Бусыгин Б.С., Коротенко Г.М., Коротенко Л.М. Введение в современную информатику

Подождите немного. Документ загружается.

произвольные информационные ресурсы – программные компоненты, базы

данных, базы знаний, файлы данных, которые в том числе содержат и

мультимедийную информацию, компоненты существующих информационных

систем и т.д., которые представлены коллекциями объектов, независимых от

аппаратно/программных платформ, их реализаций и размещения в (сетевом)

пространстве. Унифицированные интерфейсы взаимодействия таких

компонентов призваны поддерживать создание интероперабельных сред

информационных ресурсов, которые обеспечивают динамическую реализацию

композиций доступных ресурсов, которые организуются для решения

конкретных проблемных задач (к примеру, реализация требуемой

информационной системы, реализация проекта, поддержка групповой

деятельности и т.д.). Кроме того, они предназначены для развития методологии

мегапрограммирования – программирования в среде готовых компонентов для

обеспечения технологий повторного использования информационных ресурсов

(например, в Интернете, экстранете, интранете и т.д.).

Главными компонентами архитектуры промежуточного слоя, которая

развивается консорциумом OMG (см. подраздел 7.2), являются.

 Общая Архитектура Брокера Объектных Запросов – Common Object

Request Broker Architecture, то есть – CORBA;

 Брокер Объектных Запросов (Object Request Broker - ORB) (рис.4.31),

Он играет основную роль "общей шины" в глобальном пространстве объектов, с

помощью которой объекты этого пространства могут взаимодействовать друг с

другом, имея широкую поддержку целым рядом программных систем и

продуктов, которые распространяются известными производителями: Digital,

IBM, SunSoft, IONA Technologies и некоторыми другими для разных типов

платформ.

Общая система Объектных Служб и Общих Объектных Средств (CORBA)

организует нижний слой в архитектуре промежуточного слоя, который

обеспечивает технологическую платформу интероперабельности (т.е.

способность к взаимодействию). Один из ключевых принципов архитектуры

CORBA, обеспечивающий интероперабельность функционирующих в сетевом

информационном пространстве приложений, заключается в независимости

спецификаций интерфейсов вызываемых в процессе их работы объектов от их

Рис. 4.31 Клиентская программа, взаимодействующая с объектом через ORB

ORB

Реализация объекта

Клиент

Запрос

100

реализации. Важным компонентом такой концепции является язык определения

интерфейсов (IDL - Interface Definition Language). В версии стандарта CORBA 2.0

этот язык начал называться OMG IDL. Таким образом, OMG IDL явлется

средством, с помощью которого потенциальным клиентам объекта-сервера

сообщается, какие операции доступны в его интерфейсе объекту-клиенту и

как их необходимо вызывать.

IDL – является языком однородного специфицирования интерфейсов

разнообразных информационных ресурсов, инкапсулированных средствами

технологий CORBA в пространство сетевого взаимодействия. Этот язык

является чисто описательным. Определения на языке IDL могут быть

отображены стандартными средствами в любом конкретном языке

программирования, таком как, С, С++, Object Pascal, Smalltalk и некоторых

других. Репозиторий интерфейсов, который содержит определения

интерфейсов на языке IDL, позволяет видеть интерфейсы доступных

компонентов-серверов в сети и программировать их вызов, а также

использовать в програмах-клиентах с учётом возможностей Брокера ORB.

Спецификации, которые содержатся в репозитории, могут быть также

использованы в процессе выполнения программы-клиента. Роли "клиента" и

"сервера" следует рассматривать как относительные: клиент (сервер) в

архитектуре CORBA может буть сервером (клиентом) по отношению к другим

клиентам (серверам).

Активное распространение и повсеместное применение клиент-серверных

компьютерных моделей расширили и углубили понятие и применение

концептуальных моделей интерфейса в целом.

Действительно, если в информационных структурах связываются две

системы (или больше), то это делается в целях обеспечения совместной работы.

