Podstawy informatyki

Algorytm – (Wikipedia) Algorytm - skończony, uporządkowany ciąg jasno zdefiniowanych czynności, koniecznych do wykonania pewnego zadania. Cechy algorytmu: Jednoznaczność (potrzebne dane, czynności i ich kolejność, oczekiwany wynik) Możliwość zastosowania do wielu podobnych zadań (klasa zadań rozwiązywanych za pomocą algorytmu)

Przykład – książka w bibliotece Problem- chcemy odszukać książkę znając autora i tytuł. Algorytm: Weź książkę (pierwszą z lewej z najwyższej półki) Sprawdź, czy jest to szukana książka. Jeśli tak – książka znaleziona, koniec algorytmu. Czy pozostały jeszcze niesprawdzone książki? Jeśli nie – książki nie ma w tej bibliotece, koniec algorytmu. Weź następną książkę (kolejna z prawej a gdy już nie ma pierwsza z lewej z niższej półki). Przejdź do punktu 2.

Poprawność, wykonalność Poprawny algorytm – dla określonej klasy danych zawsze otrzymujemy wynik zgodny z oczekiwaniami np. największą z możliwych wartość wskaźnika podczas optymalizacji. Wykonalny algorytm - dla określonej klasy danych algorytm zawsze się kończy (własność stopu). Algorytm musi być wykonalny aby mógł być poprawny.

Złożoność obliczeniowa Złożoność czasowa – czas najczęściej zależy od wymiarowości zadania. O czasie wykonania obliczeń decyduje niewielka część najczęściej wykonywanych operacji. Typowe zależności: Czas stały niezależny od wymiarowości Liniowa (n) Logarytmiczna (log2n) Liniowo-logarytmiczna (n * log2n) Kwadratowa (n2 ) Złożoność pamięciowa – często istnieje wymienność, szybsze obliczenia kosztem większego zapotrzebowania na pamięć Przykład – szukanie książki (w zbiorze n książek) Złożoność pesymistyczna – n sprawdzeń Złożoność średnia – n/2 sprawdzeń

Katalog uporządkowany Dla katalogu nieuporządkowanego nie znamy lepszego algorytmu wyszukiwania niż „pełny przegląd” (n) Dla katalogu uporządkowanego istnieje szybszy algorytm – „wyszukiwanie binarne” ((log2n)

Język programowania Przeznaczenie: definiowanie algorytmów. Wymagane cechy: Jednoznaczność Przejrzystość Zwarty zapis Precyzja. Czytelność Język programowania służy do: Komunikowania się programisty z komputerem Komunikowania się programisty z innymi programistami Komunikowania się programisty z samym sobą.

Podstawowe elementy Komentarze – uwagi pomagające zrozumieć opis algorytmu Deklaracje – używane biblioteki, przestrzeń nazw, opcje,… Zmienne – nazwa, typ (int, float, text) Stałe – dane używane w obliczeniach Struktury kontrolne (if, for, while,..) Procedury, funkcje, klasy

Zmienne i stałe Stała – pewna wartość używana podczas obliczeń np. 0.22 , ”abc” Zmienna – nazwana wielkość używana w obliczeniach, która może w trakcie obliczeń przyjmować różne wartości. Do przechowywania zmiennych rezerwuje się potrzebną ilość pamięci Podstawienie wartości na zmienną x=50 lub x=x+y Zmienne wykorzystujemy w wyrażeniach arytmetycznych i logicznych np.: if (x <100 && x>40) x=x+30;

Struktury kontrolne Zmieniają kolejność wykonywania komend języka if ( x > 100 ) { x1 = x } else { x1 = x+x1 } for (i = 0; i < 10; i++) { a[i] = a[i+1];} do {i++;} while (i < 10); switch (s) { case ”a”: x=”b”; break; … goto et100;

