Файл: Классификация языков программирования высокого уровня.pdf

Введение

Общеизвестно, что информационные технологии являются одной из наиболее быстро развивающихся областей современной жизни. Новые технологии, проекты, названия и аббревиатуры появляются едва ли не каждый день.

Прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. Смысл появления такого языка – оснащенный набор вычислительных формул дополнительной информации, превращает данный набор в алгоритм.

Язык программирования служит двум связанным между собой целям: он дает программисту аппарат для задания действий, которые должны быть выполнены, и формирует концепции, которыми пользуется программист, размышляя о том, что делать.  Первой цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к машине", что всеми основными машинными аспектами можно легко и просто оперировать достаточно очевидным для программиста образом. Второй цели идеально отвечает язык, который настолько "близок к решаемой задаче", чтобы концепции ее решения можно было выражать прямо и коротко.

Связь между языком, на котором мы думаем и программируем, и задачами и решениями, которые мы можем представлять в своем воображении, очень близка. По этой причине ограничивать свойства языка только целями исключения ошибок программиста в лучшем случае опасно. Как и в случае с естественными языками, есть огромная польза быть, по крайней мере, двуязычным. Язык предоставляет программисту набор концептуальных инструментов, если они не отвечают задаче, то их просто игнорируют. Например, серьезные ограничения концепции указателя заставляют программиста применять вектора и целую арифметику, чтобы реализовать структуры, указатели и т.п. Хорошее проектирование и отсутствие ошибок не может гарантироваться исключительно за счет языковых средств.

В настоящее время ведется много дискуссий об исключительности того или иного языка программирования, например, резкая критика C# - одной из основных составляющих новой платформы .NET от Microsoft, стала уже достаточно банальной. Мы постараемся дать некоторый исторический очерк развития различных языков и пояснить на примерах некоторые общие тенденции. А также мы постараемся показать всё разнообразие языков программирования. Возможно, нам удастся убедить кого-то в бесполезности проведения дискуссий, аналогичных вышеупомянутой. 

1. Классификация языков программирования

1.1. Языки программирования низкого уровня

Языки программирования низкого уровня (машинно-ориентированные) (low-level language) – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Эти языки программирования предназначены для определенного типа ЭВМ и отражают его внутренний машинный код. Особенности машинно-ориентированных языков:

• высокое качество создаваемых программ (компактность и скорость выполнения);
• возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;
• предсказуемость объектного кода и заказов памяти;
• для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ;
• трудоемкость процесса составления программ;
• низкая скорость программирования;
• невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.

Машинно-ориентированные языки по степени автоматического программирования подразделяются на классы.

1.1.1. Машинный язык

Самый простой язык. Представляет собой попросту процессорные инструкции в виде последовательностей из многоразрядных чисел, которые хранятся в компьютере представленными в виде единиц и нулей. 

Машинный язык (computer (machine) language)– язык программирования, элементами которого являются команды компьютера, характеризующиеся: 

• количеством операндов в команде; 
• назначением информации, задаваемой в операндах; 
• набором операций, которые может выполнить компьютер и др.

Каждому действию, инструкцию о выполнении которого может получить процессор, соответствует определенное число. Программа, написанная на машинном языке, представляет собой серию таких чисел с вкраплениями других чисел, являющих собой или параметры, контролирующие действия, или данные, на основе которых эти действия выполняются. Машинные языки различны для разных типов компьютеров. Поэтому говорят, что машинные языки машинно-зависимы. Машинные языки неудобны для человека и тяжело им воспринимаются. Программирование на них слишком медленно и утомительно. Это языки самого нижнего уровня. Считается, чем ближе к машине, тем ниже уровень языка.

1.1.2. Языки символьного кодирования

Языки Символического Кодирования (далее ЯСК), так же, как и МЯ, являются командными. Однако коды операций и адреса в машинных командах, представляющие собой последовательность двоичных (во внутреннем коде) или восьмеричных (часто используемых при написании программ) цифр, в ЯСК заменены на символы (идентификаторы), форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ.

ЯСК иначе называют мнемокодами. Мнемокод отличается от машинного языка соответствующей ЭВМ заменой цифровых кодов операций буквенными (мнемоническими), а цифровых адресов операндов буквенными или буквенно-цифровыми. При переводе на язык ЭВМ каждая команда мнемокода заменяется соответствующей командой машинного языка. Применение мнемокода позволяет автоматизировать работу программиста по распределению памяти, точнее, по присваиванию истинных адресов. Это особенно полезно при программировании для машин с переменным форматом команд. Кроме того, мнемокод существенно облегчает работу по составлению больших программ, когда отдельные сегменты (модули) программы составляются разными программистами и объединяются в единую программу на этапе загрузки.

1.1.3. Автокод

Языки, включающие в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд, называются Автокоды.

