نوع گذاری سیستم :
سیستم نوع گذاری
یک سیستم نوع گذاری مشخص می‌کند که یک زبان برنامه نویسی چگونه مقادیر و عبارات را
در نوع(type) دسته بندی می‌کند، چگونه می‌تواند آن نوع‌ها را تغییر دهد و رفتار
متقابل آنها چگونه‌است. این کارعموما توضیح داده ساختارهایی که می‌توانند در آن
زبان ایجاد شوند را شامل می‌شود. طراحی و مطالعه سیستم‌های نوع گذاری بوسیله
ریاضیات قراردادی را تئوری نوع گذاری گویند.
زبان‌های نوع گذاری شده و بدون نوع گذاری
یک زبان نوع گذاری شده‌است اگر مشخصات هر عملیات، نوع داده‌های قابل اجرا توسط آن
را با نشان دادن نوع‌هایی که برای آنها قابل اجرا نیست، تعیین کند. برای مثال، "این
متن درون گیومه قرار دارد" یک رشته‌است. در غالب زبان‌های برنامه نویسی، تقسیم یک
رشته با یک عدد معنایی ندارد. در نتیجه غالب زبان‌های برنامه نویسی مدرن ممکن است
اجرای این عملیات را توسط برنامه‌ها رد کنند. در برخی زبان‌ها، عبارات بی معنی ممکن
است هنگام ترجمه(compile) پیدا شود(چک کننده نوع ایستا)، و توسط کامپایلر رد شود،
در حالی که در سایر برنامه‌ها، هنگام اجرا پیدا شود.(چک کننده نوع دینامیک) که به
استثنای در حال اجرا منتج شود(runtime exception). حالت خاص زبان‌های نوع دار
زبان‌های تک نوعند. این زبان‌ها غالباً اسکریپتی و یا مارک آپ هستند، مانند rexx
وSGML و فقط یک داده گونه دارند—غالباً رشته‌های کاراکتری که هم برای داده‌های عددی
و هم برای داده‌های سمبلی کاربرد دارند. در مقابل، یک زبان بدون نوع گذاری، مثل
اکثر زبان‌های اسمبلی، این امکان را می‌دهد که هر عملیاتی روی هر داده‌ای انجام
شود، که معمولاً دنباله‌ای از بیت‌ها با طول‌های متفاوت در نظر گرفته می‌شوند.
زبان‌های سطح بالا که بی نوع هستند شامل زبان‌های ساده رایانه‌ای و برخی از انواع
زبان‌های نسل چهارم.
در عمل، در حالیکه تعداد بسیار کمی از دیدگاه نظریه نوع، نوع گذاری شده تلقی
می‌شوند(چک کردن یا رد کردن تمام عملیات‌ها)، غالب زبان‌های امروزی درجه‌ای از نوع
گذاری را فراهم می‌کنند. بسیاری از زبان‌های تولیدکننده راهی را برای گذشتن یا
موقوف کردن سیستم نوع فراهم می‌کنند.
نوع گذاری ایستا و متحرک
در نوع گذاری ایستا تمام عبارات نوع‌های خود را قبل از اجرای برنامه تعیین
می‌کنند(معمولاً در زمان کامپایل). برای مثال، ۱ و (۲+۲) عبارات عددی هستند؛ آنها
نمی‌توانند به تابعی که نیاز به یک رشته دارد داده شوند، یا در متغیری که تعریف شده
تا تاریخ را نگه دارد، ذخیره شوند.
زبان‌های نوع گذاری شده ایستا می‌توانند با مانیفست نوع گذاری شوند یا با استفاده
از نوع استنباط شوند. در حالت اول، برنامه نویس بیشتر صریحاً نوع‌ها را در
جایگاه‌های منتنی مشخص می‌نویسد(برای مثال، در تعریف متغیرها). در حالت دوم،
کامپایلر نوع عبارات و تعریف‌ها را بر اساس متن استنباط می‌کند. غالب زبان‌های مسیر
اصلی(mainstream) ایستا نوع گذاری شده، مانند C#,C++ و Java، با مانیفست نوع گذاری
می‌شوند
نوع گذاری قوی و ضعیف
نوع گذاری ضعیف این امکان را ایجاد می‌کند که با متغیری به جای متغیری دیگر برخورد
شود، برای مثال رفتار با یک رشته به عنوان یک عدد. این ویژگی بعضی اوقات ممکن است
مفید باشد، اما ممکن است باعث ایجاد برخی مشکلات برنامه شود که موقع کامپایل و حتی
اجرا پنهان بمانند.
