💻 Κεφάλαιο 6: Εισαγωγή στον Προγραμματισμό

Τα στάδια επίλυσης ενός προβλήματος με τον υπολογιστή είναι:

• Ο ακριβής προσδιορισμός του προβλήματος.
• Η ανάπτυξη του αντίστοιχου αλγορίθμου.
• Η διατύπωση του αλγορίθμου σε κατανοητή μορφή από τον υπολογιστή. Ο προγραμματισμός ασχολείται με το τρίτο στάδιο.

Προγραμματισμός είναι η διαδικασία που γίνεται για τη δημιουργία του προγράμματος, δηλαδή το σύνολο των εντολών που πρέπει να δοθούν στον υπολογιστή, ώστε να υλοποιηθεί ο αλγόριθμος για την επίλυση του προβλήματος.

Ο προγραμματισμός είναι αυτός που δίνει την εντύπωση ότι οι υπολογιστές είναι έξυπνες μηχανές που επιλύουν πολύπλοκα προβλήματα. Ο υπολογιστής μπορεί απλά να αποθηκεύει στη μνήμη ακολουθίες δυαδικών ψηφίων, να τις ανακτά, να κάνει αριθμητικές πράξεις και να τις συγκρίνει.

Οι γλώσσες προγραμματισμού δημιουργήθηκαν με σκοπό την επικοινωνία του ανθρώπου (προγραμματιστή) με τη μηχανή.

Ως φυσικές γλώσσες αναφέρονται εκείνες οι οποίες χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία μεταξύ ανθρώπων, ενώ οι τεχνητές γλώσσες χρησιμοποιούνται για την επικοινωνία μεταξύ ανθρώπων και της μηχανής. Με αυτές τις γλώσσες ο προγραμματιστής μπορεί να δίνει εντολές που πρέπει να εκτελεί ο υπολογιστής.

Οι φυσικές και τεχνητές γλώσσες εμφανίζουν τα εξής κοινά χαρακτηριστικά:

1. Αλφάβητο: Το σύνολο των στοιχείων που χρησιμοποιείται από τη γλώσσα.
2. Λεξιλόγιο: Υποσύνολο όλων των ακολουθιών που δημιουργούνται από τα στοιχεία του αλφαβήτου, τις λέξεις που είναι δεκτές από τη γλώσσα.
3. Γραμματική: Αποτελείται από:
   • Το Τυπικό-Τυπολογικό, το σύνολο των κανόνων που ορίζει τις μορφές με τις οποίες μια λέξη είναι αποδεκτή.
   • Το Συντακτικό, το σύνολο των κανόνων που καθορίζει τη νομιμότητα της διάταξης και της σύνδεσης των λέξεων της γλώσσας για τη δημιουργία σωστών προτάσεων.
   Η γνώση του συντακτικού επιτρέπει τη δημιουργία σωστών προτάσεων στις φυσικές γλώσσες, ενώ στις γλώσσες προγραμματισμού τη δημιουργία σωστών εντολών.
4. Σημασιολογία: Σύνολο κανόνων που καθορίζει το νόημα των λέξεων και κατ' επέκταση των εκφράσεων και προτάσεων που χρησιμοποιούνται σε μια γλώσσα. Στις τεχνητές γλώσσες ο δημιουργός τους αποφασίζει τη σημασιολογία των λέξεων της.

Η βασικότερη διαφορά μεταξύ των φυσικών και τεχνητών γλωσσών είναι η δυνατότητα εξέλιξης.

Οι φυσικές γλώσσες εξελίσσονται συνεχώς, δημιουργούνται νέες λέξεις, ενώ κανόνες γραμματικής και σύνταξης αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, γιατί η γλώσσα χρησιμοποιείται για την επικοινωνία μεταξύ των ανθρώπων που εξελίσσονται και αλλάζουν ανάλογα με τις εποχές και τον κοινωνικό περίγυρο.

Οι τεχνητές γλώσσες χαρακτηρίζονται από στασιμότητα, αφού κατασκευάζονται συνειδητά για έναν συγκεκριμένο σκοπό. Βελτιώνονται και μεταβάλλονται από τους δημιουργούς τους με σκοπό να διορθωθούν αδυναμίες, να καλύψουν μεγαλύτερο εύρος εφαρμογών και για να ακολουθήσουν τις νέες τεχνολογίες.

