Um tölvur stýrikerfi og forritun

Transcript

1 Um tölvur stýrikerfi og forritun Tölvur Fyrstu tölvurnar voru smíðaðar um miðja síðustu öld. Þær voru gríðarstórar á okkar tíma mælikvarða og fylltu stóra sali. Grunnhlutar tölva hafa frá þessum fyrstu dögum verið þeir sömu: gjörvi (processor), minni (eða innra minni) og ytri geymsla. Auk þess hafa allar tölvur einhverskonar inn- og úttakstæki. Gjörvinn er stjórneining tölvunnar, hann nær í gögn og forritsskipanir í minni eða geymslu, sér um framkvæmd skipana sem nota þessi gögn og geymir niðurstöður. Minnið er tengt gjörvanum með hraðvirkri minnisbraut (memory bus) og reyndar er gjörvinn jafnframt með dálítið af innbyggðu skyndiminni (cache memory) með enn hraðari aðgang. Ytri geymsla eða drif er ýmist harður diskur (hard disk drive) eða leifturminnisdiskur (flash memory drive, solid state drive (SSD)) en getur líka verið geisladiskur eða segulband. Leifturminni er líka notað í USB vasaminni. Á fyrstu kynslóðum tölva voru stundum notuð gataspjöld eða gataræmur. Meðal inntaks- og úttakstækja má svo nefna lyklaborð, mús, skanna, hljóðnema, skjá, prentara og hátalara. Tölvusalur á 7. áratug 20. aldar Samheiti yfir alla þessa áþreifanlegu hluta tölva er vélbúnaður (hardware), en hin hliðin á tölvunotkun er hugbúnaður (software) sem er samheiti yfir hvers kyns skipanir og forrit sem stýra tölvunni, hvort sem þau fylgja henni eða eru skrifuð af notanda hennar. Minnið, bitar og bæti Frá upphafi hafa nær allar tölvur notað tvíundarkerfið í útreikningum, en í því eru náttúrulegar tölur (þ.e. heiltölur 0) táknaðar með runu af tölustöfunum 0 og 1. Þannig er talan 13 táknuð með rununni 1101 því að 13 = Stundum er settur hnévísir til að sýna að um tvíundarkerfistölu sé að ræða: 13 = Í tölvum eru þessir tvíundartölustafir kallaðir bitar (bits). Röð 8 bita kallast bæti (byte) og í því má geyma tölur frá 0 til 255 (sem er ). Bæti er oft skammstafað með B og það er grunneining minnis í nútímatölvum, sem má hugsa sér sem langa runu af bætum. Staðsetning bætis í rununni er nefnt vistfang (address) þess og tölvur geta framkvæmt aðgerðir sem vísa ýmist í eitt tiltekið bæti eða nokkur bæti í röð með því að tilgreina vistfang (fyrsta) bætisins. Þannig gæti hugsanleg skipun falist í að leggja töluna í bætum við töluna í bætum : Pentium gjörvi frá Þessi gjörvi er 5 cm á kant. Klukkuhraðinn er 75 MHz, gjörvinn hefur 16 kb skyndiminni og hann tengist tölvunni með 321 pinna. Intel Core 2 Duo gjörvi Slíkir gjörvar eru mjög algengir í nýlegum tölvum. Þessi er í borðtölvu, hann er 3.75 cm á kant og tengist tölvunni með 775 pinnum. Gjörvinn hefur tvo samtengda kjarna (cores), en kjarni er nánast eins og sjálfstæður gjörvi (það eru líka til Core 2 Solo og Core 2 Quad með 1 og 4 kjörnum). Klukkuhraðinn er 2.66 GHz og gjörvinn hefur 4 MB skyndiminni. Gjörvar framleiða mikinn hita en á myndinni hefur kælivifta verið fjarlægð. Eftir aðgerðina myndi talan standa í hólfum Reyndar eru til tölvur þar sem grunneining minnisins er stærri en eitt bæti, t.d. 