Бусыгин Б.С., Коротенко Г.М., Коротенко Л.М. Введение в современную информатику
Подождите немного. Документ загружается.
130
В ИСР интегрированы текстовый редактор для набора кодов программы,
транслятор, редактор связей и загрузчик, поэтому все создаваемые файлы (PAS,
TPU, EXE, DLL и другие), как правило, сохраняются на магнитном диске.
Кроме того, в среде всегда присутствуют средства отладки программы
(дебаггеры) и много других дополнительных сервисных возможностей.
Поскольку разработка подобных средств велась до периода расцвета
графических возможностей компьютеров, работа с ИСР активно
поддерживается командами, представляемыми отдельными клавишами и их
сочетаниями (Esc, Ctrl + F9, Alt + F5 и так далее). Однако, несмотря на то, что в
режиме MS DOS из Турбо Паскаля можно напрямую работать с портами,
видеопамятью, секторами и дорожками дисков и т.д., следует чётко
представлять, что все эти действия поддерживаются системными функциями
соответствующей операционной системы (MS DOS, Windows и др.).
Появление операционной системы Windows существенно усложнило
программирование, так как с позиции программиста ОС Windows представляет
для работы набор системных функций, образующих так называемый API–
интерфейс прикладных программ (API–Application Programming Interface).
Поэтому, чтобы выполнить то или иное действие (например, открыть на экране
окно, вычертить линию, создать кнопку и др.), программа должна обратиться к
соответствующей функции API.
Функции API операционной системы, которых только в ОС Windows 95
насчитывалось более 800-
т, образуют её ядро и хранятся в многочисленных
DLL-библиотеках. Среди многих других они реализуют следующие системные
функции:
управление памятью, загрузка/удаление программ из памяти и
обеспечение непосредственной поддержки выполнения программ;
управление окнами (создание, изменение размеров, перемещение,
удаление) и др.;
управление вводом с клавиатуры, работа с мышью;
взаимодействие с внешними устройствами (экраном, принтером и др.).
Усложнение взаимодействия с таким большим количеством системных
функций привело к необходимости упрощения для пользователя самого
процесса программирования и создание для этого интегрированных сред
быстрой разработки приложений (RAD – Rapid Application Development) для
визуального и быстрого программирования (создания Windows-приложений).
Пионерами этого процесса выступили корпорация Microsoft, которая создала
RAD среды Visual Basic и Visual Studio (для языков C++, Visual Basic и др.), а
также Borland International (потом Inprise), которая создала среду Delphi
7
(с
языком Object Pascal). Строительными блоками программы стали компоненты –
объекты, имеющие визуальное представление на стадии проектирования и во
время работы (рис.6.8).
7
Автором Delphi в 1995 г. стал Андерс Хейльсберг (Anders Hejlsberg), соавтор разработки системы Турбо
Паскаль, а затем в 2000 г. в статусе ведущего разработчика (distinguished engineer) корпорации Microsoft,
ставший автором языка С# (С-шарп) и соавтором создания платформы .NET (Дот НЕТ)
(http://www.microsoft.com/presspass/press/2001/apr01/04-11AndersPR.asp).
131
Рис. 6.8. Общий вид визуальной среды программирования Delphi 6. На
заднем плане форма, на переднем – окно с кодом.
В левом нижнем углу – список свойств формы.
Популярность среде быстрой разработки приложений Delphi принесли
мощный внутренний объектно-ориентированный язык программирования
Object Pascal и уникальные по своей простоте и гибкости средства работы с
базами данных. В дальнейшем, начиная с версии Delphi 5 и выше, появились
возможности создания многофункциональных приложений (Windows, Internet,
многоярусных (Multi-Tier) и др.), серверов COM и CORBA, а также отдельных
компонентов. Компоненты, участвующие в разработке, представлены в виде
иерархии классов, реализованных на языке Object Pascal, и организованы в
Библиотеке визуальных компонентов (Visual Component Library, VCL),
подключённой к Delphi IDE. Популярность Delphi среди разработчиков
объясняется также и тем, что язык Object Pascal по возможностям превосходит
язык Visual Basic, мало уступает языку С++, а усваивается в два-три раза
быстрее последнего. Выполняемый код здесь получается достаточно
эффективным, скорость компиляции очень высока, а отладка, особенно по
сравнению с отладкой в С++, значительно проще и протекает быстрее.
