Мо́дула-2 (Modula-2) — язык программирования общего назначения, являющийся развитием Паскаля , разработанный Никлаусом Виртом в 1978 году .

Цели и принципы разработки языка

Язык Модула-2 был разработан Никлаусом Виртом для создания системного программного обеспечения (англ.) ( , разработка которой началась в 1977 году в Институте информатики Цюриха . Этим определяются многие его особенности. Язык изначально проектировался как средство промышленного системного программирования, позволяющее писать надёжные, понятные, удобные в сопровождении программы. При этом язык должен был, оставаясь языком высокого уровня со строгой типизацией и поддержкой всех средств надёжного программирования, давать возможность обращаться непосредственно к аппаратуре, создавать специфические системные программы , такие как обработчики прерываний и драйверы устройств, поддерживать программирование параллельно исполняющихся взаимодействующих процессов .

Непосредственным предком Модулы-2 был язык Модула , созданный Виртом в первой половине 1970-х на основе Паскаля . Основным дополнением, отразившимся и в названии языка, была возможность разбиения программы на модули — отдельные фрагменты кода, взаимодействующие через явно описанные интерфейсы. Также был переработан синтаксис и добавлены средства параллельного программирования. Единственная экспериментальная реализация Модулы появилась в 1975 году . Модулу можно рассматривать как первоначальный вариант, своего рода «альфа-версию» Модулы-2, синтаксически эти два языка очень близки. Кроме того, по словам Вирта, на Модулу-2 оказал влияние язык (англ.) ( , разработанный в Xerox PARC .

Общая характеристика

Язык Модула-2 — структурный , модульный язык программирования , с синтаксисом, основанным на языке Паскаль, но заметно переработанным и улучшенным. Его основные характерные особенности приведены ниже.

• Программа представляет собой набор модулей — самостоятельных единиц компиляции, которые могут компилироваться раздельно. При этом программный модуль может (но не обязан) быть разделён на две части: модуль определений и модуль реализации. Модуль определений — это внешний интерфейс модуля, то есть набор экспортируемых им имён констант, переменных, типов, заголовков процедур и функций, которые доступны внешним модулям. Модуль реализации содержит программный код, в частности, конкретизацию описаний всего, что перечислено в модуле определений. Например, некоторый тип «запись» может быть объявлен в модуле определений с указанием лишь его имени, а в модуле реализации — с полной структурой. В этом случае внешние модули могут создавать значения данного типа, вызывать процедуры и функции, работающие с ним, выполнять присваивание переменных, но не имеют прямого доступа к структуре значений, поскольку эта структура не описана в модуле определений. Если для этого же типа описать в модуле определений структуру, то она станет доступна. Помимо модулей глобального уровня в Модуле-2 допускается создавать локальные модули.
• Импорт определений, описанных в прочих модулях, полностью контролируется. Можно импортировать модули определений целиком, но синтаксис позволяет существенно уточнять списки импорта, например, импортировать из модуля конкретные константы, переменные, процедуры и функции, только те, которые необходимы.
• Все средства ввода-вывода исключены из языка. Вместо них используются библиотечные модули, на которые возложена задача реализации ввода-вывода на конкретных системах. Однако имеется набор стандартизованных библиотек ввода-вывода, предоставляющих необходимые функции для типичных случаев (ввод-вывод основных типов данных с использованием текстового терминала, файловый ввод-вывод).
• В язык введён минимум понятий и примитивов для многопоточного программирования , добавлена также стандартная библиотека , поддерживающая параллельные программы .
• Включены средства прямого доступа к аппаратуре компьютера, в частности, реализовано прямое отображение структур данных на память, в том числе с прямым заданием адреса.

Язык прост по структуре — в нём имеется только 40 зарезервированных слов (для сравнения, в Аде их 63); официальное «Сообщение о языке», содержащее исчерпывающее описание Модулы-2, занимает 40 страниц (полное описание сокращённого варианта ПЛ/1 занимает около 200 страниц).

