{
 "cells": [
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "collapsed": true
   },
   "source": [
    "# Введение в программирование"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "В этой вводной лекции даются ответы на основные вопросы, связанные с процессом программирования: что такое программа, как она создается и выполняется, какие языки программмирования существуют и в чем они отличаются. С некоторыми понятиями из данного раздела вы, вероятно, уже знакомы, однако они приводятся здесь для того, чтобы изложение материала было последовательным и полным. Все примеры программного кода в этом курсе лекций приводятся на языке программирования Python, если не указано иное."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Содержание лекции"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "* [Что такое программа?](#Что-такое-программа?)\n",
    "* [Языки программирования](#Языки-программирования)\n",
    "* [Компиляция и интерпретация](#Компиляция-и-интерпретация)\n",
    "* [Вопросы для самоконтроля](#Вопросы-для-самоконтроля)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Что такое программа?"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**Программа** представляет собой последовательность инструкций, которые говорят вычислительной системе, что нужно сделать. Ответственность за выполнение программы лежит на процессоре (CPU), который считывает инструкции одну за другой из оперативной памяти и обрабатывает их. Инструкции, понятные непосредственно процессору, называются **машинными инструкциями** и представляют собой двоичный код строго определенного формата. Вся их совокупность называется **машинным кодом**, при этом, разные модели процессоров могут использовать разные наборы машинных инструкций, т.е. иметь отличающийся машинный код. В качестве примера приведем машинную инструкцию, складывающую два числа для процессора Intel Core i3/i5/i7:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "```\n",
    "00000001 11000001\n",
    "```"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Можно выделить два очевидных недостатка в программировании непосредственно в машинном коде:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "* крайне длительный и затрудненный процесс программирования - машинные инструкции очень сложно запомнить, и они представляют собой лишь базовые примитивы (вроде простейших арифметических операций с парой чисел), которых требуется написать огромное количество для сколько-нибудь полезной программы\n",
    "* программа, написанная в машинных кодах, может быть выполнена только на той модели процессора, для которой она разрабатывалась"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Именно два этих фактора (в особенности первый) привели к созданию языков программирования."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Языки программирования"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "**Язык программирования** - это формальный, т.е. описываемый некоторыми правилами, язык, предназначенный для записи компьютерных программ. Все языки программирования можно разделить на **низкоуровневые**, в которых программы мало отличаются от программ в машинных кодах, и **высокоуровневые**, созданные для удобства разработки программ человеком. Несмотря на огромное количество языков программирования высокого уровня, низкоуровневые языки вроде Assembler до сих пор используются в областях, где требуется максимальное быстродействие, так как программы, написанные на них, можно вручную максимально оптимизировать под конкретную модель процессора."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Подобно обычным языкам, все языки программирования формулируют три составляющих, которые в совокупности определяют, *как* выглядит правильно составленная программа и *что* она делает:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "* **Лексика** - определяет алфавит, из символов которого составляется программа. Как правило это английские буквы в нижнем и верхнем регистрах, цифры, знаки арифметических операций и препинания.\n",
    "* **Синтаксис** - описывает допустимые комбинации символов алфавита, которые могут встречаться в правильно составленной программе. Например, `print(1+2)` является программой на языке Python (выводит сумму 1 и 2 на экран), а `print(1+)` нет, потому что согласно правилам этого языка после знака \"+\" в представленном выражении ожидается еще одно число.\n",
    "* **Семантика** - определяет смысл конструкций языка программирования, то есть что они делают. Например, `1+2` в Python означает сумму 1 и 2, однако в другом языке программирования это же выражение может означать что-то другое."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {
    "collapsed": true
   },
   "source": [
    "Как упоминалось выше, основное назначение языков программирования - упростить процесс написания программ. Для этой цели языки программирования максимально приближены к естественным языкам, а это зачастую дает интуитивное понимание смысла программы. В подтверждение этих слов предлагаем вам догадаться самим, что делается в следующей программе (подсказка - после ее выполнения на экран будет выведено некоторое число, но нужно понять, какое именно):"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "```python\n",
    "some_list = [10, 5, 13]\n",
    "max_value = 0\n",
    "\n",
    "for value in some_list:\n",
    "    if value > max_value:\n",
    "        max_value = value\n",
    "\n",
    "print(max_value)\n",
    "```"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "code",
   "execution_count": 1,
   "metadata": {
    "scrolled": true
   },
   "outputs": [
    {
     "data": {
      "text/html": [
       "<script>\n",
       "  function show_solution() {\n",
       "    $('#solutionText').show()\n",
       "  }\n",
       "\n",
       "  $(document).ready(function() {\n",
       "    $('div.input').hide()\n",
       "    $('#solutionText').hide()\n",
       "  });\n",
       "</script>\n",
       "<a onClick=\"show_solution()\" style=\"cursor:pointer;text-decoration: none;border-bottom: 1px dashed\">Показать ответ</a>\n",
       "<br/>\n",
       "<div id=\"solutionText\">Программа ищет в списке из трех элементов 10, 5 и 13 наибольший и выводит его на экран. Если вам не удалось ответить правильно, ничего страшного - через несколько лекций этот код покажется вам элементарным.</div>"
      ],
      "text/plain": [
       "<IPython.core.display.HTML object>"
      ]
     },
     "metadata": {},
     "output_type": "display_data"
    }
   ],
   "source": [
    "%%HTML\n",
    "<script>\n",
    "  function show_solution() {\n",
    "    $('#solutionText').show()\n",
    "  }\n",
    "\n",