نوع گذاری قوی مانع رخ دادن مشکل فوق می‌شود. تلاش برای انجام عملیات روی نوع
نادرست متغیر منجر به رخ دادن خطا می‌شود. زبان‌هایی که نوع گذاری قوی دارند غالباً
با نام "نوع-امن" و یا امن شناخته می‌شوند. تمام تعاریف جایگزین برای "ضعیف نوع
گذاری شده" به زبان‌ها اشاره می‌کند، مثل perl, JavaScript, C++، که اجازه تعداد
زیادی تبدیل نوع داخلی را می‌دهند. در جاوااسکریپت، برای مثال، عبارت ۲*x به صورت
ضمنی x را به عدد تبدیل می‌کند، و این تبدیل موفقیت آمیز خواهد بود حتی اگر x خالی،
تعریف نشده، یک آرایه، و یا رشته‌ای از حروف باشد. چنین تبدیلات ضمنی غالباً
مفیدند، اما خطاهای برنامه نویسی را پنهان می‌کنند.
قوی و ایستا در حال حاضر عموماً دو مفهوم متعامد فرض می‌شوند، اما استفاده در
ادبیات تفاوت دارد، برخی عبارت "قوی نوع گذاری شده" را به کار می‌برند و منظورشان
قوی، ایستایی نوع گذاری شده‌است، و یا، حتی گیچ کننده تر، منظورشان همان ایستایی
نوع گذاری شده‌است. بنابراین C هم قوی نوع گذاری شده و هم ضعیف و ایستایی نوع گذاری
شده نامیده می‌شود.
معناشناسی اجرا
وقتی که داده مشخص شد، ماشین باید هدایت شود تا عملیات‌ها را روی داده انجام دهد.
معناشناسی اجرا ی یک زبان تعیین می‌کند که چگونه و چه زمانی ساختارهای گوناگون یک
زبان باید رفتار برنامه را ایجاد کنند.
برای مثال، معناشناسی ممکن است استراتژی را که بویسله آن عبارات ارزیابی می‌شوند را
تعریف کند و یا حالتی را که ساختارهای کنترلی تحت شرایطی دستورها را اجرا می‌کنند.
کتابخانه هسته
اغلب زبان‌های برنامه نویسی یک کتابخانه هسته مرتبط دارند(گاهی اوقات "کتابخانه
استاندارد" نامیده می‌شوند، مخصوصا وقتی که به عنوان قسمتی از یک زبان استاندارد
ارائه شده باشد)، که به طور قراردادی توسط تمام پیاده سازی‌های زبان در دسترس قرار
گرفته باشند. کتابخانه هسته معمولاً تعریف الگوریتم‌ها، داده ساختارها و
مکانیزم‌های ورودی و خروجی پرکاربرد را در خود دارد. کاربران یک زبان، غالباً با
کتابخانه هسته به عنوان قسمتی از آن رفتار می‌کنند، اگرچه طراحان ممکن است با آن به
صورت یک مفهوم مجزا رفتار کرده باشند. بسیاری از خصوصیات زبان هسته‌ای را مشخص
می‌کنند که باید در تمام پیاده سازی‌ها موجود باشند، و در زبان‌های استاندارد شده
این کتابخانه هسته ممکن است نیاز باشد. بنابراین خط بین زبان و کتابخانه هسته آن از
زبانی به زبان دیگر متفاوت است. درواقع، برخی زبان‌ها به گونه‌ای تعریف شده‌اند که
برخی از ساختارهای دستوری بدون اشاره به کتابخانه هسته قابل استفاده نیستند. برای
مثالف در جاوا، یک رشته به عنوان نمونه‌ای از کلاس “java.lang.String” تعریف شده
است؛ مشابها، در سمال تاک(smalltalk) یک تابع بی نام(یک "بلاک") نمونه‌ای از کلاس
BlockContext کتابخانه می‌سازد. بطور معکوس، Scheme دارای چندین زیرمجموعه مرتبط
برای ایجاد سایر ماکروهای زبان می‌باشد، و در نتیجه طراحان زبان حتی این زحمت را
نیز تحمل نمی‌کنند که بگویند کدام قسمت زبان به عنوان ساختارهای زبان باید پیاده
سازی شوند، و کدام یک به عنوان بخشی ازکتابخانه.
