|
== บทที่ 1 The way of the program ==
=== The way of the program ===
เป้าหมายของหนังสือเล่มนี้คือต้องการที่จะสอนคุณให้คิดอย่างนักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ แนวทางการคิดนี้ผสมกันด้วยระหว่างลักษณะที่สำคัญในการคิดทาง คณิตศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และวิทยาศาสตร์ ธรรมชาติ
ในขั้นแรก คุณจะได้เรียนรู้โปรแกรม ทักษะที่มีประโยชน์จากโปรแกรม ในขั้นอื่นๆ คุณจะใช้ กระบวนการเขียนและทดสอบโปรแกรมทางคอมพิวเตอร์จนจบ เมื่อเราไปได้ดี ในตอนจบก็จะชัดเจนและเข้าใจมากขึ้น
=== 1.1 The Python programming language ===
ภาษาทางการเขียนโปรแกรมที่คุณจะได้เรียนรู้คือ Python Python เป็นตัวอย่างของภาษาระดับสูง ซึ่งภาษาระดับสูงตัวอื่นๆที่คุณเคยได้ยินมาคือ C, C++, Perl and Java
: *compiler = ตัวแปลภาษาโปรแกรมที่เขียนใน high-level language ไปเป็น low- level language โดยแปลทั้งหมดภายในครั้งเดียว ในการเตรียมพร้อมสำหรับดำเนินการต่อไป
: *interpreter = ตัวดำเนินการโปรแกรมใน high-level language ด้วยการแปลหนึ่งบรรทัดต่อครั้ง
[[ภาพไฟล์:Ch1 01.jpg|center]]
compiler อ่านโปรแกรมและแปลมันอย่างสมบูรณ์ก่อนที่โปรแกรมจะเริ่มรัน ในกรณีนี้ high-level program ถูกเรียกว่า source code และโปรแกรมที่ถูกแปลเรียกว่า object code หรือ executable เมื่อโปรแกรมถูกคอมไพล์ครั้งนึงแล้ว คุณสามารถดำเนินการมันอย่างซ้ำได้โดยไม่ต้องมีการแปลมากขึ้น
[[ภาพไฟล์:ch1 02.jpg|center]]
Python เป็น interpreted language เนื่องจาก Python program ถูกดำเนินการโดย interpreter มีสองทางที่จะใช้ interpreter: command line mode และ script mode ใน command line mode คุณพิมพ์โปรแกรมและ interpreter แสดงผล:
$ python
Python 241 (#1 Apr 29 2005 00:28:56)
Type “help” “copyright” “credits” or “license” for more information
>>> print 1 + 1
2
บรรทักแรกของตัวอย่างคือคำสั่งที่เริ่มต้น Python interpreter สองบรรทัดถัดมาเป็นข้อความของ interpreter บรรทัดที่สามเริ่มด้วย >>> ซึ่งเป็น prompt ของ interpreter ใช้เพื่อบ่งบอกว่ามันพร้อม เราได้พิมพ์ print 1 + 1และ interpreter ตอบ 2
อย่างหลากหลาย คุณสามารถเขียนโปรแกรมเป็น file และใช้ interpreter ดำเนินการ file นั้น เช่น file ที่เรียกว่า script ตัวอย่าง เราได้ใช้ text editor ในการสร้าง file ชื่อ latoyapy ด้วยหัวข้อเหล่านี้:
print 1 + 1
ตามธรรมเนียมปฏิบัติ file ที่บรรจุด้วย Python program ชื่อต้องลงท้ายด้วย py
เพื่อดำเนินการโปรแกรม เราจะต้องบอกให้ interpreter รู้ชื่อของ script:
$ python latoyapy
2
ตัวอย่างโดยส่วนใหญ่ในหนังสือนี้ดำเนินการบน command line ทำงานบน command line เป็นธรรมเนียมปฏิบัติสำหรับการพัฒนาโปรแกรมและทดสอบโปรแกรม เนื่องจากคุณสามารถที่จะพิมพ์โปรแกรมและดำเนินการมันได้ในทันที เมื่อครั้งที่คุณทำงานกับโปรแกรม คุณควรเก็บมันไว้เป็น script เพื่อที่จะ คุณสามารถดำเนินการหรือแก้ไขมันในครั้งต่อไป
=== 1.2 What is a program? ===
program คือการต่อเนื่องกันของชุดคำสั่งที่ระบุหรือกำหนดว่าจะแสดงการคำนวณอย่างไร การคำนวณอาจเป็นบางอย่างที่เกี่ยวกับคณิตศาสตร์ เช่น การหาผลลัพธ์ของระบบสมการ หรือหา roots of a polynomial แต่มันสามารถจะเป็นการคำนวณทางสัญลักษณ์ด้วยเช่นกัน เช่น การค้นหาและการแทนที่ข้อความในเอกสารหรือการคอมไพล์โปรแกรม
