مادولا (زبان برنامه‌نویسی)

تاریخچه

یک پروژه برای به انجام رسیدن به دو چیز نیاز دارد. اول لیستی از مسائل مرتبط با پروژه و دیگر راه حل هر یک از این مسائل که به راهکاری برای پروژه منجر می‌شوند. شرایط مشابهی در برنامه‌نویسی برای به انجام رساندن یک پروژه وجود دارد. چیزی که مرکز تحقیقات پالو آلتو (PARC)، جایی که ورث مشغول به کار بود، به آن نیاز داشتند نوعی زبان برنامه‌نویسی بود که به کمک آن بتوان سیستم‌های بزرگ و پیچیده را پیاده کرد یا به عبارتی امکانی برای پیاده‌سازی واحدهایی مرتبط با سیستم که به‌طور جداگانه قابل ترجمه باشند. این واحدها اکنون مادول گفته می‌شود. زیانی که ورث در صدد طراحی آن برای رفع نیازهای PARC بود، برگرفته از زبان پاسکال با تأکید بیشتری بر واحدهای برنامه‌نویسی یا همان مادول‌ها بودند و به همین علت مادولا نام گرفت.
امکاناتی کامپیوترهای سال 1977 مهیا می‌کردند پردازنده‌های مرکزی بودند که سیستم‌های پیچیده time-sharing را مدیریت می‌کردند و با ترمینال‌ها قابل دسترسی بودند. انقلاب بزرگ پدیدار شدن سیستم‌های شخصی آلتو که در PARC توسعه یافته بودند ورث را متقاعد کرد که در آینده، توسعه نرم‌افزار بر اساس این سیستم‌های شخصی خواهد بود. در حالی که این سیستم‌ها در آن زمان در بازارها موجود نبودند یک راه برای PARC وجود داشت و آن این بود که خود این امکانات را فراهم آورد. محصول این پروژه ساخت ایستگاه کاری لیلیت (Lilith) بود.
ساخت سخت‌افزارهای جدید ملزم به فراهم کردن سیستم‌عامل، نرم‌افزارهای کاربردی و به همینطور زبان و کامپایلر مناسب برای آن است. در واقع محرک اصلی طراحی زبان Modula-2 ایجاد زبانی ساده بود که بتواند ساخت نرم‌افزارهای مورد نیاز لیلیت را تحت پوشش قرار دهد تا به سیستمی قدرتمند برای توسعه نرم‌افزار تبدیل شود. اسناد و اهداف ساخت این زبان جدید در سال 1977 تدوین شدند و طراحی زبان به سال‌های 1978-79 موکول شد و هم‌زمان با آن پروژه پیاده‌سازی یک مترجم برای زبان شروع شد. اولین کامپایلر مادولا-2 که توسط K. Van Lee (1979) نوشته شد شامل هفت مرحله بود که هر یک خروجی میانی را تولید می‌کردند (Intermediate Code Generation). این مراحل در طراحی دوم توسط U. Ammann به پنج مرحله تقلیل یافت. مرحله اول، اسکنر، رشته‌ای از نشانه‌ها (Tokens) و جدول شناسه‌های و اسامی را تولید می‌کرد، در مرحله دوم، آنالیز گرامر (Syntax analysis) توسط پارسر صورت می‌گرفت و مرحله سوم چک کردن تایپ (Type Checking) بود. مراحل چهارم و پنجم به تولید کد نهایی (Code Generation)اختصاص داده شده بود. نسخه نهایی کامپایلر در سال 1979 به اتمام رسید. 
