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

2.2. Язык программирования C++

На сегодняшний день, культура написания кода на языке C++ и его хорошее понимание очень высоко ценится программистами-практиками^[93]. Он был разработан в 70-х Б. Страуструпом, с целью реализовать некоторые возможности объектно-ориентированного языка Simula на языке с синтаксисом C. В Simula создателя привлекала программная сама организация программы. Изначально рабочим названием было «C с классами». Из изначальных особенностей можно выделить классы и возможность создания их иерархии, контроль доступа с помощью ключевых слов private и public, конструкторы и деструкторы, дружественные классы.

Окончательную форму и название язык приобрёл к 1983 году^[94]. В существенно доработанной версии ЯП, которая и получила название C++, также присутствовали глобальный^[95] и ad-hoc полиморфизм, реализованный за счёт виртуальных методов, перегрузки методов и операторов, возможность создать ссылку на объект, улучшенная по сравнению с классическим Си концепция неизменяемых данных^[96].

По критерию исполнения программы, C++ является компилируемым. Компилятор этого языка имеет очень мощную систему связывания файлов исходного текста перед компиляцией. Она позволяет, в частности, компилировать программу одновременно из нескольких исходников, не только на C++, но и на Си, Фортране или Ассемблере^[97]. Чтобы незначительно влиять на этап компиляции из исходного текста, существуют (как и в классическом Си) директивы препроцессора. Каждая директива описывается в файлах исходных кодов и начинается со знака #. Препроцессор обрабатывает каждую строку, начинающуюся с этого символа, перед компиляцией^[98].

Язык C++, в отличие от C, является уже полностью высокоуровневым. Реализация языка не зависит от платформы напрямую, а также допускает высокие уровни абстракции. Программист может работать с осмысленными и читабельными данными, не относящимися к работе компьютера. Даже работа с памятью может быть реализована на высоком уровне, с помощью потокового ввода-вывода^[99]. К тому же, одна программа на C++ легко может быть скомпилирована в нескольких вариантах для разных платформ [21]. Однако в C++ сохранены и многие низкоуровневые возможности. В частности, можно ограниченно применять регистровую память, также можно использовать и низкоуровневую работу с оперативной памятью компьютера. Непосредственная работа с ОЗУ осуществляется с помощью низкоуровневых указателей^[100].

Этот ЯП позволяет программисту писать код так, как ему удобней. В частности, для высокоуровневого программирования поддерживаются классы (при этом, современный C++ является одним из ООП-языков, поддерживающих множественное наследование^[101]), а для низкоуровневого – возможность писать императивный код в стиле классического Си, поддерживая большинство приёмов программирования на нём^[102]. Б. Страуструп отмечал, что намеренно не стал принуждать использовать исключительно одну парадигму, а дал возможность программировать так, как потенциальный программист посчитает нужным^[103]. Таким образом, C++ можно назвать универсальным, мультипарадигмальным языком. Обратной стороной столь широких возможностей является постоянно усложняющийся синтаксис с огромным количеством лексем^[104], затрудняющий обучение языку, и возможность испортить код неосторожными низкоуровневыми действиями.

Применение объектно-ориентированной модели на C++ гарантирует инкапсуляцию некоторой информации. В частности, данные каждого класса делятся на спецификаторы доступа public, protected и private. Данные, отмеченные как private и public, недоступны извне класса (но последнее доступно при наследовании). Таким образом, можно контролировать уровни доступа к членам класса и обезопасить код. Есть и довольно необычный способ обеспечить доступ к члену класса: это пометить функцию или класс как дружественный для другого класса (см. приложение 3). Это разрешает избирательный доступ к отмеченной информации дружественным типам^[105]. Какой-либо объект данных можно объявить и вне контекста класса. Тогда он станет виден в пределах всей программы.