Особенности синтаксиса

Описать особенности Модулы-2 проще всего путём сравнения с языком Паскаль. Наиболее важные отличия, помимо введения модулей и механизмов управляемого экспорта описаний, состоят в нижеследующем.

• Язык регистро-зависимый — прописные и строчные буквы в идентификаторах различаются. Все ключевые слова пишутся в верхнем регистре.
• Синтаксис сделан более регулярным и упрощён. Все синтаксические конструкции, кроме цикла REPEAT-UNTIL, следуют принципу: конструкция, начинающаяся с ключевого слова, заканчивается ключевым словом. В частности, условный оператор имеет общий вид

IF Условие THEN
  Операторы
ELSIF Условие THEN
  Операторы
ELSIF Условие THEN
  Операторы
...
ELSE
  Операторы
END

Благодаря этому исчезла необходимость постоянного использования составных операторов BEGIN-END и «лестниц» операторов IF при многоступенчатой проверке условий.

• Циклы WHILE и FOR также предусматривают тело из набора операторов и заканчиваются зарезервированным словом END .
• Добавлен безусловный цикл LOOP-END .
• И процедуры , и функции объявляются с ключевым словом PROCEDURE .
• Добавлен предопределённый тип BITSET — битовое поле .
• Из языка исключён оператор безусловного перехода GOTO .
• Добавлен процедурный тип, дающий возможность присваивать процедуры и функции переменным. Позже эта возможность была включена и в Паскаль, где она изначально отсутствовала.

Диалекты

Существует два основных диалекта Модулы-2. Первый — PIM (по названию книги Никлауса Вирта «Programming in Modula-2», где было дано развёрнутое описание языка и основных системных библиотек), существует в трёх основных вариантах, появлявшихся последовательно и минимально отличающихся друг от друга. Второй основной диалект — ISO , стандартизованный Международной организацией по стандартизации. Основные отличия диалектов от первоначального описания языка перечислены далее.

• PIM2 (1983)
  • Требует обязательного использования директивы EXPORT в модуле определений.
  • Функция SIZE является библиотечной и должна импортироваться из модуля SYSTEM .
• PIM3 (1985)
  • Удалена директива EXPORT из модулей определений. Изменение мотивировалось тем, что всё содержимое модуля определений экспортируется, так что использование EXPORT является избыточным.
  • Функция SIZE является предопределённой (доступна в любом месте программы без импорта).
• PIM4 (1988)
  • Уточнено поведение операции MOD для отрицательных операндов.
  • Добавлено требование, согласно которому все строки, описанные как ARRAY OF CHAR , должны завершаться нулевым символом (ASCII NUL), даже если строка занимает весь массив целиком.
• ISO (1996 и 1998)
  • Добавлены типы данных COMPLEX and LONGCOMPLEX .
  • Добавлены исключения.
  • Добавлена конструкция для кода завершения модуля FINALLY .
  • Полностью стандартизована библиотека ввода-вывода.
  • Внесены уточнения, снявшие большинство неоднозначностей оригинального описания, сделано много мелких исправлений и разъяснений.

Достоинства и недостатки

Можно определённо сказать, что язык Модула-2, сохранив положительные черты Паскаля, имеет ряд особенностей, делающих её языком, гораздо более мощным и лучше приспособленным как для системного , так и для прикладного программирования . Основные преимущества Модулы-2 перед современными ему языками структурного программирования следующие :