2 eða 4 bæti. Þessi grunneining er þá kölluð tölvuorð (machine word). Hins vegar fer slíkum tölvum fækkandi. Þar sem veldi af tveimur koma mjög við sögu í tengslum við tölvur eru til þæginda notaðar skammstafanir fyrir nokkur þeirra. Þær eru fengnar að láni úr metrakerfinu, stundum með smá breytingu og miðað við veldi af tveimur; k (kíló) er þá látið tákna 2 10 = 1024, M (mega) 2 20 = , G (gíga) , og T (tera) Þetta er hinsvegar að breytast og nú er algengt að láta forskeytin hafa sömu merkingu og hefðbundið er í metrakerfinu: k = 1000, M = , G = 10 9 og T = Reyndar hefur þessi staðlaði metrakerfisskilningur lengi verið notaður um stærðir harðdiska og geisladiska og nýlega hafa alþjóðlegar staðlastofnanir staðfest þennan skilning. Til að tákna (gömlu) tvíveldisstærðirnar skal þá nota Ki, Mi, Gi og Ti (t.d. kilobinary). 1

2 Þessar skammstafanir eru svo hafðar með B til að tákna stærð minnis í bætum (2 KiB eru 2 kíló(tví)bæti, þ.e bæti). Hraði gagnaflutnings er líka gefinn til kynna með þessum grískættuðu forskeytum. Hefðbundið er að miða við bita og t.d. má segja að tiltekin tenging ráði við 2 megabita á sekúndu (stundum skammstafað 2 Mb/s notað er lítið b fyrir bita). Þriðja notkunin á forskeytunum er að lýsa hve hraðvirkar tölvur eru. Tölva sem er 100 megaflops getur framkvæmt 100 milljón kommutöluaðgerðir á sekúndu og 1.8 GHz tölva er með klukku sem drífur gjörvann áfram með tíðni Fyrir gagnaflutningshraða og tölvuhraða hefur tugveldisskilningurinn alltaf gilt. Vistrými (address space) tölvu gefur til kynna hve stór vistföng í forritum hennar geta orðið. Tölvur með tveggja bæta vistföng geta vísað í allt að 64 KiB (þ.e = bæti) af minni, þær eru ýmist sagðar hafa 64 KiB eða 16 bita vistrými. Fyrstu PC tölvurnar voru með 20 bita vistrými en upp úr 1990 stækkaði það í 32 bita (sem sé allt að 4 GiB af minni). Um þessar mundir er algengast að minni í einmenningstölvum sé á bilinu ½ 4 GiB. En vistrýmið er aftur að stækka, í þetta sinn í 64 bita. Gagnatög Í tölvum má geyma upplýsingar af fjölmörgu tagi, svo sem náttúrulegar tölur (þ.e. núll og jákvæðar heiltölur), neikvæðar heiltölur, kommutölur (eða fleytitölur), tvinntölur, bókstafi og aðra ritstafi (t.d. 3, +, &), forrit skráð á vélamáli, myndir, tónlist o.s.frv. Oft má reyndar hugsa sér að þessir síðastnefndu hlutir af flóknara tagi séu kótaðir með tölum, en fyrir einfaldari hlutina, tölur og stafi, er algengt að nota hugtakið gagnatag (data). Gagnatag segir þá bæði til um bitafjölda (eða bætafjölda) sem notaður er til að geyma hluti af taginu og hvernig hlutirnir eru skráðir. Til að geyma náttúrulegar tölur (unsigned integers; jákvæðar heiltölur) eru oftast notuð 1, 2, 4 eða 8 bæti (sem sé 8, 16, 32 eða 64 bitar) og þær eru geymdar sem tvíundarkerfistölur, eins og lýst var í kaflanum að framan. Eins og þar er sagt má geyma tölur á bilinu í einu bæti. Í tveggja bæta hólfum má geyma tölur á bilinu (þ.e ) og stærstu náttúrulegar tölur sem komast fyrir í 4 og 8 bæta hólfum eru sýndar í töflunni hér að neðan. Heiltölugagnatag