命令型プログラミング

Fortran（1958年）は「IBM数式翻訳システム」として発表されました。文字列処理機能を持たない科学計算用に設計されました。宣言、式、ステートメントに加えて、以下の機能をサポートしていました。

• 配列
• サブルーチン
• 「do」ループ

成功した理由は以下のとおりです。

• プログラミングとデバッグにかかる​​費用は、コンピュータの運用コストを下回った。
• IBMが支援
• 当時の応用例は科学的なものであった。^{[ 3 ]}

しかし、IBM以外のベンダーもFortranコンパイラを作成しましたが、その構文はIBMのコンパイラではエラーになる可能性が高いものでした。^{[ 3 ]}米国規格協会（ANSI）は1966年に最初のFortran規格を策定しました。1978年にはFortran 77が標準となり、1991年まで使用されました。Fortran 90は以下をサポートしています。

• 記録
• 配列へのポインタ

COBOL (1959) は「共通ビジネス指向言語」の略です。Fortran はシンボルを操作していました。シンボルは数値である必要がないことがすぐに認識され、文字列が導入されました。^{[ 4 ]}米国国防総省はCOBOL の開発に影響を与え、グレース・ホッパーが主要な貢献者でした。ステートメントは英語に似ていて冗長でした。目標は、管理者がプログラムを読める言語を設計することでした。しかし、構造化されたステートメントの欠如がこの目標を妨げました。^{[ 5 ]}

COBOLの開発は厳密に管理されていたため、ANSI規格を必要とする方言は出現しなかった。その結果、1974年まで15年間変更されなかった。1990年代のバージョンでは、オブジェクト指向プログラミングなどの重要な変更が加えられた。^{[ 5 ]}

ALGOL（1960）は「ALGOrithmic Language」の略です。プログラミング言語設計に大きな影響を与えました。^{[ 6 ]}ヨーロッパとアメリカのプログラミング言語専門家からなる委員会から生まれたALGOLは、標準的な数学的記法を使用し、読みやすい構造設計を採用していました。ALGOLは、バッカス・ナウア記法を用いて構文を定義した最初の言語でした。^{[ 6 ]}これにより、構文指向コンパイラが誕生しました。ALGOLは次のような機能を追加しました。

• ブロック構造では、変数はそれぞれのブロック内でローカルであった。
• 可変境界を持つ配列
• 「for」ループ
• 関数
• 再帰^{[ 6 ]}

ALGOLの直接の子孫には、 1つの系統にPascal、Modula-2、Ada、Delphi、Oberonがある。別の系統にはC、C++、Javaがある。^{[ 6 ]}

BASIC (1964) は「Beginner's All Purpose Symbolic Instruction Code」の略です。ダートマス大学で、全学生が学習できるように開発されました。^{[ 7 ]}学生がより強力な言語に進まなくても、BASIC は覚えておくことができます。^{[ 7 ]} 1970 年代後半に製造されたマイクロコンピュータには BASIC インタープリタがインストールされました。マイクロコンピュータ産業が成長するにつれて、この言語も成長しました。^{[ 7 ]}

BASICは対話型セッションの先駆けとなった。^{[ 7 ]} BASICは、その環境内でオペレーティングシステムのコマンドを提供した。

• 「new」コマンドは空のボードを作成しました
• 声明は即座に評価される
• ステートメントは、行番号を前に付けることでプログラムできます。
• 「list」コマンドはプログラムを表示した
• 「run」コマンドがプログラムを実行しました

しかし、BASIC構文は大規模プログラムには単純すぎた。^{[ 7 ]}最近のBASIC方言では、構造とオブジェクト指向の拡張機能が追加されている。MicrosoftのVisual Basicは今でも広く使われており、グラフィカルユーザーインターフェースを生成する。^{[ 8 ]}

C言語（1973年）は、 BCPL言語がB言語に置き換えられた際に、AT&Tベル研究所が次のバージョンを「C」と名付けたことからその名が付けられました。その目的はUNIXオペレーティングシステムを開発することでした。^{[ 9 ]} C言語は比較的小規模な言語であるため、コンパイラの作成が容易です。その成長は1980年代のハードウェアの成長と軌を一にしていました。^{[ 9 ]}また、アセンブリ言語の機能を備えながらも高水準構文を使用していることも、成長の要因の一つでした。C言語には以下のような高度な機能が追加されました。