عمل
طراحان زبان و کاربران باید مصنوعاتی ایجاد کنند تا برنامه نویسی را در عمل ممکن
سازند و کنترل کنند. مهمترین این مصنوعات خصوصیات و پیاده سازی‌های زبان هستند.
خصوصیات
یک زبان برنامه نویسی باید تعریفی فراهم کند که کاربران و پیاده کننده‌های زبان
می‌توانند از آن استفاده کنند تا مشخص کنند که رفتار یک برنامه درست است. با داشتن
کد منبع: خصوصیات یک زبان برنامه نویسی چندین قالب می‌تواند بگیرد، مانند مثال‌های
زیر:
تعریف صریح دستور، معناشناسی ایستا، ومعناشناسی اجرای زبان. درحالیکه دستور معمولاً
با یک معناشناسی قراردادی مشخص می‌شود، تعاریف معناشناسی ممکن است در زبان طبیعی
نوشته شده باشند (مثل زبان C)، یا معناشناسی قراردادی(مثل StandardML ,Scheme)
توضیح رفتار یک مترجم برای زبان(مثل C,fortran). دستور و معناشناسی یک زبان باید از
این توضیح استنتاج شوند، که ممکن است به زبان طبیعی یا قراردادی نوشته شود.
پیاده سازی منبع یا مدل. گاهی اوقات در زبان‌های مشخص شده(مثل: prolog,ANSI
REXX).دستور و معناشناسی صریحاً در رفتار پیاده سازی مدل موجودند.
پیاده سازی
پیاده سازی یک زبان برنامه نویسی امکان اجرای آن برنامه را روی پیکربندی مشخصی از
سخت‌افزار و نرم‌افزار را فراهم می‌کند. بطور وسیع، دو راه رسیدن به پیاده سازی
زبان برنامه نویسی وجود دارد. کامپایل کردن و تفسیر کردن. بطور کلی با هر بک از ابن
دو روش می‌توان یک زبان را پیاده سازی کرد.
خروجی یک کامپایلر ممکن است با سخت‌افزار و یا برنامه‌ای به نام مفسر اجرا شود. در
برخی پیاده سازی‌ها که از مفسر استفاده می‌شود، مرز مشخصی بین کامپایل و تفسیر وجود
ندارد. برای مثال، برخی پیاده سازی‌های زبان برنامه نویسی بیسیک کامپایل می‌کنند و
سپس کد را خط به خط اجرا می‌کنند.
برنامه‌هایی که مستقیماً روی سخت‌افزار اجرا می‌شوند چندین برابر سریعتر از
برنامه‌هایی که با کمک نرم‌افزار اجرا می‌شوند، انجام می‌شوند.
یک تکنیک برای بهبود عملکرد برنامه‌های تفسیر شده کامپایل در لحظه آن است. در این
روش ماشین مجازی، دقیقاً قبل از اجرا، بلوک‌های کدهای بایتی که قرار است استفاده
شوند را برای اجرای مستقیم روی سخت‌افزار ترجمه می‌کند.
