Паскаль (язык программирования) - Синтаксис и языковые конструкции

Паскаль, в его первоначальном виде, представляет собою чисто процедурный язык и включает в себя множество алголоподобных структур и конструкций с зарезервированными словами наподобие if, then, else, while, for, и т. д. Тем не менее, Паскаль также содержит большое количество возможностей для структурирования информации и абстракций, которые отсутствуют в изначальном Алголе-60, такие как определение типов, записи, указатели, перечисления, и множества. Эти конструкции были частично унаследованы или инспирированы от языков Симула-67, Алгол-68, созданного Никлаусом Виртом AlgolW и предложены Хоаром.

В современных диалектах доступны такие операции как перегрузка операторов и функций.

Hello world

Программы на Паскале начинаются с ключевого слова program и следующего за ним имени программы с точкой с запятой, за именем может в скобках следовать список внешних файловых дескрипторов в качестве параметров; за ним следует тело программы, состоящее из секций описания переменных, типов и констант, объявлений процедур и функций и следующего за ними блока операторов, являющегося точкой входа в программу. В языке Паскаль блок ограничивается ключевыми словами begin и end. Операторы разделяются точками с запятой, после тела помещается точка, служащая признаком конца программы. Регистр символов в Паскале не имеет значения.

Таким образом, простейшая программа на Паскале будет выглядеть следующим образом:

program p;
begin
end.

Программа не выполняет никаких действий и содержит пустой блок операторов.

Пример программы, выводящей строку «Hello, World!»:

Program HelloWorld;
begin
  writeln  { оператор вывода строки }
end.

Типы данных

Простые типы данных Паскаля: числа с плавающей запятой, целые, символьный, логический и перечисления:

var { секция объявления переменных }
  r: Real;  { переменная вещественного типа }
  i: Integer;  { переменная целого типа }
  c: Char;  { переменная-символ }
  b: Boolean;  { логическая переменная }
  s: String; { переменная строки }
  t: Text; { переменная для обьявления текстового файла }
  e: ;  { переменная типа-перечисления }

Выделяется понятие порядковых типов данных, к ним относятся целые типы, логический, символьный, перечислимые типы и типы-диапазоны.

Порядковые типы задаются целым числом, которое можно получить с помощью функции ord. Все операции, выполняемые над порядковыми типами, выполняются с их кодами.

Диапазоны содержат подмножество значений других порядковых типов:

var
  x: 1..10;
  y: 'a'..'z';
  z: pear..orange;

Для порядковых типов определены операции inc, dec, succ, pred, ord, операции сравнения, их можно использовать в операторах case, for, как границы массивов, для задания элементов множеств и типов-диапазонов.

В Паскале, в отличие от Си-подобных языков, с типами boolean и char арифметические целочисленные операции не определены.

В отличие от многих распространённых языков, Паскаль поддерживает специальный тип данных множество:

var
  set1: set of 1..10;
  set2: set of 'a'..'z';
  set3: set of pear..orange;

Множество — фундаментальное понятие в современной математике, которое может быть использовано во многих алгоритмах.

В паскале тип множество может содержать только однотипные элементы порядкового типа. Эта особенность широко используется и обычно быстрее эквивалентной конструкции в языке, не поддерживающем множества. К примеру, для большинства компиляторов Паскаля:

if i in  then  { проверка на принадлежность элемента множеству }
...

if  and  then  { проверка логическими условиями }
...

Для задания значения множества используется список элементов множества, отделенных запятыми и заключённый в квадратные скобки:

var { секция объявления переменных }
 d:set of char;
begin  { начало блока }
 d:=; 
...

В Паскале Йенсен и Вирта строки представлялись как упакованные массивы символов; следовательно, они имели фиксированную длину и обычно дополнялись до этой длины пробелами.

В современном Паскале для работы со строками используется встроенный тип string, поддерживающий операции конкатенации и сравнения. Строки сравниваются в лексикографическом порядке. Например, строки считаются равными если они имеют одинаковую длину и коды всех символов с одинаковыми индексами совпадают.

