מודולה

מוֹדוּלה (באנגלית: Modula) היא שפת תכנות מערכות מובנת ופרוצדורלית עם טיפוסיות חזקה וסטטית שפותחה על ידי ניקלאוס וירת בין השנים 1973–1976 במכון הטכנולוגי של ציריך. מודולה הורחבה במקור מפסקל, וממנה נולד הפיתוח של מודולה־2. מודולה היא שפת תכנות ניסיונית והפיתוח שלה הופסק לטובת הפיתוח של מודולה־2. בשנת 1973 וירת התחיל את הפיתוח של מודולה. המימוש הראשון שלה הושלם על מחשב PDP-11. בשנת 1976 וירת פרסם את האפיון של השפה במכון הטכנולוגי של ציריך. בשנת 1977 וירת התחיל את הפיתוח של מודולה־2 כהמשך לפיתוח של מודולה, וכתחליף לפסקל. PROCEDURE GCD(n, m: INTEGER): INTEGER; VAR a, b: INTEGER; BEGIN WHILE a <> b DO IF a < b THEN b := b - a ELSE a := a - b END END; GCD := a END GCD וירת תכנן שמודולה תהיה היורשת של פסקל. אך בנוסף לכך, מודולה תוכננה להיות שפת תכנות מערכות. וירת זיהה שבשפות תכנות מערכות יש תלות רבה בין התוכנה לחומרה, וכמעט תמיד הקוד נכתב באופן מותאם לחומרה מסוימת, מה שלא אפשר שימוש חוזר בקוד על מחשבים עם חומרה שונה באותו הזמן. על רקע מצב זה, וירת תכנן את מודולה כך שתאפשר הידור נפרד של יחידות קוד מקור על מנת לבודד את הקוד שתלוי במערכת מן הקוד המופשט שאינו תלוי במערכת. וירת ויתר על חלק מהמאפיינים של פסקל כשתכנן את מודולה. בנוסף, וירת תכנן שמודולה תהיה חוצת ארכיטקטורות וחוצת פלטפורמות ככל הניתן. כפי שמסתמן במודולה־2, חידושיה המרכזיים של מודולה על פני פסקל היו: מודול כיחידת קוד מקור שעוברת הידור נפרד משאר הקוד. ריבוי וניהול תהליכים בו זמניים על ידי אותות בתוך הקוד. מודולה הכירה רק בארבע טיפוסי נתונים בסיסיים: מספר שלם, ערך בוליאני (אמת או שקר), תו, ומערך סיביות. לא אופיין מספר ממשי ולא אופיין טיפוס נפרד למחרוזות בשפה, אך היה ניתן ליצור מחרוזת באמצעות מערך תווים. אין גישה למצביעים בשפה. כשפת תכנות מערכות, מודולה הציעה דרך ליישם ריבוי תהליכים בצורה נוחה. להכרזת תהליכים בשפה היה תחביר דומה לתחביר של שגרות, אם כי היה ניתן להגדיר תהליכים אך ורק ברמת הקובץ ולא באופן מקונן בתוך רכיבים אחרים. בשונה משגרות, תהליכים לא היו עוצרים את שאר התוכנה בזמן ריצה, אלא רצים באופן מקביל. היה ניתן להריץ תהליכים אך ורק מגוף השגרה הראשית, ולא בשום מקום אחר בקוד. בנוסף, מודולים ששיתפו נתונים בין התהליכים הוגדרו בעזרת המילה INTERFACE. מודולים מסוג זה יצרו תור לכל משתנה בתוכם כדי למנוע מצב שבו שני תהליכים או יותר היו ניגשים לקרוא או לכתוב באותו משתנה באותו הזמן. וירת המליץ נגד השימוש במשתנים כדי לסנכרן בין תהליכים, במקום זאת הוא עיצב בשפה אותות מיוחדים לניהול תהליכים מכל מקום בקוד. לאותות היה תחביר דומה לזה של קריאת שגרה. היו שני סוגי אותות: לעצירת תהליכים, ולהמשך תהליכים. התחביר של מודולה מורכב מפקודות אימפרטיביות. פקודות מופרדות בעזרת נקודה ופסיק ;, ולעיתים קרובות הן גם מכילות ביטויים שעוברים חישוב. פקודות וביטויים מורכבים מאסימונים שנוצרים מרצף תווי ASCII. אסימונים מוכרים מייצגים בין היתר מילים שמורות, ערכים, מחרוזות, הערות, מזהים (שמות של משתנים, קבועים, שגרות, ומודולים), פעולות, ופיסוק. למודולה היו 35 מילים שמורות. AND DIV INTERFACE PROCEDURE USE ARRAY DO LOOP PROCESS VALUE BEGIN ELSE MOD RECORD VAR CASE ELSIF MODULE REPEAT WHEN CONST END NOT THEN WHILE DEFINE EXIT OF TYPE WITH DEVICE IF OR UNTIL XOR במודולה לא היו מספרים ממשיים, לכן פעולת החילוק החזירה מספר שלם ללא שארית. בדומה לשפות תכנות אחרות, פקודות במודולה אפשרו תכנות אימפרטיבי בכך שהן הורו בקרת זרימה והקצאת ביטויים לתוך משתנים, בעוד שהביטויים עצמם היו רצפים של פעולות ואופרנדים שעוברים