Полиморфизм методов реализован за счёт их переопределения. Метод, доступный для переопределения, называется виртуальным (virtual). В современных версиях C++ виртуальные функции могут и вовсе не иметь своего тела (см. приложение 3). Классы с такими методами, лишь представляют некий интерфейс для реализации потомками, и называются абстрактными^[106].

Создатель языка C++ решил не делать реализации схемы со сборкой мусора. Эта идея обсуждалась, но так и не нашла реализации. Вместо неё было решено оставить классическую схему из Си, с явным выделением и освобождением памяти. В C++ пытались реализовать сборку мусора, но в основном эти идеи не увенчались успехом; хотя и существуют версии C++ со сборщиком мусора, он опционален [23].

Проблема инициализации и освобождения ресурсов была решена ещё в самом начале разработки языка, посредством системы с конструктором и деструктором. Конструктор в C++ представляет собой специальную функцию, присваивающую изначальные значения каждому члену экземпляра класса^[107]. Деструктор же наоборот, освобождает ресурсы класса, когда он больше не нужен (см. приложение 3). По сути своей, это аналоги alloc и free из Си^[108], но в рамках объектно-ориентированного программирования они более очевидны и лаконичны.

Основная библиотека с готовыми модулями на данном языке включает в себя (на примере Visual C++) обработчики ошибок, итераторы, средства ввода-вывода, средства управления памятью, зачаточные средства функционального программирования, средства синхронизации, высокоуровневую работу со строками^[109]. Помимо этого, существует т.н. Стандартная Библиотека Шаблонов (STL). Её первоначальный вариант был разработан А. Степановым^[110]. Она включает в себя достаточно много контейнеров данных и операции над ними. Это позволило реализовать на C++ некоторые возможности функционального программирования^[111].

Суммируя (см. таблицу 2), универсальность C++ выше чем у Си. Надёжность кода незначительно повышается средствами обработки исключений и самим фактом наличия высокоуровневого программирования. Синтаксически переусложнён, поэтому целостность низкая. Стоимость трансляции и сопровождения высокая, выполнения – низкая.

2.3. Язык программирования Java

Этот язык был разработан инженерами компании Sun Microsystems (позднее – Oracle) в середине 1990-х годов. Задача, которую он решает, весьма сложна: необходимо было разработать ЯП, программы на котором можно бы было распространять по Интернету (в том числе в составе веб-страниц), запускать их на любом аппаратном обеспечении. Используемый в то время C++ не позволял решать такие вопросы безопасно^[112]. В результате родилась концепция виртуальной машины Java (JVM), а также были разработаны и внедрены промышленные методы JIT-компиляции, и новый высокоуровневый язык. Создал концепцию этого ЯП Д. Гослинг. Java, согласно его работам [18], задумывался как простой и понятный язык, на котором можно быстро писать код без изнурительной подготовки. В числе потенциальных целей для языка значились клиент-серверные приложения, парадигмы передачи сообщений, многопоточные приложения с интерактивной графикой. ЯП был сделан понятным для программистов на таких языках как C++, Objective C, Eiffel и Ada [18, с. 19].

Как и Си, Java дважды становился языком года по версии TIOBE, и занимает стабильно высокие позиции в рейтингах ЯП [37, 48]. Это даёт повод считать, что влияние технологии JVM на IT-индустрию огромно.

Этот язык создавался изначально под нужды промышленного объектно-ориентированного программирования [18]. Присутствуют классы, из которых можно выстраивать иерархии. В классах наличествуют типизированные данные – поля, и типизированные функции – методы. Всё вышеперечисленное может быть инкапсулировано внутри класса (ключевым словом private), а может быть оставлено для публичного доступа (public). Существует и модель доступа только для потомков класса (protected). В каждом классе есть методы-конструкторы, инициализирующие его. Любая иерархия начинается от корневого класса Object^[113]. Даже примитивные типы данных - символы и строки, массивы, числа и булевые значения, наследуют от него.