Важнейшим элементом всех RAD, и Delphi в том числе, является удобная
визуальная среда, которая обеспечивает двунаправленную разработку
приложений из уже разработанных компонентов (т.е. изменения, сделанные в
визуальной среде, отражаются на исходном коде программы, а изменения
исходного кода отражаются в визуальной среде). При этом часть стандартных
132
фрагментов кода представляет RAD, а требуемые по ситуации коды
программист дописывает самостоятельно.
Основным элементом практически любого приложения является форма (то
есть окно произвольной формы), на которой размещаются все остальные
визуальные компоненты, а также меню, кнопки и соответствующие команды,
функциональность которых обеспечивает сам программист (рис. 6.9).
Учитывая то, что взаимодействие пользователя
с компонентами и компонентов между собой
происходят на уровне событий и откликов на них, в
программный код, кроме алгоритмических
составляющих, входят так называемые обработчики
событий. В этих фрагментах кода программист
указывает, как воспринять ввод тех или иных
данных в том или ином месте визуальных
компонентов, как расценить щелчок мыши в
конкретной точке формы и какие действия при этом
необходимо предпринять. Взаимодействие
компонентов между собой происходит на уровне
унифицированных СОМ интерфейсов (рис. 6.10).
Обычно, любая решаемая на компьютере
задача реализуется в Delphi в виде приложения.
Приложение создаётся из различных частей. Каждая
часть размещается в отдельном файле и выполняет
строго определённые функции. Набор файлов,
необходимых для создания приложения, называется проектом. Поэтому,
главной единицей разработки приложения является проект, хранящийся в
Рис. 6.10. Образное
представление
взаимодействия
компонентов на уровне
интерфейсов
Рис. 6.9. Форма с компонентами (меню, кнопками и командами),
которые разработаны в IDE RAD Delphi для решения конкретной задачи
(на переднем плане полная форма, на заднем – фрагмент)
133
файле, имеющем расширение DPR (сокр. от Delphi PRoject). Он представляет
собой главный программный файл на языке Object Pascal, который подключает
с помощью операторов uses все файлы модулей, входящих в проект. Каждой
проектируемой в RAD форме соответствует свой программный модуль (unit),
содержащий все относящиеся к форме объявления и методы событий,
написанные также на языке Object Pascal. Каждой форме соответствует свой
двоичный файл с расширением DFM, содержащий её описание. Программные
модули размещаются в отдельных файлах с расширением PAS. Кроме них
существует ряд дополнительных файлов.
Файл ресурсов с расширением RES (сокр. от RESource). В нём, кстати,
сохраняется пиктограмма приложения, которая будет видна на Панели Задач
Windows. В подключённых в виде модулей объектных файлах (имеют
расширение OBJ), размещаются компоненты, написанные на других языках
программирования (к примеру, на С++). Файл опций с расширением DOF (сокр.
от Delphi Option Files), содержит задаваемые программистом параметры
компиляции и компоновки проекта. Существуют ещё несколько типов файлов
выполняющих служебные функции, которые здесь обсуждаться не будут.
В целом, схематически процесс создания приложения в RAD Delphi можно
представить как набор последовательных шагов по созданию проекта (см. рис.
6.11).
В дальнейшем, загруженное в память компьютера приложение в виде
двоичного файла EXE или DLL выполняется как программный модуль.
Операционная система
IDE RAD Delphi
Файл описания
формы (DFM)
Файл описания
формы (DFM)
Файл программного
модуля (PAS)
Файл программного
модуля (PAS)
Файл программного
модуля (PAS)
Файл опций (DOF)
Файл ресурса (RES)
Файл проекта (DPR)
Приложение (EXE)
(на магнитном диске)
Компилятор
Проект
Рис. 6.11. Создание приложения в IDE RAD Delphi
134
Идеологически, таким же образом работают многие другие среды визуального
программирования для языков C++, Java, C# и ряда других.