В этом случае, по сути, интерфейс - является спецификацией (описанием) и

соответствующей реализацией процедуры или процесса их взаимодействия.

Интерфейс определяет свойства, характеристики и параметры границ

взаимодействия систем (или является их описанием). Параметры могут быть

логическими, физическими, функциональными, электрическими и, возможно,

другими, а характеристики – обычно конструктивными. Другими словами,

характеристики могут определяться конструкцией устройства, решаемыми им

задачами, а также применяемыми технологиями.

Таким образом, за внешней простотой и комфортностью любого

существующего интерфейса используемых человеком устройств,

(включающих микропроцессорные элементы – тьюнеров, холодильников,

автомобилей и др.) или информационных систем (компьютеров, мобильных

систем, программных компонентов и др.) – скрывается многослойная структура

многочисленных межкомпонентных интерфейсов и реализующих их

программно-аппаратных средств. Описание взаимодействия разных

логических, физических и программных компонентов модели клиент-сервер в

обобщённом виде может быть представлено так, как показано на рисунке 4.32.

101

Элемент 1 (Компонент 1)

Элемент 2 (Компонент 2)

Интерфейс

межэлементный

Интерфейс

элемента 1

Интерфейс

элемента 2

Уровень реального взаимодействия

Концептуальная модель

Интерфейс – это участок (среда),

где встречаются и взаимо-

действуют две независимые

системы

Уровень информационного

взаимодействия:

–

обмен информацией (данными), совместимость данных;

–

передача/приём сообщений

–

генерация данных /декодирование данных

–

ответная реакция системы (формирование ответов/

декод

ирование ответов)

Реализации

Информационная структура данных:

–

знаковая, текстовая, графическая, звуковая и др..

Межсистемный интерфейс:

–

взаимодействие с персональны

ми компьютерами,

управл

ение горными и др. машинами, система

орожних знаков и т.д.

Интерфейс пользователь-данные:

–

компьютер-интерфейс доступа к цифровым данным

–

текстовые редакторы; табличные процессоры;

граф

ические редакторы, музыкальные

проигрыватели, браузеры и т.д

Аппаратный интерфейс:

–

слоты, коннекторы, сокеты, разъёмы, штеккеры/

гнёзда и т.д.

Электронный интерфейс:

–

уровни сигналов, последовательности сигналов,

импедансы и т.д.

Программный интерфейс:

–

параметры (формальные, фактические),

игнатуры, указатели, методы и т.д.

Рис. 4.32. Многоуровневая модель структур представлений интерфейса

Абстрактный уровень:

Модельный уровень (взаимодействия):

нтерфейс - набор операций, которые описыва

ют

слуги (сервис), предоставляемые классом или

компонентом

Логическая абстракция данных

Класс

- описание совокупности объектов с общи

ми

атр

ибутами, операциями, отношенн

ями, семантикой.

Реализует один или несколько интерфейсов.

Физическая абстракция:

Компо

нент – физическая упаковка логических

лементов, таких как классы, интерфейсы и

кооперации.

Программные (языковые) абстракции:

классы (абстрактные типы данных), сообщения,

етоды и т.д.

Логическая абстракция взаимодействия

–

соглашения о связях, протоколы, спе

цификаци,

логические номера и имена у

стройств и т.д.

Концептуальные абстракции:

–

наследование, инкапсуляция и т.д.

Технологические абстракции:

Су

щности, которые являются основными элементами

модели

Архитектурный (сетевой) уровень:

модель клиент/сервер

Физическая реализация элементов:

–

системы;

–

физические объекты;

–

компоненты систем, вычислительных сетей;

–

фрагменты кодов (программы);

–

проекты (файлы, в которых сохраняется вся

нформация о работе пользователя в среде

программной си

стемы);

–

артефакты проектирования (физическая

реализ

ация компонентов системы): программы,

исходный код, исполняемый код,

требования к

систем

е, тесты, прототипы, версии ПО,

программные компонент

ы, спецификации,

протокол

ы, приложения.

