Этапы подготовки программы

При разработке программ, а тем более - сложных, используется принцип модульности, разбиения сложной программы на составные части, каждая из которых может подготавливаться отдельно. Модульность является основным инструментом структурирования программного изделия, облегчающим его разработку, отладку и сопровождение.

При выборе модульной структуры должны учитываться следующие основные соображения:

1. Функциональность - модуль должен выполнять законченную функцию

2. Несвязность - модуль должен иметь минимум связей с другими модулями, связь через глобальные переменные и области памяти нежелательна

3. Специфицируемость - входные и выходные параметры модуля должны быть четко сформулированы

На рисунке показаны этапы, которые проходит программа от своего написания до выполнения.

Программа пишется в виде исходного модуля, на рисунке - файл ИМ.

Первым (не для всех языков программирования обязательным) этапом подготовки программы является обработка ее Макропроцессором (или Препроцессором). Макропроцессор обрабатывает текст программы и на выходе его получается новая редакция текста (на рис. - ИМ'). В большинстве систем программирования Макропроцессор совмещен с транслятором, и для программиста его работа и промежуточный ИМ' "не видны". Следует иметь в виду, что Макропроцессор выполняет обработку текста, это означает, с одной стороны, что он "не понимает" операторов языка программирования и "не знает" переменных программы, с другой, что все операторы и переменные Макроязыка (тех выражений в программе, которые адресованы Макропроцессору) в промежуточном ИМ' уже отсутствуют и для дальнейших этапов обработки "не видны". Так, если Макропроцессор заменил в программе некоторый текст A на текст B, то транслятор уже видит только текст B, и не знает, был этот текст написан программистом "своей рукой" или подставлен Макропроцессором.

Следующим этапом является трансляция.

Как правило, выходным языком транслятора является машинный язык целевой вычислительной системы. (Целевая ВС - та ВС, на которой программа будет выполняться.)

Трансляторы - общее название для программ, осуществляющих трансляцию. Они подразделяются на Ассемблеры и Компиляторы - в зависимости от исходного языка программы, которую они обрабатывают. Ассемблеры работают с Автокодами или языками Ассемблера, Компиляторы - с языками высокого уровня.

Поскольку результатом трансляции является модуль на языке, близком к машинному, в нем уже не остается признаков того, на каком исходном языке был написан программный модуль. Это создает принципиальную возможность создавать программы из модулей, написанных на разных языках. Специфика исходного языка, однако, может сказываться на физическом представлении базовых типов данных, способах обращения к процедурам/функциям и т.п. Для совместимости разноязыковых модулей должны выдерживаться общие соглашения.

Большая часть объектного модуля - команды и данные машинного языка именно в той форме, в какой они будут существовать во время выполнения программы. Однако, программа, в общем случае, состоит из многих модулей. Поскольку транслятор обрабатывает только один конкретный модуль, он не может должным образом обработать те части этого модуля, в которых запрограммированы обращения к данным или процедурам, определенным в другом модуле. Такие обращения называются внешними ссылками. Те места в объектном модуле, где содержатся внешние ссылки, транслируются в некоторую промежуточную форму, подлежащую дальнейшей обработке. Говорят, что объектный модуль представляет собой программу на машинном языке с неразрешенными внешними ссылками.

Разрешение внешних ссылок выполняется на следующем этапе подготовки, который обеспечивается Редактором Связей (Компоновщиком). Редактор Связей соединяет вместе все объектные модули, входящие в программу. Поскольку Редактор Связей "видит" уже все компоненты программы, он имеет возможность обработать те места в объектных модулях, которые содержат внешние ссылки. Результатом работы Редактора Связей является загрузочный модуль.

Загрузочный модуль сохраняется в виде файла на внешней памяти. Для выполнения программа должна быть перенесена (загружена) в оперативную память. Иногда при этом требуется некоторая дополнительная обработка (например, настройка адресов в программе на ту область оперативной памяти, в которую программа загрузилась). Эта функция выполняется Загрузчиком, который обычно входит в состав операционной системы.

Возможен также вариант, в котором редактирование связей выполняется при каждом запуске программы на выполнение и совмещается с загрузкой. Это делает Связывающий Загрузчик. Вариант связывания при запуске более расходный, т.к. затраты на связывание тиражируются при каждом запуске. Но он обеспечивает:

1. большую гибкость в сопровождении, так как позволяет менять отдельные объектные модули программы, не меняя остальных модулей;

2. экономию внешней памяти, т.к. объектные модули, используемые во многих программах не копируются в каждый загрузочный модуль, а хранятся в одном экземпляре.

Вариант интерпретации подразумевает прямое исполнение исходного модуля.

