ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ

Transcript

1

2 Adam Brooks Webber University of Winsconsin - Milwaukee ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Μια πρακτική εισαγωγή Μετάφραση επιστημονική επιμέλεια: Γεώργιος Φρ. Γεωργακόπουλος Ιωάννης Παπαδόγγονας E-BOOK ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ Ιδρυτική δωρεά Παγκρητικής Ενώσεως Αμερικής ΗΡΑΚΛΕΙΟ 2011

3 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ ΙΔΡΥΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΕΡΕΥΝΑΣ Hράκλειο Kρήτης, T.Θ. 1385, Tηλ.: , Fax: Aθήνα: Mάνης 5, Tηλ.: , Fax: ΣΕΙΡΑ: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΗ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ / ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔιευθυνΤΕΣ σειρας: Γεώργιος Φρ. Γεωργακόπουλος - Ιωάννης Παπαδόγγονας Τίτλος πρωτοτύπου: Modern Programming Languages. A Practical Introduction 2003 by Franklin, Beedle & Associates Inc. για την ελληνική γλώσσα, 2005 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ Μετάφραση - επιστημονική επιμέλεια: Επιμέλεια έκδοσης: Στοιχειοθεσία - σελιδοποίηση: Μακέτα εξωφύλλου: Γεώργιος Φρ. Γεωργακόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήματος Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστημίου Κρήτης Ιωάννης Παπαδόγγονας, Δρ Φυσικής, Επιστημονικός επιμελητής ΠΕΚ Ιωάννης Παπαδόγγονας ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ Βάσω Αβραμοπούλου ISBN

4 Στον John Galloway McCubbin

5 Περιεχόμενα Πρόλογος στην ελληνική έκδοση xvii Πρόλογος xix Ευχαριστίες xxiii KΕΦΑΛΑΙΟ 1: Γλώσσες προγραμματισμού Εισαγωγή Η εκπληκτική ποικιλία Προστακτικές γλώσσες Συναρτησιακές γλώσσες Λογικοκεντρικές γλώσσες Οντοστρεφείς γλώσσες Οι παράξενες αντιμαχίες Η αξιοπερίεργη εξέλιξη Οι πολλαπλές διασυνδέσεις Σύντομο σχόλιο για τις Διεπαφές για Προγραμματισμό Εφαρμογών Ανακεφαλαίωση KΕΦΑΛΑΙΟ 2: Ο ορισμός των συντακτικών κανόνων Εισαγωγή Ενδεικτική γραμματική για την αγγλική γλώσσα Ενδεικτική γραμματική για μια γλώσσα προγραμματισμού Ορισμός μιας γραμματικής: η μορφή ΒΝ Η σχεδίαση μιας γραμματικής Η λεκτική και η φραστική δομή μιας γλώσσας Άλλες μορφές γραμματικής Μορφή ΒΝ Μορφή ΕΒΝ Συντακτικά διαγράμματα Ασυμφραστικές τυπικές γραμματικές Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία

6 viii ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ KΕΦΑΛΑΙΟ 3: Σύνταξη και σημασιολογία: το σημείο συνάντησης Εισαγωγή Τελεστές Προτεραιότητα Προσεταιριστικότητα Άλλες πολυσημίες Στρυφνές γραμματικές Συντακτικά δένδρα και η μορφή EBN των γραμματικών Αφηρημένα συντακτικά δένδρα Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 4: Γλωσσικά συστήματα Εισαγωγή Η τυπική ακολουθία εργασιών Βελτιστοποίηση Παραλλαγές της τυπικής ακολουθίας Η απόκρυψη των ενδιάμεσων βημάτων Ενιαία περιβάλλοντα ανάπτυξης (ΕΠΑ) Διερμηνηνευτές Εικονικές μηχανές Ύστερη σύνδεση Σκιαγράφηση Δυναμική μετάφραση Συναπτικά στάδια Γλωσσοσχεδιαστικό στάδιο Υλοποιητικό στάδιο Μεταφραστικό στάδιο Συνδετικό στάδιο Φορτωτικό στάδιο Εκτελεστικό στάδιο Αποσφαλματωτές Εκτελεστική υποστήριξη Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ix KΕΦΑΛΑΙΟ 5: Πρώτη επαφή με τη γλώσσα ML Eισαγωγή Πρώτα βήματα με το γλωσσικό σύστημα ML Σταθερές Τελεστές Υποθετικές εκφράσεις Τυπομετατροπή και εφαρμογή συναρτήσεων Ορισμός μεταβλητών Ρακοσυλλογή Πλειάδες και κατάλογοι Ορισμοί συναρτήσεων Τύποι και επισημείωση τύπων Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 6: Τύποι Εισαγωγή Μια ζούγκλα από τύπους Οι τύποι είναι σύνολα Πρωταρχικοί και κατασκευασμένοι τύποι Απαριθμήματα Πλειάδες Συμβολοσειρές, συστοιχίες και κατάλογοι Ενώσεις Υπότυποι Συναρτησιακοί τύποι Η χρήση των τύπων Επισημείωση τύπων Συναγωγή τύπου Έλεγχος ορθοτυπίας Ζητήματα ισοδυναμίας τύπων Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις KΕΦΑΛΑΙΟ 7: Δεύτερη επαφή με τη γλώσσα ML Εισαγωγή Γνωστά μας μορφότυπα Άλλα παραδείγματα απλών μορφοτύπων Σύνθετα μορφότυπα

8 x ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ 7.5. Σύνοψη των μορφοτύπων ML μέχρι στιγμής Εναλλακτικά μορφότυπα για συναρτήσεις Το μορφοτυπικό ύφος γραφής προγραμμάτων Τοπικοί ορισμοί μεταβλητών Ένθετοι ορισμοί συναρτήσεων Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις KΕΦΑΛΑΙΟ 8: Πολυμορφισμός Εισαγωγή Υπερφόρτιση Μετασκευή παραμέτρων Παραμετρικός πολυμορφισμός Υποτυπικός πολυμορφισμός Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 9: Τρίτη επαφή με τη γλώσσα ML Εισαγωγή Μορφότυπα η συνέχεια Τιμές συναρτήσεων και ανώνυμες συναρτήσεις Υψηλοτάξιες συναρτήσεις και επαλληλία παραμέτρων Προκαθορισμένες υψηλοτάξιες συναρτήσεις Η απεικονιστική συνάρτηση map Η δ-σωρευτική συνάρτηση foldr Η α-σωρευτική συνάρτηση foldl Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις KΕΦΑΛΑΙΟ 10: Εμβέλεια Εισαγωγή Ορισμοί και εμβέλεια Εμβελειοθέτηση μέσω παραγράφων Εμβελειοθέτηση με επώνυμους ονοματοχώρους Εμβελειοθέτηση με πρωταρχικούς ονοματοχώρους Δυναμική εμβελειοθέτηση Λίγα σχόλια για την τμηματική μετάφραση Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ xi KΕΦΑΛΑΙΟ 11: Τέταρτη επαφή με τη γλώσσα ML Εισαγωγή Απαριθμήματα Τιμοκατασκευαστές με παραμέτρους Τυποκατασκευαστές με παραμέτρους Αναδρομικοί τυποκατασκευαστές Ανακεφαλαίωση και αποχαιρετισμός στην ML Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 12: Οι θέσεις μνήμης για τις μεταβλητές Εισαγωγή Ενεργοειδικές μεταβλητές Άλλα είδη μεταβλητών Δελτία ενεργοποίησης Στατική δέσμευση των δελτίων ενεργοποίησης Στοίβες και δυναμική δέσμευση των δελτίων ενεργοποίησης Χειρισμός ένθετων ορισμών συναρτήσεων Οι συναρτήσεις ως παράμετροι Μακρόβιες συναρτήσεις Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις KΕΦΑΛΑΙΟ 13: Πρώτη επαφή με τη γλώσσα Java Eισαγωγή Με τις οντότητες κατά νου Απλές εκφράσεις και εντολές Σταθερές και τύποι δεδομένων Τελεστές για πράξεις επί ακεραίων Τελεστές για πράξεις επί πραγματικών Συναρμογή συμβολοσειρών Συγκριτικοί τελεστές Λογικοί τελεστές Παρενεργικοί τελεστές Κλήσεις μεθόδων Οντοπαραγωγικές εκφράσεις Προσεταιριστικότητα, προτεραιότητες, μετασκευές, κ.λπ Απλές εντολές Σύνθετες εντολές Δηλωτικές εντολές