Присутствуют и абстрактные типы данных. Они делятся на 2 подвида. Первый подвид - абстрактные классы, отличающиеся от обычных только тем, что могут иметь методы без реализации и могут использоваться только для инициализации потомков. Второй абстрактный тип данных называется интерфейсом и целиком состоит из констант и сигнатур методов. Интерфейсы не наследуются классами, а реализуются (наследовать они могут только друг от друга), причём реализуются в обязательном порядке все методы, объявленные в интерфейсе. Можно реализовать или унаследовать сразу несколько интерфейсов (см. приложение 1). Никаких других реализаций множественного наследования в Java нет^[114].

Полиморфизм реализован как переопределение методов. Методы абстрактных классов без реализации и интерфейсов тоже должны быть переопределены. Также возможна их перегрузка (см. приложение 1).

Java изначально проектировался специалистами Sun Microsystems как чистый объектно-ориентированный язык, и не планировалось какой-либо мультипарадигмальности. Однако, начиная с восьмой версии языка, реализованы некоторые средства функционального программирования. В частности, можно создавать функциональные интерфейсы. Такой интерфейс состоит из всего одной функции. Можно наследовать, реализовывать и использовать его, как любой интерфейс. Отличие от обычного интерфейса заключается в возможности инициализировать его метод по ходу выполнения программы ссылкой на метод или анонимную функцию, таким образом, реализовав интерфейс (см. приложение 1)^[115].

Программы, написанные на Java, используют JIT-компиляцию либо классическую интерпретацию. На стороне программиста код преобразуется в промежуточную форму. Файлы с промежуточным кодом имеют расширение class и обычно собираются в распознаваемые JVM архивы с расширением .jar^[116]. Промежуточный язык JVM может содержит 226 типов команд^[117].

В изначальном описании 1995 года [18, с. 52 – 55], Java описывается как интерпретируемый язык. При классической интерпретации, JVM на стороне конечного пользователя преобразует байт-код в машинный код по мере выполнения. Этот способ довольно медленный, поэтому для него есть альтернатива: технология HotSpot. Компилятор HotSpot транслирует программу кусками и сохраняет в памяти. Иногда две технологии применяются совместно в целях оптимизации^[118].

Большинство программных интерпретаторов виртуальной машины Java написаны на Си, что гарантирует им высокую портируемость на самые разные платформы. Существуют и аппаратные реализации JVM. Так, в частности, для аппаратной интерпретации байт-кода Java, существуют специальные микросхемы для его исполнения^[119], или, например, технология Jazelle процессоров ARM [32]. Данный ЯП очень популярен в плане своей портируемости: на нём можно и писать приложения для браузеров, и создавать мобильные приложения, и писать прикладное ПО для ПК [37]. При этом программа на Java гарантирует свою работу везде, где есть JVM, без перекомпиляции. Платой за все эти плюсы стала низкая производительность программ, написанных на Java и невозможность низкоуровневого программирования. Первое связано со спецификой JIT-компиляции, а также частично вытекает из второго: синтаксис и семантика Java не предполагают работы ни с регистрами, ни с адресами в оперативной памяти, что вынуждает программиста отказаться от быстрых, но небезопасных, решений^[120].

Для того чтобы не нагромождать программиста ненужной в практической деятельности работой, а также обеспечить стабильную работу JVM, процесс освобождения ресурсов в Java автоматизирован. За это отвечает сборщик мусора среды исполнения Java. Его работа невидима для программиста. Управление памятью Java базируется на подсчёте ссылок. Если ссылки на какой-либо объект программы есть, значит, он активен. Если же ссылки на объект в памяти отсутствуют, то рано или поздно он будет автоматически освобождён [18, с. 24 – 25]. Если надо подготовить объект к удалению, существуют методы-финализаторы. Их содержание может быть явно задано программистом. Финализаторы вызываются автоматически, перед освобождением неиспользуемого объекта во время процедуры сборки мусора. При отсутствии финализатора, сборщик мусора просто удаляет ненужный объект^[121].