Interpreter to program, który czyta twój program wiersz po wierszu, analizuje instrukcje i wykonuje je natychmiast.

Oba podejścia mają swoje zalety, a każde z nich do jednych języków pasuje bardziej, a do innych mniej. W rzeczywistości większość współczesnych języków używa kombinacji kompilacji i interpretacji. Na przykład większość programów Java jest kompilowana do „języka pośredniego” o nazwie ByteCode, który jest bliższy kodowi maszynowemu niż Java. ByteCode jest następnie wykonywany przez interpreter.

Jeśli twój program ma być udostępniany większemu gronu odbiorców, zwykle będziesz chciał, aby był w postaci kodu maszynowego. Dzięki temu będzie działał szybciej, użytkownik nie będzie musiał mieć zainstalowanego interpretera i kiedy ktoś pobierze kod maszynowy, nie będzie miał dostępu do kodu źródłowego programu wysokiego poziomu. Języki, w których mamy do czynienia z taką sytuacją to C#, Objective C (używane do programowania urządzeń iOS), Java i C.

Programy interpretowane mają tę zaletę, że mogą być łatwiejsze do napisania, gdyż można je szybko przetestować, łatwiej śledzić, co się w nich dzieje, a nawet czasami dodać pojedynczą instrukcję, aby zobaczyć, co się stanie. Można to zrobić bez konieczności przechodzenia przez cały proces kompilacji. Z tego powodu są one szeroko używanie w celach edukacyjnych (na przykład Scratch i Alice są interpretowane), a także w przypadku prostych zadań, ponieważ programy je wykonujące można szybko napisać i przetestować (również języki takie jak PHP, Ruby i Python są używane w takich sytuacjach).

Poniższy diagram pokazuje różnicę pomiędzy procesem interpretacji i kompilacji na przykładzie programu sortującego liczby. Rezultatem działania kompilatora jest program w kodzie maszynowym, który dokonuje sortowania. Dane wejściowe są podawane bezpośrednio do tego drugiego programu, w celu uzyskania posortowanego wyniku. Interpreter z kolei wykonuje sortowanie na danych wejściowych, interpretując instrukcje programu. Kompilator tworzy program w kodzie maszynowym, który można rozpowszechniać.

Pomimo tego, że istnieje wiele różnych języków programowania, to nowe są ciągle wymyślane. Każdy nowy język będzie wymagał opracowania nowego kompilatora i/lub interpretera. Na szczęście istnieją sprawdzone narzędzia, które umożliwiają szybkie stworzenie nowego języka. Niektóre pomysły na nowy język opiszemy w rozdziale Języki formalne, gdzie pojawiają się takie pojęcia opisujące język jak wyrażenia regularne i gramatyki.

Języki, które omawialiśmy w tym rozdziale, są często używane na początku nauki programowania. Istnieją zupełnie inne typy języków, które mają bardzo ważne zastosowania. Przykładem tego może być podejścia do programowania o nazwie programowanie funkcyjne, gdzie wszystkie operacje są sformułowane jako funkcje matematyczne. Popularne języki, które używają technik funkcyjnych to: Lisp, Scheme, Haskell, Clojure i F#; nawet niektóre języki konwencjonalne (takie jak Python) zawierają elementy programowania funkcyjnego. Czysty funkcyjny styl programowania eliminuje problem zwany efektami ubocznymi, co z kolei zapewnia większą niezawodność programu. Innym ważnym typem programowania jest programowanie logiczne, gdzie program może być traktowany jako zbiór reguł stwierdzających, co powinien robić, a nie ciąg instrukcji typu „zrób to”. Najbardziej znanym językiem programowania logicznego jest Prolog.

Materiały w języku angielskim.

• lekcje poświęcone językom programowania na stronie TeachICT, obejmujące wiele zagadnień z tego rozdziału;
• CS Online zawiera przegląd zagadnień poruszonych w tym rozdziale.
• artykuły Wikipedii o językach programowania, językach wysokiego poziomu, oraz językach niskiego poziomu;
• strona z plakatami z plakatami porównującymi języki progrmowania, stworzonymi przez Samuela Williamsa;
• samouczek porównujący języki programowania;
• plakat opisujący zawartość plików wykonywalnych (czyli plików w formacie exe);
• David Bolton tłumaczy: czym jest język programowania, kompilator oraz różnice między kompilatorem i interpreterem.
• artykuł z Computerworld: Od A do Z języków programowania;
• Czym jest Python? (porównianie z innymi językami);
• duży plakat pokazujący chronologię rozwoju języków programowania;
• program typu Hello World w wielu językach programowania;
• pisenka „99 butelek piwa” w wielu językach programowania.