10 xii ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Η υποθετική εντολή if Η επαναληπτική εντολή while Η επιστροφική εντολή return Ορισμοί κλάσεων Παραπομπές και δείκτες Πρώτη επαφή με ένα γλωσσικό σύστημα Java Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 14: Διαχείριση μνήμης Εισαγωγή Ένα μοντέλο μνήμης με χρήση συστοιχιών της Java Στοίβες Σωροί Ο μηχανισμός της «πρώτης επαρκούς» περιοχής Συγκόλληση συνεχόμενων αδέσμευτων περιοχών Πρόχειροι κατάλογοι και ύστερη συγκόλληση Κατακερματισμός μνήμης Άλλες τεχνικές διαχείρισης του μνημοσωρού Τρέχουσες σωροπαραπομπές Εντοπισμός των τρεχουσών σωροπαραπομπών Σύμπτυξη σωρού Ρακοσυλλογή Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 15: Δεύτερη επαφή με τη γλώσσα Java Εισαγωγή Η υλοποίηση διεπαφών Επέκταση κλάσεων Επέκταση και υλοποίηση Πολλαπλή κληρονόμηση και υποκατάστατά της Αρχέτυπα και υποκατάστατά τους Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ xiii KΕΦΑΛΑΙΟ 16: Οντοστρέφεια Εισαγωγή Οντοστρεφής προγραμματισμός Οντοστρεφής ML Μη οντοστρεφής Java Σύνοψη Οντοστρεφείς γλώσσες - απάνθισμα χαρακτηριστικών Κλάσεις Πρωτότυπα Κληρονόμηση Ενθυλάκωση Πολυμορφισμός Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 17: Τρίτη επαφή με τη γλώσσα Java Εισαγωγή Εκπέμψιμες οντότητες Παραλαβή εξαιρέσεων Εκπομπή εξαιρέσεων Ελεγκτέες εξαιρέσεις Διαχείριση σφαλμάτων Απλή δήλωση των προϋποθέσεων Εξαντλητικοί ορισμοί Καταστροφικά σφάλματα Σήμανση των σφαλμάτων Εκπομπή εξαιρέσεων Και «τελικά» Ανακεφαλαίωση και αποχαιρετισμός στην Java Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 18: Παράμετροι Εισαγωγή Αντιστοιχία Τιμοδοτική διαβίβαση Τιμοληπτική διαβίβαση Δοσοληπτική διαβίβαση

12 xiv ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Παραπεμπτική διαβίβαση Διαβίβαση μέσω ανάπτυξης μακροεντολής Ονομαστική διαβίβαση Οικονομική (ονομαστική) διαβίβαση Ζητήματα προδιαγραφών Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις KΕΦΑΛΑΙΟ 19: Πρώτη επαφή με τη γλώσσα Prolog Εισαγωγή Οι δομικοί λίθοι: οι όροι της Prolog Πρώτα βήματα με ένα γλωσσικό σύστημα prolog Κανόνες Οι δύο όψεις της Prolog Ένα μικρό σχόλιο για την ερμηνεία των όρων Τελεστές Κατάλογοι Ειδικός συμβολισμός σχετικά με τους καταλόγους Το προσαρτησιακό κατηγόρημα append και άλλα ευέλικτα κατηγορήματα Το αντιστρεπτικό κατηγόρημα reverse και άλλα μη ευέλικτα κατηγορήματα Η ανώνυμη μεταβλητή Αρνήσεις και αποτυχίες Το είδος των εργασιών για τις οποίες προσφέρεται η Prolog Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 20: Δεύτερη επαφή με τη γλώσσα Prolog Εισαγωγή Ενοποίηση Ο έλεγχος εμφάνισης Μια διαδικαστική θεώρηση Οπισθοχώρηση Αντικατάσταση Μια υλοποιητική θεώρηση Το αναλυτικό βήμα Ο διερμηνευτής της Prolog Η συγκέντρωση των αντικαταστάσεων

13 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ xv Μια αφηρημένη θεώρηση - τα αποδεικτικά δένδρα Ο ορισμός των αποδεικτικών δένδρων Άπειρα αποδεικτικά δένδρα Μετονομασίες μεταβλητών Η πιο ανάλαφρη όψη της Prolog Τα άτομα ως συμβολοσειρές Αναγραφή και ανάγνωση : write και read Βεβαίωση και ανάκληση: assert και retract Ένα παιγνίδι περιπέτειας Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις KΕΦΑΛΑΙΟ 21: Κοστολόγηση Εισαγωγή Κοστολόγηση πράξεων σε καταλόγους Κοστολόγηση της κλήσης συναρτήσεων Κοστολόγηση της αναζήτησης στην Prolog Κοστολόγηση πράξεων σε συστοιχίες Εφήμερες αρχές κοστολόγησης Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις KΕΦΑΛΑΙΟ 22: Τρίτη επαφή με τη γλώσσα Prolog Εισαγωγή Αριθμητικοί υπολογισμοί Αριθμητική αποτίμηση Αριθμητικές συγκρίσεις Παραδείγματα Διερεύνηση προβληματοχώρου Το πρόβλημα του σακιδίου Το πρόβλημα των οκτώ βασιλισσών Ανακεφαλαίωση και αποχαιρετισμός στην Prolog Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 23: Τυπική σημασιολογία Εισαγωγή Γλώσσα Micro Ο διερμηνευτής Μια φυσική σημασιολογία

14 xvi ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Γλώσσα Micro-2: η προσθήκη μεταβλητών Ο διερμηνευτής Μια φυσική σημασιολογία Περί σφαλμάτων Γλώσσα Micro-3: η προσθήκη συναρτήσεων Ένας διερμηνευτής Μια φυσική σημασιολογία Περί σφαλμάτων Περί της σειράς αποτίμησης Άλλα είδη τυπικής σημασιολογίας Εκτελεστική σημασιολογία Αξιωματική σημασιολογία Υποδηλωτική σημασιολογία Ανακεφαλαίωση Ασκήσεις Βιβλιογραφία KΕΦΑΛΑΙΟ 24: Η ιστορία των γλωσσών προγραμματισμού Εισαγωγή Η προϊστορία του προγραμματισμού Η ιστορία των βαβυλώνιων προγραμματιστών Η ιστορία του Μοχάμεντ Αλ-Χουάριζμι Η ιστορία της Augusta Ada, κόμισσας του Lovelace Πρώιμες γλώσσες προγραμματισμού Η ιστορία της Plankalkül Η ιστορία της Fortran Η ιστορία της Lisp Η ιστορία της Algol Η ιστορία της Smalltalk Οι γλώσσες που εξετάσαμε σε αυτό το βιβλίο Η ιστορία της Prolog Η ιστορία της ML Η ιστορία της Java Ανακεφαλαίωση Βιβλιογραφία Επίλογος Ευρετήριο Γλωσσάριο