Интерпретатор читает из исходного модуля очередное предложение программы, переводит его в машинный язык и выполняет. Все затраты на подготовку тиражируются при каждом выполнении, следовательно, интепретируемая программа принципиально менее эффективна, чем транслируемая. Однако, интерпретация обеспечивает удобство разработки, гибкость в сопровождении и переносимость.

Пример интерпретатора – командные файлы (пакетные файлы, скрипты, сценарии, ”батники”) - это обычные текстовые файлы с расширением.bat или.cmd, строки которых представляют собой специальные команды командного процессора (интерпретатора команд) и/или имена исполняемых файлов с параметрами. Командный процессор – это специальная программа, являющаяся обязательным элементом практически любой операционной системы, главным назначением которой, является предоставление пользователю возможности выполнения определенных программ без их компиляции и создания исполняемых файлов. Для операционных систем DOS и Windows9X в качестве интерпретатора команд использовался командный процессор command.com, для всех остальных ОС семейства Windows (NT/2k/XP/Vista/7/8/10 и старше) - cmd.exe.

Кросс-системы

Не обязательно подготовка программы должна вестись на той же вычислительной системе и в той же операционной среде, в которых программа будет выполняться. Системы, обеспечивающие подготовку программ в среде, отличной от целевой называются кросс-системами. В кросс-системе может выполняться вся подготовка или ее отдельные этапы:

· Макрообработка и трансляция

· Редактирование связей

· Отладка

Типовое применение кросс-систем - для тех случаев, когда целевая вычислительная среда просто не имеет ресурсов, необходимых для подготовки программ, например, встроенные системы.

Программные средства, обеспечивающие отладку программы на целевой системе можно также рассматривать как частный случай кросс-системы.

Ассемблеры

Поскольку в разных аппаратных архитектурах разные программно-доступные компоненты (система команд, регистры, способы адресации), язык Ассемблера аппаратно-зависимый. Программы, написанные на языке Ассемблера, могут быть перенесены только на вычислительную систему той же архитектуры.

Программирование на языке Ассемблера позволяет в максимальной степени использовать особенности архитектуры вычислительной системы. До недавнего времени воспринималась как аксиома, что Ассемблерная программа всегда является более эффективной и в смысле быстродействия, и в смысле требований к памяти. Для Intel-архитектуры это и сейчас так. Но это уже не так для RISK-архитектур. RISC (англ. reduced instruction set computer — «компьютер с сокращённым набором команд») —архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — меньшим. Для того, чтобы программа могла эффективно выполняться в вычислительной среде с распараллеливанием на уровне команд, она должна быть определенным образом оптимизирована, т.е., команды должны быть расположены в определенном порядке, допускающим их параллельное выполнение. Программист просто не сможет покомандно оптимизировать всю свою программу. С задачей такой оптимизации более эффективно справляются компиляторы.

Доля программ, которые пишутся на языках Ассемблеров в мире, неуклонно уменьшается, прикладное программирование на языках Ассемблеров применяется только по недомыслию. Язык Ассемблера "в чистом виде" применяется только для написания отдельных небольших частей системного ПО: микроядра ОС, самых нижних уровней драйверов - тех частей, которые непосредственно взаимодействуют с реальными аппаратными компонентами. Этим занимается узкий круг программистов, работающих в фирмах, производящих аппаратуру и ОС. Зачем же нам тогда изучать построение Ассемблера?

Хотя разработка программ, взаимодействующих с реальными аппаратными компонентами, - редкая задача, в современном программировании при разработке прикладного, а еще более промежуточного ПО довольно часто применяется технологии виртуальных машин. Для выполнения того или иного класса задач программно моделируется некоторое виртуальное вычислительное устройство, функции которого соответствуют нуждам этого класса задач. Для управления таким устройством для него может быть создан соответствующий язык команд. Широко известный пример JVM. Java Virtual Machine — виртуальная машина Java — основная часть исполняющей системы Java. Виртуальная машина Java исполняет байт-код Java, предварительно созданный из исходного текста Java-программы компилятором Java. JVM может также использоваться для выполнения программ, написанных на других языках программирования. Например, исходный код на языке Ada может быть откомпилирован в байт-код Java, который затем может выполниться с помощью JVM. Говоря шире, любую программу можно представить себе как виртуальное "железо", решающее конкретную задачу. Конечный пользователь обычно не видит разницы между программой и аппаратурой и часто говорит не "мне программа выдала то-то", а "мне компьютер выдал то-то". В некоторых случаях интерфейс программы может быть представлен в виде системы команд, следовательно, нужен соответствующий Ассемблер. Это, конечно, относится не к программам "для чайников", а к инструментальным средствам программистов, системам моделирования и т.п.