Η ιεραρχική σχεδίαση ή «από πάνω προς τα κάτω» (top-down program design) περιλαμβάνει τον καθορισμό των βασικών λειτουργιών ενός προγράμματος σε ανώτερο επίπεδο, και στη συνέχεια τη διάσπαση των λειτουργιών του σε όλο και μικρότερες λειτουργίες μέχρι το τελευταίο επίπεδο που οι λειτουργίες του είναι πολύ απλές ώστε να επιλυθούν εύκολα (συνεχής διαίρεση του προβλήματος σε υποπροβλήματα).

Σκοπός της ιεραρχικής σχεδίασης είναι η διάσπαση ενός προβλήματος σε μια σειρά από απλούστερα υποπροβλήματα, τα οποία να είναι εύκολο να επιλυθούν, οδηγώντας στην επίλυση του αρχικού.

Η ιεραρχική σχεδίαση μπορεί να παρασταθεί με τη βοήθεια διαγραμματικών τεχνικών.

Ο τμηματικός προγραμματισμός υλοποιεί την ιεραρχική σχεδίαση προγράμματος. Το πρόβλημα αναλύεται σε επιμέρους υποπροβλήματα, κάθε ένα από τα οποία αποτελεί ανεξάρτητη ενότητα που γράφεται ξεχωριστά από τα υπόλοιπα τμήματα προγράμματος.

Ο τμηματικός προγραμματισμός διευκολύνει τη δημιουργία του προγράμματος, μειώνει τα λάθη και επιτρέπει την ευκολότερη παρακολούθηση, κατανόηση και συντήρηση του προγράμματος από τρίτους.

Ο δομημένος προγραμματισμός αναπτύχθηκε από την ανάγκη να υπάρχει μια κοινή μεθοδολογία σύνταξης προγραμμάτων και τη μείωση των εντολών GOTO, που χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν.

Η εντολή GOTO έχει ως συνέπεια την αλλαγή της ροής του προγράμματος, τη διακλάδωση σε μια άλλη εντολή του προγράμματος εκτός από την επόμενη.

Όλες οι σύγχρονες γλώσσες προγραμματισμού υποστηρίζουν το δομημένο προγραμματισμό και διαθέτουν εντολές που καθιστούν τη χρήση της εντολής GOTO περιττή. Για λόγους συμβατότητας με παλιότερες εκδόσεις και συντήρησης παλιών προγραμμάτων, μερικές τη διατηρούν στο ρεπερτόριό τους.

Ο δομημένος προγραμματισμός δεν είναι απλώς ένα είδος προγράμματος, είναι μια μεθοδολογία σύνταξης προγραμμάτων που έχει σκοπό να βοηθήσει τον προγραμματιστή στην ανάπτυξη σύνθετων προγραμμάτων, να μειώσει τα λάθη, να εξασφαλίσει την εύκολη κατανόηση και να διευκολύνει τις διορθώσεις και τις αλλαγές.

Βασικές Αρχές Δομημένου Προγραμματισμού:

• Ο δομημένος προγραμματισμός στηρίζεται στη χρήση τριών και μόνο στοιχειωδών λογικών δομών: τη δομή ακολουθίας, τη δομή επιλογής και τη δομή επανάληψης.
• Όλα τα προγράμματα μπορούν να γραφούν χρησιμοποιώντας μόνο αυτές τις τρεις δομές καθώς και συνδυασμό τους.
• Κάθε πρόγραμμα, όπως και κάθε ενότητα προγράμματος, έχει μόνο μία είσοδο και μία έξοδο.

Αν και ο δομημένος προγραμματισμός αρχικά εμφανίστηκε σαν μια προσπάθεια περιορισμού των εντολών GOTO, σήμερα αποτελεί τη βασική μεθοδολογία προγραμματισμού, ενθαρρύνοντας και βοηθώντας στην ανάλυση του προγράμματος σε επιμέρους τμήματα, περιέχοντας τόσο την ιεραρχική σχεδίαση όσο και τον τμηματικό προγραμματισμό.