15 Πρόλογος στην ελληνική έκδοση Οι Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης έχουν την χαρά να παρουσιάσουν το βιβλίο Σύγχρονες γλώσσες προγραμματισμού, του Adam Brooks Webber. Το συγκεκριμένο σύγγραμμα επιλέχθηκε διότι είναι από τα ελάχιστα αυτού του είδους στη διεθνή βιβλιογραφία. Τα πιο αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά του είναι τα εξής: α) Ο τρόπος προσέγγισης. Ο συγγραφέας δεν πραγματεύεται, όπως γίνεται συνήθως, απλά και μόνο κάποια ή κάποιες συγκεκριμένες γλώσσες προγραμματισμού, αλλά το ίδιο το φαινόμενο των γλωσσών προγραμματισμού: Πώς και γιατί έχουν αναπτυχθεί γλώσσες προγραμματισμού με διαφορετικές μορφές; Τι εκφραστική αξία έχουν αυτές οι γλώσσες; Ποιες είναι οι κυριότερες τεχνοτρο πίες προγραμματισμού (λ.χ. προστακτική, οντοστρεφής, συναρτησιακή, λογικοκεντρική, κ.λπ.), και πώς χρησιμοποιούνται; β) Ο βαθμός εμβάθυνσης. Ο συγγραφέας δεν μένει στα «φαινόμενα», αλλά διεισδύει στο παρασκήνιο των γλωσσών, δηλαδή στα καθήκοντα των γλωσσικών συστημάτων: Πώς είναι δυνατή η υλοποίηση γλωσσών με μύρια διαφορετικά χαρακτηριστικά; Πώς δομούνται τα γλωσσικά συστήματα που κάνουν εφικτή τη μαγεία του προγραμματισμού σε οποιoδήποτε προγραμματιστικό ύφος; Τι προβλήματα καλούνται να λύσουν και πώς το επιτυγχάνουν; γ) Η μέθοδος διδασκαλίας. Ο συγγραφέας εναλλάσσει (στη ροή των κεφαλαίων) την αφ υψηλού θεώρηση με την εισαγωγική και πρακτική διδασκαλία τριών γλωσσών προγραμματισμού (ML, Java, Prolog), που αντιστοιχούν σε τρία θεμελιώδη είδη προγραμματισμού: τον οντοστρεφή, τον συναρτησιακό και τον λογικοκεντρικό προγραμματισμό. Η παρουσίαση παραμένει απλή, εισαγωγική, και αποτελεσματικά διδακτική με ευχάριστο τρόπο. Το βιβλίο φωτίζει λοιπόν τις λογικές και τεχνικές βάσεις των γλωσσών προγραμματισμού, και ως εκ τούτου ενδείκνυται ιδιαίτερα για τη διδασκαλία ενός μαθήματος με αυτό το αντικείμενο. Ταυτόχρονα, μπορεί να φανεί πολύ χρήσιμο σε οποιονδήποτε «μαχόμενο» προγραμματιστή, είτε επαγγελματία είτε ερασιτέ-

16 xviii ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ χνη, αφού αναδεικνύει πλευρές των καθημερινών προγραμματιστικών εργα λείων οι οποίες συχνά μένουν κρυφές ή αδίδακτες. Τόσο η ορολογία όσο και η φύση του θέματος προκαλούν εύλογα πολλές μεταφραστικές δυσκολίες (αφού σχεδόν όλες οι γλώσσες προγραμματισμού γράφονται στην αγγλική γλώσσα). Σε κάποιες περιπτώσεις κρίναμε σκόπιμο να παρεμβάλουμε σχόλια στον κώδικα, τα οποία ξεκινούν με τη διπλή πλάγια κάθετο, //. Σε άλλα σημεία προσθέσαμε υποσημειώσεις με αστερίσκο για τη μετάφραση κάποιων από τα μηνύματα των γλωσσικών συστημάτων, ενώ σε λίγες περιπτώσεις τροποποιήσαμε ορισμένες ονομασίες μεταβλητών ώστε να είναι πιο κατανοη τές από τον Έλληνα αναγνώστη. Εν γένει, επιμεληθήκαμε αυτό το βιβλίο και την ορολογία του γνωστικού αντικειμένου με ιδιαίτερη φροντίδα, ώστε να έχουμε μια γνήσια ελληνική μετάφραση, και όχι ένα κουραστικό μίγμα από ελληνικούς και αγγλικούς όρους. Για όσες περιπτώσεις δεν το κατορθώσαμε, ελπίζουμε στην κατανόηση του αναγνώστη. Τέλος, θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε την κ. Διονυσία Δασκάλου, γενική επιμελήτρια των ΠΕΚ, για τη συμβολή της σε διάφορα στάδια της παραγωγής του βιβλίου. Γιώργος Φρ. Γεωργακόπουλος Ιωάννης Παπαδόγγονας

17 Πρόλογος Το βιβλίο αυτό έχει τον χαρακτήρα διδακτικού εγχειριδίου για το εισαγωγικό γε νικό μάθημα περί γλωσσών προγραμματισμού το οποίο διδάσκεται σε προπτυχιακούς φοιτητές επιστήμης υπολογιστών και μηχανολογίας υπολογιστών. Προσφέρεται για ένα μάθημα που εισάγει τις γενικές έννοιες των ποικίλων γλωσσών προγραμματισμού, και απευθύνεται σε φοιτητές που έχουν ήδη αρκετή ευχέρεια στον βασικό προγραμματισμό σε μία τουλάχιστον γλώσσα. Πραγματεύεται όλα τα βασικά θέματα των γλωσσών προγραμματισμού τα οποία προτείνονται στην έκθεση της ACM * σχετικά με τα προγράμματα σπουδών στην υπολογιστική (προ σχέδιο Steelman), και εισάγει τα πιο κεντρικά από αυτά τα θέματα με αρκετές λεπτομέρειες. Η ύλη του βιβλίου είναι διαρθρωμένη έτσι ώστε να διεγείρει το ενδιαφέρον του σύγχρονου φοιτητή. Η συνήθης προσέγγιση σε τέτοιου είδους βιβλία είναι να παρουσιάζεται η ιστορία των σημαντικότερων γλωσσών προγραμματισμού, και κατόπιν να μελετούνται λεπτομερώς οι γλώσσες αυτές μέσω μιας διδακτικής ακολουθίας που καθοδηγείται από κάποιες έννοιες ή κάποια παραδείγματα. Οι περισσότεροι φοιτητές της επιστήμης υπολογιστών, όμως, δεν είναι σε θέση να εκτιμήσουν πλήρως τις εξελικτικές λεπτομέρειες, την αφαίρεση χωρίς συγκεκριμένο στόχο, και την κατάταξη σε κατηγορίες. Οι προπτυχιακοί φοιτητές επιστήμης και μηχανολογίας υπολογιστών έχουν κατά κανόνα πρακτικό προσανατολισμό: μελετούν την υπολογιστική επειδή τους αρέσει ο προγραμματισμός και είναι καλοί σε αυτόν. Άλλοι φοιτητές μελετούν την υπολογιστική επειδή τους αρέσει η θεωρητική επιστήμη υπολογιστών και είναι καλοί σε αυτήν. Το ζητούμενο από ένα μάθημα για τις βασικές έννοιες των γλωσσών προγραμματισμού είναι να βοηθήσει όλους τους φοιτητές να κατανοήσουν τις γλώσσες προγραμματισμού σε ένα ασυνήθιστο επίπεδο αφαίρεσης. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, το βιβλίο περιλαμβάνει αρκετές ασκήσεις προγραμματισμού και παραδείγματα πρακτικής φύσεως, ώστε να συντηρήσει το ενδιαφέρον των φοιτητών με πιο πρακτικό προσανατολισμό, χωρίς να προϋποθέτει από τον αναγνώστη * Association for Computing Machinery: Ένωση για τον Υπολογιστικό Εξοπλισμό