חישוב לפי סדר פעולות מתמטי, או סדר פעולות שהמתכנת היה מגדיר בעזרת סוגריים עגולים. מודולה הכירה בתשע סוגי פקודות: הקצאה (קליטת ערך למשתנה) := קריאת שגרה כניסה לתוך תחום ההכרזה של השדות ברשומה באמצעות הפקודה WITH שש פקודות לבקרת זרימה: תנאי IF ניתוב מקרים CASE יציאה ידנית מלולאת LOOP באמצעות הפקודה EXIT שלוש סוגי לולאות: לולאה אין סופית LOOP לולאת WHILE לולאת REPEAT מודולה אפשרה למתכנת להכריז ערכים קבועים. ערכים אלה אינם משתנים במהלך התוכנית. קבועים הוגדרו בשפה באמצעות מזהה והסימן = ולאחריו הערך (הערך יכול להיות גם מבנה נתונים ולא רק ערך בסיסי). ON = 1 OFF = 0 הכרזה של משתנה נעשתה בעזרת הסימן : כשמשמאל שם המשתנה, ומימין טיפוס המשתנה. i, j, k: INTEGER p, q: BOOLEAN מהיותה שפת תכנות מבנית, חלק מסוגי הפקודות היו יכולות להכיל בתוכן תת-פקודות. לדוגמה, תנאי IF היה יכול להיות מוכל בתוך תנאי IF אחר, שגם הוא היה יכול להיות מוכל בתוך לולאת WHILE, וכך בעצם הייתה נוצרת בקרת זרימה. במודולה, הסימן נקודה ופסיק ; הפריד בין פקודות והגדיר את סדר הביצוע בתוכנית. מודולה הציעה שלוש סוגי לולאות: WHILE, REPEAT, ו־LOOP. כמו בשפות אחרות, הלולאות WHILE ו־REPEAT היו תלויות בתנאי כלשהו.[דרוש מקור] לעומת זאת, בלולאת LOOP נדרשה יציאה ידנית באמצעות הפקודה EXIT בתוכה. LOOP i := i + 1 WHEN i = n DO EXIT END בלולאת WHILE, כל עוד התנאי מתקיים, הלולאה תמשיך לחזור על עצמה. דוגמה ללולאת WHILE: WHILE i < n DO i := i + 1 END בלולאת REPEAT, הבדיקה נעשית בסוף המחזור, והמחזור הראשון מתקיים ללא תנאי. התנאי לעצירה צריך להתקיים על מנת שהלולאה תיעצר. דוגמה ללולאת REPEAT: REPEAT i := i + 1 UNTIL i = n הפקודה IF אפשרה בקרת זרימה לפי תנאים. אם התנאי הראשון נכשל, ניתן לשרשר מספר תנאים נוספים אחריו בעזרת ELSIF, ומצב ברירת מחדל באמצעות ELSE. תחביר של תנאי מלא היה נראה כך: IF n = 0 THEN (* n equals 0 *) ELSIF n = 1 THEN (* n equals 1 *) ELSIF n > 1 THEN (* n is greater than 1 *) ELSE (* n is lesser than 0 *) END הפקודה CASE הייתה מחשבת ביטוי כלשהו ואז מבצעת קטע פקודות בהתאם לתוצאה. הקטעים סומנו בעזרת ערך קבוע או ערך מפורש. CASE N OF 0: BEGIN (* N equals 0 *) END 1: BEGIN (* N equals 1 *) END 2: BEGIN (* N equals 2 *) END END הפקודה WITH מקבלת רשומה והופכת את השדות שלה לזמינים בתוך הבלוק שלה בלי הצורך להקליד בכל פעם את הכתובת המלאה של השדה עם השם של הרשומה. WITH Account DO Balance := 0 END מודולה הכירה בשני מבני נתונים יסודיים: מערך ורשומה. מערך הוגדר בשפה בעזרת המילה השמורה ARRAY, לאחריו טווח האינדקסים, ולאחר מכן טיפוסיות המערך. לדוגמה, מחרוזת באורך 80 תווים הוגדר כך: Line = ARRAY 0:79 OF CHAR בנוסף, מערך רב ממדים הוגדר באמצעות רשימה של טווחים. לדוגמה, עמוד באורך 256 שורות שבכל אחת מהן יש 80 תווים הוגדר כך: Buffer = ARRAY 0:255, 0:79 OF CHAR גישה לתוך מערך הייתה מתבצעת בעזרת זוג סוגריים מרובעים [] ובינם האינדקסים מסודרים ברשימה לכל ממד. B: Buffer B[0, 0] := 'C' רשומה הוגדרה בשפה בעזרת המילה השמורה RECORD ואז רשימת השדות והטיפוסיות שלהם (הסימן נקודה ופסיק ; הפריד בין השדות). לדוגמה: Account = RECORD FirstName: ARRAY 0:255 OF CHAR; LastName: ARRAY 0:255 OF CHAR; Balance: INTEGER; Alive: BOOLEAN END גישה לתוך שדות ברשומה הייתה מתבצעת באמצעות נקודה .. A: Account A.Alive := TRUE מהיותה שפת תכנות פרוצדורלית, פירקנים במודולה היו עשויים להגדיר תת-תוכניות ולייצא אותם כפקודות עם שמות ייחודיים ופרמטרים. פקודות כאלה נקראות שגרות והן היו מוגדרות בעזרת המילה השמורה PROCEDURE. שגרה