• Простота и лаконичность определения языка. Полное определение синтаксиса в нотации РБНФ занимает менее 3 страниц, полные синтаксические диаграммы — 12 страниц, официальное «сообщение о языке» имеет объём 40 страниц, что для универсального языка с такими возможностями — едва ли не абсолютный минимум. Для сравнения: официальное полное определение языка Ада занимает 400 машинописных страниц.
• Простой, логичный и однородный синтаксис, очищенный от избыточных конструкций и элементов, провоцирующих ошибки написания. Модула-2 — первый из директивных языков программирования, в котором удалось отказаться от оператора GOTO .
• Хорошо продуманный механизм разделения программы на единицы компиляции (модули) с явно описываемыми интерфейсами и полностью контролируемым импортом, позволяющим импортировать как целые модули, так и отдельные элементы с возможностью как квалифицированного (с указанием имени модуля) так и неквалифицированного использования имён импортированных объектов.
• Исключение из языка средств ввода-вывода и большинства стандартных процедур и функций и перенос их в библиотеки, оформленные в виде стандартных модулей, что упрощает язык и компилятор и предоставляет реализатору полную свободу в способах реализации стандартных процедур и функций.
• Включение в язык механизмов низкоуровневого программирования, в том числе непосредственной работы с памятью и нетипизированными данными и указателями, что позволяет писать на языке высокого уровня большинство низкоуровневых программ, которые традиционно писались на ассемблере, таких как драйверы и обработчики прерываний .
• Наличие элементарных средств параллельного программирования, выбранных таким образом, чтобы гарантировать их адекватную реализацию как на физически многопроцессорных платформах, так и на платформах с разделением времени.
• Существенным для времени создания языка было появление процедурного типа и, соответственно, переменных, которым можно динамически присваивать процедуры.

К недостаткам языка можно отнести:

• Слабость механизмов параллельного программирования , в частности — организации взаимодействия параллельных процессов. Реализация этих средств переложена на системные библиотеки, причём в стандартной библиотеке имеются лишь простейшие средства управления распараллеливанием. Параллельная программа на Модуле-2, использующая средства управления параллелизмом, выходящие за эти рамки, автоматически теряет переносимость.
• Отсутствие механизмов управления отображением абстрактных типов на память.
• Поддержка локальных модулей неоправданно усложняет компилятор. Поводами для использования вложенных модулей являются ограничение области видимости и выделение высокоприоритетных частей программы для обеспечения синхронизации при параллельной обработке, но их можно реализовать и другими, более простыми и очевидными, средствами.
• Явное разделение на модуль реализации и модуль определения — спорное решение. Оно усложняет работу компилятора и вынуждает программиста синхронизировать изменения в разных файлах. Можно отметить, что в потомке Модулы-2 — Обероне , — от такого разделения отказались, вместо этого в едином программном модуле экспортируемые элементы (составляющие интерфейс модуля) просто помечаются специальным образом.

Можно также отметить отсутствие в Модуле-2 ряда возможностей, известных и популярных на момент её создания, что может быть отнесено как к достоинствам, так и к недостаткам языка, в зависимости от точки зрения конкретного критика:

• Отсутствуют динамические массивы и строки переменного размера.
• Отсутствуют любые встроенные средства обработки исключительных ситуаций .
• Отсутствуют средства обобщённого программирования .

Использование

В СССР первые компиляторы для Модула-2 появились в 1982-83 годах для ЭВМ СМ-4 и Электроника-60. Транслятор для БЭСМ-6 был разработан в ВЦ АН СССР ( В.А. Серебряков , В.Г. Лютый, А.Н. Бездушный) . Тогда же были выработаны технологии программирования и созданы первые пакеты прикладных программ на Модуле-2. Такие работы велись, в частности, на факультете Кибернетики МИФИ . ВНТК «СТАРТ» Вычислительного Центра Сибирского отделения Академии наук СССР разработал серию процессоров Кронос с аппаратной поддержкой языка программирования Модула-2.

В целом можно сказать, что Модула-2 не получила того распространения и признания, которого заслуживала по своим качествам. Язык завоевал определённую популярность в академической среде Европы, был довольно популярен среди программистов СССР, но не смог потеснить своего предшественника: новые реализации языка Паскаль, включившие в себя средства организации модулей , а позже — средства объектного программирования , всегда обходили Модулу-2 по популярности. Система Lilith, для которой создавалась Модула-2, не получила широкой известности и не смогла помочь Модуле-2 в продвижении.