Тип string или просто string в диалектах языка 1970-1990-х годов определялся в виде массива символов array of char, код нулевого символа при таком представлении служит для задания длины строки, соответственно строка могла иметь максимальный размер 255 символов. По умолчанию в Delphi и FreePascal в качестве String используется тип AnsiString, память под который выделяется и освобождается компилятором динамически, а максимальный размер строки в текущих реализациях составляет 2 гигабайта. Кроме того, в Delphi и Free Pascal в качестве string может использоваться тип WideString, где применяется 16-битное представление символов в кодировке UCS-2, при этом средства преобразования из однобайтовых строк в многобайтовые и обратно в стандартной библиотеке языка отсутствуют.

Новые типы могут быть определены из существующих:

type { секция объявления типов }
  x = Integer;
  y = x;
...

Более того, из примитивных типов могут быть сконструированы составные:

type { секция объявления типов }
  a = Array  of Integer;  { определение массива }
  b = record  { определение записи }
        x: Integer;
        y: Char;
      end;
  c = File of a;  { определение файла }

Файловые типы в Паскале делятся на типизированные, текстовые и файлы без типов.

Как показано в вышеприведённом примере, типизированные файлы в Паскале — это последовательности однотипных элементов. Для каждого файла существует переменная-указатель на буфер, которая обозначается f^. Процедуры get и put перемещают указатель к следующему элементу. Чтение реализовано так, что read представляет собою то же, что и get; x:=f^. Соответственно, запись реализована так, что write представляет собою то же, что и f^ := x; put. Текстовые файлы text определены как расширение типа file of char и помимо стандартных операций над типизированными файлами, позволяют осуществлять символьный ввод-вывод в файл всех типов данных аналогично консольному вводу-выводу.

Файлы без типов объявляются как переменные типа file. С ними можно проводить операции побайтового нетипизированного ввода-вывода по несколько блоков байт указанной длины через буфер, для этого служат специальные процедуры blockread и blockwrite.

Указатели

Паскаль поддерживает использование указателей:

type 
  a = ^b;
  b = record
        x: Integer;
        y: Char;
        z: a;
      end;
var
  pointer_to_b:a;

Здесь переменная pointer_to_b — указатель на тип данных b, являющийся записью. Тип типизированного указателя может быть задан перед объявлением типа, на который он ссылается. Это исключение к правилу, которое гласит, что любая вещь должная быть объявлена перед тем, как используется. Введение этого исключения позволило организовывать рекуррентные определения структур данных, в том числе такие, как линейные списки, стеки и очереди, включая указатель на запись в описании этой записи.

Для типизированного указателя определена операция разыменования.

Чтобы создать новую запись и присвоить значение 10 и символ A полям a и b в ней, необходимы следующие операторы:

new;  { выделение памяти указателю }
 
pointer_to_b^.x := 10;  { разыменовывание указателя и обращение к полю записи }
pointer_to_b^.y := 'A';
pointer_to_b^.z := nil;
...
dispose;  { освобождение памяти из-под указателя }

Для целей обращения к полям записей и объектов можно также использовать оператор with, как показано в примере:

new;
 
with pointer_to_b^ do
begin
  x := 10;
  y := 'A';
  z := nil
end;
...
dispose;

Процедурный тип

В оригинальном языке Паскаль Йенсен и Вирта процедурный тип использовался только при описании формального параметра. Уже в TP существовал полноправный процедурный тип. В объявлении типа ставится заголовок процедуры либо функции, обобщённо описывающий интерфейс подпрограммы. Значение этого типа содержит указатель на подпрограмму с заголовком, соответствующую описанному в объявлении типа. С помощью идентификатора переменной может происходить вызов соответствующей процедуры или функции.

type myfunc=function:string;
 
function func1:string;
begin
 func1:='func N 1'
end;
 
function func2:string;
begin
 func2:='func N 2'
end;
 
var fun:myfunc;
begin
 fun:=@func1;
 writeln {происходит вызов функции func1}
end.