Автокод наряду с символическими аналогами машинных команд, из которых состоит мнемокод, допускает также использование макрокоманд, не имеющих прямых аналогов в машинном языке. При трансляции каждая макрокоманда заменяется группой команд машинного языка. Применение макрокоманд сокращает программу, повышает производительность программиста.

Развитые автокоды получили название Ассемблеры. Сервисные программы и пр., как правило, составлены на языках типа Ассемблер.

1.1.4. Макрос

Язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ на более сжатую форму - называется Макрос (средство замены).

В основном, Макрос предназначен для того, чтобы сократить запись исходной программы. Компонент программного обеспечения, обеспечивающий функционирование макросов, называется макропроцессором. На макропроцессор поступает макро определяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов-выдача выходного текста.

Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.

1.2. Языки программирования высокого уровня

Язык программирования высокого уровня (high-level language)- язык программирования, разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Слово «высокоуровневый» здесь означает, что язык предназначен для решения абстрактных высокоуровневых задач и оперирует не инструкциями к оборудованию, а логическими понятиями и абстракцией данных. Это позволяет быстрее программировать сложные задачи и обеспечивает относительную независимость от оборудования. Программирование на языках высокого уровня проще, чем на языках низкого уровня. Оно не требует глубоких знаний устройства компьютера и поэтому вполне доступно людям, не являющимися специалистами в вычислительной технике. Однако, программы, написанные на языках низкого уровня, как правило, отличаются более высокой скоростью работы, меньшим объемом и более полным использованием ресурсов вычислительной техники. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого уровня, с различными операционными системами и оборудованием, в то время как их исходный код остаётся, в большей части, неизменным.

Такого рода оторванность высокоуровневых языков от аппаратной реализации компьютера помимо множества плюсов имеет и минусы. В частности, она не позволяет создавать простые и точные инструкции к используемому оборудованию. Программы, написанные на языках высокого уровня, проще для понимания программистом, но гораздо менее эффективны, чем их аналоги, создаваемые при помощи низкоуровневых языков. Одним из следствий этого стало добавление поддержки того или иного языка низкого уровня (язык ассемблера) в большинство современных профессиональных высокоуровневых языков программирования.

Наиболее распространёнными языками подобного типа являются C++, Visual Basic, Java, Python, Ruby, Perl, Delphi, PHP.

1.2.1. Императивные языки

Императивное (процедурное) программирование (imperative language) возникло на заре вычислительной техники и получило широкое распространение. В процедурных языках программа явно описывает действия, которые необходимо выполнить, а результат задается только способом получения его при помощи некоторой процедуры, которая представляет собой определенную последовательность действий. Основным является оператор присваивания, служащий для изменения содержимого областей памяти. Концепция памяти как хранилища значений, содержимое которого может обновляться операторами программы, является фундаментальной в императивном программировании.

Выполнение программы сводится к последовательному выполнению операторов с целью преобразования исходного состояния памяти, то есть значений исходных данных, в заключительное, то есть в результаты. Процедурные языки характеризуются следующими особенностями:

• необходимостью явного управления памятью, в частности, описанием переменных;
• малой пригодностью для символьных вычислений;
• отсутствием строгой математической основы;
• высокой эффективностью реализации на традиционных ЭВМ.

Среди процедурных языков выделяют в свою очередь структурные и операционные языки. В структурных языках одним оператором записываются целые алгоритмические структуры: ветвления, циклы и т.д. В операционных языках для этого используются несколько операций. Широко распространены следующие структурные языки: Pascal, C, Ada, PL/1. Среди операционных известны Fortran, Basic, Focal.

1.2.2. Декларативные языки

Декларативное (непроцедурное) программирование (declarative (nonprocedural) language) появилось в начале 70-х годов 20 века, но стремительное его развитие началось в 80-е годы, когда был разработан японский проект создания ЭВМ пятого поколения, целью которого явилась подготовка почвы для создания интеллектуальных машин. К непроцедурному программированию относятся функциональные и логические языки.

В функциональных (аппликативных) языках (functional language) программа описывает вычисление некоторой функции. Обычно эта функция задается как композиция других, более простых, те в свою очередь разлагаются на еще более простые и т.д. Один из основных элементов в функциональных языках - рекурсия, то есть вычисление значения функции через значение этой же функции от других элементов. Присваивания и циклов в классических функциональных языках нет.

Перечисленные свойства характеризуют аппликативные языки как языки программирования очень высокого уровня.

Первым таким языком был LISP (LIST Processing - обработка списков), созданный в 1959 году. Цель его создания состояла в организации удобства обработки символьной информации.

В логических (реляционных) языках (logical language) программа вообще не описывает действий. Она задает данные и соотношения между ними. После этого системе можно задавать вопросы. Машина перебирает известные и заданные в программе данные и находит ответ на вопрос. Порядок перебора не описывается в программе, а неявно задается самим языком. Классическим языком логического программирования считается PROLOG (PROgramming in LOGic — программирование в терминах логики). Этот язык был создан французским ученым А. Кольмероэ в 1973 году.