Несколько отличается представление взаимодействия программных
компонентов в IDE MS Visual Studio.Net, где наибольшей программной
единицей является решение (solution). В ходе работы с IDE этот термин
ассоциируется с понятием рабочее пространство, так как буквальный перевод
— решение — не всегда однозначный. Концепция решения помогает
объединить проекты и другие информационные элементы в одном рабочем
пространстве. Множество файлов разного типа, в рамках одного решения
составляют приложение (application) Visual Studio.Net 7.0. Рабочеей
пространство может содержать несколько проектов, быть пустым или
содержать файлы, которые имеют смысл и вне контекста решения. В любом
случае, пользователь должен начинать работу в студии с открытия
существующего или создания нового рабочего пространства. Проект как
часть решения состоит из отдельных компонентов, например файлов, которые
описывают форму окна или шаблон диалога (re-файл), файлов с исходными
кодами программных модулей (.срр, .cs) и/или файлов, которые представляют
собой описание запросов к базе данных (database script).
Принципиально отличаются от приложений из визуальных RAD сред те
программы (подпрограммы, фрагменты кодов и т.д.), которые реализованы на
скриптовых языках и которые представляют собой обычные наборы текстовых
строк. К наиболее популярным скриптовым языкам, без сомнения, можно
отнести языки Visual Basic и Visual Basic for Applications (VBA), последний из
которых встроен во все без исключения офисные приложения Microsoft Office
а, в последнее время, и в геоинформационную систему ESRI ArcGIS. При
внешней похожести интерфейса VBA (рис. 6.12) на обычные IDE, коды
процедур-подпрограмм и процедур-функций не компилируются в двоичные
файлы с расширением EXE и DLL, а также не загружаются для выполнения в
оперативную память компьютера.
Исполнение инструкций скриптового кода, введённых в тело модуля, а
затем вызванных в окно кода, производится путём их интерпретации и
немедленного выполнения приложением-контейнером MS Excel, которое в это
время находится в оперативной памяти компьютера.
По такому же принципу работают и другие приложения-контейнеры и, в
том числе, MS Internet Explorer (IE). Находясь в оперативной памяти, IE,
являющийся браузером, т.е. просмотрщиком, принимает на входе строки с
тэгами (кодами) языка HTML и отображает закодированные страницы на
экране компьютера в соответствии с заданными параметрами разметки. А если
он встречает во входном тексте фрагменты программ (кодов) на скриптовых
языках, из которых наиболее популярны JavaScript и VBScript, интерпретирует
их и выполняет (рис.6.13).
С некоторыми, вообще говоря, отличиями работают и многие другие IDE и
RAD для создания программных кодов на разных языках. Не вдаваясь в
многообразие тонкостей их работы, приведём мнение одного из авторитетных
специалистов по программированию на Visual Basic, Андрея Колесова, автора
135
многочисленных статей в журналах "КомпьютерПресс", PCWeek/RE и на
сервере "Советы" VBA Форума. Его мнение таково
8
.
"Еще одной иллюзией является широко распространенное сейчас
представления о том, что квалификация программиста определяется тем, каким
инструментом он владеет. Более конкретно, C (си)– программист — это сильно,
Basic — не очень... Такое мнение не просто неверное: оно формирует
неправильное представление о действительности. На самом деле, квалификация
разработчика определяется его уровнем общеметодической подготовки и
глубиной знания инструмента. Короче говоря, есть более и менее
квалифицированные специалисты, соответственно, есть слабые C-
8
http://visual.2000.ru/develop/talks/talks1_1.htm
Рис. 6.12. Интерфейс IDE Visual Basic for Applications
Рис. 6.13. Пример кода на языке JavaScript, который размещён
на HTML-странице
136
программисты и сильные VB- программисты, и наоборот. При смене
инструмента, скорее всего, слабый разработчик останется слабым, а сильный —
сильным.
И все же, несмотря на более узкую и глубокую специализацию,
"многоязычие" программиста и сегодня является, если не обязательным, то, по
крайней мере, весьма желательным. Для Fortran-пользователей (и, наверное,
для С тоже) является очень полезными умение создание пользовательского
интерфейса с помощью одного из RAD-инструментов. Delphi является в
значительной степени самодостаточным инструментом, но вряд ли его
пользователь сможет обойтись без применения VB или Java. VB-разработчику
знание основ Java также совсем не повредит. И всем им нужно представление о
HTML и в ближайшее время — об XML.