تاریخچه
پیشرفت‌های اولیه
اولین زبان برنامه نویسی به قبل از رایانه‌های مدرن باز می‌گردد. قرن ۱۹ دستگاه‌های
نساجی و متون نوازنده پیانو قابل برنامه نویسی داشت که امروزه به عنوان مثال‌هایی
از زبان‌های برنامه نویسی با حوزه مشخص شناخته می‌شوند. با شروع قرن بیستم، پانچ
کارت‌ها داده را کد گذاری کردند و پردازش مکانیکی را هدایت کردند. در دهه ۱۹۳۰ و
۱۹۴۰، صورت گرایی حساب لاندای آلونزو چرچ و ماشین تورینگ آلن تورینگ مفاهیم ریاضی
بیان الگوریتم‌ها را فراهم کردند؛ حساب لاندا همچنان در طراحی زبان موثر است.
در دهه ۴۰، اولین رایانه‌های دیجیتال که توسط برق تغذیه می‌شدند ایجاد شدند. اولین
زبان برنامه نویسی سطح بالا طراحی شده برای کامپیوتر پلانکالکول بود، که بین
سال‌های ۱۹۴۵ و ۱۹۴۳ توسط کنراد زوس برای ز۳ آلمان طراحی شد.
کامپیوترهای اوایل ۱۹۵۰، بطور خاص ÜNIVAC ۱ و IBM ۷۰۱ از برنامه‌های زبان ماشین
استفاده می‌کردند. برنامه نویسی زبان ماشین نسل اول توسط نسل دومی که زبان اسمبلی
نامیده می‌شوند جایگزین شد. در سال‌های بعد دهه ۵۰، زبان برنامه نویسی اسمبلی، که
برای استفاده از دستورات ماکرو تکامل یافته بود، توسط سه زبان برنامه نویسی سطح
بالا دیگر: FORTRAN,LISP , COBOL مورد استفاده قرار گرفت. نسخه‌های به روز شده این
برنامه‌ها همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرند، و هر کدام قویا توسعه زبان‌های بعد
را تحت تاثیر قرار دادند. در پایان دهه ۵۰ زبان algol ۶۰ معرفی شد، و بسیاری از
زبان‌های برنامه نویسی بعد، با ملاحظه بسیار، از نسل algol هستند. قالب و استفاده
از زبان‌های برنامه نویسی به شدت متاثر از محدودیت‌های رابط بودند.
پالایش
دوره دهه ۶۰ تا اواخر دهه ۷۰ گسترش مثال‌های عمده زبان پرکاربرد امروز را به همراه
داشت. با این حال بسیاری از جنبه‌های آن بهینه سازی ایده‌های اولیه نسل سوم زبان
برنامه نویسی بود:
APL برنامه نویسی آرایه‌ای را معرفی کرد و برنامه نویسی کاربردی را تحت تاثیر قرار
داد.
PL/i(NPL) دراوایل دهه ۶۰ طراحی شده بود تا ایده‌های خوب فورترن و کوبول را بهم
پیوند دهد.
در دهه ۶۰، Simula اولین زبانی بود که برنامه نویسی شئ گرا را پشتیبانی می‌کرد، در
اواسط دهه۷۰. Smalltalk به دنبال آن به
عنوان اولین زبان کاملاً شئ گرا معرفی شد.
C بین سال‌های ۱۹۶۹ تا ۱۹۷۳ به عنوان زبان برنامه نویسی سیستمی طراحی شد و همچنان
محبوب است.
Prolog، طراحی شده در ۱۹۷۲، اولین زبان برنامه نویسی منطقی بود.
در ۱۹۷۸ ML سیستم نوع چند ریخت روی لیسپ ایجاد کرد، و در زبان‌های برنامه نویسی
کاربردی ایستا نوع گذاری شده پیشگام شد.
هر یک از این زبان‌ها یک خانواده بزرگ از وارثین از خود به جای گذاشت، و مدرنترین
زبان‌ها از تبار حداقل یکی از زبان‌های فوق به شمار می‌آیند.
دهه‌های ۶۰ و ۷۰ مناقشات بسیاری روی برنامه نویسی ساخت یافته به خود دیدند، و اینکه
آیا زبان‌های برنامه نویسی باید طوری طراحی شوند که آنها را پشتیبانی کنند.