รายละเอียดดูแตกต่างกับภาษาอื่นๆ แต่ชุดคำพื้นฐานจำนวนหนึ่งปรากฏเหมือนกับในทุกๆภาษา:
input: รับข้อมูลจากคีย์บอร์ด ไฟล์ หรืออุปกรณ์อื่นๆ
output: แสดงข้อมูลบนหน้าจอหรือส่งข้อมูลไปเป็นไฟล์หรือไปยังอุปกรณ์อื่นๆ
math: แสดงการดำเนินการทางคณิตศาสตร์พื้นฐานอย่างการบวกและการคูณ
conditional execution: ตรวจสอบเงื่อนไขบางอย่างและดำเนินการลำดับของ statement ที่จัดสรรไว้
repetition: แสดงการกระทำซ้ำบางอย่าง โดยปรกติกับการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง
=== 1.3 What is debugging? ===
การเขียนโปรแกรมเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน เพราะมนุษย์เป็นผู้เขียน บ่อยครั้งที่มีความผิดพลาด เหตุผลที่แปลก คือ โปรแกรมที่ผิดพลาดถูกเรียกว่า Bugs กระบวนการแกะรอยและการแก้ไขข้อผิดพลาดนั้นเรียกว่า debugging
ข้อผิดพลาดสามชนิดที่สามารถพบในโปรแกรม syntax errors, runtime errors และ semantic errors มันเป็นประโยชน์ในการจำแนกความแตกต่างระหว่างข้อผิดพลาดในการหาข้อผิดพลาดเร็วขึ้น
1.# 3.1 Syntax errors
Python สามารถดำเนินการโปรแกรมได้เพียงถ้าโปรแกรมนั้นมีการสร้างประโยคอย่างถูกต้อง มิฉะนั้นกระบวนการล้มเหลวและจะreturn ข้อความที่แสดงความผิดพลาด syntax อ้างอิงไปยังตรงสร้างของโปรแกรมและกฎเกณฑ์เกี่ยวกับโครงสร้าง ตัวอย่าง ในภาษาอังกฤษ ประโยคต้องเริ่มต้นด้วยตัวอักษรพิมพ์ใหญ่และจบด้วยจุด
สำหรับผู้อ่านส่วนใหญ่ syntax errors เพียงเล็กน้อย ไม่ทำให้เกิดปัญหากับความหมาย ซึ่งคือทำไมเราสามารถอ่านบทกวีของ ee cummings โดยปราศจากข้อความผิดพลาด Python จะไม่ยอมให้ถ้ามี syntax errorเพียงตัวเดียวไม่ว่าจะอยู่ที่ใดในโปรแกรมของคุณ Pythonจะแสดงข้อความที่ผิดพลาดและหยุด โดยคุณจะไม่สามารถรันโปรแกรมของคุณได้ ในช่วงสัปดาห์แรกๆของอาชีพเขียนโปรแกรมของคุณแน่นอนว่าคุณจะใช้เวลาส่วนใหญ่กับการติดตามแกะรอย syntax errors ขณะที่คุณได้รับประสบการณ์ อย่างไรก็ดีคุณก็จะสร้างข้อผิดพลาดได้น้อยลงและหามันได้เร็วขึ้น
1.# 3.2 Runtime errors
ข้อผิดพลาดรูปแบบที่สองคือ runtime error ที่เรียกดังนั้นเนื่องจากข้อผิดพลาดจะไม่ปรากฏขึ้นกระทั่งคุณได้รันโปรแกรม ข้อผิดพลาดนี้ถูกเรียกว่า exception ด้วยเช่นกัน ก็เพราะโดยปกติมันจะบ่งชี้บางอย่างที่ผิดปกติที่ได้เกิดขึ้น
Runtime error จะพบได้ยากในโปรแกรมอย่างง่าย ซึ่งจะได้เห็นในบทแรกๆ
1.# 3.3 Semantic errors
ข้อผิดพลาดชนิดที่สาม คือ semantic error ถ้ามี semantic error ในโปรแกรมของคุณมันจะสามารถรันโปรแกรมได้สมบูรณ์ คอมพิวเตอร์ไม่สามารถตรวจพบข้อความผิดพลาดใดๆแต่มันจะไม่สามารถทำงานที่ถูกต้องได้ มันจะทำอย่างอื่นแทน โดยเฉพาะมันจะทำอย่างที่คุณบอกมันให้ทำ ปัญหาคือโปรแกรมที่คุณเขียนนั้นไม่ได้เป็นโปรแกรมที่คุณต้องการที่จะเขียน ความหมายของโปรแกรมผิด การระบุ semantic error สามารถทำได้ยาก เนื่องจากมันต้องการให้คุณทำงานถอยหลังด้วยการดูผลลัพธ์ของโปรแกรมและพยายามคิดว่ามันกำลังจะทำอะไร
1.# 3.4 Experimental debugging
