مادولا (زبان برنامه‌نویسی)

زبان برنامه‌نویسی مادولا یکی از نسل‌های زبان برنامه‌نویسی پاسکال است. طزاحی آن به زمانی بر می‌گردد که دکتر نیکلاس ورث (Niklaus Wirth) عضو کمیته‌ای بود که وظیفه آن طراحی زبانی بود که جانشین زبان الگول-60 شود. حاصل کار این کمیته زبان الگول-68 بود. عدم وجود متودی منسجم در طراحی الگول-68 باعث شد که این زبان به مجموعه‌ای از امکانات بی‌نظم و آشفته تبدیل شود و مانند زبان PL/I سقوط زود هنگامی را تجربه کند. در این زمان دکتر ورث کمیته را رها کرد و تصمیم به طراحی زبانی متاثر از تئوری‌های دایسترا (Dijkstra)، هور (Hoare) و دال (Dahl) گرفت و سرانجام تلاش او زبان پاسکال بود که به گفته خودش هدف از طراحی زبان پاسکال بر دو مبنا بود: طراحی زبانی اصولی برای آموزش برنامه‌نویسی و گسترش زبانی که قابلیت اطمینان و کارایی بالایی برای کامپیوترهای موجود دارد.
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 بطور 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 تاکید 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 تاسیس 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 تاثیر 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 پنجره‌ای، 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 ماهیتا همان زبان Modula-2 بود که امکانات مدیریت استثناء و امکان تعریف وظیفه 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 تاثیرگذار بود ولی در تجارت هرگز بطور گسترده بکار گرفته نشد. طراحی این زبان از طراحی Modula-2 بسیار تاثیر 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 وظیفه‌ای، مدیریت استثناء، Garbage Collection، برنامه‌نویسی شیی 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 عموما 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 شیی گرایی به مادول‌ها و مفهوم ضمنی Interface که مادول‌ها فراهم می‌آورند و رکوردها محدود می‌شود. در Modula-2+ و Modula-3 پایه‌هایی از مفاهیم شیی گرایی مانند وراثت و Generics اضافه شدند.
سیستم تایپ
مانند زبان الگول 60 زبان مادولا و تمام زبانهای مشتق شده از این زبان، سیستم تایپ قوی دارند (Strongly Typed) . در زبانهای مادولا تایپ تمام عبارتها و متغیرها در زمان کامپایل مشخص می‌شوند و تایپ یک عبارت با استفاده از زیر عبارتهای آن عبارت مشخص می‌شوند. همچنین در زبانهای مادولا تبدیل خودکار تایپ وجود ندارد و تبدیل تایپ باید بطور صریح انجام شود.
در زبان Modula-2 تطابق تایپ داده به صورت اسمی بود (Name Equivalence)و در زبان Modula-3 به تطابق ساختاری (Structural Equivalence) تغییر یافت.
در Modula-3 تایپ داده به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
Ordinal types:سه نوع تایپ شمارشی در Modula-3 تعریف شده‌اند: Enumerators، subranges، integers
Floating-point types
Array types
Record types
Packed types
Set types
Reference types
Procedure types
Object types
Subtyping rules
Predeclared opaque types
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 بطور 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 بطور 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 بطور 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 بطور 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 غیر قابل دسترسی بسیار ارزشمند بود و از این رو نوعی Garbage Collection در Modula-2 برای بازیابی حافظه غیر قابل 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 می‌خواند 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;
BEGIN
WriteString(Enter the names of the output, input files);
WriteLn;
OpenOutput("OUT");
IF NOT Done THEN
WriteString(Output file cannot be opened);
WriteLn;
HALT;
END;
OpenInput("IN");
IF NOT Done THEN
CloseOutput;
WriteString(Input file cannot be opened);
WriteLn;
HALT;
END;
N:=0;
SUM:=0;
ReadInt(X);
WHILE Done DO
WriteInt(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
END
END Factorial.
اجرای نمونه:
01
1 1
2 2
3 6
4 24
5 120
6720
75040
840320