Свою роль сыграло чрезвычайно широкое распространение дешёвых и быстрых Паскаль-компиляторов фирмы Borland International . Интересно, что компилятор Turbo Modula-2 для ОС CP/M был не только создан Borland, но даже поступил в продажу в Северной Америке и Западной Европе. Однако руководство компании, прежде всего Филипп Кан , приняло решение отказаться от развития этой системы, чтобы не создавать конкурента крайне успешному Turbo Pascal . Результатом этого решения стало то, что вице-президент Borland Нильс Йенсен, один из основателей компании, вместе со своей командой разработчиков в 1987 году покинул Borland, выкупив права на Turbo Modula-2. Созданная им компания JPI (Jensen & Partners International) выпустила под маркой TopSpeed линейку компиляторов для процессоров семейства x86: Assembler, Modula-2, Pascal, C/C++, Ada.

В настоящее время язык Модула-2 используется для программирования бортового программного обеспечения спутников, запускаемых в рамках проекта ГЛОНАСС . В конце 2010 г. компилятор GNU Modula-2 официально включён в коллекцию GCC .

Языки-потомки

• Модула-3 — дальнейшее развитие Модулы-2, разработанное совместно Фирмами DEC и Olivetti при консультационной поддержке Вирта.
• Оберон — дальнейшее развитие Модулы-2, созданное Виртом в 1988 году. Оберон использует автоматическое управление памятью со сборкой мусора , также в нём изменён ряд черт, которые по опыту эксплуатации Модулы-2 автор счёл неудачными. Добавлена экономно реализованная объектная подсистема. Оберон, в свою очередь, стал родоначальником целой ветви языков: , Оберон-2 , Component Pascal ( Компонентный Паскаль ), Активный Оберон , .
• Zonnon — язык, созданный Юргом Гуткнехтом на основе Модулы-2 и Активного Оберона, с добавлением ряда новых элементов, как оригинальных, так и заимствованных из других языков.
• — Алма-0 является дополненной (мультипарадигмальной) версией императивного языка Modula-2.
• — это структурированный язык программирования для параллельного программирования данных (SIMD-системы), разработанный Томасом Браунлом в 1989 году. Язык основан на последовательной Modula-2, но расширен неавтономными параллельными конструкциями.

Помимо прямых потомков, множество других языков в той или иной мере унаследовало у Модулы-2 элементы синтаксиса и общей архитектуры. О влиянии Модулы-2 говорили создатели таких мало похожих языков, как, например, Lua и Go . Влияние Модулы-2 (и в большей степени её потомка, языка Оберон) прослеживается в Java, C#, поздних диалектах Паскаля, таких как Object Pascal и Delphi.

Примечания

Литература

• Вирт Н. Программирование на языке Модула-2. Перевод с англ. В. А. Серебрякова , В. М. Ходукина; Под ред. В. М. Курочкина . — М. : Мир, 1987. — 222 с.
• Вирт Н. (версия книги на языке Модула-2), Москва, Мир, 1989, ISBN 5-03-001045-9 (русск.), 0-13-022005-1 (англ)
• Руслан Богатырёв. (рус.) . Мир ПК, #04/2001 (17 апреля 2001). Дата обращения: 25 октября 2010.
• Кристиан К. Руководство по программированию на языке Модула-2. — М., Мир , 1989. — ISBN 5-03-001117-X — 463 с.

Ссылки

• (рус.) . — Подборка ссылок по языку Модула-2. Дата обращения: 25 октября 2010. 23 августа 2011 года.
• (англ.) . — официальный сайт. Дата обращения: 25 октября 2010. 23 августа 2011 года.
• (англ.) . — бесплатный компилятор от новосибирской компании Эксельсиор. Дата обращения: 25 октября 2010. Архивировано из 23 августа 2011 года.
• — ресурс пользователей языка.
• .