með n bitum er oftast annaðhvort fyrir plústölur á bilinu 0 til 2 n 1 eða fyrir bæði plús- og mínustölur á bilinu 2 n 1 1 til 2 n 1 (til dæmis 128 til 127 þegar n = 8). Mínustölurnar eru geymdar sem svonefndar tvíundafyllitölur (twos complement) tilsvarandi plústalna. Tvíundafyllitala tölunnar A er talan 2 n A. Sem dæmi má taka töluna 48; í 8 bita hólfi yrði hún geymd eins og talan 2 48 = 208, sem sé sem bitarunan (208 = Til að reikna tvíundafyllitölu bitarunu má nota þá aðferð að breyta öllum 0-bitum í 1 og 1-bitum í 0 og leggja svo 1 við útkomuna. Þannig er 48 = sem breytist í við útskiptin 0 1 og þegar 1 er lagður við þá tölu fæst = 208. Fyrir hönnun tölva hefur tvíundafyllinotkun þann kost að til að leggja saman tvær tölur má nota sömu aðferð hvort sem þær eru jákvæðar eða neikvæðar, og hvort sem útkoman er jákvæð eða neikvæð. Taflan hér að neðan sýnir minnstu og stærstu heiltölur sem fást með þessu móti fyrir algengustu hólfastærðir. tegund bæti minnst stærst plús og mínustölur aðeins plús tölur Heiltölutög Hólf fyrir kommutölur er oftast þrískipt: einn biti geymir formerki og afgangur hólfsins skiptist í tvíveldisvísi og tölustofn (e. mantissa). Til er algengur staðall fyrir kommutölur (IEEE-staðall), og samkvæmt honum eru til bæði tvínákvæmar tölur (double precision) og einnákvæmar (single precision). Stöðluð (normalized) tvínákvæm tala hefur 11 bita veldisvísi og 53 bita tölustofn. Hún er geymd sem (b 0.b 1 b 2.b 52 ) 2 2 β þar sem , sem svarar til að plústölur eru u.þ.b. milli og með 16 til 17 tugtölustafa nákvæmni ( og næsta tala stærri en 1 er ). Stofnhluti hólfsins geymir b 1 b 2 b 3 b 52 og veldisvísishluti hólfsins geymir Allar tölur nema núll eru staðlaðar með tölustofn milli 1 og 2 svo b 0 er alltaf 1 og ekki geymt (það er falinn biti hidden bit). Þannig verður heildarfjöldi bita í tölunni = 64 svo hún kemst fyrir í 8 bætum. Núll er geymt sem 64 núll-bitar. Einnákkvæmar tölur eru geymdar á tilsvarandi hátt. Þær hafa 8 bita veldisvísi með 127 ( ) og 24 bita tölustofn og þær eru u.þ.b. á bilinu til með 7 til 8 tugtölustafa nákvæmni. Auk þeirra talna sem hér eru taldar er hægt að geyma,, NaN (not-a-number), og svonefndar óstaðlaðar (denormalized) tölur sem hafa b 0 = 0. Hefðbundið er að geyma ritstaf í einu bæti og er þá pláss fyrir 256 mismunandi stafi. Algengasta eins-bætis stafrófið er nefnt Latin-1 (eða ISO ) og er það ráðandi í tölvum um þessar mundir, stundum með smáviðbót. Latin-1 er útvíkkun á sjö bita stafrófinu ASCII. Reyndar er þetta smám saman að breytast og stundum eru nú fleiri en eitt bæti fyrir hvern staf, með stafrófi sem nefnist Unicode. Vinsælasta útgáfa þess er kölluð UTF-8 og með henni eru ASCII-stafir (þ.á.m. enskir bókstafir) geymdir í einu bæti. Aðrir stafir eru svo geymdir í tveimur bætum hver (þ.á.m. gríska, rússneska, arabíska, séríslenskir stafir) eða þremur (t.d. japanska). Táknið # er með þessu stafrófi geymt eins og talan 34 (með bitarunu ) og til að geyma orðið hundur er notuð talnarunan 104, 117, 110, 100, 117,