หนึ่งในทักษะที่สำคัญที่ผู้อ่านจะได้รับคือdebugging (กระบวนของการค้นหาและการลบข้อผิดพลาดใดๆทั้งสามชนิดของ programming errors) ถึงแม้ว่ามันสามารถทำให้เกิดความท้อแท้ debugging เป็นส่วนหนึ่งในสิ่งมีค่าทางสติปัญญา ความท้าทาย และเป็นส่วนที่น่าสนใจของการเขียนโปรแกรม
ในบางวิธี debugging เป็นเหมือนกับการทำงานของนักสืบ คุณจะพบร่องรอยและคุณต้องสรุปกระบวนการและเหตุการณ์ที่จะนำไปสู่ผลลัพธ์ที่คุณเห็น
Debugging เป็นเหมือนกับการทดลองทางวิทยาศาสตร์ ครั้งนึงคุณมีความคิดว่าเกิดผิดพลาดอะไรขึ้น คุณทำการแก้ไขตัวโปรแกรมและทดลองใหม่ ถ้าสมมติฐานที่คุณตั้งไว้ถูกต้อง จากนั้นคุณสามารถทำนายผลของการแก้ไขและคุณก็จะเข้าใกล้กับโปรแกรมที่สามารถใช้งานได้ ถ้าสมมติฐานผิดคุณต้องตั้งมันขึ้นมาใหม่ อย่างที่ Sherlock Homes ชี้ให้เห็น “เมื่อคุณได้ขจัดสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ อะไรก็ตามที่คงเหลือไม่ว่าจะไม่น่าเป็นไปได้ขนาดไหนจะต้องเป็นความจริง” (A Conan Doyle The Sign of Four)
สำหรับบางคน การเขียนโปรแกรมและการแก้ไขข้อผิดพลาดเป็นสิ่งเดียวกัน นั่นก็คือการเขียนโปรแกรมเป็นกระบวนการของการ debugging ทีละน้อยจนได้โปรแกรมที่คุณต้องการ แนวคิดคือคุณก็จะได้โปรแกรมที่ใช้งานได้
ตัวอย่าง Linux เป็นระบบปฏิบัติการที่บรรจุด้วยโค้ดนับพันบรรทัด แต่เริ่มต้นด้วยการเป็นโปรแกรมง่ายๆ Linux Torvalds
บทต่อๆไปจะให้ข้อเสนอแนะมากขึ้นเกี่ยวกับ debugging และการฝึกเขียนโปรแกรม
=== 1.4 Formal and natural language ===
Natural language เป็นภาษาที่ผู้คนพูดกัน เช่น ภาษาอังกฤษ ภาษาสเปน และภาษาฝรั่งเศส มันไม่ได้ถูกประดิษฐ์โดยคน (ถึงแม้ว่าผู้คนพยายามที่จะกำหนดจัดระเบียบบางอย่างกับมัน) มันค่อยๆได้รับการพัฒนาโดยธรรมชาติ
Formal language เป็นภาษาที่ได้รับการประดิษฐ์ขึ้นโดยมนุษย์สำหรับการประยุกต์ใช้โดยเฉพาะ ตัวอย่าง สัญลักษณ์ที่นักคณิตศาสตร์ใช้เป็น formal language นั่นคือโดยเฉพาะอย่างยิ่ง การแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ในระหว่างตัวเลขและสัญลักษณ์ นักเคมีใช้ formal language เพื่อแทนโครงสร้างทางเคมีของโมเลกุล และที่สำคัญที่สุด
ภาษาในการเขียนโปรแกรมเป็น formal language ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นเพื่อแสดงการคำนวณ
formal language มีแนวโน้มที่จะเข้มงวดกับ syntax ตัวอย่าง 3+3=6 เป็นการสร้างประโยคที่ถูกต้องตาม mathematic statement แต่ 3=+6$ ไม่ถูกต้อง H2O เป็นการสร้างประโยคที่ถูกต้องตามชื่อทางเคมี แต่ 2Zz ไม่ถูกต้อง
กฎของ syntax(การสร้างประโยค) มีด้วยกันสองอย่าง เกี่ยวข้องกับ token(หนึ่งใน elements พื้นฐานของการสร้างประโยคของโครงสร้างโปรแกรม คล้ายกับคำใน natural language) และโครงสร้าง Token เป็น elements พื้นฐานของภาษา เช่น คำตัวเลข และธาตุทางเคมี หนึ่งในปัญหากับ 3=+6$ คือ $ ไม่ได้เป็น token ที่ถูกต้องในทางคณิตศาสตร์ เช่นเดียวกับ 2Zz ที่ไม่ถูกต้องเนื่องจากไม่มี element ที่เป็นตัวย่อ Zz
รูปแบบที่สองของ syntax error ที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของ statement นั่นคือ วิธีการจัดการการเรียง tokens statement 3=+6$ เป็นการสร้างประโยคที่ผิดเนื่องจากคุณไม่สามารถวางเครื่องหมายบวกได้ทันทีหลังจากเครื่องหมายเท่ากับ เช่นเดียวกันกับ สูตรโมเลกุลที่ต้องมีตัวอักษรหรือตัวเลขที่เขียนอยู่ต่ำกว่าตัวอื่นหลังจาก element ที่เป็นชื่อ ไม่ใช่ก่อนชื่อ