"ادسگر دیکسترا" در نامه‌ای معروف در ۱۹۶۸ که در ارتباطات ACM منتشر شد، استدلال
کرد که دستورgoto باید از تمام زبان‌های سطح بالا حذف شود.
در دهه‌های ۶۰ و ۷۰ توسعهٔ تکنیک‌هایی صورت گرفت که اثر یک برنامه را کاهش می‌داد و
در عین حال بهره وری برنامه نویس و کاربر را بهبود بخشید. دسته کارت برای ۴GL اولیه
بسیار کوچکتر از برنامهٔ هم سطح بود که با ۳GL deck نوشته شده بود.
یکپارچگی و رشد
دهه ۸۰ سال‌های یکپارچگی نسبی بود. C++ برنامه نویسی شئ گرا و برنامه نویسی سیستمی
را ترکیب کرده بود. ایالات متحده ایدا(زبان برنامه نویسی سیستمی که بیشتر برای
استفاده توسط پیمان کاران دفاعی بود) را استاندارد سازی کرد. در ژاپن و جاهای دیگر،
هزینه‌های گزافی صرف تحقیق در مورد زبان نسل پنجم می‌شد که دارای ساختارهای برنامه
نویسی منطقی بود. انجمن زبان کاربردی به سمت استانداردسازی ML و Lisp حرکت کرد. به
جای ایجاد مثال‌های جدید، تمام این تلاش‌ها ایده‌هایی که در دهه‌های قبل حلق شده
بودند را بهتر کرد.
یک گرایش مهم در طراحی زبان در دهه ۸۰ تمرکز بیشتر روی برنامه نویسی برای سیستم‌های
بزرگ از طریق مدول‌ها، و یا واحدهای کدهای سازمانی بزرگ مقیاس بود. مدول-۲، ایدا. و
ML همگی سیستم‌های مدولی برجسته‌ای را در دهه ۸۰ توسعه دادند. با وجود اینکه
زبان‌های دیگر، مثل PL/i، پشتیبانی بسیار خوبی برای برنامه نویسی مدولی داشتند.
سیستم‌های مدولی غالباً با ساختارهای برنامه نویسی عام همراه شده‌اند.
رشد سریع اینترنت در میانه دهه ۹۰ فرصت‌های ایجاد زبان‌های جدید را فراهم کرد.
Perl، در اصل یک ابزار نوشتن یونیکس بود که اولین بار در سال ۱۹۸۷ منتشر شد، در
وب‌گاه‌های دینامیک متداول شد. جاوا برای برنامه نویسی جنب سروری مورد استفاده قرار
گرفت. این توسعه‌ها اساساً نو نبودند، بلکه بیشتر بهینه سازی شده زبان و مثال‌های
موجود بودند، و بیشتر بر اساس خانواده زبان برنامه نویسی C بودند. پیشرفت زبان
برنامه نویسی همچنان ادامه پیدا می‌کند، هم در تحقیقات و هم در صنعت. جهت‌های فعلی
شامل امنیت و وارسی قابلیت اعتماد است، گونه‌های جدید مدولی(mixin، نماینده‌ها،
جنبه‌ها) و تجمع پایگاه داده.
۴GLها نمونه‌ای از زبان‌هایی هستند که محدوده استفاده آنها مشخص است، مثل SQL. که
به جای اینکه داده‌های اسکالر را برگردانند، مجموعه‌هایی را تغییر داده و بر
می‌گردانند که برای اکثر زبان‌ها متعارفند. Perl برای مثال، با "مدرک اینجا" خود
می‌تواند چندین برنامه ۴GL را نگه دارد، مانند چند برنامه جاوا سکریبت، در قسمتی از
کد پرل خود و برای پشتیبانی از چندین زبان برنامه نویسی با تناسب متغیر در "مدرک
اینجا" استفاده کند.