3 Forritun, vélamál og smalamál Fyrstu tölvur voru búnar til á fimmta áratug síðustu aldar. Það sem einkenndi þessar tölvur og greindi þær frá eldri (reikni)vélum var að hægt var að forrita þær, það er að segja setja þeim fyrir runu skipana sem þær áttu að framkvæma. Þessar skipanir voru geymdar og meðhöndlaðar í minni hliðstætt og önnur gögn og sér í lagi mátti skipta þeim út fyrir ný forrit. Til að teljast tölva þarf gripurinn líka að geta reiknað, þannig að forritanlegir vefstólar (sem fyrst voru búnir til á 18. öld) eru ekki tölvur. Fyrstu forrit voru skrifuð á vélamáli (machine language eða object code), þar sem allar skipanir og vistföng eru skráð sem tölur. Ef t.d. talan 100 táknar samlagningarskipun þá gæti skipunin sem lýst er á bls. 1 verið skráð á vélamáli með talnaþrenndinni 100, 824, 518. Sýnishorn af smalamálsforriti fyrir 8088 örgjörva (fyrirrennara Pentium) Þetta forrit finnur heiltölulogra af tölu með grunntölu 2, sem sé stærstu heltölu x sem er þannig að 2 x sé minna en eða jafnt tölunni. Fyrir utan mov og add sem nefndar eru í meginmáli koma hér fyrir skipanirnar cmp (compare), jnle (jump if not less than or equal to), jmp (jump), inc (increment) og dec (decrement). Minnishólf nefnt number geymir í upphafi töluna sem finna skal logra af og ax og cx eru nöfn sérstakra minnishólfa sem nefnast gisti (register) og eru inni í gjörvanum. Í flestum gjörvum þarf að nota gisti fyrir útreikninga. Svarinu x er skilað í gistinu cx. Fljótlega áttuðu menn sig á því að skýrara og auðveldara væri að gefa skipunum og minnishólfum nöfn, og ef það er gert er forritið sagt vera á smalamáli (assembly language). Ef hólf númer 824 heitir M3 og hólf númer 518 heitir X gæti smalamálsskipun til að leggja X við M3 verið ADD M3, X, og skipun til að afrita innihald í hólfi A yfir í hólf B gæti verið MOV B, A. Smíðuð voru sérstök forrit, smalar, til að þýða forrit af smalamáli á vélamál. Minnishólf sem búið er að gefa nafn á þennan hátt er oft kallað breyta. Oftast er hægt að gefa breytum (ný) gildi og það er kallað gilding (assignment), samanber afritunarskipunin að framan sem gildir breytuna B með því sem er í A. Stundum fer saman útreikningur og gilding, eins og í ADD skipuninni. Það er síðan misjafnt eftir forritunarmálinu hvort breyta geti fengið nýtt gagnatag um leið og hún er gilt (það á við t.d. í Matlab), eða hvort gagnatag hverrar breytu sé alltaf það sama. Stýrikerfi Hægt er að flokka hugbúnað í þrennt: notendaforrit (user programs), verkforrit (applications eða application programs) og stýrikerfi (operating systems). Notendaforrit eru forrit sem notendur tölva skrifa sjálfir, verkforrit eru stærri tilbúin tölvukerfi (t.d. ritvinnslukerfi eða töflureiknir), og stýrikerfi fylgir oftast með tölvunni og stýrir notkun hennar. Það sér um að framkvæma (eða keyra) forrit, fylgjast með músinni, opna glugga á skjá, tengjast netinu, lesa og skrifa gögn úr og í ytri geymslu o.s.frv. Grunneining stýrikerfis nefnist kjarni (kernel). Oftast eru mörg forrit í gangi samtímis sem skiptast á um að nota gjörvann, og eitt af hlutverkum kjarnans er að sjá um þessa samnýtingu. Stundum eru þessi keyrandi forrit kölluð verk (processes). Mikilvægt hugtak er rof (interrupt), en þá verður einhver atburður (t.d. ásláttur á lyklaborð) þess valdandi að eitt forrit stöðvast tímabundið og annað tekur við, og kjarninn sér um þessi skipti. Enn eitt hlutverk kjarnans sem nefna mætti er að útvega verkum aðgang að minni tölvunnar, en oftast hefur hvert verk ákveðið svæði í minninu útaf fyrir sig. Gögn sem safnað er saman undir ákveðnu nafni og geymd í ytri geymslu (t.d. á hörðum diski) nefnast skrá (file). Skrár geta geymt hvers kyns upplýsingar: forrit, töluleg gögn, myndir o.s.frv. Oft er skrám safnað í möppur (folders eða directories) og hver mappa geymir oftast skrár sem tengjast á einhvern hátt. Möppur geta innihaldið aðrar möppur og hægt er að gera sér mynd af safni mappa með möpputré sem oft er haft á hvolfi með rótina efst. Sá hluti stýrikerfisins sem hefur umsjón með skrám nefnist skráakerfi (file system). Hann sér um að búa til skrár eða eyða þeim, lesa þær eða skrifa ef forrit biðja um slíka þjónustu. Meðal annarra hluta stýrikerfa má nefna skel (shell) sem sér um að lesa skipanir úr skipanaglugga og framkvæma þær, hjálparforrit (utility programs) með margvíslegan tilgang (nefna mætti ritil (editor, t.d. Notepad), og reiknivél), gluggaviðmót (eða notendaviðmót, desktop environment eða graphical user interface, GUI) og netkerfi (networking) sem sér m.a. um tengingar við aðrar tölvur og netið. Algeng stýrikerfi um þessar mundir eru Microsoft Windows, Linux, Mac OS X (á Apple/Macintosh tölvum) og Solaris (á Sun tölvum). Þau þrjú síðastnefndu eru reyndar skyld og öll mismunandi útgáfur af Unix stýrikerfi, eins og reyndar á við um flest stýrikerfi önnur en Windows. Grunnhugtök í forritun Fyrir utan breytur, útreikning og gildingu, sem kynnt voru hér að framan eru mikilvæg grunnhugtök í forritun skilyrðissetningar (ef-setningar, conditional commands), lykkjur (endurtekningarsetningar, loops), hólfarunur (vigrar, arrays), föll (functions) og undirforrit (subroutines). Auk þess er nauðsynlegt að hafa skipanir til að lesa inn gögn og skrifa út niðurstöður. 3

4 Hluti af spagettí-forriti í Fortran Forritið er hluti af svonefndri Netlib útgáfu af LAPACK og undirbýr útreikning eigingilda. Það er þýtt (og lagfært og endurþýtt) úr Algol-forriti sem upphaflega birtist árið Skilyrðissetning athugar sannleiksgildi einhvers skilyrðis (t.d. hvort tala sé jákvæð eða hvort tákn sé bókstafur) og síðan er tiltekin skipun (eða skipanir) framkvæmd(ar) aðeins ef skilyrðið er uppfyllt. Það kallast lykkja þegar sami forritskafli er framkvæmdur aftur og Spagettí aftur. Hólfaruna er hugtak sem notað er þegar röð minnishólfa heita sama nafni og vísað er í stakt hólf með því að tilgreina númer hvað í röðinni það er. Fall líkir eftir samnefndu stærðfræðihugtaki: Ef gefin eru tiltekin gildi á einhverjum breytum sem inntak í fallið þá er (reiknað og) skilað ákveðnu úttaki eða