Ο δομημένος προγραμματισμός εμφανίζει τα εξής πλεονεκτήματα:

1. Δημιουργία απλούστερων προγραμμάτων.
2. Άμεση μεταφορά του αλγορίθμου σε πρόγραμμα.
3. Διευκόλυνση ανάλυσης του προγράμματος σε τμήματα.
4. Περιορισμός των λαθών κατά την ανάπτυξη του προγράμματος.
5. Διευκόλυνση στην ανάγνωση και κατανόηση του προγράμματος από τρίτους.
6. Ευκολότερη διόρθωση και συντήρηση.

Η ιδέα του αντικειμενοστραφούς προγραμματισμού έχει τις ρίζες της σε πολύ απλή ιδέα. Ένα πρόγραμμα περιγράφει «ενέργειες» (επεξεργασία) που εφαρμόζονται πάνω σε δεδομένα. Ένα βασικό ερώτημα που τίθεται είναι αν η φιλοσοφία, η δομή του προγράμματος είναι προτιμότερο να στηρίζεται στις «ενέργειες» ή στα δεδομένα.

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα προσδιορίζει και τη βασική διαφορά ανάμεσα στις παραδοσιακές προγραμματιστικές τεχνικές και στην αντικειμενοστραφή σχεδίαση.

Η αντικειμενοστραφής σχεδίαση εκλαμβάνει ως πρωτεύοντα δομικά στοιχεία ενός προγράμματος τα δεδομένα, από τα οποία δημιουργούνται με κατάλληλη μορφοποίηση τα αντικείμενα (objects). Αυτή η σχεδίαση αποδείχθηκε ότι επιφέρει καλύτερα αποτελέσματα, αφού τα προγράμματα που δημιουργούνται είναι περισσότερο ευέλικτα και εύκολα στη συντήρηση.

Ο αντικειμενοστραφής προγραμματισμός χρησιμοποιεί την ιεραρχική σχεδίαση, τον τμηματικό προγραμματισμό και ακολουθεί τις αρχές του δομημένου προγραμματισμού.

Συντάκτης (editor) ονομάζεται το πρόγραμμα το οποίο χρησιμοποιείται για την αρχική σύνταξη και τη διόρθωση των προγραμμάτων. Είναι ουσιαστικά ένας μικρός επεξεργαστής κειμένου με δυνατότητες που διευκολύνουν τη γρήγορη γραφή των εντολών των προγραμμάτων.

Κάθε πρόγραμμα που γράφεται σε οποιαδήποτε γλώσσα προγραμματισμού πρέπει να μετατραπεί σε μορφή αναγνωρίσιμη και εκτελέσιμη από τον υπολογιστή, δηλαδή σε εντολές γλώσσας μηχανής. Η μετατροπή επιτυγχάνεται με τη χρήση ειδικών μεταφραστικών προγραμμάτων: του μεταγλωττιστή και του διερμηνευτή.

Μεταγλωττιστής (compilers): Δέχεται σαν είσοδο ένα πρόγραμμα γραμμένο σε μια γλώσσα υψηλού επιπέδου και παράγει ένα ισοδύναμο πρόγραμμα σε γλώσσα μηχανής, το οποίο μπορεί να εκτελείται οποτεδήποτε από τον υπολογιστή και είναι ανεξάρτητο από το αρχικό.

Διερμηνευτής (interpreters): Διαβάζει μία προς μία τις εντολές του αρχικού προγράμματος και για κάθε μία εκτελεί αμέσως μια ισοδύναμη ακολουθία εντολών γλώσσας μηχανής.

Το αρχικό πρόγραμμα που γράφεται από τον προγραμματιστή ονομάζεται πηγαίο (source), ενώ το πρόγραμμα που παράγεται από το μεταγλωττιστή ονομάζεται αντικείμενο πρόγραμμα (object).

Το αντικείμενο πρόγραμμα που προκύπτει από το μεταγλωττιστή είναι σε μορφή κατανοητή από τον υπολογιστή, αλλά δεν είναι σε θέση να εκτελεστεί. Χρειάζεται να συμπληρωθεί και να συνδεθεί με άλλα τμήματα του προγράμματος, απαραίτητα για την εκτέλεσή του:

• Τμήματα που τα γράφει ο προγραμματιστής
• Άλλα τμήματα που βρίσκονται σε βιβλιοθήκες (libraries) της γλώσσας

Το πρόγραμμα που επιτρέπει τη σύνδεση αυτή ονομάζεται συνδέτης – φορτωτής (linker - loader). Το αποτέλεσμα του συνδέτη είναι η παραγωγή του εκτελέσιμου προγράμματος (executable), το οποίο είναι το τελικό πρόγραμμα που εκτελείται από τον υπολογιστή.