Procedury i funkcje Przeznaczenie: wygodne wydzielenie powtarzalnego fragmentu kodu np.: int xy(int x, int y) { … powtarzany fragment kodu } int – typ zwracanego wyniku xy – nazwa funkcji x – przekazywany parametr y – przekazywany parametr

Rekurencja Wywoływanie funkcji przez siebie Przydatny sposób do realizacji algorytmów dotyczących struktur wykazujących podobieństwo na różnych poziomach np. struktur hierarchicznych Realizacja z wykorzystaniem stosu – możliwe przepełnienie stosu

Klasy Wspólna definicja obiektów opisywanych tym samym zestawem atrybutów i funkcji Dziedziczenie – definiowanie nowej klasy na podstawie już zrealizowanej

Wyrażenia arytmetyczne i logiczne W językach programowania można używać swobodnie złożonych wyrażeń arytmetycznych i logicznych

Semantyka i syntaktyka W językach programowania ściśle określa się syntaktykę (gramatykę) – dopuszczalną budowę zdań języka (kolejność elementów, relacje między nimi,…) semantykę – znaczenie poszczególnych elementów języka (co spowoduje użycie pewnej konstrukcji językowej) Notacja BNF (Backus-Naur form) – ścisłe definiowanie gramatyki języków programowania (bezkontekstowe) Przykład: <liczba_binarna> ::= <liczba_binarna> <cyfra> <liczba_binarna> ::= <cyfra> <cyfra> ::= 0 | 1

Języki proceduralne Biblioteki procedur podzielone na grupy funkcjonalne Wszystkie dane potrzebne do wykonania przekazywane jako parametry podczas wywołania procedury (funkcji)

Języki obiektowe Definiujemy klasę obiektów podając listę atrybutów określających obiekt oraz listę funkcji, za pomocą których można wpływać na działanie obiektu. Tworzymy egzemplarze obiektów (słowo kluczowe new) np. przyciski w okienku. Do atrybutów można odwoływać się poprzez nazwę obiektu i nawę atrybutu np. nazwa.atrybut Funkcje obiektu można uruchomić podając nazwę obiektu i nazwę funkcji np. nazwa.funkcja()

Języki programowania Assembler Prolog Fortran Lisp Algol Perl, PHP Cobol PL-1 C Simula, Smalltalk C++ Java, C# Prolog Lisp Perl, PHP JavaScript

Assembler i macro-assembler Język programowania niskiego poziomu Asembler operuje na rejestrach procesora i komórkach pamięci Komendy odpowiadają rozkazom procesora Różne zestawy komend dla różnych modeli komputerów – brak przenośności oprogramowania pisanego w assemblerze Macro-assembler – możliwość definiowania szablonów, krótszy i bardziej czytelny kod ale trudności podczas testowania.

Rejestry procesora x86 AX – akumulator DX – rozszerzenie akumulatora do mnożenia i dzielenia CX – licznik iteracji BX – główny rejestr adresowy SP – wskaźnik stosu BP – wskaźnik ramki SI, DI – pomocnicze rejestry adresowe IP – licznik instrukcji FLAGS – rejestr wskaźników

Typowe rozkazy procesora kopiowanie danych z pamięci do rejestru kopiowanie danych rejestru do pamięci zapamiętywanie danych na stosie pobieranie danych za stosu dodawanie zawartości rejestrów odejmowanie zawartości rejestrów dodawanie i odejmowanie jedności zmiana znaku liczby działania na bitach iloczyn logiczny, suma logiczna, suma modulo 2 (różnica symetryczna), negacja, przesunięcie bitów w lewo lub prawo skoki bezwarunkowe skoki warunkowe

Przykładowy program w assemblerze start: mov ah, 9 mov dx, info int 21h mov ah, 0 int 16h mov ax, 4C00h Info db „Hello world$"

FORTRAN – formula translator zespół Johna Backusa 1954-57, IBM Uniwersalny język do obliczeń inżynierskich Programowanie z użyciem kart perforowanych Wyrażenia arytmetyczne, tablice, funkcje