Операторы управления выполнением программы

Паскаль — язык структурного программирования, что означает, что программа состоит из выполняющихся последовательно отдельных стандартных операторов, в идеале — без использования команды GOTO.

while a <> b do  { цикл с предусловием }
  writeln;
 
if a > b then  { условный оператор }
  writeln
else           { else-секция - может отсутствовать}
  writeln;
 
for i := 1 to 10 do  { итерационный цикл }
  writeln;
 
repeat  { цикл с постусловием }
  a := a + 1
until a = 10;
 
case i of  { условный оператор множественного выбора }
  0: write;
  1: write;
  2: write
  else write { else-секция - может отсутствовать}
end;

В операторах while, for, if, case в качестве выполняемого оператора может использоваться блок. Такая конструкция, представляющая собой обычный оператор или блок, называется сложным оператором.

Для управления процессом компиляции в паскале существуют директивы компилятора. Они помещаются в комментарии и позволяют переключать режимы работы компилятора, например, включать и отключать проверку операций ввода-вывода, проверки переполнения:

  assign;
  {$I-} { отключение режима IO checking- генерации кода завершения программы в случае ошибки ввода-вывода }
        {} 
  reset;
  {$I+} { включение режима  IO checking }
  if IOresult=0 then begin { проверяем значение переменой ioresult }
    ...
    close;
  end else writeln

Существуют директивы, аналогичные директивам препроцессора C/C++, они обрабатываются компилятором в процессе компиляции.

Процедуры и функции

В Паскале подпрограммы делятся на процедуры и функции:

Синтаксически процедуры и функции состоят из заголовка, после заголовка следует тело, после которого ставится символ ;.

program mine;
 
var i : integer;
 
procedure print;
 
  function next: integer;
  begin
    next := k + 1
  end;
 
begin
  writeln;
  j := next
end;
 
begin
  i := 1;
  while i <= 10 do
    print
end.

Тело процедуры, как и программы, в свою очередь может содержать описания процедур и функций. Таким образом, процедуры и функции могут быть вложены друг в друга как угодно глубоко, при этом тело программы — самое верхнее в цепочке.

Причём содержимое секций описания переменных, типов, констант, внешнего тела, расположенных перед описанием процедуры/функции, доступны внутри неё. Также, в большинстве диалектов из процедуры можно обращаться к параметрам внешней процедуры.

Вслед за заголовком процедур/функций вместо тела может помещаться ключевое слово forward, это делается в том случае, если описание процедуры/функции располагается в программе после её вызова, и связано с поддерживаемой в Паскале возможностью компиляции программы за один проход.

Процедуры отличаются от функций тем, что функции возвращают какое-либо значение, а процедуры — нет.

Модули

До появления модулей в их современном виде некоторые реализации Паскаля поддерживали модульность за счёт механизма включения заголовочных файлов, похожего на механизм #include в языке Си: с помощью специальной директивы, оформляемой в виде псевдокомментария, например, {$INCLUDE "файл"}, содержимое указанного файла прямо включалось в текст программы в исходном, текстовом виде. Таким образом можно было разделить программный код на множество фрагментов, для удобства редактирования, но перед компиляцией они автоматически объединялись в один файл программы, который в итоге и обрабатывался компилятором. Такая реализация модульности примитивна и имеет множество очевидных недостатков, поэтому она была быстро заменена.

Современные реализации языка Паскаль поддерживают модули. Программные модули могут быть двух видов: модуль главной программы, который, как обычно, начинается с ключевого слова program и тело которого содержит код, запускаемый после загрузки программы в память, и вспомогательных модулей, содержащих типы, константы, переменные, процедуры и функции, предназначенные для использования в других модулях, в том числе в главном модуле.

Структура

Общая структура подключаемого модуля на Паскале выглядит следующим образом:

unit UnitName1;
interface
  ...
 
implementation
  ...
 
begin {может отсутствовать-используется, если необходимо поместить операторы инициализации}
  ...
end.

unit UnitName2;
interface
  ...
 
implementation
  ...
 
initialization
  ...
 
finalization
  ....
 
end.

