C. Введение

Время чтения: 8 минут

В этой статье я расскажу что такое языки программирования и в частности про C.

Сразу скажу, я сторонник обучения сверху-вниз – сначала объясняю глобально, а потом перехожу к частностям. Это помогает построить в голове карту предметной области, при помощи которой тебе будет проще в будущем систематизировать свои знания.

Что такое язык программирования

Язык программирования – это язык на котором можно описать последовательность инструкций в том виде, в котором его сможет прочитать компьютер. В каждом языке программирования есть чёткий набор правил, которые необходимо соблюдать.

Можешь провести параллель, и вспомнить как ты в школе изучал русский язык – нужно заучить разные правила, писать много сочинений и диктантов. Язык программирования придётся учить так же, только вместо сочинений и диктантов – задания на решение задач.

Давай представим, что ты знаешь все описанные правила, и можешь без ошибок писать на языке программирования C (как на русском). Что такого ты ещё можешь узнать о языке, что позволит тебе лучше понимать написанное?

Особенности реализации языка программирования

Так как языки программирования созданы для того, чтобы описывать последовательность инструкций, которые должен выполнить компьютер, важно понимать как именно компьютер будет их исполнять.

На самом деле, ты можешь писать программный код и без этих знаний, но тогда ты с большей вероятностью напишешь то, что будет работать ненадёжно или неэффективно. Надёжность и эффективность кода являются ключевыми показателями качества, и если они будут сильно хромать, то ты не поднимешься выше позиции Middle.

Существует множество классификаций языков программирования, давай рассмотрим самые важные:

• Декларативный или императивный язык программирования
• Динамическая или статическая типизация
• Интерпретируемый или компилируемый язык программирования
• Язык программирования со сборщиком мусора и без него

Декларативный или императивный язык программирования

Декларативный язык программирования описывает результат, а императивный описывает последовательность инструкций, выполнение которых приведёт к какому-то результату.

Сначала пример на русском – допустим мы хотим свежего хлеба. Так бы выглядела программа на декларативном языке:

Хочу: свежий хлеб
Откуда: из магазина
Если нет: вчерашний хлеб

Так бы выглядела программа на императивном языке:

если(сейчас зима) то
	надеть верхнюю одежду
открыть дверь
выйти
закрыть дверь
спуститься
<место> = магазин "Булочная" по адресу ул. Ленина 1
до тех пор, пока не (прибыл на <место>) делать
	идти к <место>

достать кошелёк
<свежий хлеб есть> = спросить "Есть свежий хлеб?"
если (<свежий хлеб есть>) то
	<выбранный хлеб> = свежий хлеб
иначе
	<выбранный хлеб> = вчерашний хлеб

попросить <выбранный хлеб>
передать кассиру стоимость за <выбранный хлеб>
забрать <выбранный хлеб>
вернуться домой
подняться
открыть дверь
зайти
закрыть дверь
если(сейчас зима) то
	снять верхнюю одежду

Намного сложнее, да? Однако, вместе со сложностью, мы можем очень точно определить всю последовательность действий, которые приведут к результату. На декларативном языке тоже можно определять некоторые аспекты выполнения, однако такой же точности достигнуть нельзя.

Приведу примеры декларативного и императивного подхода в программированнии. Задача – вывести имя и зарплату работников, у которых зарплата выше 30 тысяч.

Декларативный язык SQL (для описания запросов в базу данных):

SELECT name, salary FROM workers WHERE salary > 30000;

Императивный язык C:

// Подключаем заголовочные файлы
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
// Функция main -- точка входа в программу
int main()
{
    char *path = "/home/keereel/workers_salary.txt";
    // Открываем файл на чтение
    FILE *file = fopen(path, "r");
    // Проверяем что файл открылся
    if (!file)
    {
        printf("Файл не найден\n");
        return EXIT_FAILURE;
    }
    // Создаём переменные, в которые будем считывать значения из файла
    char firstName[50], middleName[50], lastName[50];
    int salary;
    // Считываем первую строчку из файла
    int bytesRead = fscanf(file, "%s %s %s %d", firstName, middleName, lastName, &salary);
    // Если что-то получилось считать, то...
    while (bytesRead > 0)
    {
        // Если salary больше 3000, то выводим эти данные
        if(salary > 30000)
            printf("Имя: %s %s %s; Зарплата: %d\n", firstName, middleName, lastName, salary);
        // Читаем следующую строчку
        bytesRead = fscanf(file, "%s %s %s %d", firstName, middleName, lastName, &salary);
    }
    // Закрываем файл
    if (fclose(file))
    {
        return EXIT_FAILURE;
    }
}

Примеры декларативных языков: HTML, CSS, SQL, Haskell

Примеры императивных языков: Python, C, C++, Java

Динамическая или статическая типизация

Эту классификацию сложнее объяснить тем, у кого нет существующего опыта программирования, но я постараюсь. Представь, что ты убираешься в комнате, и у тебя есть много коробок, в которые ты будешь складывать вещи.

Динамическая типизация – это когда ты можшь положить в любую коробку всё что угодно.

Статическая типизация – это когда ты можешь складывать в одну коробку только определённый тип предметов.