18 xx ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ υψηλό επίπεδο μαθηματικής ωριμότητας. Είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε να καθοδηγεί τους φοιτητές να αντιλαμβάνονται σε αφηρημένο επίπεδο τις έννοιες των γλωσσών προγραμματισμού, χρησιμοποιώντας ως αφετηρία κάποιες απλές ασκήσεις προγραμματισμού. Τα κεφάλαια του βιβλίου χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: πρακτικού και φιλοσοφικού χαρακτήρα. Τα πρώτα είναι αυτοτελή «αλφαβητάρια» για τρεις γλώσσες προγραμματισμού. Σε αυτά αναπτύσσεται ένα επίπεδο δεξιότητας που θα επιτρέψει στον φοιτητή να διεκπεραιώνει απλές ασκήσεις προγραμματισμού. Η ενασχόληση με τον προγραμματισμό σε διάφορες οικογένειες γλωσσών είναι ιδιαίτερα σημαντική για τον φοιτητή. Το βιβλίο περιλαμβάνει εισαγωγές στον προγραμματισμό για τρεις γλώσσες την ML, την Java και την Prolog από τις οποίες οι δύο τουλάχιστον θα είναι άγνωστες σε όλους σχεδόν τους φοιτητές αυτού του επιπέδου. (Υπάρχουν εξαιρετικές δωρεάν υλοποιήσεις όλων αυτών των γλωσσών για διάφορα υπολογιστικά πλαίσια, μεταξύ των οποίων τα Windows, το Unix και το λειτουργικό σύστημα Macintosh. Στον Ιστότοπο αυτού του βιβλίου, υπάρχουν οδηγίες για το πώς μπο ρεί κανείς να προμηθευτεί μια τέτοια υλοποίηση.) Τα κεφάλαια πρακτικού χαρακτήρα περιλαμβάνουν μια σύντομη εισαγωγή στις ιδιαιτερότητες της κάθε γλώσσας. Δεν καλύπτουν όμως τις Διεπαφές για Προγραμματισμό Εφαρμογών. Ως εκ τούτου, θα δώσουν μεν στον φοιτητή τη δυνατότητα να επιλύει ασκήσεις προγραμματισμού, αλλά όχι και να αναπτύσσει ολοκληρωμένες εφαρμογές μεγάλης κλίμακας. Στα κεφάλαια φιλοσοφικού χαρακτήρα παρουσιάζεται η θεωρητική πλευρά: οι υποκείμενες αρχές των γλωσσών προγραμματισμού. Τα κεφάλαια αυτά εναλλάσσονται με τα κεφάλαια πρακτικού χαρακτήρα, σε μια αλληλουχία που επιτρέπει την αποσαφήνιση των εννοιών μέσω παραδειγμάτων από την πρόσφατα διδαχθείσα γλώσσα, και διευκολύνει την παρουσίαση των θεωρητικών ζητημάτων στην κατάλληλη χρονική συγκυρία ώστε η σύνδεσή τους με την προγραμματιστική πρακτική να είναι όσο το δυνατόν εμφανέστερη. Παραδείγματος χάριν, το Κεφάλαιο 23 πραγματεύεται την τυπική σημασιολογία ξεκινώντας από κάποιους απλούς διερμηνευτές γραμμένους σε Prolog. Οι διερμηνευτές αυτοί οδηγούν με φυσιολογικό τρόπο σε ορισμούς γλωσσών μέσω μακροβηματικής εκτελεστικής σημασιολογίας. Αυτός είναι και ο λόγος που η τυπική σημασιολογία εμφανίζεται τόσο αργά σε αυτό το βιβλίο: μόνο αφότου έχει ολοκληρωθεί η παρουσίαση της Prolog, είναι σε θέση οι φοιτητές να μεταβούν από τις ασκήσεις Prolog σε αυτό το συναφές, αφηρημένο ζήτημα. Το βιβλίο είναι γραμμένο σε εισαγωγικό επίπεδο. Έχει ως στόχο να είναι κατανοητό και ενδιαφέρον για την πλειονότητα των φοιτητών που έχουν ολοκληρώσει μια βασική σειρά μαθημάτων ΕΥ1/ΕΥ2 σε οποιαδήποτε γλώσσα. Ένα συνηθισμένο μειονέκτημα στα υπάρχοντα βιβλία για αυτό το γνωστικό αντικείμενο εί-

19 ΠΡΟΛΟΓΟΣ xxi ναι ότι θέτουν σιωπηρά υπερβολικές προϋποθέσεις: πληρέστερο υπόβαθρο στην υπολογιστική, μεγαλύτερη μαθηματική ωριμότητα, και γνησιότερο ενδιαφέρον για την αφαίρεση και την κατηγοριοποίηση από αυτό που έχουν στην πραγματικότητα οι περισσότεροι φοιτητές στους οποίους απευθύνονται. Η τάση να θέτει κανείς σιωπηρά τέτοιες προϋποθέσεις είναι εύλογη, διότι πολλά ενδιαφέροντα τμήματα της θεωρίας των γλωσσών προγραμματισμού δεν είναι προσιτά στους σπουδαστές αυτού του επιπέδου. Αυτή η πρακτική, όμως, αποβαίνει εις βάρος της πλειονότητας των σπουδαστών. Η ύλη που θα πρέπει να καλυφθεί είναι υπερβολική για ένα εξάμηνο, ακόμη και χωρίς να επεκταθεί κανείς σε ζητήματα που απαιτούν γνώσεις αρχιτεκτονικής υπολογιστών, λειτουργικών συστημάτων, τυπικών γλωσσών και αυτομάτων, μαθηματικής λογικής ή επαγωγικών τεχνικών απόδειξης. Αντιθέτως, ένα μάθημα το οποίο θα ακολουθήσει αυτό το βιβλίο δεν είναι απαραίτητο να τοποθετηθεί στο τέλος μιας μακράς αλυσίδας από προαπαιτούμενα. Έτσι, το βιβλίο αυτό μπορεί να ενταχθεί πιο εύκολα σε περισσότερα προγράμματα σπουδών της επιστήμης και της μηχανολογίας υπολογιστών. Λόγω της αφηγηματικής του δομής και της γραμμικής διδακτικής του συγκρότησης, το βιβλίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί εύκολα για διδασκαλία εάν ακολουθηθεί η υπάρχουσα σειρά παρουσίασης της ύλης, εφ όσον βέβαια υπάρχουν τα χρονικά περιθώρια για κάτι τέτοιο. Εάν οι φοιτητές γνωρίζουν ήδη κάποια από τις γλώσσες (το πιθανότερο την Java), κάποια από τα διδακτικά κεφάλαια είναι δυνατόν να παραλειφθούν ή να παρουσιαστούν επί τροχάδην, ώστε να μείνει χρόνος για λεπτομερέστερη κάλυψη άλλων, ή για την παρουσίαση επιπλέον ύλης. Για την περίπτωση που είναι απαραίτητο να παραλειφθούν και άλλα κεφάλαια, παραθέτουμε αμέσως παρακάτω χονδρικά τις πιο σημαντικές αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των κεφαλαίων: Κεφάλαιο Κεφάλαια στα οποία βασίζεται 1: Γλώσσες προγραμματισμού 2: Ο ορισμός των συντακτικών κανόνων 3: Σύνταξη και σημασιολογία: το σημείο συνάντησης 2 4: Γλωσσικά συστήματα 5: Πρώτη επαφή με τη γλώσσα ML 2, 3 6: Τύποι 4 7: Δεύτερη επαφή με τη γλώσσα ML 2, 3, 5 8: Πολυμορφισμός 4, 6 9: Τρίτη επαφή με τη γλώσσα ML 2, 3, 5, 7 10: Εμβέλεια 4 11: Τέταρτη επαφή με τη γλώσσα ML 2, 3, 5, 7, 8, 9