Компьютер

Пользователь

102

____На рисунке изображены разные "представления" сложного понятия

интерфейс в модели клиент-сервер. Действительно, во-первых, в его структуре

представлены реализации совместного, реального взаимодействия объектов

самой разной природы (человек-компьютер, человек-программа,

программа-принтер и т.д.).

Во-вторых, в процессе проектирования и моделирования сложных

процессов взаимодействия информационных систем (например, средствами

языка UML) интерфейсы рассматриваются на концептуальном, абстрактном,

логическом, физическом и архитектурном уровнях (к примеру, введение

логических имён устройств, описание взаимодействия компьютеров в сети,

взаимодействие программ и распределённых компонентов, которые находятся

на нескольких компьютерах одновременно и т.д.).

В-третьих, в связи с расширеннем способов передачи данных между

компьютерами, и в том числе и беспроводно, усложняются протоколы и

спецификации взаимодействия, а следовательно, и интерфейсы.

Если же рассматривать последовательно принципы взаимодействия

сущностей или объектов в процессе их взаимодействия и последующей

реализации интерфейсов между ними, то, согласно рисунка 4.32,

последовательность изучения с целью дальнейшей реализации такого

взаимодействия может выглядеть следующим образом.

1. Принципиальное рассмотрение возможностей реализации

взаимодействия двух компонентов или элементов на уровне запросов

необходимых сервисов (клиент) и обеспечения этими сервисами (сервер),

проводится на концептуальном и архитектурном уровнях. Здесь изучаются

возможности принципиальных подходов для реализации взаимодействия на

программном и физическом уровнях, то есть на уровнях поддержки процессов

информационного взаимодействия сущностей путём разработки конкретных

кодов программ, электрических, электронных и механических компонентов, а

также осуществления информационного взаимодействия с помощью создания

соответствующих интерфейсов.

2. Далее следует этап анализа и проектирования, то есть представления и

моделирования компонентов, которые принимают участие во взаимодействии,

реализация которого разрабатывается. На данном уровне применяются

абстракции данного этапа, как правило, при поддержке средств языка UML.

3. При выборе средств реализации в рамках моделей интерфейсов и языков

реализации применяются логические абстракции.

4. На уровне программной реализации моделей, которые разработаны

(классов, объектов и их многоуровневого взаимодействия), применяются

средства конкретного языка программирования: С++, Object Pascal, Visual C++,

Java, C# и других (программные абстракции).

5. По мере развития технологий всё большее число разнообразных

электронных компонентов приобретают возможность использовать сервисы

друг друга (технологические абстракциии). К примеру, мобильные телефоны

уже имеют возможность обмениваться данными с серверами Internet и другими

службами WWW.

103

6. Физические абстракции позволяют выделять наборы компонентов в

логически связанные комплексы, которые представляют собой элементы с

более высоким уровнем организации (к примеру, организация интерфейса

беспроводного манипулятора мышь с компьютером).

Рассматривая комплексно совокупность множества интерфейсов,

существующих между сложными системами (к примеру, человеком и

компьютером), можно назвать их системными.

Подводя итоги всему вышесказанному, виды интерфейсов, которые

поддерживаются в сложной, многоуровневой архитектуре клиент-сервер,

можно условно разбить на следующие группы (таблица 4.1).

Таблица 4.1

Взаимодействующие сущности, объекты, системы, компоненты, элементы

и их интерфейсы

№

пп.

Взаимодейству-

ющие сущности,

объекты и т.д.

