1. Jak se tvoří program

1. Programovací jazyk Python
2. Co je program?
3. Co je debugging?
4. Formální chyby
5. Chyby při běhu programu
6. Významové chyby
7. Experimentální ladění
8. Formální a přirozené jazyky
9. První program
10. Glosář
11. Cvičení

Cílem této knihy je naučit čtenáře myslet jako erudovaný programátor. Tento způsob myšlení spojuje některé z výtečných rysů matematiky, jakož i technických a přírodních věd. Programátoři stejně jako matematici používají formálního jazyka k vyjádření svých myšlenek. Stejně jako inženýři i oni navrhují objekty sestavováním částí do celků a porovnávají výsledky jednotlivých alternativ. Stejně jako vědci i programátoři pozorují chování komplexních systémů, tvoří hypotézy a předpoklady výsledků.

Nejdůležitější dovedností programátora je schopnost řešit problém. Řešit problém vyžaduje schopnost jej formulovat, tvořivě přemýšlet o alternativách a zvolené řešení potom vyjádřit jasně a stručně. Jak se ukazuje, učit se programovat je vynikající příležitost pro osvojení těchto dovedností.

Budeme se tedy jednak učit programovat, což je užitečná dovednost sama o sobě, jednak budeme programování používat jako prostředek k dosažení jistého cíle. Jak budeme v učení postupovat, bude se nám tento cíl stávat zřejmější.

1.1 Programovací jazyk Python

Tak se nazývá jazyk, který budeme poznávat. Python je jazyk vyšší úrovně, stejně jako C, C++, Perl a Java.

Z označení "jazyk vyšší úrovně" lze usoudit, že také existují jazyky nižší úrovně, někdy označované jako "strojové jazyky" nebo "jazyky esembleru". Přibližně lze říci, že počítače umějí realizovat pouze programy, psané v jazycích nižší úrovně. Proto musejí být programy psané v jazyce vyšší úrovně upraveny před tím než mohou být spuštěny, což je jejich určítá nevýhoda, neboť tato dodatečná úprava zabere jistý čas.

Výhody jsou zato obrovské. Za prvé, programovat v jazyce vyšší úrovně je mnohem snadnější. Programy psané v jazyce vyšší úrovně zaberou méně času k zapsání, jsou kratší a snadněji se čtou. Je větší pravděpodobnost, že se v nich nedopustíme chyb. Za druhé, jazyky vyšší úrovně jsou přenosné, což znamená, že mohou běžet na různých druzích počítačů s několika málo nebo žádnými úpravami. Jazyky nižší úrovně lze spustit pouze na jednom druhu počítače a pro jiný musí být přepsány.

Vzhledem k těmto výhodám jsou téměř všechny programy psány v jazycích vyšší úrovně. Jazyky nižší úrovně se používají jen pro několik málo specializovaných aplikací.

Dva druhy programů přetvářejí jazyky vyšší úrovně na jazyky nižší úrovně: překladač a kompilátor. Překladač (interpreter) čte program psaný v jazyce vyšší úrovně a provádí jej, to jest dělá to, co mu program říká. Zpracovává program postupně po částech, střídavě čtouc překládá a provádí přeložené.

Kompilátor (compiler) přečte a přeloží program najednou před tím než jej spustí. V tomto případě se program v jazyce vyšší úrovně nazývá zdrojový kód (source code) a přeložený program je cílový kód (object code), neboli strojový kód (executable). Jakmile je program jednou zkompilován, lze jej opakovaně spouštět bez opětovného překládání.

Mnohé moderní jazyky používají oba procesy. Nejprve jsou zkompilovány na jazyk nižší úrovně zvaný binární kód (byte code), který je potom interpretován programem, jemuž říkáme virtuální stroj (virtual machine). Python rovněž používá oba procesy, ale vzhledem k převažujícímu způsobu užití je obvykle považován za jazyk interpretovaný.

Existují dva způsoby užití překladače: zápisem příkazů v interaktivním rozhranní Pythonu (Interactive Python Shell - shell mode) nebo zápisem příkazu do souboru s příponou .py (script mode).