20 xxii ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Κεφάλαιο Κεφάλαια στα οποία βασίζεται 12: Οι θέσεις μνήμης για τις μεταβλητές 4, 5, 7, 9 13: Πρώτη επαφή με τη γλώσσα Java 2, 3 14: Διαχείριση μνήμης 2, 3, 13 15: Δεύτερη επαφή με τη γλώσσα Java 2, 3, 13 16: Οντοστρέφεια 2, 3, 5, 7, 9, 13, 15 17: Τρίτη επαφή με τη γλώσσα Java 2, 3, 13, 15 18: Παράμετροι 2, 3, 13 19: Πρώτη επαφή με τη γλώσσα Prolog 2, 3 20: Δεύτερη επαφή με τη γλώσσα Prolog 2, 3, 19 21: Κοστολόγηση 2, 3, 4, 5, 13, 19, 20 22: Τρίτη επαφή με τη γλώσσα Prolog 2, 3, 19, 20 23: Τυπική σημασιολογία 2, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 12 24: Η ιστορία των γλωσσών προγραμματισμού Διάφορα Ειδικότερα, τα Κεφάλαια 11, 14, 21 και 22 μπορούν να παραλειφθούν χωρίς ιδιαίτερη βλάβη των υπολοίπων. Εάν ο χρόνος πιέζει προς το τέλος του εξαμήνου, θα ήταν καλύτερα να παραλειφθούν τα Κεφάλαια 21 και 22 παρά τα Κεφάλαια 23 ή 24. Στο Κεφάλαιο 23 επανεξετάζονται και διευκρινίζονται πολλές σημαντικές έννοιες από τα προηγούμενα κεφάλαια. Το Κεφάλαιο 24 είναι τελευταίο όχι επειδή η ιστορία των γλωσσών προγραμματισμού είναι ασήμαντο ζήτημα, αλλά επειδή γίνεται πιο ενδιαφέρον όταν οι φοιτητές κατανοούν κάποιες από τις έννοιες των οποίων η ιστορική εξέλιξη παρουσιάζεται. Η διεύθυνση του Ιστοτόπου αυτού του βιβλίου είναι com/mpl.html. Εκεί μπορεί κανείς να βρει, μεταξύ άλλων, ένα πλήρες σύνολο από διαφάνειες για κάθε κεφάλαιο, χρήσιμους συνδέσμους για καταφόρτωση και εγκατάσταση δωρεάν γλωσσικών συστημάτων, και όλα τα μακροσκελή τμήματα κώδικα που χρησιμοποιούνται ως παραδείγματα στο κείμενο και τις ασκήσεις. Υπάρχουν επίσης οδηγίες για να επικοινωνήσει κανείς με τον συγγραφέα προκειμένου να αναφέρει ελαττώματα, και για να αποκτήσει πρόσβαση σε επιπλέον διδακτικό υλικό αποκλειστικά για τους διδάσκοντες.

21 Ευχαριστίες Η οικογένειά μου με βοήθησε σημαντικά σε όλη τη διάρκεια της συγγραφής αυτού του βιβλίου, ιδιαίτερα η σύζυγός μου Kelly και τα παιδιά μου Fern και Fox. Θα αναφέρω ένα μόνο παράδειγμα: ο μικρός μου Fox, μόλις δύο ετών, μια μέρα καθώς έγραφα άνοιξε την πόρτα του γραφείου μου, είπε «αγκαλιά», με αγκάλιασε και κατόπιν έφυγε, κλείνοντας την πόρτα πίσω του. Όλοι τους φάνηκαν πραγματικά πολύ γενναιόδωροι, αφήνοντάς μου αρκετό χρόνο για τις ανάγκες της συγγραφής του βιβλίου. Σας ευχαριστώ αγαπημένοι μου. Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, συνεργάστηκα με μια εκπληκτική ομάδα προγραμματιστών: τους φοιτητές και το διδακτικό προσωπικό του Kiewit Computation Center του Dartmouth College. Η ιδιόμορφη πρακτική της συγγραφής συστημικού λογισμικού από φοιτητές, η οποία ήταν καθιερωμένη στο Dartmouth, υπήρξε ιδιαίτερα επωφελής για μένα. Μέντοράς μου στο Kiewit ήταν ο Philip D. L. Koch, δημιουργός μιας υπέροχης συλλογής προγραμμάτων η οποία περιλάμβανε ένα λειτουργικό σύστημα κεντρικού υπολογιστή και έναν εξαιρετικό μεταφραστή της PL/I. Αυτό υπήρξε η απαρχή του ενδιαφέροντός μου για τις γλώσσες προγραμματισμού. Είμαι ευγνώμων στους φοιτητές μου στο Πανεπιστήμιο του Wisconsin Milwaukee και στο Πανεπιστήμιο του Western Illinois, οι οποίοι άντεξαν τους καλοπροαίρετους πειραματισμούς μου και με βοήθησαν να αναπτύξω, στη διάρκεια κάποιων ετών, τη δομή του μαθήματος στην οποία βασίζεται το βιβλίο αυτό. Ευχαριστώ επίσης την Stephanie Welch της Franklin Beedle & Associates, που επιμελήθηκε και σελιδοποίησε το βιβλίο στο πλαίσιο της επιμέλειας παραγωγής του. Πολλοί ήταν αυτοί που με βοήθησαν στη διάρκεια της συγγραφής διαβάζοντας και σχολιάζοντας προκαταρκτικές εκδοχές του βιβλίου: ο John Tang Boyland του Πανεπιστημίου του Wisconsin Milwaukee, ο Daniel Canas του Πανεπιστημίου του Wake Forest, ο Frank Friedman του Πανεπιστημίου Temple, ο Assaf Khoury του Πανεπιστημίου της Βοστώνης, ο Shui Lam του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, στο Long Beach, ο Ernst

22 xxiv ΣΥΓΧΡΟΝΕΣ ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Leiss του Πανεπιστημίου του Houston, ο Mike Morton, ο Robert Roos του Allegheny College, ο Randy Smith του Covenant College, και ο K. Vairavan του Πανεπιστημίου του Wisconsin Milwaukee. Ιδιαίτερα ευχαριστώ τον Randy Smith, ο οποίος χρησιμοποίησε μια προκαταρκτική μορφή του βιβλίου στα μαθήματά του στο Covenant College και μου μετέφερε πολύτιμα στοιχεία από τη χρήση του στη διδασκαλία. Οι εναπομένουσες ατέλειες αποτελούν, φυσικά, αποκλειστικά δική μου ευθύνη.

