Файл: Классификация языков программирования. Критерии выбора среды и языка разработки программ (Основная терминология программирования).pdf

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена классификации языков и сред программирования, специфике и проблемам, возникающим с конкретными языками программирования в ходе разработки программных продуктов в конце XX – начале XXI века.

На сегодняшний день количество средств для разработки ПО, подходов к разработке ПО и разнообразных программных решений вкупе со стандартами и сопроводительной документацией – настолько велико, а концепции, существовавшие ещё во второй половине XX века вполне обособленно друг от друга – настолько переплетены и интегрированы друг с другом, что проблема относительно точной систематизации всех накопившихся решений и опыта полностью заслуживает обсуждения. Это стало одним из факторов написания работы по этой теме.

Объектом исследования данной работы являются языки программирования.

Предметом исследования данной работы являются возможности и ограничения языков программирования, их библиотек и сред разработки ПО, при решении практических задач.

Основной целью работы является поиск наиболее оптимального способа принятия решений в области выбора среды и языка программирования для деловых, производственных, и исследовательских (образовательных) целей. Для выполнения этой задачи, требуется:

• Проанализировать фундаментальные концепции и составить терминологический аппарат.
• Рассмотреть реализацию данных концепций на примере конкретных языков, попутно рассмотрев их особенности и перспективы, и описав их в рамках терминологического аппарата.
• Рассмотреть практику использования языков программирования и IDE для них, описав попутно потребности нескольких секторов IT-отрасли в тех или иных технологиях.
• Выработать единую методику для оценки качества жизненного цикла ПО.
• Проверить методику на практическом примере, в рамках одной из отраслей.

В Главе 1 должны быть проанализированы основные концепции и идеологии программирования, а также теоретические возможности их применения, составляется терминологический аппарат работы. В конце Главы 1 будут выработаны критерии оценки языков и сред для них и методика дальнейшего практического исследования.

В Главе 2 рассматриваются примеры реализации концепций из Главы 1 теми или иными языками, описываются их возможности и ограничения. В качестве примеров для классификации выбраны языки, занимавшие в 2017-м году первые 5 позиций в рейтингах компании TIOBE и профильного журнала IEEE Spectrum одновременно (стоит отметить, что они совпадают). Они будут рассматриваться с точки зрения теоретических концепций, проанализированных в Главе 1, и в конце Главы 2 будет практически проверена методика поиска оптимального языка, выработанная в Главе 1, на примере конкретной задачи и выборки данных по результатам обзора языков.

В Главе 3 рассматривается статистика использования нескольких сред разработки. В работе будут рассмотрены среды разработки, удовлетворяющие максимальные потребности пользователей и одновременно имеющие широкую известность, исходя из данных таблицы Leaders отчёта крупного исследования компании G2 Crowd за 2017-й год; в качестве второго источника, для уже более подробного сравнения сред, была выбрана статья Лучанинова и Ленкина 2016-го года. Третьим источником служит актуальный на момент зимы 2018 года рейтинг статистического портала TrustRadius. Будут рассмотрены среды, упомянутые во всех источниках информации, а также имеющие в той или иной мере актуальную поддержку всех языков из Главы 2. Аналогично, будет проведено исследование их эффективности для решения одной из задач.

На основании информации, описанной в главах данной работы, делаются суждения о возможностях той или иной технологии программирования для той или иной задачи. В качестве источников информации для работы намеренно было отдано предпочтение работам высококвалифицированных практиков, статьям из технических журналов, посвящённых международной практике IT, а также национальным и международным техническим стандартам (ГОСТ, ECMA). В качестве источников информации по тем или иным конкретным технологиям используются официальные технические документы крупных компаний (Microsoft, Oracle) и отдельных проектов (Mono, NetBeans, Python, Android). Значительная часть этих источников в контексте работы дублирует друг друга, для объективности.

Основными теоретическими источниками послужили работы Карделли, Барендрегта, несколько учебно-методических русскоязычных изданий (такие как «Архитектура компьютера» Таненбаума, «Теория и практика языков программирования» Орлова), и несколько государственных стандартов РФ. Надёжность и достоверность данных источников трудно переоценить, потому что многие из них фактически заложили основы современной программной инженерии. Среди книг по языкам программирования, использованных в ходе подготовки материала, стоит выделить труды Кернигана и Ритчи, Гослинга, Рихтера, Страуструпа, так как. эти авторы принимали непосредственное участие в создании описываемых ими технологий. Также, были использованы книги справочного и учебного характера – труды Бизли по Python, Шилдта по Java, Подбельского по C#.

1. Теоретические концепции языков программирования и программных сред

1.1. Основная терминология программирования

Для составления любых анализов и классификаций, необходимо принять во внимание несколько простых терминов, присущих программированию целиком.

Программирование - процесс проектирования определённых последовательностей инструкций, направленных на решение определённой задачи (т.н. алгоритмов)^[1], для дальнейшей реализации этих алгоритмов, транслированных в технические данные, вычислительной техникой (в частности, компьютером)^[2]. Запись алгоритма, предназначенная для реализации таким способом, называется программой, а работоспособная программа вместе с технической документацией по её эксплуатации – программным обеспечением (ПО)^[3]. Создание программного обеспечения, как и разработка любых алгоритмов вообще, является тяжёлым и кропотливым процессом, требующим высоких созидательных и аналитических способностей, а потому на момент второй половины XX – первой половины XXI века, разработка ПО является уделом людей^[4].