Modula-2 در سال 1982 به صورت تجاری توسط کمپانی تازه تأسیس DISER [Data Image Sound Processor and Emitter Receiver System] با نام کامپایلرهای MC1 و MC2 عرضه شد. Modula-2 به عنوان زبانی که ادامه دهنده زاه پاسکال بود و از زبان برنامه‌نویسی Mesa نیز تأثیر فراوانی پذیرفته بود شناخته شد. Mesa زبانی بود که در دهه 70 از آن در PARC برای پروژه‌های سطح پایین و پیاده سازی‌های تیمی استفاده می‌شد. Modula-2 و ایستگاه کاری آن لیلیت، همواره کنار یکدیگر شناخته شده‌اند و اولین سیستمی را تشکیل می‌دادند که امکانات کامپیوتر شخصی به همراه محیط گرافیکی با تفکیک بالا و پنجره ای، موشواره، ویراشگرهای متن با فونت‌های مختلف و چاپگر لیزری مدت‌ها قبل از مکینتاش ارائه کردند.
زبان Modula-2+ یکی از فرزندان زبان Modula-2 بود که در SCR DEC [Systems Research Center of Digital Equipment Corporation) در پالو آلتو کالیفرنیا گسترش یافت. این زبان ماهیتاً همان زبان Modula-2 بود که امکانات مدیریت استثناء و امکان تعریف وظیفهٔ هم‌زمان (Threads) به آن اضافه شد. گروه سازنده این زبان توسط P. Rovner در سال 1984 سرپرستی می‌شدند. از قابلیت‌های دیگر Modula-2+ وجود Garbage Collection برای مدیریت حافظه پویا بود.
زبان Modula-3 در اواخر دهه 80 توسط Luca Cardelli، Jim Donahue، Mick Jordan، Bill Kalsow و Greg Nelson در DEC SRC ساخته شد. این زبان در طراحی زبان‌هایی همچون JAVA، C# و Python تأثیرگذار بود ولی در تجارت هرگز به‌طور گسترده بکار گرفته نشد. طراحی این زبان از طراحی Modula-2 بسیار تأثیر پذیرفته بود.
خصوصیتهای مهم Modula-3 سادگی و امنیت بالای این زبان است. در طراحی Modula-3 تلاش شد که امنیت تایپ داده‌های پاسکال دنبال شود و در عین حال ساختارهای جدید برای کاربردهای واقعی اضافه شود. در Modula-3 امکان برنامه‌نویسی generic (مانند template‌ها ) ساختارهای چند وظیفه ای، مدیریت استثناء، Garbage Collection، برنامه‌نویسی شیئ گرا، Partial Revelation و کپسوله‌سازی اضافه شد. هدف از طراحی Modula-3 ساخت زبانی بود که از مهم‌ترین امکانات زبان‌های برنامه‌نویسی مدرن امروزی به فرم ساده استفاده کند و از امکاناتی مانند وراثت چندگانه و اشتقاق عملگرها که باعث پیچیدگی و ناامنی زبان می‌شدند جلوگیری شود.
در دهه 90 Modula-3 جایگاه قابل توجهی در آموزش برنامه‌نویسی کسب کرد ولی همچنان در کابردهای تجاری چندان به کار گرفته نشد. در آن زمان کامپایلر CM3 و محیط کاری Reactor به صورت یکپارچه برای کربرد تجاری توسط Critical Mass Inc. ارائه شد ولی فعالیت شرکت در سال 2000 در رابطه با Modula-3 متوقف شد.
در حال حاضر Modula-3 در دانشگاه‌ها عموماً در درس‌هایی که به مقایسه زبان‌های برنامه‌نویسی می‌پردازند تدریس می‌شود و کتاب‌های مربوط به Modula-3 دیگر چاپ می‌شوند. ادامه کار Modula-3 از سال 2000 با خرید کامل Modula-3 از Critical Mass Inc. توسط elego Software Solutions GmbH و تولید نسخه‌هایی از CM3 محدود شد. Reactor IDE به صورت open source با نام CM3-IDE عرضه شد و در سال 2002 فعالیت elego در رابطه با Modula-3 با آخرین نسخه آن، PM3 به پایان رسید.
 