В общем, в то время как мы в свое время долго спорили:
"Программирование — это наука или искусство?", американцы уже давно
пришли к выводу, что это — технология".
6.4. В какой среде работают программы и приложения?
Разработка программ неразрывно связана с архитектурой
вычислительных сред, для которых они и создаются. Тут под архитектурой
понимается методология объединения и взаимодействия элементов сложной
вычислительной структуры на логическом (л.у.), физическом (ф.у.) и
программном (п.у.) уровнях. Например, для сети LAN (см. Приложение 4),
которая состоит из 5-ти компьютеров, архитектура определяет, какая
используется схема соединения ПК (л.у.), какие компоненты аппаратуры
соединены (ф.у.) и какой набор программных продуктов обеспечивает работу
этой системы: ОС, серверы и т.д. (п.у.). Поэтому разработчику необходимо
чётко представлять в каких "измерениях" будет функционировать конечный
программный код и какую задачу выполнять: управлять аппаратурой,
реализовывать математический метод или клиент-серверное Web-приложение,
СОМ-сервер, сервлет, апплет и т.д.
Следует особо отметить, что с точки зрения архитектуры по Фон Нейману
собственно компьютер состоит из 5-ти следующих основных узлов: (рис.6.14):
арифметико-логического
устройства (АЛУ);
оперативной памяти (ОП, ОЗУ-
оперативного запоминающего устройства);
центрального устройства
управления (ЦУУ);
устройств ввода;
устройств вывода.
В данном случае, под архитектурой подразумевается описание вычисли-
тельной системы на некотором общем уровне, включающем описание
пользовательских возможностей программирования, системы команд и средств
пользовательского интерфейса, организации памяти и системы адресации,
операций ввода/вывода, управления и т.д.
137
Рис. 6.14. Джон Фон Нейман
и его описание архитектуры
компютера
И если простые однокомпьютерные
(т.е работающие с одним
микропроцессором) приложения
достаточно просто интегрируются в
структуру вычислительной среды, то
выход в сеть, где начинают
взаимодействовать многопроцессорные и
многосетевые образования, как правило,
существенно усложняет задачу и
приводит к необходимости
использования модели клиент/сервер или
компонентной модели Web-сервисов.
Термин клиент/сервер (или клиент-
сервер) впервые был применен в 80-х
годах, по отношению к процессу
использования и взаимодействия
персональных компьютеров в сетях
LAN (local area network). Современная
клиент/серверная модель проявила себя в
конце 80-х. Эта программная
архитектура является гибкой, основанной
на обмене сообщениями в модульной
инфраструктуре, предназначенной для
повышения практичности (usability), гибкости (flexibility), интероперабельности
(interoperability) и масштабируемости (scalability) программных систем и
приложений. Клиент является инициатором запросов на выполнение некоторых
услуг (services), а сервер – предоставляет необходимые запрошенные услуги
(services) клиенту.
Итак, рассмотрим последовательно важнейшие вычислительные
архитектуры. Архитектуре клиент/сервер предшествовали две архитектуры,
существующие и до нашего времени в связи с достаточно большим
количеством наследуемых систем, которые продолжают использоваться во
многих больших организациях разных стран мира.
Архитектура мэйнфреймов
9
(mainframe architecture) (рис. 6.15).
9
Линию мэйнфреймов продолжают современные суперкомпьютеры. По данным 2002 г., самым быстрым в
списке 500-т самых мощных суперкомпьютеров в мире являлся суперкомпьютер Earth Simulator, который был
построен японской компанией NEC для моделирования процессов, происходящих в литосфере, атмосфере и
гидросфере нашей планеты, подкреплённом соотвествующим ПО. Максимальная производительность
суперкомпьютера в тесте Linpack, достигнутая на практике (этот показатель обозначается Rmax), составила
35860 гигафлопс (1 гигафлопс =1 млрд. операций с плавающей точкой в секунду) Этот результат почти
вчетверо превосходит достижение ближайших конкурентов - двух идентичных компьютеров Hewlett-Packard
ASCI Q, поделивших 2-е и 3-е места в рейтинге с результатом Rmax = 7727 гигафлопс. Оба суперкомпьютера
впервые попали в рейтинг TOP 500. Они установлены в Лос-Аламосской национальной лаборатории США и
базируются на серверах AlphaServer SC ES45. В каждом суперкомпьютере установлено по 4096 процессоров
Alpha с частотой 1,25 ГГц.