Вид (тип)

интер-

фейса

Способы и средства поддержки

Уровни

реализации

Человек–

реальный

объект

Систем-

ный

Компьютерные, языки

программирования, язык UML, CASE-

средства, физические устройства

(микропроцессоры)

Логический,

программный,

физический

Человек–

компьютер

(ПК)

Систем-

ный

Командные (текстовая строка,

сочетания клавиш клавиатуры, щелчки

клавишами мыши); графические

(графические объекты, кнопки, меню);

языки программирования; RAD-

средства, физические устройства

Логический,

программный,

физический

Человек–

устройство

ПК

Систем-

ный

Логические имена в ПК, языки

программирования, RAD-средства,

кнопки устройств

Программный,

физический

Человек–

программа

(приложение)

Систем-

ный

Командные (текстовая строка,

сочетания клавиш клавиатуры, щелчки

клавишами мыши); графические

(графические объекты, кнопки, меню);

языки программирования; RAD-

средства

Программный

Компьютер–

компьютер

Систем-

ный

Сетевые, устройства коммуникации,

программы, языки программирования

Программный,

физический

Программа–

программа

Програм-

мный

Программные, имена, языки

программирования

Программный

Объект

(программы)

– объект

Програм-

мный

Програмные, имена, GUID, UUID,

CLSID, языки программирования

Программный

Программа–

устройство

Програм-

мный

Программные, имена, языки

программирования, устройства

коммуникации, протоколы

Программный,

физический

Устройство–

програма

Програм-

мный

Программные, имена, языки

программирования, устройства

коммуникации, протоколы

Программный,

физический

Устройство–

устройство

Физичес-

кий

Устройства коммуникации,

протоколы, соглашения

Физический,

программный

Устройство–

устройство

Програм-

мный

Программные, языки

программирования

Программный

С проникновением компьютеров во всё большое число областей

деятельности человека, системный интерфейс продолжает оставаться "горячей"

104

точкой концентрации усилий разработчиков аппаратных и программных

средств. Вместе с тем, и это самое главное, продолжают совершенствоваться

информационные модели и технологии их реализации. В последнее время

появились визуальные средства программирования (Delphi, Visual C++, Visual

Basic и ряд других), в которых реализованы объектно-ориентированные

концепции программирования и инструменты реализации соответствующих

моделей (COM, DCOM, OLE Automation, ActiveX и т.д.). Быстро развиваются

компонентные модели и технологии, базирующиеся на спецификациях и

архитектурах .NET и Java, которые реализуют широкие функциональные

возможности взаимодействия устройств, программ, компонентов, а также

обработки информации в Internet и WWW.

Одновременно с ними совершенствуются новые технологии анализа и

проектирования (UML, CASE-технологии, Web-технологии и много других). Не

отстают и разработчики аппаратных средств, которые предлагают все новые и

новые технические и технологические решения организации доступа ко всё

возрастающим объёмам разнообразной информации (DVD, беспроводные

Internet-сервисы, радио и телевидение в Internet и т.д.), а гонка всё

продолжается...

Вопросы.

Почему понятие ″интерфейс″ имеет несколько значений?

Приведите примеры интерфейсов разных уровней.

Чем отличается аналоговое представление процесса от цифрового?

Что такое данные? Приведите примеры.

Что такое информация? Приведите примеры.

Какие концептуальные составляющие должны присутствовать для

обеспечения процесса взаимодействия пользователя с компьютером?

Какие экранные объекты, обеспечивающие графический интерфейс

пользователя являются пассивными, а какие активными?

Какие концепции лягли в основу разработки WIMP-интерфейсов?

Приведите примеры метафор, которые используются для создания

графического интерфейса пользователя?

10.

Какие задачи выполняют в компьютере расширения имён файлов?

11.

Чем отличаются аппаратные интерфейсы от программных?

12.

Каковы основные элементы модели клиент-сервер и в чём состоит

основной принцип их взаимодействия?

106

В корне неверной является идея,

что имеется только один правильный

способ или язык, чтобы решить любую

проблему для любого пользователя.

Бьёрн Страуструп, автор языка С++.