زبانهای برنامه‌نویسی خانواده مادولا

تمام نسخه‌های مختلف و فرزندان زبان مادولا از نوع زبان‌های امری و از خانواده زبان‌های بلوکی الگول 60 هستند. زبان‌های خانواده مادولا اکثر ساختارهای کنترلی معمول در زبان‌های بلوکی را دارا می‌باشند مانند: For، Loop، Repeat، Loop، While، If، Case، With. در Modula و Modula-2 مفاهیم شیئ گرایی به مادول‌ها و مفهوم ضمنی Interface که مادول‌ها فراهم می‌آورند و رکوردها محدود می‌شود. در Modula-2+ و Modula-3 پایه‌هایی از مفاهیم شیئ گرایی مانند وراثت و Generics اضافه شدند.

مادول‌ها و قابلیت ترجمه جداگانه

یکی از اهداف اصلی طراحی زبان مادولا جهش از ساختار زبان پاسکال به زبانی بود که در آن بتوان اجزای مختلف برنامه را جداگانه نوشت و ترجمه کرد. این واحدها در مادولا، مادول نام دارند. مفهوم مادول به عنوان لیستی از شناسه‌های Import یا Export شده از یک واحد برنامه‌نویسی از زبان Mesa گرفته شده‌است. همچنین مفهوم فایل سمبل‌ها به عنوان اطلاعات از قبل ترجمه شده از زبان Mesa گرفته شدند. مادول واحدی است که به‌طور ساده مفهوم کپسوله‌سازی را پیاده می‌کند و به برنامه‌نویس امکان می‌دهد متغیرها و توابع در یک مادول از دید کاربر بیرونی مخفی باشند مگر آنکه Import یا Export شده باشند. مادول‌ها به‌طور ضمنی مفهوم Interface با تایپ صریح را نیز در زبان ارائه می‌کنند.
مادول‌ها امکان تعریف بازگشتی یا تعریف مادول داخل مادول دیگر را دارند. یک نمونه ساده از Import کردن:
Import M0,M1;
بدین ترتیب عناصر مادول M0 مانند x به صورت M0.x قابل دسترسی هستند در صورتی که در M0، Export شده باشند. عناطر یک مادول به‌طور مستقیم نیز می‌توانند Import شوند تا از نوشتن مکرر نام مادول اجتناب شود:
From M1 Import x,y,z;

چک کردن تایپ به صورت ایستا

چک کردن تایپ در مادولا به صورت ایستا صورت می‌گیرد. بدین معنی که در زمان کامپایل تطابق تایپ‌ها و پیروی آن‌ها از قواعد تایپ زبان در زمان کامپایل صورت می‌گیرد و به زمان اجرا موکول نمی‌شود. در مقابل پاسکال مشکلاتی داشت از جمله کامل نبودن برخی از تایپ‌های پارامتری توابع مانند تایپ Procedure که باعث می‌شود نتوان چک کردن تایپ به‌طور ایستا صورت بگیرد. برای مثال در زیر نمونه‌ای از این خطا در زبان پاسکال وجود دارد که کامپایلر نمی‌تواند آن را در زمان کامپایل تشخیص دهد:
   PROCEDURE P(x, y: INTEGER);  BEGIN ... END ;
         PROCEDURE Q(p: PROCEDURE);
         VAR a, b: REAL;
       BEGIN ... p(a + b) ... END ;
       ... Q(P) ...
مادولا این مشکل را با الزام تعریف کامل نوع پارامترها برای تایپ‌های Procedure حل کرد. برای مثال تایپ Precdure(real,real) ئدر مادولا یک تایپ متمایز از Procedure(integer,real) در نظر گرفته می‌شود.

تایپ از نوع پروسیجر

مفهوم پروسیجر به عنوان تایپ نیز از زبان Mesa گرفته شد. این نوع تایپ در پاسکال نیز به عنوان پروسیجرهای پارامتریک (ورودی از نوع پروسیجر) وجود داشت و در مادولا به متغیرها و پارامترها بسط داده شد.
تایپ‌های ADDRESS و CARDINAL
تایپ ADRESS در Modula-2 برای آدرس دهی‌های 16 بیتی استفاده می‌شود و تایپ CARDINAL برای کار با اعداد صحیح بدون علامت و اعمال ریاضی روی آدرس‌ها در نظر گرفته شده‌است.

امکانات سطح پایین در زبان مادولا

در زبان مادولا امکاناتی هستند که قابل پیاده‌سازی توسط مجردات زبان نیستند و از این رو دز سطح ماشین پیاده‌سازی شده‌اند. استفاده از نام تایپ برای تبدیل صریح تایپ داده یکی از نمونه‌های این امکانات است. اگر x یک متغیر و T یک تایپ در زبان مادولا باشند، T(x) همان مقدار x را با تایپ T داراست در صورتی که تایپ x به T قابل تبدیل باشند. این امکانات زبان مادولا این زبان را تا حدی وابسته به ماشین و نحوه پیاده‌سازی زبان کرده‌است. در Modula-2 امکانات سیستمی از طریق مادول SYSTEM فراهم می‌شود.