היא בגדר פונקציה אם היא מחזירה ערך כלשהו, אחרת היא בגדר ציווי. פונקציה תחזיר את הערך שהוקצה למזהה שלה. הגדרת קבועים ומשתנים מקומיים התאפשרה לפני המילה BEGIN. המילה CONST הגדירה את הקבועים, בעוד המילה VAR הגדירה את המשתנים. דוגמה לפונקציה ריבועית פשוטה של מספרים שלמים f ( n ) = n 2 {\displaystyle f(n)=n^{2}} כך ש־ f : Z → N {\displaystyle f:\mathbb {Z} \rightarrow \mathbb {N} } : PROCEDURE f(n: INTEGER): INTEGER; BEGIN f := n * n; END f קריאה לשגרה נעשתה בעזרת רשימת ערכים מתאימים לפרמטרים בתוך סוגריים עגולים () מיד אחרי שם השגרה. k := Factorial(4) טיפוסי נמנים (enumerated type) הוגדרו בשפה בעזרת זוג סוגריים עגולים () ובתוכם רשימת מזהים מופרדים עם פסיק ,. weekdays = (Sunday, Monday, Tuesday, Wednesday, Thursday, Friday, Saturday) תוכניות במודולה היו בנויות מרכיבים שעברו הידור נפרד זה אחר זה לפי קשר התלות בינם, רכיבים אלו כונו "מודולים" או בעברית "פירקנים." מבנה המודול הוא גם השלד הבסיסי של כל קובץ קוד מקור בשפה. הקטע הבא מתאר את מבנה המודול במודולה. בסוף מודול תמיד מופיעה נקודה. MODULE MyModule DEFINE f, g; (* List of exported identifiers *) USE; (* List of imported identifiers *) CONST; (* List of constants *) VAR; (* List of variables *) (* Some procedures: *) PROCEDURE f(x: INTEGER): INTEGER BEGIN END f; PROCEDURE g(x: INTEGER): INTEGER BEGIN END g; BEGIN (* Statements *) END MyModule. פסקל - שפת התכנות שממנה הורחבה מודולה. מודולה־2 - שפת התכנות שירשה את הפיתוח של מודולה. Niklaus Wirth, Modula: A Language for Modular Multiprogramming, ETH Zurich, 1976 מדיה וקבצים בנושא מודולה בוויקישיתוף דגימות קוד של מודולה ב־RosettaCode (באנגלית) Modula, Introduction, pp. 3–5 Modula, PDP-11 Specific Facilities, pp. 29–32 Modula, Overview, pp. 5–9 Modula, Facilities for Multiprogramming, pp. 25–29 Modula, Basic Types, p. 13 Modula, Type Declarations, pp. 12–14 Modula, Constant Declarations, p. 12 Modula, Processes, pp. 25–26 Modula, Process Control Statement, p. 26 Modula, Interface Modules, pp. 25–26 Modula, Signals, pp. 26–28 Modula, Vocabulary and Representation, pp. 10–12 Modula, Expressions, pp. 15–16 Modula, Statements, p. 16 Modula, Assignments, p. 16 Modula, Procedure Calls, p. 17 Modula, With Statements, p. 19 Modula, If Statements, p. 17 Modula, Case Statements, p. 18 Modula, Loop Statements, pp. 18–19 Modula, While Statements, p. 18 Modula, Repeat Statements, p. 18 Modula, Variables, pp. 14–15 Modula, Statement Sequence, p. 17 Modula, Array Structures, p. 13 Modula, Record Structures, p. 14 Modula, Procedures, pp. 19–22 Modula, Enumerations, p. 13 Modula, Modules, pp. 22–25 Summary of projects by N. Wirth, 1962 - 1999, people.inf.ethz.ch Niklaus Wirth, The programming language Pascal, Acta Informatica 1, 1971, עמ' 35–63 doi: 10.1007/BF00264291 Modula Two, wiki.c2.com Niklaus Wirth, Preface, Programming in Modula-2, 4th Edition, Berlin, Heidelberg: Springer, 1988, Texts and Monographs in Computer Science, עמ' 3-5, ISBN 978-3-642-83565-0. (באנגלית) Niklaus Wirth, Introduction, Report on the Programming Language Modula-2, 4th Edition, Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1988, עמ' 133–134, ISBN 978-3-642-83567-4. (באנגלית) Niklaus Wirth, Modula: A Language for Modular Multiprogramming, ETH Zurich, 1976