    "  $(document).ready(function() {\n",
    "    $('div.input').hide()\n",
    "    $('#solutionText').hide()\n",
    "  });\n",
    "</script>\n",
    "<a onClick=\"show_solution()\" style=\"cursor:pointer;text-decoration: none;border-bottom: 1px dashed\">Показать ответ</a>\n",
    "<br/>\n",
    "<div id=\"solutionText\">Программа ищет в списке из трех элементов 10, 5 и 13 наибольший и выводит его на экран. Если вам не удалось ответить правильно, ничего страшного - через несколько лекций этот код покажется вам элементарным.</div>"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Бывают и такие языки программирования, в которых наоборот сделано все возможное, чтобы программа была нечитабельна, но создаются они исключительно ради эксперимента или шутки. Хорошим примером является язык программирования COW. Вот так выглядит программа, генерирующая [последовательность Фибоначчи](https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B0_%D0%A4%D0%B8%D0%B1%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D1%87%D1%87%D0%B8), на этом языке:\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "```\n",
    "MoO moO MoO mOo MOO OOM MMM moO moO\n",
    "MMM mOo mOo moO MMM mOo MMM moO moO\n",
    "MOO MOo mOo MoO moO moo mOo mOo moo\n",
    "```"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Итак, мы получили представление о том, как выглядит программа, написанная на некотором языке программирования. Несмотря на большое различие между языками, у них есть одна общая черта: программа на любом из них представляет собой текст, следующий четко определенным правилам языка. Этот текст принято называть **исходным кодом** (или просто кодом) программы.\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Как упоминалось ранее, процессор может выполнить только программу, написанную в машинных кодах, поэтому возникает закономерный вопрос: как выполнить программу, написанную на некотором языке программирования, отличном от машинного кода. Ответ на него дается в следующем разделе."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Компиляция и интерпретация"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Существует два основных подхода к выполнению программ:"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "* **Компиляция** - перевод программы с языка программирования в машинный код и последующее его выполнение. Компиляция выполняется специальной программой, называемой **компилятором**, которая получает на вход текстовый файл, написанный на некотором языке программирования, и создает из него исполняемый файл, содержащий машинные инструкции, который уже может быть выполнен процессором (в ОС Windows такие файлы имеют расширение _exe_).\n",
    "* **Интерпретация** - процесс построчного разбора и выполнения исходного кода программы, выполняемый специальной программой, которая называется **интерпретатором**. Отличие от компиляции заключается в том, что при интерпретации исходный код переводится не в машинный, а в некоторый оптимизированный для быстрой обработки **байт-код**, который исполняется самим интерпретатором, выступающим в роли процессора для программы. При этом интерпретируемая программа выполняется сразу же по мере считывания интерпретатором строк ее исходного кода."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Как можно заметить, в обоих этих подходах существует этап преобразования программы с языка программирования в программу на некотором другом языке: в случае компиляции другим языком является машинный код, а в случае интерпретации байт-код. Процесс перевода программы, написаннной на одном языке, в программу на другом языке называется **трансляцией**. Специальная программа, выполняющая трансляцию называется **транслятором**."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "Каждый из двух представленных подходов к выполнению программ имеет свои преимущества и недостатки. Главный плюс компиляции в том, что ее можно выполнить один раз, получить исполняемый файл, который можно бесконечное количество раз запускать на процессоре без дополнительной обработки. При интерпретации на каждом запуске программы выполняется ее разбор интерпретатором и трансляция в байт-код, что приводит в общем случае к более медленной работе по сравнению с аналогичной, но скомпилированной программой. С другой стороны, процесс компиляции может занимать очень много времени (исчисляется часами) и должен выполняться при малейшем изменении в исходном коде программы, а интерпретируемая программа запускается мгновенно. Кроме того, интерпретатор может обеспечивать дополнительный уровень безопасности для системы в целом: отслеживать некорректные операции программы, следить за тем, чтобы она не расходовала излишне оперативную память и другое. Обобщенно можно сказать так: компиляция создает более быстрые программы, но требует больше усилий от разработчика, в отличие от интерпретации."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "![Выполнение программы](./images/01/program-execution.png)"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "В соответствии с подходом, используемым для выполнения программ, различают компилируемые и интерпретируемые языки программирования. К числу наиболее известных компилируемых языков относятся C, C++, Objective-C, Go и другие. Python, а также Java, PHP, Perl и другие относятся к интерпретируемым языкам."
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "## Вопросы для самоконтроля"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "1. Что такое программа? Какой компонент компьютера выполняет ее? Как называются инструкции, понятные этому компоненту?\n",
    "2. Как три аспекта обязательно нужно описать, если вы захотите создать свой собственный язык программирования? В чем заключается их суть?\n",
    "3. В чем схожесть и различие компиляции и интерпретации?\n",
    "4. Представьте, что нужно написать программу, обрабатывающую все финансовые транзакции крупного банка. Какой язык программирования предпочтительнее для выполнения этой задачи: компилируемый или интерпретируемый? Почему?\n"
   ]
  },
  {
   "cell_type": "markdown",
   "metadata": {},
   "source": [
    "- - -\n",
    "[Содержание](00_Overview.ipynb#Содержание) |\n",
    "[Следующая: Установка Python](02_Installing_Python.ipynb)"
   ]
  }
 ],
 "metadata": {
  "kernelspec": {
   "display_name": "Python 3",
   "language": "python",
   "name": "python3"
  },
  "language_info": {
   "codemirror_mode": {
    "name": "ipython",
    "version": 3
   },
   "file_extension": ".py",
   "mimetype": "text/x-python",
   "name": "python",
   "nbconvert_exporter": "python",
   "pygments_lexer": "ipython3",
   "version": "3.6.4"
  }
 },
 "nbformat": 4,
 "nbformat_minor": 2
}