В отличие от главной программы, файл модуля начинается с ключевого слова UNIT, за которым следует имя модуля и точка с запятой. Современные реализации, как правило, требуют, чтобы имя модуля совпадало с именем файла исходного кода, в котором этот модуль содержится. Модуль содержит три секции: интерфейсную секцию, секцию реализации и тело модуля.

Интерфейсная секция идёт первой, начинается с ключевого слова INTERFACE и заканчивается в том месте модуля, где начинается секция реализации или тело. В интерфейсной секции объявляются те объекты, которые должны быть доступны извне модуля. При этом допускается частичное объявление типов: они могут объявляться без указания структуры, одним только именем. При использовании такого типа во внешней программе допускается объявление переменных и параметров этого типа, присваивание значений, но невозможно получить доступ к деталям его реализации. Процедуры и функции в интерфейсной секции объявляются в виде форвардов — заголовков с параметрами, но без тела. Состав интерфейсной секции модуля таков, что его достаточно для генерации кода, использующего данный модуль. Переменные, объявленные в интерфейсной секции, являются глобальными, то есть существуют в единственном экземпляре и доступны во всех частях программы, использующих данный модуль.

Секция реализации следует за интерфейсной и начинается с ключевого слова IMPLEMENTATION. В нём располагаются описания процедур и функций, объявленных в интерфейсной секции, а также описания типов, констант, переменных, процедур и функций, которые необходимы для реализации интерфейсных процедур и функций. Описание процедуры или функции, объявленной в интерфейсной секции, должно иметь в точности такой же заголовок, как в объявлении. В теле могут использоваться другие процедуры и функции данного модуля, объявленные как в интерфейсной части, так и в секции реализации. Переменные, объявленные в секции реализации, являются, по сути, глобальными, но доступны они только из процедур и функций, описанных в секции реализации данного модуля, а также из его тела. Если в интерфейсной секции есть сокращённые объявления типов, то эти типы должны быть полностью описаны в секции реализации.

Тело модуля начинается находящимся на верхнем уровне вложенности ключевым словом BEGIN. Тело содержит программный код, который выполняется один раз при загрузке модуля. Тело может применяться для инициализации, присваивания начальных значений переменным модуля, выделения ресурсов для его работы и так далее. Тело модуля может отсутствовать. В ряде реализаций Паскаля, например, в Delphi, вместо тела модуля могут применяться две секции — INITIALIZATION и FINALIZATION. Они располагаются в конце модуля, после соответствующего ключевого слова. Первая — секция инициализации, — содержит код, который должен быть выполнен при загрузке модуля, вторая — секция финализации, — код, который будет выполнен при выгрузке модуля. Секция финализации может выполнять действия, обратные инициализации — удалять объекты из памяти, закрывать файлы, освобождать выделенные ресурсы.

Модуль заканчивается ключевым словом END с точкой.

Использование

Чтобы использовать модуль, главная программа или другой модуль должны импортировать данный модуль, то есть содержать объявление о его использовании. Это объявление делается с помощью инструкции подключения модулей, представляющей собой ключевое слово USES, за которым через запятую следуют имена модулей, которые требуется подключить. Инструкция подключения должна следовать непосредственно за заголовком программы, либо после ключевого слова INTERFACE, если подключение производится в модуле.

Модули, подключённые в интерфейсной секции, могут использоваться во всём модуле — и в секции реализации, и в теле. Но секция реализации может иметь собственную инструкцию подключения, содержащую имена подключаемых модулей, которые отсутствуют в интерфейсной секции, но нужны для секции реализации. Одним из поводов использования отдельного списка подключения для раздела реализации является ситуация, когда два или более модуля используют друг друга. Чтобы не возникали циклические ссылки в объявлениях использования таких модулей, по крайней мере один из них должен подключать другой в секции реализации.