سنجش استفاده از زبان
مشکل است که مشخص کنیم کدام زبان برنامه نویسی بیشتر مورد استفاده‌است، و اینکه
کاربرد چه معنی می‌دهد با توجه به زمینه تغییر می‌کند. یک زبان ممکن است زمان
بیشتری از برنامه نویس بگیرد، زبان دیگر ممکن است خطوط بیشتری داشته باشد، و دیگری
ممکن است زمان بیشتری از پردازنده را مصرف کند. برخی زبان‌ها برای کاربردهای خاص
بسیار محبوبند. برای مثال: کوبول همچنان در مراکزداده متحد، غالباً روی کامپیوترهای
بزرگ توانا است؛ fortran در مهندسی برنامه‌های کاربردی، C در برنامه‌های تعبیه شده
و سیستم‌های عامل؛ و بقیه برنامه‌ها معمولاً برای نوشتن انواع دیگر برنامه‌ها
کاربرد دارند. روش‌های مختلفی برای سنجش محبوبیت زبان‌ها، هر یک متناسب یا یک ویژگی
محوری متفاوت پیشنهاد شده‌است:
شمارش تعداد تبلیغات شغلی که از آن زبان نام می‌برند.
تعداد کتاب‌های آموزشی و شرح دهندهٔ آن زبان که فروش رفته‌است.
تخمین تعداد خطوطی که در آن زبان نوشته شده اند- که ممکن است زبان‌هایی را که در
جستجوها کمتر پیدا می‌شوند دست کم گرفته شوند.
شمارش ارجاع‌های زبان(برای مثال، به اسم زبان) در موتورهای جستجوهای اینترنت.
طبقه بندی‌ها هیچ برنامه غالبی برای دسته بندی زبان‌های برنامه نویسی وجود ندارد.
یک زبان مشخص معمولاً یک زبان اجدادی ندارد. زبان‌ها معمولاً با ترکیب المان‌های
چند زبان پیشینه بوجود می‌آیند که هربار ایده‌های جدید درگردشند. ایده‌هایی که در
یک زبان ایجاد می‌شوند در یک خانواده از زبان‌های مرتبط پخش می‌شوند، و سپس از بین
خلاهای بین خانواده‌ها منتقل شده و در خانواده‌های دیگر ظاهر می‌شوند.
این حقیقت که این دسته بندی ممکن است در راستای محورهای مختلف انجام شوند، این
وظیفه را پیچیده تر می‌کند؛ برای مثال، جاوا هم یک زبان شیءگرا(چون به برنامه نویسی
شیءگرا تشویق می‌کند) و زبان همزمان(چون ساختارهای داخلی برای اجرای چندین جریان
موازی دارد) است. پایتون یک زبان اسکریپتی شیءگراست.
در نگاه کلی، زبان‌های برنامه نویسی به مثال‌های برنامه نویسی و یک دسته بندی بر
اساس محدوده استفاده تقسیم می‌شوند. مثال‌ها شامل برنامه نویسی رویه‌ای، برنامه
نویسی شیءگرا، برنامه نویسی کاربردی، وبرنامه نویسی منطقی؛ برخی زبان‌ها ترکیب چند
مثالند. یک زبان اسمبلی مثالی از یک مدل مستقیم متضمن معماری ماشین نیست. با توجه
به هدف، زبان‌های برنامه نویسی ممکن است همه منظوره باشند، زبان‌های برنامه نویسی
سیستمی، زبان‌های اسکریپتی، زبان‌های محدوده مشخص، زبان‌های همزمان/ گسترده(و یا
ترکیب اینها). برخی زبان‌های همه منظوره تا حد زیادی برای اهداف آموزشی طراحی
شده‌اند.
یک زبان برنامه نویسی ممکن است با فاکتورهای غیر مرتبط به مثال‌های برنامه نویسی
دسته بندی شود. برای مثال، غالب زبان‌های برنامه نویسی کلمات کلیدی زبان انگلیسی را
استفاده می‌کنند، در حالیکه تعداد کمی این کار را نمی‌کنند. سایر زبان‌ها ممکن است
براساس داخلی بودن یا نبودن دسته بندی شوند.
| از صفحات دیگر نیز دیدن نمایید | |
|
|
|