Η διαδικασία για τη μετάφραση και την εκτέλεση ενός προγράμματος είναι η εξής:

1. Ο προγραμματιστής γράφει το πηγαίο πρόγραμμα σε μια γλώσσα υψηλού επιπέδου.
2. Το πηγαίο πρόγραμμα εισάγεται στον μεταγλωττιστή, ο οποίος ελέγχει για συντακτικά λάθη (ανάλυση, συντακτικός έλεγχος).
3. Αν δεν υπάρχουν λάθη, παράγεται το αντικείμενο πρόγραμμα σε γλώσσα μηχανής.
4. Το αντικείμενο πρόγραμμα εισάγεται στον συνδέτη – φορτωτή, ο οποίος το συνδέει με τμήματα από βιβλιοθήκες και άλλα απαραίτητα τμήματα.
5. Το αποτέλεσμα είναι το εκτελέσιμο πρόγραμμα, το οποίο μπορεί να εκτελεστεί από τον υπολογιστή.

Σε ένα πρόγραμμα μπορούν να εμφανιστούν δύο είδη λαθών: τα συντακτικά και τα λογικά.

Συντακτικά λάθη: Εμφανίζονται κατά το στάδιο της μεταγλώττισης και ανιχνεύονται από το μεταγλωττιστή ή το διερμηνευτή, εμφανίζοντας κατάλληλα διαγνωστικά μηνύματα. Οφείλονται σε αναγραμματισμούς ονομάτων εντολών, παραλείψεις δηλώσεων κ.τ.λ. Τα διορθωμένα προγράμματα επαναυποβάλλονται για μεταγλώττιση μέχρι να εξαλειφθούν πλήρως τα λάθη, ώστε να παραχθεί το τελικό εκτελέσιμο πρόγραμμα.

Λογικά λάθη: Εμφανίζονται μόνο στην εκτέλεση, ανιχνεύονται μόνο από τον προγραμματιστή, είναι τα πλέον σοβαρά και δύσκολα στη διόρθωση, και οφείλονται σε σφάλματα κατά την υλοποίηση του αλγορίθμου.

Η χρήση μεταγλωττιστή έχει το μειονέκτημα ότι πριν χρησιμοποιηθεί ένα πρόγραμμα πρέπει να περάσει από το στάδιο της μεταγλώττισης και σύνδεσης.

Η χρήση διερμηνευτή έχει το πλεονέκτημα της άμεσης εκτέλεσης και της άμεσης διόρθωσης, καθιστώντας όμως την εκτέλεση του προγράμματος πιο αργή από εκείνη του ισοδύναμου προγράμματος που παράγει ο μεταγλωττιστής.

Τα σύγχρονα προγραμματιστικά περιβάλλοντα παρουσιάζουν μεικτές υλοποιήσεις: χρήση διερμηνευτή κατά τη φάση της δημιουργίας του προγράμματος και μεταγλώττισης κατά την τελική έκδοση.

Ένα προγραμματιστικό περιβάλλον πρέπει να περιέχει τρία προγράμματα:

• Συντάκτη
• Μεταγλωττιστή
• Συνδέτη – Φορτωτή

Τα σύγχρονα προγραμματιστικά περιβάλλοντα παρέχουν αυτά τα προγράμματα με ενιαίο τρόπο.

Το κάθε προγραμματιστικό περιβάλλον έχει επίσης διαφορετικά εργαλεία και ιδιότητες. Για παράδειγμα, ένα περιβάλλον οπτικού προγραμματισμού (visual) πρέπει να περιέχει οπωσδήποτε έναν ειδικό συντάκτη που να διευκολύνει τη δημιουργία γραφικών αντικειμένων (φόρμες, λίστες κ.τ.λ.), παρέχοντας στον προγραμματιστή τα αντίστοιχα γραφικά εργαλεία.