مدیریت حافظه و Garbage Collection

در مادولا مانند پاسکال مفهوم اشاره گرها پیاده‌سازی شده‌اند و از این رو امکان استفاده از حافظه پویا با توابعی مانند NEW(x) وجود دارد. با توجه به حافظه محدود کامپیوترها در زمان طراحی Modula-2 امکان استفاده مجدد از حافظه غیرقابل دسترسی بسیار ارزشمند بود و از این رو نوعی Garbage Collection در Modula-2 برای بازیابی حافظه غیرقابل دسترسی تعبیه شده‌است.

Coroutines

در Modula-2 امکان تعریف پرش بین پروسیجرها و تعریف پروسیجرهای وظیفه‌ای (Tasks) به صورت Coroutine پیاده‌سازی شده‌است. Modula-2 یکی از اولین زبان‌های برنامه‌نویسی سطح بالاست که این امکان را فراهم کرده‌است. این امکانات از طریق مادول COROUTINES و تایپ COROUTINE فراهم شده‌اند. با استفاده از این نوع پروسیجرها امکان پرش بین پروسیجرها وجود دارد.

Generics

امکان تعریف مادول‌های عام (Generic) در مادولا وجود دارد. این مادول‌ها همانند Template‌های C++ هستند که امکان می‌دهند برخی از تایپ‌ها در زمان تعریف مادول نام معلوم تعریف شوند و در زمان Instance گرفتن از مادول معین شوند. برای مثال عناطر یک مادول که یک پیاده‌سازی از ساختار پشته است، می‌توانند از نوع Integer، Real یا هر تایپ دیگری باشند.

مدیریت حالت استثناء

امکان مدیریت حالت استثناء در Modula-2+ و Modula-3 اضافه شدند. در Modula-3 مدیریت استثناء به فرم بلوکی معروف TRY … EXCEPT … تعریف شده‌است.
 

کدهای نمونه

این برنامه پیغام Hello World! را چاپ می‌کند.
متن برنامه:
 MODULE PrintHelloWorld;
 (*This program prints "Hello world!" on the standard output device*)
 FROM InOut IMPORT WriteString, WriteLn;
 BEGIN
 WriteString('Hello world!');
 WriteLn;
 END PrintHelloWorld.
اجرای نمونه:
Hello world!
این برنامه اعداد را از یک فایل ورودی می خواند و میانگین آن‌ها را محاسبه می‌کند.
متن برنامه:
 MODULE SumAndAverage;
 FROM InOut IMPORT ReadInt, WriteString, WriteLn, WriteInt, 
 OpenInput, OpenOutput, CloseInput, 
 CloseOutput, Done;
 VAR
 N:INTEGER;
 X:INTEGER;
 SUM:INTEGER;
 AVERAGE:INTEGER;BEGINWriteString('Enter the names of the output, input files');WriteLn;OpenOutput("OUT");IF NOT Done THENWriteString('Output file cannot be opened');WriteLn;HALT;END;OpenInput("IN");IF NOT Done THENCloseOutput;WriteString('Input file cannot be opened');WriteLn;HALT;END;N:=0;SUM:=0;ReadInt(X);WHILE Done DOWriteInt(X,3);WriteLn;N:=N+1;SUM:=SUM+X;ReadInt(X);END;WriteString('The Sum is ');WriteInt(SUM, 1);WriteLn;AVERAGE:=SUM DIV N;WriteString('The Average is ');WriteInt(AVERAGE, 1);WriteLn;CloseOutput;CloseInput;END SumAndAverage.
اجرای نمونه:
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
The Sum is 55
The Average is 5
این برنامه شامل یک پروسیجر می‌شود که N! را محاسبه می‌کند. 
متن برنامه:
MODULE Factorial;FROM InOut IMPORT WriteCard, WriteLn;PROCEDURE Fact(n:CARDINAL):CARDINAL;VAR 
nfact: CARDINAL;BEGIN
IF n > 8 THEN RETURN 0 
END;

nfact:=1;
FOR n:=n TO 1 BY -1 DO
 nfact:=nfact*n
END;

RETURN nfact;END Fact;VAR
i:CARDINAL;

BEGIN
   FOR i:=0 TO 8 DO 
WriteCard(i,3);
WriteCard(Fact(i),12);
WriteLn
   ENDEND Factorial.


اجرای نمونه:
  01
  1            1
  2            2
  3            6
  4            24
  5            120
  6720
  75040
  840320