23 1 Γλώσσες προγραμματισμού 1.1. Εισαγωγή Τα προγράμματα των υπολογιστών είναι μαγεία εν δράσει. Το κάθε πρόγραμμα μοιάζει με ένα περίπλοκο, αλλά και καλαίσθητο, μαγικό ξόρκι. και το καλύτερο είναι ότι με την εκτέλεση ενός προγράμματος ανακαλύπτουμε ότι τελικά τα μάγια πιάνουν! Ακόμα και όταν το πρόγραμμά μας δεν κατορθώνει ακριβώς αυτό που είχαμε κατά νου, εντούτοις κάτι κατορθώνει πράγμα που σίγουρα δεν ισχύει για τα περισσότερα ξόρκια. Και η απόλαυση αυτής της έμπρακτης μαγείας είναι η δύναμη που ωθεί πολλούς αρχάριους στον προγραμματισμό, και που συνεχίζει να ανταμείβει τους έμπειρους προγραμματιστές. Ο συγγραφέας, τουλάχιστον, βιώνει αμείωτη αυτήν την απόλαυση εδώ και 20 χρόνια ενασχόλησης με τον προγραμματισμό. Το βιβλίο αυτό πραγματεύεται τις γλώσσες προγραμματισμού. Περιέχει διδακτικές εισαγωγές σε τρεις γλώσσες προγραμματισμού: την ML, την Java και την Prolog. 1 Οι γλώσσες αυτές είναι πολύ διαφορετικές μεταξύ τους, και αν γνωρίσετε έστω και ένα τμήμα καθεμίας από αυτές, θα έχετε τρία σαφώς διαφορετικά στίγματα στη διάθεσή σας για να «πλοηγηθείτε» στις αρχές των γλωσσών προγραμματισμού. Εάν θελήσετε να ασχοληθείτε και πρακτικά με αυτές τις γλώσσες, δεν θα δυσκολευτείτε καθόλου: υπάρχουν καλές και δωρεάν υλοποιήσεις και για τις τρεις τους, σε ποικιλία υπολογιστικών πλαισίων. Ανάμεσα στα διδακτικά κεφάλαια θα βρείτε κεφάλαια με περισσότερο φιλοσοφικό προσανατολισμό, τα οποία πραγματεύονται με πιο αφηρημένο τρόπο διάφορα σοβαρά ζητήματα που αφορούν τις γλώσσες προγραμματισμού. Αν και αυτά τα κεφάλαια έχουν πιο αφηρημένο χαρακτήρα, δεν απαιτούν ιδιαίτερο μαθηματικό υπόβαθρο. Οι γλώσσες προγραμματισμού στηρίζονται, βέβαια, σε πολύ ενδιαφέροντα και ιδιαίτερα κομψά μαθηματικά, αλλά προσφέρουν επίσης άφθονο υλικό μελέτης το οποίο δεν απαιτεί μαθηματικές γνώσεις δυσπρόσιτες ή και αδιάφορες σε πολλούς αναγνώστες. 1 Στα έντυπα εγχειρίδια των παλαιότερων γλωσσών, τα ονόματα των γλωσσών αναγράφονταν συνήθως με κεφαλαία γράμματα: FORTRAN, COBOL και BASIC. Στα νεώτερα εγχειρίδια, ακόμη και σε αυτά που αφορούν διαλέκτους των παλαιότερων γλωσσών, τα ονόματα αναγράφονται συνήθως σε μικτή γραφή: Fortran. Η σύμβαση που ακολουθούμε σε αυτό το βιβλίο είναι η εξής: για τα ονόματα που προφέρονται σαν λέξεις (π.χ. Java και Prolog) χρησιμοποιούμε μικτή γραφή, ενώ για τα ονόματα που προφέρονται σαν ακολουθίες γραμμάτων του αγγλικού αλφαβήτου (όπως η ML, που προφέρεται «εμ-ελ»), χρησιμοποιούμε κεφαλαιογράμματη γραφή.

24 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Πριν συνεχίσετε όμως, θα πρέπει να λάβετε υπ όψιν ότι το βιβλίο αυτό προϋποθέτει ικανοποιητική γνώση μίας τουλάχιστον γλώσσας προγραμματισμού, σε επίπεδο που αντιστοιχεί περίπου σε μια εισαγωγή διάρκειας δύο διδακτικών εξαμήνων. Δεν έχει σημασία ποια γλώσσα γνωρίζετε. Εάν όμως δεν έχετε προγραμματίσει ποτέ στη ζωή σας, τότε αυτό το βιβλίο δεν είναι ό,τι καταλληλότερο για να αρχίσετε. Στο υπόλοιπο αυτού του εισαγωγικού κεφαλαίου θα εξετάσουμε εκείνα τα στοιχεία που κάνουν τις γλώσσες προγραμματισμού ένα τόσο ενδιαφέρον θέμα: την εκπληκτική ποικιλία αυτών των γλωσσών, τις παράξενες αντιμαχίες που προκαλούν, την αξιοπερίεργη εξέλιξή τους, και τις πολλαπλές διασυνδέσεις τους με τους υπόλοιπους κλάδους της πληροφορικής Η εκπληκτική ποικιλία Ένα από τα στοιχεία που κάνουν τις γλώσσες προγραμματισμού τόσο γοητευτικό αντικείμενο μελέτης είναι η ποικιλομορφία τους. Ας ρίξουμε μια ματιά σε τέσσερεις γλώσσες που ανήκουν σε εντελώς ανόμοια είδη. οι τρεις από αυτές είναι οι βασικές γλώσσες με τις οποίες θα ασχοληθούμε σε αυτό το βιβλίο. Προστακτικές γλώσσες Ας δούμε ένα παράδειγμα προστακτικής γλώσσας, της γλώσσας C. Πρόκειται για μια συνάρτηση factorial(n), που υπολογίζει το παραγοντικό (factorial) ενός φυσικού αριθμού n: int factorial(int n) { int sofar = 1; while (n > 0) sofar *= n--; return sofar; } Το παραπάνω παράδειγμα περιέχει τις δύο «σφραγίδες γνησιότητας» κάθε προστακτικής γλώσσας: την τιμοδότηση και την επανάληψη. Η εντολή «sofar *= n--;» της γλώσσας C τιμοδοτεί τη μεταβλητή sofar. Η μεταβλητή αυτή έχει κάποια τρέχουσα τιμή η οποία μεταβάλλεται κάθε φορά που πραγματοποιείται μια τιμοδότηση. Η εντολή επιδρά επίσης στη μεταβλητή n, μειώνοντας κάθε φορά την τιμή της κατά μία μονάδα. Ο βρόχος «while» επαναλαμβάνει διαρκώς την εντολή. Τελικά, σε κάποιο βήμα αυτής της επανάληψης, η τρέχουσα τιμή της μεταβλητής n θα γίνει μηδέν, και η επανάληψη θα σταματήσει. Καθώς οι τιμές των μεταβλητών αλλάζουν σε κάθε βήμα, η σειρά εκτέλεσης των εντολών του προγράμματος έχει καίρια σημασία. Οι έννοιες που μόλις αναφέραμε είναι τόσο στοιχειώδεις, που περνούν απαρατήρητες από τους περισσότερους προγραμματιστές της γλώσσας C: για αυτούς είναι προφανές ότι η σειρά εκτέλεσης των εντολών παίζει καίριο ρόλο, και εξίσου προφανές ότι οι τιμές των μεταβλητών μεταβάλλονται. Υπάρχουν όμως πολλές γλώσσες προγραμ ματισμού για τις οποίες όλα τα παραπάνω δεν έχουν κανένα νόημα. γλώσσες στις οποίες δεν υπάρχουν ούτε τιμοδοτικές εντολές, ούτε επαναληπτικές εντολές, ούτε η έννοια της αλλαγής της «τρέχουσας τιμής» μιας μεταβλητής.