• インラインアセンブラ
• ポインタに対する算術演算
• 関数へのポインタ
• ビット演算
• 複素演算子を自由に組み合わせる^{[ 9 ]}

C言語では、プログラマがメモリのどの領域にデータを格納するかを制御できます。グローバル変数と静的変数は、格納に必要なクロックサイクルが最も少なくて済みます。スタックは、標準変数宣言に自動的に使用されます。ヒープメモリは、関数からポインタ変数に返されますmalloc()。

• グローバルかつ静的なデータ領域は、プログラム領域のすぐ上に位置しています。（プログラム領域は厳密にはテキスト領域と呼ばれ、機械語命令が格納される場所です。）
  • グローバルかつ静的なデータ領域は、技術的には 2 つの領域です。^{[ 10 ]} 1 つの領域は初期化データセグメントと呼ばれ、デフォルト値で宣言された変数が格納されます。もう 1 つの領域はセグメントによって開始されたブロックと呼ばれ、デフォルト値なしで宣言された変数が格納されます。
  • グローバルデータ領域および静的データ領域に格納される変数は、コンパイル時にアドレスが設定されます。これらの変数は、プロセスの存続期間中、その値を保持します。
  • グローバルかつ静的な領域には、関数の上（外側）で宣言されたグローバル変数main()が格納されます。^{[ 11 ]}main()グローバル変数は、ソースコード内の他のすべての関数から参照可能です。
• 一方、main()、他の関数、または{}ブロック区切り文字内の変数宣言はローカル変数です。ローカル変数には仮パラメータ変数も含まれます。パラメータ変数は関数定義の括弧で囲まれます。^{[ 12 ]}これらは関数への インターフェースを提供します。
  • プレフィックスを使用して宣言されたローカル変数も、グローバルおよび静的データstatic領域に格納されます。^{[ 10 ]}グローバル変数とは異なり、静的変数は関数またはブロック内でのみ参照可能です。静的変数は常にその値を保持します。使用例としては、関数が挙げられます。

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

• スタック領域は、最上位メモリ アドレス付近に位置する連続したメモリ ブロックです。^{[ 13 ]}スタックに配置された変数は、上から下へ順に値が格納されます。^{[ 13 ]}スタックポインタは、最後に値が格納されたメモリ アドレスを追跡する特殊なレジスタです。 ^{[ 13 ]}変数は、アセンブリ言語のPUSH 命令によってスタックに配置されます。したがって、これらの変数のアドレスは実行時に設定されます。スタック変数のスコープを解放する方法は、POP 命令を使用することです。
  • プレフィックスなしで宣言されたローカル変数static（仮引数変数を含む） ^{[ 14 ]}は自動変数^{[ 11 ]}と呼ばれ、スタックに格納されます。^{[ 10 ]}それらは関数またはブロック内では可視であり、関数またはブロックを抜けるとスコープを失います。
  • ヒープ領域はスタックの下に位置します。^{[ 10 ]}ヒープは下から上に向かってデータが格納されます。オペレーティングシステムは、ヒープポインタと割り当てられたメモリブロックのリストを使用してヒープを管理します。 ^{[ 15 ]}スタックと同様に、ヒープ変数のアドレスは実行時に設定されます。ヒープポインタとスタックポインタが一致すると、メモリ不足エラーが発生します。
  • C言語は、ヒープメモリを割り当てるmalloc()ライブラリ関数を提供します。^{[ 16 ]}ヒープにデータを格納するのは、追加のコピー関数です。ヒープに格納された変数は、ポインタを使用して効率的に関数に渡されます。ポインタがない場合、データのブロック全体をスタック経由で関数に渡す必要があります。

1970年代、ソフトウェアエンジニアは大規模プロジェクトをモジュールに分割するための言語サポートを必要としていました。^{[ 17 ]} 1つの明白な機能は、大規模プロジェクトを物理的に個別のファイルに分解することでした。あまり明白ではない機能は、大規模プロジェクトを論理的に抽象データ型に分解することでした。^{[ 17 ]}当時、言語は整数、浮動小数点数、文字列などの具体的な（スカラー）データ型をサポートしていました。具体的なデータ型は、その表現が名前の一部になっています。^{[ 18 ]}抽象データ型は、具体的なデータ型の構造であり、新しい名前が割り当てられています。たとえば、整数のリストはと呼ばれることがあります。integer_list

オブジェクト指向の専門用語では、抽象データ型はクラスと呼ばれます。ただし、クラスは定義にすぎず、メモリは割り当てられません。クラスにメモリが割り当てられると、それはオブジェクトと呼ばれます。^{[ 19 ]}