Любые объявленные в интерфейсных секциях модулей объекты можно использовать в программе там, где эти модули подключены. Имена импортированных из подключённых модулей объектов остаются теми же самыми, и их можно использовать непосредственно. Если два или более подключённых модуля имеют объекты, называемые одинаково, и компилятор не может их различить, то при попытке использования такого объекта будет выдана ошибка компиляции — неоднозначное задание имени. В этом случае программист должен применять квалификацию имени — указать имя в формате «<имя_модуля>.<имя_объекта>».

Проблемы могут возникнуть, если появляется необходимость использования в программе двух разных одноимённых модулей. Если модули доступны только в откомпилированном виде, оказывается невозможным их одновременный импорт. Стандартного решения такой коллизии на уровне языка не существует, но конкретные компиляторы могут предлагать те или иные способы её обхода, в частности, средства назначения псевдонимов импортируемым модулям и прямого указания, какой модуль из какого файла брать.

Компиляция и компоновка

Модули спроектированы в расчёте на обеспечение раздельной компиляции — компилятор не должен компилировать импортированные модули для того, чтобы откомпилировать модуль, который их использует. Однако, чтобы правильно компилировать модуль, компилятор должен иметь доступ к секции интерфейса всех используемых им модулей. Существует два разных, иногда совмещаемых подхода к организации такого доступа.

Загрузка и выгрузка модулей

Для нормальной работы модуля может потребоваться выполнить некоторые действия до начала его использования: инициализировать переменные, открыть нужные файлы, выделить память или другие ресурсы. Всё это может быть сделано в теле модуля, либо в секции инициализации. Действия, обратные инициализации, делаются в секции финализации.

Порядок инициализации и финализации модулей не определён никакими стандартами, но для статически откомпилированных программ, компилятор всегда гарантирует, что инициализация будет выполнена до момента первого использования модуля. Финализация выполняется при завершении работы программы, после завершения главного модуля, так, что используемые модули финализируются позже, чем использующие их.

В случае динамической загрузки модулей, управляемой самим программистом, инициализаторы выполняются при загрузке, то есть в момент, когда команда загрузки модуля вернула управление, инициализатор его уже выполнен. Финализатор выполняется после выгрузки, обычно — при выполнении команды выгрузки модуля. Если эта команда не вызывается, динамически загруженные модули финализируются так же, как все остальные — при завершении программы.

Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование — это технология создания сложного программного обеспечения, которое основано на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию с наследованием свойств.

Основное достоинство ООП — это сокращение количества межмодульных вызовов и уменьшение объемов информации передаваемой между модулями. Это достигается за счет более полной локализации данных и интегрирования их с подпрограммами обработки.

Основные недостатки в ООП — это некоторое снижение быстродействия из-за более сложной организации программной системы, а также, как правило, заметное увеличение объёма бинарного кода из-за того, что большинство современных компиляторов и компоновщиков не способны выявить и удалить весь код, приходящийся на неиспользуемые классы, виртуальные методы и другие элементы ООП.

В Object Pascal классы задаются с помощью типа object, аналогичного record, который кроме полей данных может содержать заголовки процедур и функций. Имена описываемых методов следуют за именем класса через точку.

Конструктор и деструктор задаются как обычные процедуры, но вместо идентификатора procedure задаются ключевые слова constructor и destructor. Соответственно, в отличие от С++-подобных языков они имеют имя, отличное от имени класса, деструкторов может быть несколько и они могут иметь параметры.

Поддерживаются единичное наследование, полиморфизм классов, механизм виртуальных методов. Существуют и динамические методы, отличающиеся меньшим использованием памяти и меньшей скоростью вызова за счёт отсутствия дублирования динамических методов предков в VMT потомка.