$ python
Python 2.51 (r251:54863, May 13 2007, 17:50:04)
[GCC 4.1.2 (Ubuntu 4.1.2-0ubuntu4)] on linux2
Type "help", "copyright", "credits" or "license"
 for more information.
>>> print 1 + 1
2

Na prvním řádku uvedeného příkladu je příkaz, který spouští překladač Pythona z příkazového řádku v systému Unix. Na dalších řádcích jsou informace překladače. Předposlední řádek začíná pokynem >>>, kterým překladač naznačuje, že je připraven přijímat instrukce. Zapsali jsme print 1+1 a překladač na dalším řádku odpověděl 2.

Alternativně můžeme napsat program do souboru a použít překladače k provedení jeho obsahu. Takovému souboru říkáme skript. S použitím například textového editoru vytvoříme soubor s názvem firstprogram.py v němž zapíšeme příkaz:

print  1 + 1 

Dle zavedené konvence dáváme souborům s programem v Pythonu příponu  .py .

Abychom mohli program provést, musíme překladači sdělit jméno skriptu:

$ python firstProgram.py
2

V uvedené ukázce byl Python spuštěn z příkazové řádky operačního systému Unix. V jiném systému bude způsob provedení programu odlišný. Většina programů bude také zajímavější než tento náš.

Příklady v této knize užívají jak interaktivní okno překladače (shell), tak skripty. Rozeznáme je podle toho, že příklady z interaktivního prostředí začínají vždy výzvou (promptem)  >>>

Práce v prostředí překladače je vhodná pro testování krátkých kódů, neboť obdržíme okamžitou odezvu. Jako když na útržku papíru řešíme krátký problém. Cokoli delšího než pár řádků by už mělo být zapsáno do skriptu. ^[ 2 ]

1.2 Co je program?

Program je posloupnost instrukcí, které určují jak má být výpočet proveden. Výpočtem může být řešení matematické úlohy, jako je např. řešení systému rovnic či určení kořenů polynomu nebo jím může být symbolický výpočet, jako je vyhledání a výměna textu v dokumentu nebo (kupodivu) kompilování programu.

Podrobnosti se v různých jazycích liší, ale některé základní instrukce se vyskytují téměř v každém jazyce:

vstup (input)

Vlož údaj (data) z klávesnice, souboru či jiného zařízení.

výstup (output)

Zobraz údaje (data) na obrazovce nebo je pošli do souboru či jiného zařízení.

matematika (math)

Proveď základní matematické operace jako je například sčítání a odčítání

podmíněné provedení (conditional execution)

Ověř jisté podmínky a proveď příslušnou posloupnost příkazů.

opakování (repetition)

Proveď něco opakovaně, obvykle s jistou obměnou.

Věřme či nevěřme, to je téměř všechno z programování. Každý program, který jsme kdy použili, jakkoliv komplikovaný, se skládal z instrukcí více či méně podobných výše uvedeným. Programování můžeme vlastně prezentovat jako proces rozdělování komplexní úlohy do menších a menších podúloh, až tyto podúlohy jsou tak jednoduché, že se dají provést pomocí těchto zákládních instrukcí.

K tomuto poněkud vágnímu popisu se vrátíme později, až budeme hovořit o algoritmu.

1.3 Co je debugging?

Programování je složitý proces a protože jej provádí lidská bytost, je často provázeno chybami. Chyba v programu je z potměšilých důvodů označována jako bug (štěnice, veš) a proces vyhledávání chyb a jejich oprava se nazývá debugging (odvšivení ?), v lepší společnosti ladění.

V programu se mohou vyskytnout tři druhy chyb: chyby související se skladbou programu (syntax errors), s během programu (runtime errors) a s významem programu (semantic errors). Je užitečné mezi nimi rozlišovat kvůli jejich rychlejšímu vyhledání.

1.4 Formální chyby

Python může provést výpočet jenom pro takový program, který má správnou skladbu (syntaxi). Nemá-li, je běh programu ukončen a překladač vrací chybové hlášení. Slovo syntaxe se vztahuje ke skladbě programu a k pravidlům skladby. V češtině i angličtině musí například věta začínat velkým písmenem a končit tečkou.

