Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

Так для чего же вам может понадобиться программирование? Может быть, вы будете использовать его как основной инструмент своих исследований, не став профессиональным программистом. Возможно, вы будете профессионально общаться с другими людьми, работая в областях, в которых знание программирования может дать существенное преимущество, например, став конструктором, писателем, менеджером или ученым. Может быть, освоив программирование на профессиональном уровне, вы сможете сделать его частью своей работы. Даже если вы станете профессиональным программистом, маловероятно, что вы не будете знать ничего, кроме программирования.

Вы можете стать инженером, занимающимся конструированием компьютеров, или специалистом по компьютерным наукам, но и в этом случае вы не будете все время программировать. Программирование — это способ выражения своих идей в виде программ. Это помогает решать задачи. Программирование становится совершенно бесполезной тратой времени, если у вас нет идей, которые вы хотели бы выразить, и нет задач, которые стоило бы решить.

Эта книга о программировании, и мы пообещали научить вас программировать. Зачем же мы подчеркиваем важность остальных предметов и постоянно указываем на ограниченную роль программирования? Хороший программист понимает роль программ и техники программирования в работе над проектом. Хороший программист (в большинстве случаев) — это ответственный командный игрок, стремящийся сделать как можно более весомый вклад в решение общей задачи. Например, представьте себе, что работая над новым MP3-плеером, я заботился бы лишь о красоте своей программы и количестве технических тонкостей. Вероятно, я стал бы настаивать на том, чтобы моя программа выполнялась на самом мощном компьютере. Я бы пренебрег теорией кодирования звука, поскольку эта дисциплина не относится к программированию. Я бы оставался в стенах своей лаборатории и не стал бы встречаться с потенциальными пользователями, у которых, несомненно, дурной музыкальный вкус и которые, конечно, не способны оценить новейшие достижения в области разработки графического пользовательского интерфейса. Вполне вероятно, что результаты моей работы были бы катастрофическими для всего проекта. Чем более мощный компьютер я бы потребовал, тем дороже стал бы MP3-плеер и тем быстрее разряжались бы его батареи питания. Существенную часть цифровой обработки музыки занимает ее кодирование, поэтому пренебрежение современными методами кодирования информации привело бы к завышенным требованиям к объему памяти для каждой песни (кодирование может уменьшить объем песни почти вдвое без потери качества ее звучания). Игнорирование предпочтений потенциальных пользователей — какими бы странными и архаичными они ни казались — обычно приводит к тому, что они выбирают другой продукт. При разработке хороших программ важно понимать потребности пользователей и ограничения, которые необходимо накладывать на программный код. Для того чтобы завершить карикатурный образ программиста, упомянем о тенденции опаздывать и нарушать сроки поставки из-за одержимости деталями и слепой веры в правильность плохо отлаженной программы. Мы желаем вам стать хорошим программистом с широким кругозором. Эти два качества одинаково полезны для общества и являются ключевыми для удовлетворения от своей работы.

1.4. Компьютерные науки

Даже в самом широком смысле программирование является частью более крупной научной дисциплины. Мы можем рассматривать ее как часть компьютерных наук, компьютерной техники, информационных технологий или другой научной дисциплины, связанной с программным обеспечением. Программирование является вспомогательной технологией, используемой как в информатике, так и в технике, физике, биологии, медицине, истории, литературе и других академических областях.

В 1995 году правительство США выпустило так называемую “Голубую книгу”, в которой дано следующее определение компьютерных наук: “Систематическое изучение компьютерных систем и вычислений. Комплекс знаний, порождаемых этой дисциплиной, содержит теории компьютерных систем и методов; методы, алгоритмы и инструменты проектирования; методы проверки концепций; методы анализа и верификации; методы представления и реализации знаний”. Как и следовало ожидать, Википедия дает более неформальное определение: “Компьютерные науки, или науки о вычислениях, изучают теоретические основы информации и вычислений, а также методы их реализации и приложения в компьютерных системах. Компьютерные науки состоят из многих подобластей; одни сосредоточены на конкретных вычислениях (например, компьютерная графика), другие (например, теория вычислительной сложности) изучают абстрактные проблемы вычислений, третьи связаны с реализацией вычислений. Например, теория языков программирования изучает подходы к описанию вычислений, в то время как компьютерное программирование применяет языки программирования для решения конкретных вычислительных задач”.

Программирование — это основной инструмент выражения решений фундаментальных и прикладных задач, допускающий их проверку, уточнение с помощью эксперимента и использование на практике. Программирование — это дисциплина, в которой идеи и теории сталкиваются с реальностью; где компьютерные науки становятся экспериментальными, а не теоретическими и начинают влиять на реальный мир. В этом контексте, как и во многих других аспектах, важно подчеркнуть, что программирование — это средство реализации как практических, так и теоретических методов. Программирование нельзя сводить к простому ремесленничеству: мол, достаточно заполучить хоть какую-то программу, лишь бы работала.