В Delphi, FPC реализована перегрузка операций, абстрактные методы, директивы private, protected, public, published:

type
  TbasicO = object
    procedure writeByte ; virtual; abstract;
  end;
 
  TtextO =object  {наследует TbasicO, реализует остальные операции вывода на основе writeByte}
    procedure writeS ; 
    {..}
  end;
 
  TfileO = object  {класс файлового вывода - реализует операцию вывода как вывод байта в файл}
    constructor init ;
    procedure writeByte ; virtual; 
    destructor closefile;
  private
    f: file of byte; 
  end;
 
  basicO = ^TbasicO; 
  textO = ^TtextO; 
  fileO = ^TfileO;
 
   constructor TfileO.init ;
   begin
     assign ;
     rewrite 
   end;
 
   destructor TfileO.closefile;
   begin
     close 
   end; 
 
   procedure TfileO.writeByte ;
   begin
     write 
   end;   
 
   procedure TtextO.writeS ; 
   var i: integer;
   begin
     for i:=1 to length do 
       writeByte )
   end;
   {..}  
 
var f: fileO;
begin
  new ); {выделяет пямять под объект и вызывает конструктор}
  textO^.writeS ;
  dispose       {вызывает деструктор и освобождает память объекта}
end.

В диалекте Delphi классы могут также конструироваться с помощью слова class и введены интерфейсы — все методы абстрактные и не могут содержать полей данных.

Все классы являются наследниками TObject, все интерфейсы происходят от IUnknown. Классы, созданные с помощью class, могут реализовывать несколько интерфейсов.

В Delphi интерфейсы были введены для поддержки технологии COM фирмы Microsoft.

Классы в отличие от обычных классов не нуждаются в явном выделении/освобождении памяти, память под них динамически выделяется конструктором с именем Create, вызываемым с именем класса, и освобождается при вызове деструктора с именем Destroy. Переменная такого класса в отличие от класса object хранит адрес экземпляра класса в памяти, значение nil используется для указания пустой ссылки, поэтому для освобождения объекта в TObject определен специальный метод free, проверяющий ссылку на nil и вызывающий виртуальный деструктор Destroy. Код с использованием таких классов будет выглядеть следующим образом:

  q1 := t1.create; { конструируем объект }
  writeln ;  { вывод размера экземпляра класса }
  q1.Free; { уничтожение объекта }
  q1 := nil; { чтобы не происходило повторного вызова деструктора при вызове free }

В модификации ObjectPascal/Delphi/FreePascal в описании классов появляются свойства, которые совмещают удобство работы с переменными и вызовы методов, которые всегда уведомляют объект об изменении его состояния:

type 
  TMyObj=class
    FProp:integer;
    procedure SetProp;
    property MyProp:integer read FProp write SetProp;
  end;
  procedure TMyObj.SetProp;
  begin
    FProp:=AValue;
    Writeln;
  end;
var MyObj:TMyObj;
begin
  MyObj:=TMyObj.Create;
  MyObj.FProp:=5;
  MyObj.MyProp:=MyObj.MyProp+6;
end.

В первом случае поле объекта было изменено непосредственно, в итоге, методы объекта не будут подозревать, что это поле было ранее изменено; в более сложном случае они могут полагаться на то, что поле неизменно, либо же полю может быть присвоено значение, недопустимое для данного объекта. Во втором случае значение присваивается непосредственно свойству объекта, которое ссылается на вызов метода, корректно обрабатывающего изменение данного поля. Этот подход удобен, если объект связан с визуальным элементом: непосредственное изменение поля, отвечающего, например, за ширину элемента, никак не отразится на самом визуальном элементе, а объект будет «дезинформирован» относительно реальных размеров элемента. Корректным подходом без использования свойств является разработка методов на получение и установку любого значения поля, но работа с такими методами будет менее удобна, например, вместо последней строки надо было бы написать

причём метод MyObj.GetProp следовало бы написать для унификации доступа. Большой интерес представляют индексные свойства, которые ведут себя практически так же, как и массивы, заменяя обращение к элементу массива вызовом соответствующего метода. Тем не менее, свойства не являются «панацеей»: при компиляции обращение к свойствам непосредственно транслируются в вызов методов или прямую работу с полями, поэтому настоящими переменными свойства не являются, в частности, их невозможно передавать в виде var-параметров.

Интернет магазин китайских планшетных компьютеров

Компьютеры - Паскаль (язык программирования) - Синтаксис и языковые конструкции