เวลาที่คุณอ่านประโยคในภาษาอังกฤษ หรือ statement ใน formal language คุณต้องคิดคำนวณว่าโครงสร้างของประโยคคืออะไร(ใน natural language คุณต้องทำอย่างนี้อยู่ในจิตสำนึก กระบวนการนี้เรียกว่า parsing(การพินิจพิจารณาโปรแกรมและวิเคราะห์โครงสร้างของการสร้างประโยค) ตัวอย่าง เมื่อคุณได้ยินประโยค ”The other shoe fell” คุณเข้าใจว่า ”The other shoe” คือประธานของประโยค และ ”fell” คือภาคแสดง เมื่อครั้งที่คุณวิเคราะห์คำในประโยค คุณสามารถคิดคำนวณว่ามันหมายถึงอะไร หรือเกี่ยวกับความหมายของประโยค เป็นที่เข้าใจว่าคุณรู้ว่า shoe คืออะไร และอะไรที่ fall คุณจะเข้าใจความหมายโดยนัยของประโยคนี้
ถึงแม้ว่า formal และ natural language มีลักษณะเฉพาะมากมายที่ร่วมกัน- tokens structure syntax และ semantics- มีความแตกต่างกันมากมาย:
ambiguity(ข้อความกำกวม): Natural language เต็มไปด้วยข้อความที่กำกวม ซึ่งคนเราเข้าใจโดยใช้ข้อความแวดล้อมที่ช่วยให้เข้าใจความหมายและข้อมูลอื่น Formal language ถูกประดิษฐ์เพื่อให้ใกล้เคียงหรือไม่ให้กำกวมอย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายถึง statement ใดๆ มีหนึ่งความหมายอย่างถูกต้อง
redundancy(ความซ้ำซ้อน): เพื่อทำให้เกิดความกำกวมและลดความไม่เข้าใจให้น้อยลง natural language ใช้ข้อความที่ซ้ำซ้อนมาก เป็นผลให้บ่อยครั้งมันใช้คำมากเกินไป formal language มีความซ้ำซ้อนน้อยและมีความสั้นกระชับกว่า
literalness(ความหมายของคำ): Natural language เต็มไปด้วยภาษาถิ่นและคำอุปมา ถ้าผมพูด “the other shoe fell” มีความเป็นไปได้มากว่าไม่มีรองเท้าหรือไม่มีอะไรตกหล่น Formal language จะมีความหมายอย่างชัดเจนเมื่อได้กล่าวอะไรไป
ผู้คนที่เติบโตขึ้นพูด natural language(ภาษาพูด)-ทุกๆคน-บ่อยครั้งมีช่วงเวลาที่ยากในการปรับตัวกับ formal language ในบางครั้ง ความแตกต่างระหว่าง formal และ natural language เหมือนกับความแตกต่างระหว่าง ร้อยกรองและร้อยแก้ว แต่มากกว่านั้น:
Poetry(ร้อยกรอง): คำถูกใช้สำหรับเพื่อเสียงที่อ่านและความหมายของคำ และโคลงทั้งหมดก่อให้เกิดผลที่ได้หรือไม่ก็ตอบสนองทางอารมณ์ด้วยกัน คำพูดที่มีความหมายได้สองนัยไม่เพียงแต่ธรรมดื้นๆแต่บ่อยครั้งที่ต้องครุ่นคิด
Prose(ร้อยแก้ว): ความหมายตามตัวหนังสือของคำมีความสำคัญมากกว่าและโครงสร้างที่ให้ความหมายมากกว่า ร้อยแก้วยอมให้วิเคราะห์มากกว่าร้อยกรองแต่ยังคงมีความหมายกำกวม
Programs: ความหมายของโปรแกรมคอมพิวเตอร์ไม่มีความหมายกำกวมและตามความหมายที่แท้จริงของคำ แต่สามารถเข้าใจได้ทั้งหมดโดยการวิเคราะห์ของ tokens และโครงสร้าง
นี่เป็นข้อเสนอแนะบางอย่างสำหรับการอ่านโปรแกรม(และ formal language อื่น)
อย่างแรก จำไว้ว่า formal language เข้าใจยากมากกว่า natural language ดังนั้นต้องใช้เวลานานในการอ่าน เช่นเดียวกัน โครงสร้างมีความสำคัญมากกว่า ดังนั้นมันเป็นปรกติที่ไม่ใช่ความคิดที่ดีนักที่อ่านจากบนลงล่าง ซ้ายไปขวา แทนที่จะเรียนรู้วิเคราะห์ประโยคในหัวของคุณ การระบุ tokens และการแปลความหมายของโครงสร้าง สุดท้าย เนื้อหาที่มีรายละเอียด สิ่งเล็กๆน้อยๆเช่นความผิดพลาดในเรื่องของการสะกดคำและเครื่องหมายวรรคตอนที่แย่
=== 1.5 The first program ===