У обоих подходов есть свои плюсы и минусы:

Динамическая типизация

+ Можно быстро всё раскидать по коробкам

- Если типов вещей очень много, то рано или поздно ты начнёшь путаться в какой коробке что лежит

Статическая типизация

+ Благодаря систематизации того, в каких коробках что лежит, запутаться сложнее

- Необходимо подписывать тип каждой коробки, и систематизировать уже не сами вещи, а типы коробок

Приведу примеры динамической и статической типизации.

Динамическая типизация в Python:

a = 5
b = 6.1
c = a + b
print(f'{a} + {b} = {c}') # Выведет: 5 + 6.1 = 11.1

Статическая типизация в C:

int a = 5;
float b = 6.1;
float c = a + b;
printf("%d + %f = %f\n", a, b, c); // Выведет: 5 + 6.1 = 11.1

Примеры языков с динамической типизацией: Python, Java Script, PHP, Ruby

Примеры языков со статической типизацией: C, C++, Java, C#

Интерпретируемый или компилируемый язык программирования

Интерпретируемый язык программирования может исполняться сразу, а компилируемый необходимо сначала перевести в другую форму, которую уже сможет прочитать компьютер.

И опять же, у каждого подхода есть свои плюсы и минусы:

Интерпретируемый язык

+ Можно исполнять (интерпретировать) написанный код программы сразу

- Есть небольшая задержка перед исполнением кода, что снижает скорость выполнения

Компилируемый язык

+ Весь код программы исполняется сразу, без задержек

- Перед исполнением кода программы необходимо перевести (скомпилировать) код программы в бинарный файл, который сможет читать компьютер. В зависимости от размера проекта может занимать от секунд, до десятков часов

Примеры интерпретируемых языков: Python, Java Script, PHP, Ruby

Примеры компилируемых языков: C, Java, C#, Rust

Язык программирования со сборщиком мусора и без него

Сборщик мусора (GC, Garbage Collector) – механизм, который автоматически освобождает неиспользуемую память.

Вернёмся к примеру с коробками из “Динамическая или статическая типизация” – представь что ты убрался в комнате, и всё у тебя лежит по коробкам. Спустя какое-то время тебе надо что-то оттуда доставать, использовать или перекладывать в новые коробки. В то время, как ты вытаскиваешь предметы из коробок, какие-то из них пустеют, и тебе нужно что-то с ними делать.

Проводя параллель с компьютером – каждая коробка это какой-то участок памяти, который использует твоя программа. Если ты не будешь (выбрасывать коробки)/(освобождать память), то у тебя рано или поздно закончится (место в доме)/(свободная оперативная память компьютера).

Сборщик мусора позволяет тебе не думать про (выбрасывание коробок)/(освобождение памяти), и сам следит какие (коробки)/(участки памяти) больше не используются.

Ты возможно спросишь:

А почему бы тогда не использовать сборщик мусора во всех языках программирования?

Вопрос этот справедливый, и вот ответ – потому что сборщик мусора не бесплатный, и тебе нужно выделять какую-то часть ресурсов на его работу. Если ты сам за собой (выбрасываешь коробки)/(освобождаешь память), то это будет более эффективным решением.

ОДНАКО, если ты не будешь пользоваться сборщиком мусора, то тебе нужно о-о-о-о-о-очень внимательно следить за тем, что ты действительно (выбрасываешь коробки)/(освобождаешь память) за собой, а то твоя программа может просто упасть из-за недостатка (места в доме)/(свободной оперативной памяти компьютера).

Ситуация, когда разработчик не уследил за освобождением памяти называется “утечка памяти”.

Приведу примеры написания программы на языке, в котором есть сборщик мусора и в котором его нет. Задача – создать список значений от 1 до N (N - может изменяться).

Программа на языке Python, в котором есть сборщик мусора:

N = 7
# Создаём список со значениями от 1 до N
numbers = []
for i in range(1, N+1):
    numbers.append(i) # Дополнительная память автоматически выделяется при вставке нового значения
print(numbers) # Выведет: [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
# Память высвобождать не надо -- при выходе она сама освободится

Программа на языке C, в котором нет сборщика мусора:

int N = 7;
// Выдляем память под N целочисленных значений
int* numbers = malloc(sizeof(int) * N);
// Заполняем массив значениями от 1 до 7
for(int i = 0; i < N; ++i)
{
    numbers[i] = i + 1;
}
// Выводим значения массива
for(int i = 0; i < N; ++i)
{
    printf("%d", numbers[i]);
}
// Высвобождаем память
free(numbers);

Примеры языков со сборщиком мусора: Python, Java Script, Java, C#

Примеры языков без сборщика мусора: C, C++, Rust

Итог

• Ты узнал что язык программирования это язык, в котором есть строгие правила
• Если все эти правила удовлетворяются, то язык программирования может быть прочитан компьютером, и исполнен
• Кроме правил у языка программирования есть особенности его реализации
• Есть декларативные (простые и общие) и императивные (сложные и детальные) языки
• Есть динамическая (всё в одну коробку) и статическая (много разных коробок по типам) типизация
• Есть интерпертируемые (моментально по чуть-чуть) и компилируемые (после компиляции всё сразу) языки
• Есть языки со сборщиком мусора (сам забирает коробки) и без него (надо самим заботиться о выбрасывании коробок)

Теперь ты настолько крут, что можешь понять это предложение:

Си это компилируемый императивный язык программирования со статической типизацией и без сборщика мусора

Дальше мы с тобой будем изучать сами правила написания программ на языке C – начнём с переменных.

Если что – пиши, я помогу и постараюсь объяснить лучше.