25 1.2 Η ΕΚΠΛΗΚΤΙΚΗ ΠΟΙΚΙΛΙΑ 3 Συναρτησιακές γλώσσες Ας δούμε την ίδια συνάρτηση (του παραγοντικού) υλοποιημένη στη γλώσσα ML: fun factorial x = if x <= 0 then 1 else x * factorial(x-1); Το παραπάνω παράδειγμα περιλαμβάνει δύο από τις «σφραγίδες γνησιότητας» των συναρτησιακών γλωσσών: την αναδρομή και τις μονότιμες μεταβλητές 2. Η αναδρομή είναι μια προγραμματιστική τεχνική τόσο φυσική στους προγραμματιστές της ML, όσο φυσικές είναι οι επαναληπτικές εντολές στους προγραμματιστές της C. Η ίδια συνάρτηση υλοποιημένη στη γλώσσα Lisp θα είχε ως εξής: (defun factorial (x) (if (<= x 0) 1 (* x (factorial (- x 1))))) Όπως βλέπετε, η Lisp έχει ιδιόρρυθμη σύνταξη. Αυτή η συντακτική διαφορά είναι όμως επιφανειακή. Σε βαθύτερο επίπεδο, η συνάρτηση factorial γραμμένη στη Lisp και η συνάρτηση factorial γραμμένη στην ML σχετίζονται μεταξύ τους πολύ περισσότερο απ όσο σχετίζεται η καθεμία από αυτές με τη συνάρτηση factorial γραμμένη στη γλώσσα C: και οι δύο είναι γραμμένες στο συναρτησιακό ύφος, χωρίς τιμοδοτικές ή επαναληπτικές εντολές. Τα δύο παραπάνω παραδείγματα ίσως φαίνονται πιο κομψά από την εκδοχή της C, αλλά μια τέτοια σύγκριση δεν είναι δίκαιη. Το συναρτησιακό είδος προγραμματισμού ταιριάζει ιδιαίτερα σε συναρτήσεις όπως αυτή του παραγοντικού. Σε άλλα είδη προβλημάτων, όπως π.χ. ο πολλαπλασιασμός πινάκων, το πλεονέκτημα θα το είχαν οι προστακτικές γλώσσες προγραμματισμού. Λογικοκεντρικές γλώσσες Η συνάρτηση του παραγοντικού, ενώ είναι το καταλληλότερο παράδειγμα για τη γλώσσα ML, είναι ίσως το χειρότερο για την Prolog. Παρά ταύτα ας δούμε τι μορφή έχει στην Prolog: factorial(x,1) :- X =:= 1. factorial(x,f) :- X > 1, NewX is X - 1, factorial(newx,newf), F is X * NewF. 2 Σ.τ.Μ.: Μεταβλητές από το variables όσο βέβαια τα συμφραζόμενα επιτρέπουν να ονομάζεται «μεταβλητή» κάτι που μένει σταθερό. Οι «μεταβλητές» των συναρτησιακών γλωσσών (όπως η ML) είναι ακριβέστερα επώνυμες σταθερές, γι αυτό ο σχετικός όρος της ML, που θα δοθεί αργότερα, είναι val από το value = τιμή και όχι var, από το variable = μεταβλητή.

26 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Οι πρώτες δύο γραμμές εκφράζουν έναν κανόνα που επιτρέπει στο σύστημα της Prolog να συμπεράνει ότι όταν το X ισούται με 1 το παραγοντικό του X είναι 1. Οι υπόλοιπες πέντε γραμμές κώδικα καθορίζουν έναν γενικό τρόπο για να διαπιστώνει κανείς ότι το παραγοντικό του X ισούται με κάποια δεδομένη τιμή. Συγκεκριμένα: «Για να αποδείξεις ότι το παραγοντικό του X ισούται με F, αρκεί να κάνεις τα εξής: να αποδείξεις ότι το X είναι μεγαλύτερο του 1. να αποδείξεις ότι το NewX είναι μικρότερο του X κατά 1. να αποδείξεις ότι το παραγοντικό του NewX ισούται με NewF. και τέλος να αποδείξεις ότι το F ισούται με X επί NewF». Η διατύπωση ενός προγράμματος μέσω κανόνων λογικού συμπερασμού είναι η «σφραγίδα γνησιότητας» του λογικού προγραμματισμού. Αν και αυτό το είδος προγραμματισμού δεν είναι το καταλληλότερο για τον υπολογισμό μαθηματικών συναρτήσεων, υπάρχουν κατηγορίες προβλημάτων στα οποία υπερέχει ξεκάθαρα. Παραδείγματα τέτοιων προβλημάτων θα δούμε από το Κεφάλαιο 19 και παρακάτω. Οντοστρεφείς γλώσσες Η συνάρτηση του παραγοντικού γραμμένη στη γλώσσα Java φαίνεται σχεδόν ίδια με την εκδοχή της στη γλώσσα C. Η Java όμως είναι μια οντοστρεφής γλώσσα, πράγμα που σημαίνει ότι αφ ενός είναι προστακτικού τύπου, και αφ ετέρου έχει σχεδιαστεί ώστε να διευκολύνει την επίλυση των διαφόρων προβλημάτων μέσω οντοτήτων (ή, αλλιώς, αντικειμένων). Ονομάζουμε οντότητα μια (συνήθως μικρή) δέσμη δεδομένων η οποία «γνωρίζει» πώς να χειρίζεται τον εαυτό της. Για παράδειγμα, ας δούμε τον ορισμό σε Java μιας οντότητας που φέρει έναν ακέραιο αριθμό, και «γνωρίζει» πώς να αναφέρει τόσο τον αριθμό αυτό, όσο και το παραγοντικό του. public class MyInteger { private int value; public MyInteger(int value) { this.value = value; } public int getvalue() { return value; } public MyInteger getfactorial() { return new MyInteger(factorial(value)); } private int factorial(int n) { int sofar = 1; while (n > 1) sofar *= n--; return sofar; } } Το παραπάνω παράδειγμα οντοστρεφούς προγραμματισμού φαίνεται φλύαρο σε σχέση με τα προηγούμενα, αλλά και πάλι η σύγκριση δεν είναι δίκαιη: ο οντοστρε