Pro většinu čtenářů nepředstavuje několik málo chyb v syntaxi výrazný problém, pročež můžeme číst některou moderní poezii aniž by naše vědomí produkovalo "chybová hlášení". Python takto snášenlivý není. Jakmile se kdekoliv v programu objeví syntaktická chyba, překladač vytiskne chybové hlášení, ukončí běh programu a nelze s ním hnout. V prvních týdnech naší programátorské kariéry strávíme pravděpodobně hodně času vyhledáváním takovýchto chyb. Po nabytí jisté zkušenosti jich však už budeme dělat méně a rychleji je nalezneme.

1.5 Chyby při běhu programu

Druhým typem chyb je chyba při běhu programu. Takováto chyba se neobjeví dříve, než program spustíme. Tyto chyby se také nazývají výjimky (exceptions), protože obvykle ukazují na to, že se stalo něco mimořádného (a špatného).

V jednoduchých programech počátečních kapitol se exekuční chyby vyskytnou vzácně, takže se s nimi setkáme patrně až v pozdějších kapitolách.

1.6 Významové chyby

Třetím typem chyb jsou chyby významové (sémantické). Objeví-li se v programu sémantická chyba, proběhne program úspěšně v tom smyslu, že se neobjeví žádné chybové hlášení, ale program neprovede to, co jsme zamýšleli. Provede něco jiného. Přísně vzato, provede to, co jsme mu řekli, aby provedl.

Problém spočívá v tom, že program, který jsme napsali, není ten program, který jsme chtěli napsat. Vyznění programu (jeho sémantika) je špatné. Nalezení sémantických chyb může být někdy náročné, protože to vyžaduje zpětné porovnávání výstupu s tím, co jej v programu způsobuje.

1.7 Experimentální ladění

Vyhledávání chyb je nejdůležitější dovednost, kterou potřebujeme získat. I když to může být frustrující, vyhledávání chyb je intelektuálně nejbohatší, nejnáročnější a nejzajímavější část programování.

Svým způsobem připomíná hledání chyb práci detektiva. Jsme konfrontováni s indiciemi z nichž máme určit procesy a události, které vedly k výsledkům, jež máme před sebou.

Vyhledávání chyb je něco jako experimentální věda. Jakmile nás napadne, v čem může chyba spočívat, upravíme program a vyzkoušíme jej. Byla-li naše hypotéza správná, můžeme získanou zkušenost zobecnit a použít příště. Nebyla-li naše hypotéza správná, musíme si vymyslet jinou. Jak jednou poznamenal Sherlock Holmes: "Poté, co jsme vyloučili nemožné, vše co zůstává, ať jakkoliv nepravděpodobné, musí být pravdivé". (A. Conan Doyle, Podpis čtyř)

Pro někoho splývá vyhledávání chyb s programováním. To jest programování jako postupné odstraňování chyb z programu, až posléze program dělá to, co si přejeme. Jinými slovy, začneme s programem, který "něco" správně dělá a postupně jej malými úpravami a debugováním přeměníme na fungující program, který dělá to, co si přejeme.

Linux například je operační systém, který obsahuje tisíce řádek kódu, ale původně to byl jednoduchý program, který Linus Torvalds sestavil ke zkoumání čipu Intel 80386 (The Linux User´s Guide, Beta Version).

V pozdějších kapitolách uvedeme více pokynů k ladění a k dalším programátorským technikám.

1.8 Formální a přirozené jazyky

Přirozené jazyky jsou jazyky, kterými lidé hovoří - čeština, angličtina, španělština, atd. Tyto jazyky nebyly člověkem vytvořeny (i když se snaží jim vnutit jistá pravidla), vyvinuly se přirozenou cestou.

Formální jazyky jsou jazyky, které sestavil člověk pro nějaký účel. Matematika například používá svůj formální jazyk k vyjádření vztahů mezi čísly a symboly. Chemici používají svůj formální jazyk k zobrazení chemických struktur.

Programovací jazyky jsou formální jazyky, které byly vytvořeny jako výrazový prostředek pro usměrnění práce počítače.

Formální jazyky mívají přísná pravidla pro skladbu (syntaxi). Například, 3+3=6 je syntakticky správný matematický výraz, ne už 3=+6$. H₂O je syntakticky správné chemické označení, na rozdíl od ₂Zz.