По суммарной производительности суперкомпьютеров в списке TOP 500 лидирует
корпорация IBM (31,6%), за ней идут HP (22,1%) и NEC (14,6%). По количеству произведённых
суперкомпьютеров лидирует HP - эта компания построила 137 суперкомпьютеров, представленных в списке
TOP 500. На втором месте находится IBM (131 машина), а на третьем Sun Microsystems (88 суперкомпьютеров).
138
Характеризуется сосредоточением всех встроенных вычислительных
средств на центральном хост-компютере. Пользователи взаимодействуют с
хостом посредством ввода ключевых командных строк через терминалы. Хосты
не поддерживают графический интерфейс пользователя (GUI), но могут
взаимодействовать с ПК и рабочими UNIX-станциями (рис.6.15). В последнее
время в связи с постоянным ростом нагрузки и объёма информации на серверах
WWW, мэйнфреймы начали активно использоваться и в распределённых
клиент/серверных архитектурах. Сами же современные мэйнфреймы строятся
на кластерах многочисленных процессоров большой мощности.
В прошлом, мэйнфреймы назывались универсальными электронно-
вычислительными машинами (ЭВМ) и системы программного обеспечения,
писавшиеся для них, были, как правило, монолитными. Интерфейс
пользователя, деловая (бизнес) логика и функциональные возможности доступа
к данным выполнялись в одном большом приложении. Это было связано с тем,
что терминалы ввода-вывода, которые использовались для связи с
универсальными ЭВМ, не выполняли никаких операций по обработке данных.
Все эти операции выполнялись непосредственно мэйнфреймом. Таким образом,
создавалась монолитная архитектура приложений, иллюстрируемая на
рис. 6.16. Дальнейшее развитие архитектуры приложений было связано с
развитием персональных компьютеров, сетевых технологий и технологий
WWW и Internet.
Файл-ориентироованняа архитектура (file sharing architecture) связана в
первую очередь с обычными компютерными сетями LAN, в которых
компьютер-сервер загружает файлы из общего дискового пространству в среду,
которая используется настольными ПК на рабочих местах. А дальше
приложение пользователя запускается (совместно с логикой и данными) в среде
Мэйнфрейм и его компоненты:
– Операционная система
– Системы програмирования
– Приложения
– Данные и базы данных
ПК и рабочие
UNIX-станции
Терминалы
Рис. 6.15. Архитектура мэйнфреймов и работы с ним
139
Рис. 6.16. Монолитная архитектура
приложений мэйнфреймов
самого настольного ПК. Наиболее активно вычисления с использованием файл-
ориентированной архитектуры используется в локальных сетях LAN, которые
разворачиваютсяся в компьютерных классах учебных заведений, научных
организациях, а также в небольших частных фирмах.
Клиент/серверная архитектура
(client/server architecture)
возникла как результат
развития файл-
ориентированной архитектуры,
которая имеет некоторые
ограничения по
производительности и
масштабируемости. В новой
архитектуре мощный
компьютер, который
используется в качестве сервера
баз данных, заменил файл-
сервер. Использование систем
управления базами данных
СУБД (relational DataBase
Management System, DBMS)
позволило существенно
ускорить и упростить связи
пользователя с данными.
Клиент/серверная архитектура
резко снизила сетевой трафик, а
также обеспечила
многопользовательский доступ
к редактированию одних и тех
же записей данных в базах данных, которые используются совместно.
Основным способом взаимодействия клиентов и серверов стали удалённые
вызовы процедур (Remote Procedure Calls, RPCs) или предложения на
стандартном языке запросов (Standard Query Language, SQL) (рис.6.17 ).
В двухярусной архитектуре (two tier architectures) системный интерфейс
пользователя как правило размещён в среде настольного компютера
пользователя, а службы управления базами данных – на более мощном
компьютере сервере, который обеспечивает сохранение приложений, а также
Рис. 6.17. Модель клиент/серверной архитектуры с сервером баз данных