27 φής προγραμματισμός έχει σχεδιαστεί ώστε να διευκολύνει την οργανωμένη σύνταξη προγραμμάτων πολύ μεγάλου μεγέθους, και ως εκ τούτου δεν φανερώνει τα προτερήματά του σε παραδείγματα μικρού μεγέθους. Είδαμε λοιπόν παραδείγματα από τέσσερεις οικογένειες γλωσσών: τις προστακτικές (όπως η C), τις συναρτησιακές (όπως η ML), τις λογικοκεντρικές (όπως η Prolog), και τις οντοστρεφείς (όπως η Java). Κάθε γλώσσα προγραμματισμού μπορεί, με λίγη προσπάθεια, να καταταγεί σε κάποια από αυτές τις τέσσερεις κατηγορίες. Αυτές οι κατηγορίες δεν είναι όμως προσδιορισμένες με αυστηρότητα, και γι αυτό δεν είναι πάντοτε σαφές ποιoς είναι ο ορθότερος τρόπος ταξινόμησης μιας γλώσσας. Υπάρχουν πάμπολλες γλώσσες που κινούνται στα όρια μεταξύ των κατηγοριών αυτών. Στην πράξη συναντάμε περισσότερες κατηγορίες γλωσσών, όχι μόνο αυτές τις τέσσερεις. Οι διάφορες γλώσσες προγραμματισμού έχουν κατά καιρούς χαρακτηριστεί ως εφαρμοστικές, συγχρονικές, περιοριστικές, δηλωτικές, οριστικές, διαδικαστικές, σεναριογραφικές, μονοτιμοδοτικές και πάει λέγοντας. Μάλιστα, ορισμένες από αυτές είναι τόσο ιδιόμορφες που η ένταξή τους σε μια κατηγορία στερείται νοήματος. Ας εξετάσουμε π.χ. τη γλώσσα Forth. Ο προγραμματισμός της συνάρτησης του παραγοντικού σε αυτή τη γλώσσα θα είχε ως εξής: : FACTORIAL 1 SWAP BEGIN?DUP WHILE TUCK * SWAP 1- REPEAT ; Η Forth είναι μια στοιβoστρεφής γλώσσα, όπως λ.χ. η PostScript είναι σελιδοστρεφής. Η μονολεκτική εντολή SWAP της Forth εναλλάσσει τα δύο κορυφαία στοιχεία της στοίβας που διατηρεί η γλώσσα αυτή. Θα μπορούσαμε να αποκαλέσουμε την Forth προστακτική γλώσσα, αλλά αυτό δεν θα είχε ιδιαίτερο νόημα, καθώς έχει ελάχιστα κοινά στοιχεία με τις περισσότερες άλλες προστακτικές γλώσσες. Θεωρήστε επίσης την APL. Για να εκφραστεί η συνάρτηση παραγοντικού στη γλώσσα αυτή, αρκεί η παρακάτω έκφραση: / ι X Η APL φημίζεται για τη χρήση πάμπολλων ειδικών χαρακτήρων που απουσιάζουν από τα συνηθισμένα πληκτρολόγια. Η παραπάνω έκφραση δηλώνει ότι το X θα πρέπει να αναπτυχθεί σε μια ακολουθία διαδοχικών ακεραίων από το 1 έως το X, και όλοι αυτοί οι αριθμοί να πολλαπλασιαστούν μεταξύ τους. (Στην πράξη, δεν θα χρειαζόσασταν αυτήν την έκφραση, διότι στην APL μπορούμε να δηλώσουμε το παραγοντικό του X απλώς ως!x.) Θα μπορούσαμε να αποκαλέσουμε την APL συναρτησιακή γλώσσα, αλλά και πάλι δεν θα είχε νόημα: η APL έχει ελάχιστα κοινά σημεία με τις περισσότερες άλλες συναρτησιακές γλώσσες Οι παράξενες αντιμαχίες 1.3 ΟΙ ΠΑΡΑΞΕΝΕΣ ΑΝΤΙΜΑΧΙΕΣ 5 Υπάρχουν κάποια γνωστικά αντικείμενα που φαίνονται εκ του φυσικού τους αμφιλεγόμενα: η βιολογική εξέλιξη, η αρχική Μεγάλη Έκρηξη του σύμπαντος, η ανθρώπινη σεξουαλικότητα γενικά, οποιοδήποτε θέμα απασχολεί τακτικά την επιστημονική στήλη της εφημερίδας The New York Times είναι βέβαιο ότι θα προκαλέσει

28 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΓΛΩΣΣΕΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ πολλές αντιδικίες. Ισχύει όμως το ίδιο και για τις γλώσσες προγραμματισμού; Το δικό μας πεδίο μελέτης σπάνια διεισδύει μέχρι τα πρωτοσέλιδα των εφημερίδων, και είναι μάλλον ελάχιστοι αυτοί που το γνωρίζουν και που ενδιαφέρονται για αυτό. Παρά ταύτα, και παραδόξως, το θέμα των γλωσσών προγραμματισμού εγείρει συχνά θερμότατες διαμάχες. Κατ αρχάς, για κάθε γλώσσα προγραμματισμού θα βρείτε οπαδούς της πρόθυμους να υπερασπιστούν αυτήν την προτίμησή τους ενάντια σε κάθε άλλη γλώσσα. Μερικοί οπαδοί της ML «είναι στα μαχαίρια» με οπαδούς της γλώσσας Haskell. Οι οπαδοί της Forth θα πικραθούν, χωρίς πάντως να εκπλαγούν, όταν διαπιστώσουν ότι κρατούν άλλο ένα εγχειρίδιο που αγνοεί τη δική τους αγαπημένη γλώσσα. Διάφοροι οπαδοί της Prolog είναι αδύνατον να κατανοήσουν για ποιο λόγο ο λογικός προγραμματισμός δεν έχει υιοθετηθεί από όλους τους προγραμματιστές. Και υπάρχουν οπαδοί της Fortran πλήρως πεπεισμένοι ότι η δική τους προτίμηση δεν είναι μόνο η πρώτη ιστορικά, αλλά και η πρώτη σε σπουδαιότητα γλώσσα υψηλού επιπέδου. Ανάμεσα στους θιασώτες της ίδιας γλώσσας ανακύπτουν διαμάχες άλλου είδους. Τα πρότυπα των γλωσσών προγραμματισμού αναπτύσσονται συχνά μέσω διεθνών επιτροπών. Ποιοι είναι οι «εγγυητές», και ποιοι συμμετέχουν τελικά σε τέτοιες διαδικασίες αποφάσεων; Τι πρόκειται και τι δεν πρόκειται να συμπεριληφθεί στην επόμενη επίσημη έκδοση μιας γλώσσας; Η ανάπτυξη των προδιαγραφών για κάποια γλώσσα προγραμματισμού συχνά είναι διαδικασία εντυπωσιακά αργή, περίπλοκη και... μνησίκακη. Αυτό που ενδιαφέρει περισσότερο εμάς είναι οι συχνές διαφωνίες που αφορούν τους θεμελιώδεις ορισμούς. Έχουμε ήδη χρησιμοποιήσει τον όρο οντοστρεφής, ο οποίος είναι ένας από τους πιο έντονα αμφιλεγόμενους όρους. Ποιες ακριβώς ιδιότητες θα πρέπει να έχει μια γλώσσα ώστε να μπορεί να θεωρηθεί οντοστρεφής; Εμείς θα παρακάμψουμε αυτό το ερώτημα, παραθέτοντας μόνο μια άτυπη περιγραφή των οντοστρεφών γλωσσών. Θα αποφύγουμε γενικότερα να δώσουμε απολύτως αυστηρούς ορισμούς για τέτοιους αμφιλεγόμενους όρους, για δύο λόγους. Πρώτον, θα ήταν κάπως υποκριτικό να ισχυριστούμε ότι υπάρχει καν ορισμός, τη στιγμή που στην πραγματικότητα υπάρχουν πολλοί και ασύμβατοι ορισμοί. Και δεύτερον, διότι οι αυστηροί ορισμοί δεν θα είχαν πρακτική χρησιμότητα: ένας αυστηρός ορισμός λ.χ. για τον όρο «οντοστρεφής» απλώς θα πυροδοτούσε διαμάχες της μορφής: «η δική μου γλώσσα μου είναι οντοστρεφής ενώ η δική σου δεν είναι». Για τα ζητήματα που μας ενδιαφέρουν σε αυτό το βιβλίο, οι άτυπες περιγραφές είναι πιο χρήσιμες. Κάποιες γλώσσες είναι πράγματι πιο οντοστρεφείς από κάποιες άλλες, αλλά θα αφήσουμε τέτοια ζητήματα στη κρίση του αναγνώστη. 3 3 Στους μαθηματικούς κύκλους, η ανταλλαγή σκληρών αλλά και ασαφών επιχειρημάτων αποκαλείται συχνά «βατραχομυομαχία». Την έκφραση αυτή είχε χρησιμοποιήσει ως γνωστόν ο Albert Einstein για να χαρακτηρίσει μια έντονη διαμάχη μεταξύ των μαθηματικών David Hilbert και L.E.J. Brouwer, την οποία είχε αποκαλέσει στα γερμανικά «Frosch-Mäuse-Krieg» (δηλ. βατραχομυομαχία). Ο όρος προέρχεται από έναν γνωστό αρχαιοελληνικό μύθο: χρησιμοποιείται σε μια ελληνιστική παρωδία της Ιλιάδας που φέρει τον τίτλο Βατραχομυομαχία. Οι παράξενες αντιμαχίες στις γλώσσες προγραμματισμού ανήκουν συχνά στο είδος των βατραχομυομαχιών.