ตามที่นิยมกัน โปรแกรมแรกที่เขียนในการเรียนรู้ภาษาใหม่ คือ “Hello World!” เนื่องจาก จะให้มันแสดงคำว่า “Hello World!” ใน Python เหมือนดังนี้:
print “Hello World!”
นี่เป็นตัวอย่างของ print statement ซึ่งไม่ได้ปริ้นบนกระดาษจริงๆ มันทำการแสดงค่าบนหน้าจอ ในกรณีนี้ผลลัพธ์คือคำว่า:
Hello World!
เครื่องหมายคำพูดในโปรแกรมเป็นสัญลักษณ์การเริ่มต้นและจบของค่า มันจะไม่ปรากฏในผลลัพธ์ที่แสดง
บางคนได้ตัดสินคุณภาพของ programming language ด้วยความง่ายของโปรแกรม “Hello World!”
ด้วยมาตรฐานนี้ Python ทำได้ดีเท่าที่เป็นไปได้
=== 1.6 Glossary ===
problem solving: The process of formulating a problem, finding a solution, and expressing the solution.
high-level language: A programming language like Python that is designed to be easy for humans to read and write.
low-level language: A programming language that is designed to be easy for a computer to execute; also called “machine language” or “assembly language.”
portability: A property of a program that can run on more than one kind of computer.
interpret: To execute a program in a high-level language by translating it one line at a time.
compile: To translate a program written in a high-level language into a lowlevel language all at once, in preparation for later execution.
source code: A program in a high-level language before being compiled.
object code: The output of the compiler after it translates the program.
executable: Another name for object code that is ready to be executed.
script: A program stored in a ¯le (usually one that will be interpreted).
program: A set of instructions that speci¯es a computation.
algorithm: A general process for solving a category of problems.
bug: An error in a program.
debugging: The process of finding and removing any of the three kinds of programming errors.
syntax: The structure of a program.
syntax error: An error in a program that makes it impossible to parse (and therefore impossible to interpret).
runtime error: An error that does not occur until the program has started to execute but that prevents the program from continuing.
exception: Another name for a runtime error.
semantic error: An error in a program that makes it do something other than what the programmer intended.
semantics: The meaning of a program.
natural language: Any one of the languages that people speak that evolved naturally.
formal language: Any one of the languages that people have designed for specific purposes, such as representing mathematical ideas or computer programs; all programming languages are formal languages.
token: One of the basic elements of the syntactic structure of a program, analogous
to a word in a natural language.
parse: To examine a program and analyze the syntactic structure.
print statement: An instruction that causes the Python interpreter to display a value on the screen.
| 