(из интервью 21.02.2001)

5. ЭВОЛЮЦИЯ ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

5.1. Начало развития языков программирования

Создатели первых языков программирования высокого уровня для

компьютеров, стремились делать их в меньшей степени похожими на среду

общения между человеком и компьютером и в большей – на упорядоченный

набор знаков и символов. Изначально держать курс на традиционную и

устоявшуюся математическую символику предложил Х. Рутисхаузер (в 1952

г.), ставший родоначальником идеи языков программирования и одним из

авторов языка Алгол-60. Широкое распространение и применение его идеи

получили лишь в 1957 г., после того, как корпорация IBM опубликовала

описание языка Фортран и реализовала для него компилятор, транслировавший

программы в машинный код. По сути, с этого момента и началась эпоха языков

программирования (рис. 5.1).

К настоящему времени программирование, как процесс, состоит в

создании компьютерных программ, содержащих конкретные инструкции

// The main Program

begin

integer N;

Read Int(N);

begin

real array Data[1:N];

real sum, avg;

integer i;

sum:=0;

for i:=1 step 1 until N do

begin real val;

Read Real(val);

Data[i]:=if val<0 then –val

else val

end;

for i:=1 step 1 until N do

sum:=sum + Data[i];

avg:=sum/N;

Print Real(avg)

end

а) б)

Рисунок 5.1. Фрагменты текста программ на языках

Фортран (а) и Алгол (б)

107

(команды) для выполнения их компьютером. Различные части программы

могут быть написаны на различных языках программирования (ЯП). Язык

программирования представляет собой стандартизированное средство

коммуникации для сообщения компьютеру команд на выполнение конкретных

задач. Он также предоставляет программисту возможность точно указать,

какими видами данных компьютер должен манипулировать, а также

последовательность действий в различных обстоятельствах. Таким образом,

преследуются две основные цели:

 выражать программу на логическом уровне, значительно

превосходящем логику низкоуровневых кодов блока центрального процессора

(CPU-Central Processing Unit);

 обеспечивать совместимость и переносимость разрабатываемых

программ между различными компьютерными платформами, которые, как

правило, имеют разное программное обеспечение (ПО) для их трансляции в

машинный язык конкретной системы.

Если механизм трансляции применяется ко всему тексту программы

целиком для перевода её во внутренний формат компьютера, то такой вид

обработки называется компиляцией. В результате компиляции фрагмента кода

программы мы получаем файл с расширением .EXE. В противоположном

случае текст программы транслируется шаг за шагом, и каждый шаг

выполняется немедленно и такой механизм называется интерпретацией.

Интерпретируемые программы выполняются более медленно, чем

компилируемые, но обладают значительно большей гибкостью при

взаимодействии с програмно-аппаратными средствами компьютера (рис. 5.2).

ПРОГРАММА

PROG1

Строка 1

Строка 2

………….

Строка N

КОМПИЛЯТОР

(обрабатывает всю

программу, создаёт

файл

двоичного кода с

расширенем .ЕХЕ, а в

момент выполнения

программы сам в ОЗУ

может не находиться)

Файл

PROG1.EXE

(выполнение)

Оперативное

запоминающее

устройство ПК

(ОЗУ)

()

ПРОГРАММА

PROG2

Строка 1

Строка 2

………….

Строка N

ИНТЕРПРЕТАТОР

(программа-контейнер,

которая находится в ОЗУ и

выполняет программу

PROG2, путём

последовательной обработки

строки за строкой)

Строка1 передаётся

интерпретатору

Строка2

И так далее…

Вся программа с

диска целиком

обрабатывает

ся

компилятором

Магнитный

диск

Рис. 5.2. Технология обработки исходных текстов программ

компиляторами и интерпретаторами с последующим выполнением

108

В современных компьютерах интерпретаторы трансформируются в

программы (приложения)-контейнеры, обладающие значительно большей

функциональностью. К ним можно отнести приложения MS Excel, MS Word,

MS Internet Explorer и многие другие (см. главу 6).

5.2. Расширение функциональности языков программирования

В компьютерах 70-80-х годов на начальных этапах их развития большое

значение имели языки программирования систем (system programming language)

(ЯПС). К ним можно отнести языки ассемблеров и ряд языков высокого (high

level) уровня (Паскаль, Си, С++ и Java). Постепенно последние почти

полностью вытеснили языки ассемблера при разработке больших приложений.