1.5. Компьютеры повсюду

Каждый из нас что-то где-то слышал о компьютерах или программах. В этом разделе мы приводим несколько примеров. Может быть, среди них вы найдете тот, который вам понравится. По крайней мере, мы хотели бы убедить вас, что сфера применения компьютеров — а значит, и программирования — намного больше, чем можно себе представить.

Многие люди представляют себе компьютер как небольшой серый ящик с экраном и клавиатурой. Такие компьютеры, как правило, стоят под письменным столом и хорошо подходят для игр, обмена сообщениями, электронной почты и воспроизведения музыкальных произведений. Другие компьютеры, ноутбуки, используются в самолетах занятыми бизнесменами, просматривающими базы данных, играющими в компьютерные игры и просматривающими видеофильмы. Эта карикатура — всего лишь вершина айсберга. Большинство компьютеров вообще не попадает в поле нашего зрения, и именно от их работы зависит существование нашей цивилизации. Одни компьютеры занимают целые комнаты, а другие не больше монетки. Многие из наиболее интересных компьютеров вообще не имеют непосредственной связи с людьми, осуществляемой с помощью клавиатуры, мыши или других устройств.

1.5.1. С экранами и без них

Представление о компьютере как о ящике с экраном и клавиатурой широко распространено и весьма устойчиво. Однако представим себе два следующих компьютера.

Оба компьютера можно увидеть непосредственно. Кроме того, будем считать, что они относятся к одной и той же модели, только с разными системами ввода-вывода. На левом устройстве время выводится на маленький экран (напоминающий экраны обычных компьютеров, но только поменьше), а справа отображается на традиционном циферблате, работающем под управлением небольшого электрического моторчика. Их системы ввода-вывода состоят из четырех кнопок (их легко обнаружить на правом устройстве) и радиоприемника, обеспечивающего синхронизацию с высокоточными атомными часами. Большинство программ, управляющих этими двумя компьютерами, являются общими для них.

1.5.2. Кораблестроение

На этих двух фотографиях изображены крупный дизельный корабельный двигатель и огромный корабль, на котором может быть установлен такой двигатель.

Посмотрим, в каком месте компьютеры и программное обеспечение могли бы сыграть ключевую роль.

• Проектирование. Разумеется, как корабль, так и его двигатель проектируется с помощью компьютеров. Список их применения практически бесконечен и включает в себя изготовление архитектурных и инженерных чертежей, общие вычисления, визуализацию помещений и конструкций, а также моделирование их работы.

• Строительство. Современные корабли сильно компьютеризованы. Сборка корабля тщательно планируется с помощью компьютеров, а сам процесс осуществляется под управлением компьютеров. Сварка проводится роботами. В частности, современные двухкорпусные танкеры невозможно построить без маленьких роботов-сварщиков, способных проникнуть в пространство между корпусами. Там просто нет места, в которое мог бы протиснуться человек. Разрезание стальных плит для корабля было одним из первых приложений систем компьютерного проектирования и производства CAD/CAM (computer-aided design and computer-aided manufacture).

• Двигатель. Имеет электронную систему впрыскивания топлива и контролируется несколькими десятками компьютеров. Для двигателя мощностью 100 тысяч лошадиных сил (такого, какой изображен на фотографии) это нетривиальная задача. Например, компьютеры, управляющие двигателем, настраивают топливную смесь, чтобы минимизировать загрязнение. Многие насосы, связанные с двигателем (и другими частями корабля), также управляются компьютерами.

• Управление. Корабли предназначены для доставки груза и людей. Составление расписания движения флотилии кораблей — непрерывный процесс (который также выполняется компьютерами), поскольку он зависит от погоды, спроса и предложения, а также от грузоподъемности кораблей и вместимости портов. Существуют даже веб-сайты, с помощью которых можно отслеживать движение торговых кораблей. Корабль, изображенный на фотографии, — крупнейший в мире сухогруз (397 м в длину и 56 м в ширину), но другие крупные современные корабли управляются точно так же.

• Мониторинг. Океанские лайнеры в большой степени автономны; иначе говоря, их команды могут справиться с любыми неожиданностями еще до прибытия в следующий порт. Одновременно они являются частью глобальной системы, имеют доступ к достаточно точной метеорологической информации (через компьютеризованные космические спутники). Кроме того, у них имеются устройства глобального позиционирования (global positioning system — GPS), а также радары, управляемые компьютерами. Если команде нужен отдых, то за работой большинства систем (включая двигатель, радар и т.п.) можно следить (через спутник), находясь в центре управления кораблем. Если произойдет нечто необычное или связь будет нарушена, то команда сразу узнает об этом.