Algol – algorithmic language John Backus, Peter Naur – specyfikacja przy współpracy międzynarodowej (Algol 60) Uniwersalny język algorytmiczny oparty na ściśle zdefiniowanej gramatyce (notacja BNF) Instrukcje blokowe (begin end) Tablice dynamiczne (rozmiar definiowane w trakcji obliczeń a nie podczas translacji) Rekurencja – wywoływanie procedur przez siebie Przekazywanie parametrów do procedur przez wartość

COBOL Common Business Oriented Language Język przetwarzania danych biznesowych Bardzo czytelny zapis – niepotrzebna dodatkowa dokumentacja Rozbudowana składnia Tylko zmienne globalne Brak dynamicznej alokacji pamięci, rekurencji Proste programowanie ale dużo pisania

PL-1 Programming Language One Opracowany w IBM na początku lat 60-tych „Wszystkomający” uniwersalny język programowania dla celów naukowych, inżynierskich i biznesowych Wiele typów danych Struktury danych Rozbudowane operacje we-wy dla wielu urządzeń Obszerna dokumentacja

Język C Opracowany dla własnych potrzeb do realizacji jądra systemu operacyjnego Unix 1969-73 w Laboratoriach Bell’a W 1978 Brian Kernighan i Dennis Ritchie opublikowali jego dokumentację Zwarty zapis np. { } zamiast begin end, i++ zamiast i = i + 1 Standardowa biblioteka funkcji (funkcje matematyczne, operacje we-wy, współpraca z systemem operacyjnym) Użycie zmiennych wskaźnikowych

Simula Rozszerzenie Algolu Opracowany w 1967 w Oslo jako uniwersalny język dla potrzeb symulacji Wprowadzono koncepcje klasy i obiektu Obiekty należące do tej samej klasy są opisywane przez te same parametry i funkcje Obiekty mogą być tworzone i usuwane

Smalltalk Powstał w latach 70-tych w firmie Xerox Pierwszy czysto obiektowy język programowania Wszystkie dane (nawet stałe) są obiektami Koncepcja maszyny wirtualnej – implementacja na różnych platformach Garbage collection – odzyskiwanie nieużywanej pamięci Zgrabny język o dużych możliwościach definiowania nowych funkcjonalności

C++ Powstał w latach 80-tych, Bjarne Stroustrup Rozszerzenie obiektowe języka C Klasy, dziedziczenie Konstruktory i destruktory – metody wywoływane podczas tworzenia i usuwania obiektów Bezpośrednie zarządzanie dostępną pamięcią. Operatory new i delete do alokacji pamięci dla danych, struktur i klas Przestrzenie nazw … Bogaty ale dość złożony język, którym łatwo można zrobić wszystko włącznie z błędami.

Java Opracowany w Sun Microsystems w latach 1991-94, James Gosling Podstawowe koncepcje przejęte z języka Smalltalk, składnia wzorowana na C++ ale starano się usunąć te elementy, które były przyczyną błędów programistycznych w C++ Kompilowany do kodu bajtowego – implementacja na wielu platformach Garbage collection Dziedziczenie tylko od jednej klasy Bogate biblioteki klas Nacisk na zastosowania sieciowe i programowanie rozproszone Uruchamianie programów – NetBeans, JBuilder

C# - C Sharp Odpowiedź Microsoftu na język Java Powstał w 2000 w zespole kierowanym przez Andersa Hejlsberga Kod kompilowany do języka CIL, wymaga środowiska uruchomieniowego .NET lub Mono DotGNU Garbage collection Dziedziczenie tylko z jednej klasy Możliwość dynamicznego tworzenia kodu w trakcie działania programu Bogate biblioteki klas .NET firmy Microsoft Silne wsparcie przy uruchamianiu programów w Visual Studio