При компиляции текстов программ этих языков получаются достаточно

компактные двоичные коды, дающие высокую скорость выполнения программ.

Одним из главных достоинств ЯПС всегда считалась так называемая типизация,

при которой:

 каждая переменная, для хранения данных, должна быть изначально

декларирована с тем, чтобы быть приписанной к определенному типу: целое

(Integer), вещественное (Real, Double), указатель на строку (String) и т. д., а

также должна использоваться только теми способами, которые этому типу

соответствуют;

 данные и код разделены. При этом трудно, если вообще возможно,

создать новый код во время выполнения программмы;

 переменные могут быть сгруппированы в объекты с хорошо

определенной структурой и процедурами для манипуляции ими. Объект одного

типа не может быть использован там, где ожидается использование объекта

другого типа (рис. 5.3).

Типизация обеспечивает целый ряд преимуществ:

 большие программы она делает более технологичными благодаря

точному определению используемых сущностей и их отличий от других;

 компиляторы используют информацию о типах для обнаружения

определенных видов ошибок, таких как попытка, к примеру, задействовать

величину с плавающей точкой как указатель;

 типизация повышает эффективность исполнения, позволяя

компилятору генерировать специализированный компактный двоичный код.

(Число типа Integer) нельзя (!!!) разделить не нацело

на (Число типа Real)

если результат присваивается переменной I типа Integer.

То есть, оператор вида: I := (24 / 5.37е–2); –

запрещён!

Рис. 5.3. Пример типизации в языке Турбо Паскаль

109

В сильно типизированном языке программист обязательно декларирует,

как каждая порция информации будет использована, а язык предотвращает ее

использование другим способом. В слабо типизированном языке не существует

априори заданных ограничений на использование информации; ее смысл

определяется только способом, которым она используется.

Вместе с тем, сами по себе современные компьютеры принципиально

бестиповые. Любое слово памяти может хранить величину любого типа, будь

то целое или вещественное число, указатель или команда. Смысл (значение)

величины определяется тем, как она применяется. Одно и то же слово может

использоваться в разных случаях по-разному. К примеру, в языке Visual Basic

(VB) 6.0 специальный тип данных Variant позволяет хранить данные всех

остальных типов (с возможностью последующей обработки соответствующими

обрабатываемому типу операциями) (рис. 5.4).

Array

Byte

Boolean

Currency

Date

Double

Integer

Long

Object

Single

String

С середины 90-х годов начали появляться так называемые языки сценариев

(scripting languages, скриптовые языки) (ЯС). В первую очередь это было

связано с вовлечением в сетевые структуры всё большего количества

компьютеров, активизацией процесса распределённых вычислений в сетевых

средах и резким ростом объёма информации, обрабатываемой через Internet

средствами World Wide Web (WWW). Языки программирования, как правило,

разрабатывались для интерактивного использования и имели в своём составе

много команд, представляющих собой мини-программы, предназначенные для

комбинирования уже существующих компонентов. Из более, чем 30-ти

наиболее популярных ЯС (см. табл. 5.1) можно особо отметить языки Visual

Basic, Perl, PHP, Rexx, Tcl и оболочки Unix (shell).

Таблица 5.1.

Список основных языков скриптов в алфавитном порядке

ASP (Active

Server Pages)

AppleScript

Awk

bash

Brain

CobolScript

Dylan

Euphoria

Guile

ICI

JavaScript

(ECMAScript)

JCL

Lua

Miva

MUMPS

ObjectRexx

Perl

PHP

Pike

Pliant

Python

QuakeC

REBOL

Rexx

Ruby

ScriptBasic

sh (shell)

Simkin

Tcl

UnrealScript

Visual Basic (VB)

VBScript

И хотя языки сценариев часто используются для расширения свойств

компонентов, они мало пригодны для программирования сложных алгоритмов

Тип

Variant

Рис. 5.4. Многофункциональность типа Variant

в языке Visual Basic