То, какие команды исполняет процессор, определяется архитектурой команд процессора^[5]. В совокупности, язык, на котором исполняются команды процессора, называется машинным языком^[6]. Команды на машинном языке, в соответствии с принципами программного управления Джона фон Неймана, помещаются перед выполнением в основную память, на оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) [9, с. 43 – 45].

Язык программирования (ЯП) – это формальный язык, предназначенный для человекочитаемого (но при этом достаточно чёткого) описания логики программы. В современном мире программы в буквальном смысле пишутся на языках программирования. Получившийся текст называется исходным, и в дальнейшем, благодаря своей однозначности, может быть переведён в машинный код и исполнен^[7].

Каждый язык программирования обладает своим уникальным синтаксисом. Синтаксис, в свою очередь, состоит из примитивных элементов - атомов. Атомы обычно не описываются в исходном тексте сами по себе, а комбинируются в т.н. лексемы, минимально допустимые синтаксические конструкции^[8]. С точки зрения семантики, синтаксис языков программирования в обязательном порядке предоставляет программисту средства для описания данных, используемых в программе, и действий, производимых над данными. Данные, используемые программой, могут быть изменяемыми и неизменяемыми. Изменяемые элементы данных называются переменными, а неизменяемые - константами. Выражение – явное описание минимального законченного действия, которое может совершить программа с данными для получения одного результата. Данные, участвующие в выражении, называются операндами^[9]. Данные классифицируются по типам. Объекты данных с похожими наборами значений, функционированием, и объёмом занимаемой памяти^[10], можно рассматривать как объекты с одинаковым типом данных^[11].

Технические инструменты, используемые программистами для создания программного обеспечения, часто собираются в одну программу, называемую средой разработки (IDE). Иногда среда разработки включает также системы контроля версий и браузеры компонентов программы. Такой подход повышает удобство разработки и сопровождения программного обеспечения. Также любая такая среда может быть адаптирована под нужды определённого разработчика. Использование IDE тесно связано с моделью разработки программного обеспечения – совокупностью объектов и операций, определяющих процессы, совершаемые программистом^[12].

1.2. Классификация языков программирования по способу исполнения программ

Готовый исходный текст программы должен быть понят компьютером. На практике за любое понимание исходного текста машиной отвечает транслятор, или его подвид^[13], интерпретатор. Строго говоря, транслятор отвечает не только за подготовку программы к запуску в машинном коде, но и вообще за любой её перевод с одного ЯП на другой (в т. ч. и в машинный код)^[14]. Язык, на который должна быть транслирована исходная программа, называется целевым (выходным)^[15]. И в этом аспекте языки программирования делятся на 2 большие группы: компилируемые (транслируемые) и интерпретируемые^[16]. Также существуют комбинированные варианты реализации исходных текстов языков^[17], в частности, при помощи технологии виртуальных машин. Виртуальная машина – это фактически программная (иногда и аппаратная [32]) надстройка над аппаратным компьютером, позволяющая смоделировать на нём абстрактный компьютер с компилируемым или интерпретируемым языком в роли машинного кода^[18]. Реализацию исходного текста посредством виртуальной машины сложно описать с точки зрения чистой трансляции или чистой интерпретации^[19].

В компилируемых языках исходный текст сразу переводится в машинный код или в промежуточный код виртуальной машины, на стороне программиста, в составе специального ПО для компиляции (компилятора либо ассемблера)^[20]. Транслятор компилируемого в машинный код языка собирает из исходной программы программу в машинных кодах, пригодную для выполнения. Некоторые особенности трансляции в машинный код:

• Быстродействие получившейся программы: компьютер конечного пользователя сразу приступает к выполнению программы, написанной понятным процессору машинным языком.
• Конечному пользователю не требуется ничего, кроме самой программы и совместимого аппаратного обеспечения, для её запуска^[21]
• Сложность восстановления исходного текста при наличии только выходного исполняемого файла^[22].
• Результаты компиляции в машинный код представляют собой инструкции для строго определённого типа компьютеров^[23].
• Программа полностью загружает себя в память, засоряя её.

Программа на интерпретируемом языке распространяется, как правило, в виде упрощённого промежуточного представления исходного кода, либо в исходной форме. В ходе её обработки на компьютере конечного пользователя специальной программой-интерпретатором, каждая необходимая в данный момент команда в коде транслируется, и программа выполняется покомандно^[24]. Некоторые особенности интерпретируемых языков:

• Программа переводится в машинный код последовательно по ходу своего выполнения, т.е. некоторые части программы могут быть никогда не обработаны, если это не потребовалось по ходу выполнения программы^[25]
• Учитывая, что программа транслируется в машинный язык только на стороне пользователя, ответственность за аппаратную совместимость перекладывается с программиста на пользователя и его интерпретатор.
• Интерпретация может отрицательно повлиять на производительность, т.к. в отличие от компиляции реальный процессор получает машинный код для выполнения дольше^[26].
• В случае если потребуется повторное использование элементов программы, они будут интерпретированы несколько раз, тратя лишнее время.

У интерпретируемых языков есть специфический подвид – скриптовые (сценарные) ЯП^[27]. Файлы этих языков представляют собой сценарии (скрипты), и предназначаются для модульного, иногда опционального, использования в больших проектах. Скриптовые ЯП ориентируются на применение в этой отрасли, и успешно используются для Интернет-проектов, крупного модульного ПО и системного администрирования^[28].

Компиляцию и интерпретацию во многих современных языках стараются совмещать, чтобы скомбинировать их достоинства^[29]. Наиболее наглядная такая система исполнения программы упоминается в трудах Э. Таненбаума как «Just-In-Time (JIT) компиляция». Она тесно связана с концепцией виртуальной машины. Некоторые особенности JIT-компилируемых языков: