البرمجة الإجرائية

تم الكشف عن لغة فورتران (1958) تحت اسم "نظام ترجمة الصيغ الرياضية من شركة آي بي إم". صُممت لإجراء العمليات الحسابية العلمية، دون توفير إمكانيات التعامل مع النصوص . إلى جانب التصريحات والتعبيرات والعبارات ، دعمت اللغة ما يلي :

• المصفوفات
• البرامج الفرعية
• حلقات "do"

لقد نجح ذلك للأسباب التالية:

• كانت تكاليف البرمجة وتصحيح الأخطاء أقل من تكاليف تشغيل الكمبيوتر
• وقد حظي بدعم شركة آي بي إم
• كانت التطبيقات في ذلك الوقت علمية. ^{[ 3 ]}

مع ذلك، قام موردون آخرون غير شركة IBM بكتابة مترجمات لغة فورتران، ولكن بصيغة من المرجح أن تفشل مترجمات IBM. ^{[ 3 ]} وضع المعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI) أول معيار للغة فورتران عام 1966. وفي عام 1978، أصبح معيار فورتران 77 هو المعيار المعتمد حتى عام 1991. يدعم معيار فورتران 90 ما يلي:

• سجلات
• مؤشرات إلى المصفوفات

لغة كوبول (1959) اختصار لـ "لغة الأعمال التجارية الشائعة". كانت لغة فورتران تتعامل مع الرموز، وسرعان ما اتضح أن الرموز لا تقتصر على الأرقام، فتم إدخال السلاسل النصية. ^{[ 4 ]} أثرت وزارة الدفاع الأمريكية في تطوير كوبول، وكان لغريس هوبر دورٌ بارزٌ في ذلك. كانت التعليمات البرمجية شبيهة باللغة الإنجليزية ومطولة. كان الهدف تصميم لغة تمكّن المديرين من قراءة البرامج، إلا أن افتقارها إلى التعليمات المنظمة أعاق تحقيق هذا الهدف. ^{[ 5 ]}

كان تطوير لغة كوبول خاضعًا لرقابة صارمة، لذا لم تظهر لهجات تتطلب معايير ANSI. ونتيجة لذلك، لم تُجرَ عليها أي تغييرات لمدة 15 عامًا حتى عام 1974. وقد أدخلت نسخة التسعينيات تغييرات جوهرية، مثل البرمجة كائنية التوجه . ^{[ 5 ]}

لغة ALGOL (1960) اختصار لـ "لغة الخوارزميات". كان لها تأثير عميق على تصميم لغات البرمجة. ^{[ 6 ]} انبثقت من لجنة تضم خبراء أوروبيين وأمريكيين في لغات البرمجة، واستخدمت رموزًا رياضية قياسية، وتميزت بتصميم هيكلي سهل القراءة. كانت ALGOL أول من عرّف قواعدها النحوية باستخدام صيغة باكوس-ناور . ^{[ 6 ]} أدى ذلك إلى ظهور المترجمات الموجهة نحو بناء الجملة . وأضافت ميزات مثل:

• بنية الكتلة، حيث تكون المتغيرات محلية لكتلتها
• المصفوفات ذات الحدود المتغيرة
• حلقات "for"
• الوظائف
• الاستدعاء الذاتي ^{[ 6 ]}

تشمل اللغات المنحدرة مباشرة من لغة ALGOL لغات Pascal و Modula-2 و Ada و Delphi و Oberon على فرع واحد. وعلى فرع آخر توجد لغات C و C++ و Java . ^{[ 6 ]}

لغة BASIC (1964) اختصار لـ "Beginner's All Purpose Symbolic Instruction Code" (رمز التعليمات الرمزية متعدد الأغراض للمبتدئين). طُوّرت هذه اللغة في كلية دارتموث ليتعلمها جميع طلابها. ^{[ 7 ]} حتى لو لم ينتقل الطالب إلى لغة برمجة أكثر تطورًا، فإنه سيظل يتذكر لغة BASIC. ^{[ 7 ]} تم تثبيت مترجم لغة BASIC في الحواسيب الصغيرة المصنعة في أواخر سبعينيات القرن العشرين. ومع نمو صناعة الحواسيب الصغيرة، تطورت هذه اللغة أيضًا. ^{[ 7 ]}

كانت لغة BASIC رائدة في مجال الجلسات التفاعلية . ^{[ 7 ]} وقد وفرت أوامر نظام التشغيل ضمن بيئتها:

• أنشأ الأمر "جديد" صفحة فارغة
• يتم تقييم البيانات فوراً
• يمكن برمجة العبارات عن طريق وضع رقم السطر قبلها
• عرض الأمر "list" البرنامج
• قام الأمر "تشغيل" بتنفيذ البرنامج

مع ذلك، كانت بنية لغة BASIC بسيطة للغاية بالنسبة للبرامج الكبيرة. ^{[ 7 ]} أضافت اللهجات الحديثة بنيةً وامتداداتٍ كائنية التوجه. ولا تزال لغة Visual Basic من مايكروسوفت مستخدمةً على نطاق واسع، وتُنتج واجهة مستخدم رسومية . ^{[ 8 ]}

حصلت لغة البرمجة C (1973) على اسمها لأن لغة BCPL استُبدلت بلغة B ، وأطلقت مختبرات AT&T Bell Labs على الإصدار التالي اسم "C". وكان الغرض منها كتابة نظام التشغيل UNIX . ^{[ 9 ]} تُعد C لغة صغيرة نسبيًا، مما يُسهّل كتابة المترجمات. وقد واكب نموها نمو الأجهزة في ثمانينيات القرن العشرين. ^{[ 9 ]} كما يعود نموها أيضًا إلى امتلاكها إمكانيات لغة التجميع ، ولكنها تستخدم بنية نحوية عالية المستوى . وقد أضافت ميزات متقدمة مثل:

• مُجمِّع خطي
• العمليات الحسابية على المؤشرات
• مؤشرات إلى الدوال
• عمليات البت
• الجمع الحر بين المؤثرات المعقدة ^{[ 9 ]}

تتيح لغة C للمبرمج التحكم في منطقة الذاكرة التي تُخزَّن فيها البيانات. تتطلب المتغيرات العامة والمتغيرات الثابتة أقل عدد من دورات الساعة للتخزين. يُستخدم المكدس تلقائيًا لتعريف المتغيرات القياسية . تُعاد بيانات الذاكرة الديناميكية إلى متغير مؤشر من malloc()الدالة.

• تقع منطقة البيانات العامة والثابتة فوق منطقة البرنامج مباشرةً . ( تُسمى منطقة البرنامج تقنيًا منطقة النص ، وهي المكان الذي تُخزن فيه تعليمات الآلة).
  • تُعتبر منطقة البيانات العامة والثابتة منطقتين من الناحية التقنية. ^{[ 10 ]} تُسمى إحدى المنطقتين " مقطع البيانات المُهيأة "، حيث تُخزن المتغيرات المُعلنة بقيم افتراضية. أما المنطقة الأخرى فتُسمى " مقطع الكتلة المُبدأة" ، حيث تُخزن المتغيرات المُعلنة بدون قيم افتراضية.
  • يتم تحديد عناوين المتغيرات المخزنة في منطقة البيانات العامة والثابتة في وقت الترجمة. وتحتفظ هذه المتغيرات بقيمها طوال فترة تشغيل العملية.
  • تُخزّن المنطقة العامة والثابتة المتغيرات العامة المُعلنة خارج نطاق main()الدالة. ^{[ 11 ]} المتغيرات العامة مرئية main()لجميع الدوال الأخرى في الكود المصدري.
• من جهة أخرى، تُعتبر تعريفات المتغيرات داخل main()الدوال الأخرى، أو ضمن {}حدود الكتل ، متغيرات محلية . تشمل المتغيرات المحلية أيضًا متغيرات المعاملات الرسمية . تُحاط متغيرات المعاملات بأقواس تعريفات الدوال. ^{[ 12 ]} وهي تُوفر واجهة للدالة.
  • staticتُخزَّن المتغيرات المحلية المُعلنة باستخدام البادئة أيضًا في منطقة البيانات العامة والثابتة . ^{[ 10 ]} على عكس المتغيرات العامة، فإن المتغيرات الثابتة مرئية فقط داخل الدالة أو الكتلة. وتحتفظ المتغيرات الثابتة دائمًا بقيمتها. ومن الأمثلة على استخدامها الدالة

    int increment_counter () { static int counter = 0 ; counter ++ ; return counter ; }

• منطقة المكدس هي كتلة متصلة من الذاكرة تقع بالقرب من عنوان الذاكرة العلوي. [ ^{13 ] تُملأ} المتغيرات الموجودة في المكدس من الأعلى إلى الأسفل. ^{[ 13 ]} مؤشر المكدس هو سجل خاص يُستخدم لتتبع آخر عنوان ذاكرة تم ملؤه. ^{[ 13 ]} تُوضع المتغيرات في المكدس باستخدام تعليمة PUSH في لغة التجميع . لذلك، تُحدد عناوين هذه المتغيرات أثناء وقت التشغيل . أما طريقة فقدان نطاق متغيرات المكدس فتتم باستخدام تعليمة POP.
  • تُسمى المتغيرات المحلية المُعلنة بدون staticالبادئة، بما في ذلك متغيرات المعاملات الرسمية، ^{[ 14 ]} بالمتغيرات التلقائية ^{[ 11 ]} وتُخزن في المكدس. ^{[ 10 ]} وتكون مرئية داخل الدالة أو الكتلة وتفقد نطاقها عند الخروج من الدالة أو الكتلة.
  • تقع منطقة الكومة أسفل المكدس. [ 10 ^{] ويتم ملؤها} من الأسفل إلى الأعلى. يدير نظام التشغيل الكومة باستخدام مؤشر الكومة وقائمة بكتل الذاكرة المخصصة. ^{[ 15 ]} ومثل المكدس، يتم تعيين عناوين متغيرات الكومة أثناء وقت التشغيل. ويحدث خطأ نفاد الذاكرة عندما يتطابق مؤشر الكومة مع مؤشر المكدس.
  • توفر لغة Cmalloc() دالة مكتبة لتخصيص ذاكرة الكومة. ^{[ 16 ]} وتُعدّ عملية ملء الكومة بالبيانات دالة نسخ إضافية. تُمرّر المتغيرات المخزنة في الكومة بكفاءة إلى الدوال باستخدام المؤشرات. وبدون المؤشرات، سيتعين تمرير كتلة البيانات بأكملها إلى الدالة عبر المكدس.

في سبعينيات القرن العشرين، احتاج مهندسو البرمجيات إلى دعم لغوي لتقسيم المشاريع الكبيرة إلى وحدات . ^{[ 17 ]} تمثلت إحدى الميزات الواضحة في تقسيم المشاريع الكبيرة فعليًا إلى ملفات منفصلة . أما الميزة الأقل وضوحًا فكانت تقسيم المشاريع الكبيرة منطقيًا إلى أنواع بيانات مجردة . ^{[ 17 ]} في ذلك الوقت، كانت اللغات تدعم أنواع البيانات الملموسة ( العددية ) مثل الأعداد الصحيحة ، والأعداد العشرية ، وسلاسل الأحرف . تحمل أنواع البيانات الملموسة تمثيلها كجزء من اسمها. ^{[ 18 ]} أما أنواع البيانات المجردة فهي هياكل من أنواع البيانات الملموسة، مع اسم جديد مُخصص لها. على سبيل المثال، يمكن تسمية قائمة من الأعداد الصحيحة بـ .integer_list

في مصطلحات البرمجة الكائنية، تُسمى أنواع البيانات المجردة بالفئات . مع ذلك، فإن الفئة مجرد تعريف؛ لا يتم تخصيص أي ذاكرة لها. عندما يتم تخصيص ذاكرة لفئة، تُسمى كائنًا . ^{[ 19 ]}

لغات البرمجة الإجرائية كائنية التوجه ، التي طُوّرت بدمج الحاجة إلى الأصناف والحاجة إلى برمجة وظيفية آمنة . ^{[ 20 ]} في لغة كائنية التوجه، تُسند الدالة إلى صنف. وتُسمى الدالة المُسندة حينها طريقةً أو دالة عضو أو عملية . البرمجة كائنية التوجه هي تنفيذ عمليات على الكائنات . ^{[ 21 ]}

تدعم لغات البرمجة كائنية التوجه بنيةً لنمذجة علاقات المجموعات الجزئية والمجموعات الشاملة . في نظرية المجموعات ، يرث عنصر المجموعة الجزئية جميع سمات المجموعة الشاملة. على سبيل المثال، الطالب هو شخص. لذلك، فإن مجموعة الطلاب هي مجموعة جزئية من مجموعة الأشخاص. ونتيجةً لذلك، يرث الطلاب جميع السمات المشتركة بين جميع الأشخاص. بالإضافة إلى ذلك، يمتلك الطلاب سمات فريدة لا يمتلكها الأشخاص الآخرون. تُنمذج لغات البرمجة كائنية التوجه علاقات المجموعات الجزئية والمجموعات الشاملة باستخدام الوراثة . ^{[ 22 ]} أصبحت البرمجة كائنية التوجه النموذج اللغوي السائد بحلول أواخر التسعينيات. ^{[ 17 ]}

كانت لغة C++ (1985) تُسمى في الأصل "C مع الفئات". ^{[ 23 ]} وقد صُممت لتوسيع قدرات لغة C من خلال إضافة إمكانيات البرمجة الكائنية التوجه للغة Simula . ^{[ 24 ]}

تتكون الوحدة البرمجية الموجهة للكائنات من ملفين. يُسمى ملف التعريفات ملف الرأس . إليك مثال على ملف رأس بلغة C++ لفئة GRADE في تطبيق مدرسي بسيط:

// grade.h // -------// يُستخدم للسماح لملفات مصدر متعددة بتضمين ملف الرأس هذا دون حدوث أخطاء تكرار. // انظر: https://en.wikipedia.org/wiki/Include_guard // ---------------------------------------------- #ifndef GRADE_H #define GRADE_Hclass GRADE { public : // هذه عملية البناء. // ---------------------------------- GRADE ( const char letter );// هذا متغير فئة. // ------------------------- حرف حرف ;// هذه عملية عضوية. // --------------------------- int grade_numeric ( const char letter );// هذا متغير فئة. // ------------------------- int numeric ; }; #endif

عملية البناء هي دالة تحمل نفس اسم الصنف. ^{[ 25 ]} يتم تنفيذها عندما تقوم العملية المستدعِية بتنفيذ newالعبارة.

الملف الآخر للوحدة هو ملف المصدر . إليك ملف مصدر بلغة C++ لفئة GRADE في تطبيق مدرسي بسيط:

// grade.cpp // --------- #include "grade.h"GRADE :: GRADE ( const char letter ) { // الإشارة إلى الكائن باستخدام الكلمة المفتاحية 'this'. // ---------------------------------------------- this -> letter = letter ;// هذا هو التماسك الزمني // ------------------------- this -> numeric = grade_numeric ( letter ); }int GRADE :: grade_numeric ( const char letter ) { if ( ( letter == 'A' || letter == 'a' ) ) return 4 ; else if ( ( letter == 'B' || letter == 'b' ) ) return 3 ; else if ( ( letter == 'C' || letter == 'c' ) ) return 2 ; else if ( ( letter == 'D' || letter == 'd' ) ) return 1 ; else if ( ( letter == 'F' || letter == 'f' ) ) return 0 ; else return -1 ; }

فيما يلي ملف رأس C++ لفئة PERSON في تطبيق مدرسي بسيط:

// person.h // -------- #ifndef PERSON_H #define PERSON_Hclass PERSON { public : PERSON ( const char * name ); const char * name ; }; #endif

إليكم ملف مصدر C++ لفئة PERSON في تطبيق مدرسي بسيط:

// person.cpp // ---------- #include "person.h"PERSON :: PERSON ( const char * name ) { this -> name = name ; }

فيما يلي ملف رأس C++ لفئة STUDENT في تطبيق مدرسي بسيط:

// student.h // --------- #ifndef STUDENT_H #define STUDENT_H#include "person.h" #include "grade.h"// الطالب هو مجموعة فرعية من الشخص. // -------------------------------- class STUDENT : public PERSON { public : STUDENT ( const char * name ); ~ STUDENT (); GRADE * grade ; }; #endif

إليكم ملف مصدر C++ لفئة STUDENT في تطبيق مدرسي بسيط:

// student.cpp // ----------- #include "student.h" #include "person.h"STUDENT :: STUDENT ( const char * name ) : // تنفيذ مُنشئ الفئة الأصلية PERSON. // ------------------------------------------------- PERSON ( name ) { // لا يوجد شيء آخر للقيام به. // ------------------- }STUDENT ::~ STUDENT () { // تحرير ذاكرة الدرجة // لتجنب تسرب الذاكرة. // ------------------------------------------------- delete this -> grade ; }

إليكم برنامج تشغيل توضيحي:

// student_dvr.cpp // --------------- #include <iostream> #include "student.h"int main ( void ) { STUDENT * student = new STUDENT ( "The Student" ); student -> grade = new GRADE ( 'a' );std :: cout // لاحظ أن الطالب يرث اسم الشخص << student- > name << ": الدرجة الرقمية = " << student- > grade- > numeric << " \n " ;// تحرير ذاكرة الطالب // لتجنب تسرب الذاكرة. // ------------------------------------------------- حذف الطالب ;return 0 ; }

إليك ملف makefile لتجميع كل شيء:

ملف الإنشاء -------- الكل : مسجل فيديو الطالبتنظيف : rm student_dvr *.o student_dvr : student_dvr.cpp grade.o student.o person.o c ++ student_dvr.cpp grade.o student.o person.o -o student_dvr​​​​​​​grade.o : grade.cpp grade.h c ++ -c grade.cpp​​​student.o : student.cpp student.h c ++ -c student.cpp​​​person.o : person.cpp person.h c ++ -c person.cpp ​​​