Pravidla skladby jsou dvojího druhu. Ty, které určují použitelné znaky (tokens) a ty, které určují jejich vzájemné propojení (strukturu). Znaky jsou základní prvky jazyka, jako jsou slova, čísla a chemické prvky. Jedním z problémů zápisu 3=+6$ je to, že $ není legálním znakem v matematice. Podobně zápis ₂Zz není legální proto, že neexistuje chemický prvek se zkratkou Zz.

Druhý typ chybné skladby souvisí se strukturou výrazů, to je se způsobem, jakým jsou znaky uspořádány. Výraz 3=+6$ je skladebně nesprávný, protože nelze umístit znak plus bezprostředně za rovnítko. Rovněž tak označení molekul musí mít index za jménem, nikoliv před ním.

Čteme-li větu v angličtině či češtině nebo výraz formálního jazyka, musíme rozpoznat, jaká je jejich skladba. Tomuto procesu, který u přirozeného jazyka provádíme podvědomě, říkáme parsing, neboli analýza skladby.

Slyšíme-li například větu "Svíce mu dohořela", rozumíme, že "svíce" je podmět a "dohořela" je přísudek. Jakmile takto rozebereme větu, můžeme usoudit co vyjadřuje, neboli určit její sémantiku. Za předpokladu ovšem, že víme co znamená slovo svíce a co slovo dohořela.

I když formální a přirozené jazyky mají mnho společných rysů - znaky, strukturu, syntaxi a sémantiku - mají také mnoho rozdílů:

mnohoznačnost

Přirozené jazyky jsou plny mnohoznačností, s nimiž se lidé vyrovnávají pomocí větných souvislostí a jiných doplňkových informací. Formální jazyky jsou navrhovány tak, aby byly téměř úplně jednoznačné, to znamená, že každý výraz má pouze jediný význam bez ohledu na souvislosti.

nadbytečnost

Mnohoznačnost a z toho plynoucí možnost nedorozumění se u přirozených jazyků vyvažuje nadbytečností výrazů. Formální jazyky jsou méně nadbytečné (redundantní) a více stručné (concise).

doslovnost

Přirozené jazyky jsou plné idiomů a metafor. Řeknu-li "Svíce mu dohořela", nechci tím zajisté říci, že má teď o jednu svíčku méně. Formální jazyky míní přesně to, co říkají.

Protože přirozený jazyk používáme od nejútlejšího dětství, můžeme mít problémy s používáním formálního jazyka. Někdy lze rozdíl mezi formálním a přirozeným jazykem přirovnat v menší míře k rozdílu mezi prózou a poezií.

poezie

Slova jsou užita pro jejich znění stejně jako pro jejich význam a celá báseň vyvolává emociální odezvu. Mnohoznačnost je nejenom častá, ale i často záměrná.

próza

Doslovný význam slov je zde více důležitý a větná skladba přispívá k významu vět. Próza je použitelnější pro analýzu než poezie, přesto je stále ještě příliš mnohoznačná.

programy

Význam počítačového programu je jednoznačný a doslovný a může být určen pouhou analýzou jeho znaků a struktury.

Nyní uvádíme několik rad pro čtení programů (a jiných formálních jazyků). Za prvé, mějme na paměti, že text formálního jazyka je významově zhuštěnější než text přirozeného jazyka a proto jeho čtení zabere více času. Také jeho struktura je velice důležitá, takže nebývá dobrým nápadem číst pouze zhora dolů, zleva doprava. Místo toho si zvykáme provádět v mysli rozbor skladby (parsing), rozeznávaje znaky a hodnotíce strukturu. Nakonec nezapomínáme, že záleží na maličkostech. Nepřesnost, která nám projde v přirozeném jazyce, má ve formálním jazyce dalekosáhlý význam.

1.9 První program

Prvním programem, zapsaným v novém jazyce, je tradičně "Hello, World". V Pythonu vypadá zápis následovně:

>>> print  "Hello, World!" 

Toto je příklad příkazu k tisku (print statement), který ve skutečnosti nic na papír nevytiskne. Pouze zobrazí hodnotu příkazu na obrazovce počítače:

Hello, World!

Uvozovky v zápise programu označují začátek a konec hodnoty, ve výsledku se neobjeví.

Mnozí lidé posuzují kvalitu programovacího jazyka podle jednoduchosti programu "Hello, World!". Podle tohoto kritéria si Python stojí velmi dobře.

1.10 Glosář

1.11 Cvičení