В главе излагаются основы вычислений. В частности, объясняется, как вычислять значения с помощью набора операндов (выражений), как выбирать альтернативные действия (операции выбора) и повторять вычисления (итерации), как присвоить имя конкретному фрагменту вычислений (функции). Основная цель главы — представить вычисления с помощью методов, ведущих к созданию правильных и хорошо организованных программ. Для того чтобы научить вас выполнять более реалистичные вычисления, мы вводим тип

, предназначенный для хранения последовательностей значений.

4.1. Вычисления

 

 Все программы что-нибудь вычисляют; иначе говоря, они получают на вход какие-то данные и выводят какие-то результаты. Кроме того, само устройство, на котором выполняются программы, называется компьютером[5]. Эта точка зрения является правильной и обоснованной, пока мы придерживаемся широкой трактовки ввода и вывода.

Входная информация может поступать с клавиатуры, от мыши, с сенсорного экрана, из файлов, от других устройств ввода и других частей программы. К категории “другие устройства ввода” относятся наиболее интересные источники данных: музыкальные клавишные пульты, устройства видеозаписи, датчики температуры, сенсоры цифровых видеокамер и т.п. Разнообразие этих устройств бесконечно.

Для обработки входной информации программы обычно используют специальные данные, которые называют структурами данных (data structures) или их состояниями (states). Например, программа, имитирующая календарь, может содержать списки праздничных дней в разных странах и список ваших деловых свиданий. Некоторые из этих данных с самого начала являются частью программы, а другие возникают, когда программа считывает данные и извлекает из них полезную информацию. Например, программа, имитирующая календарь, может создавать список ваших деловых встреч по мере того, как вы будете вводить их в нее. В этом случае основной входной информацией являются запросы месяца и дня встречи (возможно, с помощью щелчка мышью) и ввод данных о деловых встречах (возможно, с помощью клавиатуры). Устройством вывода для этой программы является экран, на котором высвечиваются календарь и данные о назначенных встречах, а также кнопки и приглашения для ввода, которые программа может выводить на экран самостоятельно.

Входная информация может поступать от самых разных источников. Аналогично, результаты могут выводиться на разные устройства: на экран, в другие программы или части программы. К устройствам вывода относятся также сетевые интерфейсы, музыкальные синтезаторы, электрические моторы, генераторы энергии, обогреватели и т.п.

С программистской точки зрения наиболее важными и интересными категориями ввода-вывода являются “в другую программу” и “в другие части программы”. Большая часть настоящей книги посвящена последней категории: как представить программу в виде взаимодействующих частей и как обеспечить взаимный доступ к данным и обмен информацией. Это ключевые вопросы программирования. Проиллюстрируем их графически.

Аббревиатура I/O означает ввод-вывод. В данном случае вывод из одной части программы является вводом в следующую часть. Эти части программы имеют доступ к данным, хранящимся в основной памяти, на постоянном устройстве хранения данных (например, на диске) или передающимся через сетевые соединения. Под частями программы мы подразумеваем сущности, такие как функция, вычисляющая результат на основе полученных аргументов (например, извлекающая корень квадратный из числа с плавающей точкой), функция, выполняющая действия над физическими объектами (например, рисующая линию на экране), или функция, модифицирующая некую таблицу в программе (например, добавляющая имя в таблицу клиентов).

Когда мы говорим “ввод” и “вывод”, обычно подразумеваем, что в компьютер вводится или из компьютера выводится некая информация, но, как вы вскоре увидите, мы можем использовать эти термины и для информации, переданной другой части программы или полученной от нее. Информацию, которая является вводом в часть программы, часто называют аргументом, а данные, поступающие от части программы, — результатом.

Вычислением мы называем некое действие, создающее определенные результаты и основанное на определенных входных данных, например порождение результата (вывода), равного 49, на основе аргумента (ввода), равного 7, с помощью вычисления (функции) извлечения квадратного корня (см. раздел 4.5). Как курьезный факт, напомним, что до 1950-х годов компьютером[6] в США назывался человек, выполнявший вычисления, например бухгалтер, навигатор, физик. В настоящее время мы просто перепоручили большинство вычислений компьютерам (машинам), среди которых простейшими являются калькуляторы.

4.2. Цели и средства

 

 Цель программиста — описать вычисления, причем это должно быть сделано следующим образом:

• правильно;

• просто;

• эффективно.

Пожалуйста, запомните порядок этих целей: неважно, как быстро работает ваша программа, если она выдает неправильные результаты. Аналогично, правильная и эффективная программа может оказаться настолько сложной, что ее придется отклонить или полностью переписать в виде новой версии. Помните, что полезные программы всегда должны допускать модификации, чтобы учитывать новые потребности, новые аппаратные устройства и т.д. Для этого программа — и любая ее часть — должны быть как можно более простыми. Например, предположим, что вы написали идеальную программу для обучения основам арифметики детей в вашей местной школе, но ее внутренняя структура является слишком запутанной. На каком языке вы собираетесь общаться с детьми? На английском? Английском и испанском? А не хотели бы вы, чтобы вашу программу использовали в Финляндии? А в Кувейте? Как изменить естественный язык, используемый для общения с детьми? Если программа имеет слишком запутанную структуру, то логически простая (но на практике практически всегда очень сложная) операция изменения естественного языка для общения с пользователями становится непреодолимой.

 

 Забота о правильности, простоте и эффективности программ возлагается на нас с той минуты, когда мы начинаем писать программы для других людей и осознаем ответственность за качество своей работы; иначе говоря, решив стать профессионалами, мы обязаны создавать хорошие программы. С практической точки зрения это значит, что мы не можем просто нагромождать инструкции, пока программа не заработает; мы должны разработать определенную структуру программы. Парадоксально, но забота о структуре и качестве кода часто является самым быстрым способом разработки работоспособных программ. Если программирование выполнено качественно, то хорошая структура программы позволяет сэкономить время на самой неприятной части работы: отладке. Иначе говоря, хорошая структура программы, продуманная на этапе разработки, может минимизировать количество сделанных ошибок и уменьшить объем времени, затрачиваемого на поиск таких ошибок и их исправление.

 

 Наша главная цель при организации программы — и организации наших мыслей, возникающих в ходе работы над программой, — разбить большой объем вычислений на множество небольших фрагментов. Существуют два варианта этого метода.