オブジェクト指向命令型言語は、クラスの必要性と安全な関数型プログラミングの必要性を組み合わせることによって開発されました。 ^{[ 20 ]}オブジェクト指向言語では、関数はクラスに割り当てられます。割り当てられた関数は、メソッド、メンバ関数、または操作と呼ばれます。オブジェクト指向プログラミングは、オブジェクトに対して操作を実行することです。 ^{[ 21 ]}

オブジェクト指向言語は、部分集合/上位集合の関係をモデル化する構文をサポートしています。集合論では、部分集合の要素は上位集合に含まれるすべての属性を継承します。たとえば、学生は人です。したがって、学生の集合は人の集合の部分集合です。結果として、学生はすべての人間に共通するすべての属性を継承します。さらに、学生は他の人にはない固有の属性を持っています。オブジェクト指向言語は、継承を使用して部分集合/上位集合の関係をモデル化します。^{[ 22 ]}オブジェクト指向プログラミングは、1990年代後半までに支配的な言語パラダイムになりました。^{[ 17 ]}

C++（1985年）は当初「クラス付きC」と呼ばれていました。^{[ 23 ]}これは、言語Simulaのオブジェクト指向機能を追加することでCの機能を拡張するように設計されました。^{[ 24 ]}

オブジェクト指向モジュールは2つのファイルで構成されます。定義ファイルはヘッダーファイルと呼ばれます。以下は、シンプルな学校アプリケーションのGRADEクラスのC++ヘッダーファイルです。

// grade.h // -------// 複数のソースファイルが重複エラーなしでこのヘッダーファイルを含めることを可能にするために使用されます。 // 参照: https://en.wikipedia.org/wiki/Include_guard // ---------------------------------------------- #ifndef GRADE_H #define GRADE_Hclass GRADE { public : // これはコンストラクタ操作です。// ---------------------------------- GRADE ( const char letter );// これはクラス変数です。// ------------------------- char letter ;// これはメンバ操作です。// --------------------------- int grade_numeric ( const char letter );// これはクラス変数です。// ------------------------- int numeric ; }; #endif

コンストラクタ操作は、クラス名と同じ名前の関数です。^{[ 25 ]}呼び出し元の操作がnewステートメントを実行するときに実行されます。

モジュールのもう1つのファイルはソースファイルです。以下は、シンプルな学校アプリケーションのGRADEクラスのC++ソースファイルです。

// grade.cpp // --------- #include "grade.h"GRADE :: GRADE ( const char letter ) { // キーワード 'this' を使用してオブジェクトを参照します。// ---------------------------------------------- this -> letter = letter ;// これは時間的凝集性です// ------------------------- 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 ; }

以下は、シンプルな学校向けアプリケーションにおけるPERSONクラスのC++ヘッダーファイルです。

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

以下は、シンプルな学校向けアプリケーションにおけるPERSONクラスのC++ソースファイルです。

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

以下は、シンプルな学校向けアプリケーションにおけるSTUDENTクラスのC++ヘッダーファイルです。

// student.h // --------- #ifndef STUDENT_H #define STUDENT_H#include "person.h" #include "grade.h"// STUDENT は PERSON のサブセットです。// -------------------------------- class STUDENT : public PERSON { public : STUDENT ( const char * name ); ~ STUDENT (); GRADE * grade ; }; #endif

以下は、シンプルな学校向けアプリケーションにおけるSTUDENTクラスのC++ソースファイルです。

// student.cpp // ----------- #include "student.h" #include "person.h"STUDENT :: STUDENT ( const char * name ) : // PERSON スーパークラスのコンストラクタを実行します。// ------------------------------------------------- PERSON ( name ) { // 他に何もする必要はありません。// ------------------- }STUDENT ::~ STUDENT () { // メモリリークを防ぐため、成績のメモリを解放します。// ------------------------------------------------- delete this -> grade ; }

以下は、デモンストレーション用のドライバプログラムです。

// student_dvr.cpp // --------------- #include <iostream> #include "student.h"int main ( void ) { STUDENT * student = new STUDENT ( "The Student" ); student -> grade = new GRADE ( 'a' );std :: cout // 学生がPERSONの名前を継承していることに注意<< student- > name << ": 数値成績 = " << student- > grade- > numeric << " \n " ;// メモリリークを防ぐため、学生のメモリを解放します。// ------------------------------------------------- delete student ;return 0 ; }

以下は、すべてをコンパイルするためのメイクファイルです。

# makefile # -------- all : student_dvrclean : 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 ​​​