fallsgildi. Föll eru ýmist innbyggð í forritunarmál eða hluti af forritum sem skrifuð eru í málinu. Undirforrit gegna tvíþættu hlutverki. Þau gera kleyft að brjóta forritunarverkefni upp í afmarkaða hluta þannig að auðvelt sé að fá yfirsýn yfir hvern, og þau leyfa að ákveðinn forritskafli sem nota þarf á fleiri en einum stað sé aðeins hafður með í forriti einu sinni. Aðalforrit framkvæma undirforrit með því að kalla á þau og undirforrit geta síðan ef vill kallað á önnur undirforrit o.s. frv. Vélamálsforritið á bls. 3 er bæði með ef-setningu og lykkju. Nátengd lykkjum og skilyrðissetningum er stökk eða svonefnd goto-setning og í upphafi tölvuforritunar voru lykkjur og skilyrði útfærð með stökk-skipunum. Þessar setningar féllu samt fljótlega í ónáð, og jafnvel þótt mörg forritunarmál nútímans hafi goto- setningu innbyggða forðast flestir forritarar að nota hana. Vélamálsforritið á bls. 3 hefur bæði skilyrðislaust stökk (jmp-skipunin) og skilyrt stökk (jnle-skipunin), og bæði Fortran forritið hér til hliðar og það sem er á bls. 4 eru með skilyrt stökk (setningarnar sem byrja á IF). Ástæða þess að goto-setningin varð óvinsæl er sú að forrit með mörgum stökkum fram og aftur verður ólæsilegt; það er flókið að sjá að það vinni rétt og það er líka erfitt að breyta því. Slík forrit eru kölluð spagettí-forrit. Ýmis nútímaforritunarmál, þar á meðal Matlab, Python og Java, hafa enga goto-setningu, en þessi mál (og ýmis fleiri) hafa hinsvegar setningarnar return, break og continue sem leyfa stökk með takmörkunum. Forritunarmál Á eftir smalamálum var næsta skref í þróuninni að búa til svonefnd æðri forritunarmál (high level languages). Þessi mál nota heil orð (yfirleitt ensk) frekar en skammstafanir smalamála, hægt er að vinna með samsettar stærðfræðiformúlur og rökstærðir (setning í forritunarmáli gæti t.d. byrjað ef a 2 + b 2 > 0 og Fleiri_tölur þá...), og komist er hjá tilvísun í gisti gjörvans. Einnig var mjög fljótlega bætt inn í málin skipunum til að auðvelda notkun hólfaruna, lykkja, skilyrða, falla og undirforrita. Fyrsta slíka málið var Fortran, en þýðandi fyrir það var gerður Í upphaflegri útgáfu þess voru öll grunnhugtökin sem talin eru að framan nema undirforrit, en þau bættust við í Fortran II, Fortran lifir enn góðu lífi og nýjasta útgáfa þess er kölluð Fortran 2003 (eftir árinu þegar það var skilgreint). Halló-heimur forrit í C. Þetta forrit skrifar textann hello, world á skjá. Algengt er að nota slík forrit til að kynna forritunarmál lauslega. Hverfum nú 30 ár aftur í tímann og skoðum hvernig Fortran forrit litu út. Þá var Fortran IV nýtekið við af Fortran II og flest forrit enn skrifuð á gataspjöld, þótt skjáir væru byrjaðir að ryðja sér til rúms. Forritið á næstu blaðsíðu finnur tölulega lausn á diffurjöfnunni y' = x + y, y(0) = 1 á bilinu [0, 1] með svonefndri fjórða stigs Runge-Kutta aðferð og ber saman við rétta lausn sem er y = 2e x x 1. Forritið er skrifað í Fortran-II-skotnu Fortran IV. Af öðrum þekktum forritunarmálum má nefna Algol (1958), Lisp (1959), COBOL (1960), BASIC (1964), PL/I (1964), Simula (1965), APL (1965), Pascal (1970), C (1971), Matlab (1978), C++ (1983), Perl (1987), Python (1991), Java (1995) og C# (2000). Flest þessara mála eru enn í talsvert mikilli notkun (líklega eru Algol og APL minnst notuð). 4

5 C SAMANBURDUR A FRAEDILEGRI OG C NUMERISKRI LAUSN FYRSTA STIGS C DIFFURJOFNU REAL K1,K2,K3,K4 F(X,Y) = X+Y G(X) = 2.*EXP(X)-X-1 READ(1,1) XN,YN,H,XMAX WRITE(3,2) 20 Y = G(XN) K1 = H*F(XN,YN) K2 = H*F(XN+H/2.,YN+K1/2.) K3 = H*F(XN+H/2.,YN+K2/2.) K4 = H*F(XN+H,YN+K3) YN = YN+(K1+2.*K2+2.*K3+K4)/6 XN = XN+H WRITE(3,3) XN,Y,YN IF(XN-XMAX)20,20,30 30 STOP 1 FORMAT(4F15.0) 2 FORMAT('1X-GILDI',10X,'RETT GILDI',12X,'R-K GILDI'/) 3 FORMAT(' ',F7.3,2F20.7) END Fortran IV forrit frá árinu 1977 Keyrsla forrita þýðing og túlkun Þegar vélamálsforrit er sett í gang er fyrsta skipun þess lesin úr minni tölvunnar og inn í gjörvann, sem síðan framkvæmir hana beint. Vélamálið er móðurmál gjörvans svo það þarf enga túlkun eða þýðingu. Ef skipunin var ekki stökkskipun er sagan endurtekin með næstu skipun, annars segir stökkskipunin hvaðan næsta skipun kemur. Ef forritið er hinsvegar ekki á vélamáli þarf að þýða það eða túlka yfir á vélamál svo gjörvinn skilji það. Ef forritið er þýtt, er því snúið á vélamál í heild sinni áður en það er keyrt, og er sérstakt hjálparforrit notað til þess verks, svonefndur þýðandi (compiler). Hjálparforrit sem snýr smalamáli á vélamál nefnist smali (assembler). Oft fylgir í kjölfar þýðingar tenging með tengiforriti (linker) sem tengir saman mismunandi þýdd forrit (t.d. aðalforrit og undirforrit) í eina keyrsluskrá og getur hliðrað vistföngum þeirra ef þörf krefur svo þau passi saman. Túlkun forrits fer hins vegar fram skipun fyrir skipun, og sér túlkur (interpreter) um þá framkvæmd. Hann les skipanir forritsins hverja á fætur annarri og framkvæmir þær jafnóðum. Í raun má hugsa sér að túlkurinn hermi eftir ímynduðum gjörva sem hefur viðkomandi forritunarmál sem móðurmál. Oft er reyndar byrjað á að þýða skipanirnar yfir á millimál sem er fljótlegra að túlka en upphaflega málið. Yfirleitt er þá notað sama millimál á öllum tegundum tölva (þótt þær hafi mismunandi vélamál). Túlkuð forrit keyra hægar en þýdd forrit, en á móti kemur að ekki þarf að bíða eftir þýðingu og tengingu, og oft má búa þannig um hnúta að niðurstaða skipunar birtist strax á skjánum þegar skipunin er túlkuð. Forrit í Python, Perl, Matlab, APL, Java og C# eru oftast túlkuð, en hin forritunarmálin sem talin eru í grein 0 eru oftast þýdd. Hlutbundin forritun Mikilvægt hugtak í ýmsum nútímaforritunarmálum er hlutbundin forritun (object oriented programming). Hlutbundin forritun var fyrst möguleg í Simula 67 (útgáfa af Simula búin til 1967), en mikilvægustu hlutbundnu forritunarmálin nú eru C++, Python, Java og C#. Í hlutbundinni forritun koma m.a. við sögu hugtökin klasi, hlutur, tilvik, eiginleiki, aðferð, smiður og erfðir. Klasi (class) er í raun gagnatag, og hlutir (objects) eru breytur af viðkomandi tagi, eða tilvik (instance) af klasanum. Yfirleitt innihalda klasar bæði eiginleika (properties), sem eru einskonar breytur sem lýsa hlutnum, og aðferðir (methods), sem eru í raun föll eða undirforrit (dæmi væri aðferð til að breyta eiginleika). Munurinn á eiginleikum og aðferðum annarsvegar og breytum, föllum og undirforritum hinsvegar er að þau fyrrnefndu eru ekki aðgengileg nema í gegnum hlutinn sem þau tilheyra. Sérstök tegund af aðferð er smiður (constructor), sem hefur það hlutverk að búa til nýtt tilvik af klasanum. Hægt er að búa til klasa sem erfir (inherits) eiginleika og aðferðir annars klasa og bætir við sínum eigin (klasinn sem erfir er undirklasi (subclass) og hann erfir frá yfirklasa (superclass)). Stundum setur undirklasi skorður (constraints) á eiginleikana sem erfast. Sum forritunarmál bjóða ekki upp á alvöru-eiginleika (t.d. hvorki C++ né Java) heldur eru notuð svonefnd svið (fields eða struct) til að líkja eftir þeim. Kall á aðferðirnar get og set gerist þá ekki sjálfkrafa. 5

6 Kostur við hlutbundna forritun er að hægt er að vinna staðbundið. Þegar klasi er útfærður (þ.e. þegar eiginleikar hans eru skilgreindir og aðferðir hans búnar til) þá þarf ekki að hafa allt forritið (eða forritakerfið) undir, heldur nægir að horfa á næsta umhverfi: eiginleika og aðferðir klasans sem unnið er með og (ef við á) klasans sem erft er frá. Annað mikilvægt atriði er svonefnd upplýsingahuld (information hiding), sem felst í því að notandi hefur aðeins (vitneskju um og) aðgang að tilteknum eiginleikum og aðferðum klasa, en hvorki að nánari útfærslu þeirra né að öðrum eiginleikum og aðferðum klasans. Tökum flatarmyndir og teikningar af þeim á skjá sem dæmi. Gerum ráð fyrir að allar flatarmyndir hafi eiginleikana staðsetningu (t.d. hnit miðju), flatarmál og lit og aðferðirnar stroka_út og breyta_stærð. Flatarmynd er grunnklasi, og frá honum erfast klasarnir (sértilvikin) hringur og rétthyrningur. Hringur bætir við eiginleikanum geisla og rétthyrningur bætir við eiginleikum breidd, hæð og stefnu og aðferð snúa (það hefur lítinn tilgang að snúa hring). Báðir þessir erfðu klasar myndu endurskilgreina báðar aðferðirnar stroka_út og breyta_stærð. Síðan mætti láta ferning erfa frá rétthyrningi. Erfðavenslin má túlka sem er ein gerð af. Ferningur er ein gerð af rétthyrningi, hringur er ein gerð af flatarmynd og sömuleiðis rétthyrningur. Myndin hér að neðan sýnir svonefnt klasarit af þessum erfðavenslum, ásamt eiginleikum og aðferðum klasanna. Að lokum má nefna að ýmis tölvukerfi, t.d. gluggakerfi, eru þannig að þau samanstanda af fjölsrúðugu klasasafni, og notendur þeirra þurfa svo ýmist að búa til tilvik af klösunum eða búa til nýja klasa sem erfa frá þeim innbyggðu með einföldum viðbótum. Því er gagnlegt að hafa nokkurn skilning á hlutbundinni forritun þótt menn ætli sér ekki að smíða stór og mikil hlutbundin forritakerfi frá grunni. Klasarit af flatarmyndum (Kristján Jónasson tók saman Að mestu texti tekinn úr bókinni "Matlab forritunarmál fyrir vísindalega reikninga" eftir hann sjálfan). 6