Файл: Современные языки программирования.pdf

Причиной вновь вспыхнувшего интереса к компиляторам стало появление быстрых и сложных 64-разрядных микропроцессоров, типичным представителем которых можно считать Intel Itanium. Ответственность за увеличение производительности, на которое потенциально способны будущие 64-разрядные процессоры, ложится на компиляторы нового поколения.

Такие компиляторы уже создаются в исследовательских лабораториях ряда компаний — Hewlett-Packard, Intel, MetaWare, Microsoft и других. В феврале прошлого года компания Silicon Graphics объявила о том, что ее оптимизированные компиляторы позволяют увеличить на 30-100% по сравнению с существующими продуктами производительность программ, работающих на компьютерах с процессорами Itanium и операционной системой Linux. Как и их предшественники, оптимизированные компиляторы преобразуют программы на высокоуровневом языке в машинный код. Помимо этого они гарантируют максимально эффективное использование памяти (и в первую очередь процессорного кэша и механизма распараллеливания). Например, процессоры Itanium предназначены для того, чтобы одновременно обрабатывать до шести команд на каждый такт процессора. В прошлом году Microsoft анонсировала C#, объектно-ориентированный язык программирования, согласованный с XML. Корпорация подает новый язык как логическое продолжение Си и C++ для Web-приложений. Ключевыми модулями станут Common Language Runtime для C# и специальный компилятор, который преобразует текст, написанный на традиционных языках Кобол, Perl, Фортран или других, в промежуточный язык, который будет работать на новой платформе Microsoft .Net. Может появиться новое поколение компиляторов, позволяющих увеличить производительность до уровня, позволяющего убедить профессионалов в необходимости использовать 64-разрядные аппаратные архитектуры.

Классификация языков программирования

Машинно–ориентированные языки.

Машинно–ориентированные языки – это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно–ориентированные языки позволяют использовать все возможности и особенности Машинно – зависимых 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 (особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок; 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.

Машинный язык. Отдельный компьютер имеет свой определенный Машинный язык (сокращенно МЯ), ему предписывают выполнение указываемых операций над определяемыми ими операндами, поэтому МЯ является командным. Однако, некоторые семейства ЭВМ (например, ЕС ЭВМ, IBM/370/ и др.) имеют единый МЯ для ЭВМ разной мощности. В команде любого из них сообщается информация о местонахождении операндов и типе выполняемой операции.

В новых модулях ЭВМ намечается тенденция к повышению внутренних языков машинно–аппаратным путем реализовывать более сложные команды, приближающиеся по своим функциональным действиям к операторам алгоритмических языков программирования.

Языки Символического Кодирования. Языки Символического Кодирования (сокращенно 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, форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ.

Автокоды. Есть также языки, включающие в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд - они называются Автокоды. В различных программах встречаются некоторые достаточно часто использующиеся командные последовательности, которые соответствуют определенным процедурам преобразования информации. Эффективная реализация таких процедур обеспечивается оформлением их в виде специальных макрокоманд и включением последних в язык программирования, доступный программисту. Макрокоманды переводятся в машинные команды двумя путями – расстановкой и генерированием. В постановочной системе содержатся «остовы» - серии команд, реализующих требуемую функцию, обозначенную макрокомандой. Макрокоманды обеспечивают передачу фактических параметров, которые в процессе трансляции вставляются в «остов» программы, превращая её в реальную машинную программу. В системе с генерацией имеются специальные программы, анализирующие макрокоманду, которые определяют, какую функцию необходимо выполнить и формируют необходимую последовательность команд, реализующих данную функцию. Обе указанных системы используют трансляторы с ЯСК и набор макрокоманд, которые также являются операторами автокода. Развитые автокоды получили название Ассемблеры. Сервисные программы и пр., как правило, составлены на языках типа Ассемблер.

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 макроопределяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов-выдача выходного текста. Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.

Машинно–независимые языки

Машинно–независимые языки – это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ и ВС.

Подобные языки получили название высокоуровневых языков программирования. Программы, составляемые на таких языках, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка (задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на МЯ. То есть, командные последовательности (процедуры, подпрограммы), часто используемые в машинных программах, представлены в высокоуровневых языках отдельными операторами. Программист получил возможность не расписывать в деталях вычислительный процесс на уровне машинных команд, а сосредоточиться на основных особенностях алгоритма.

Проблемно – ориентированные языки. С расширением областей применения вычислительной техники возникла необходимость формализовать представление постановки и решение новых классов задач. Необходимо было создать такие языки программирования, которые, используя в данной области обозначения и терминологию, позволили бы описывать требуемые алгоритмы решения для поставленных задач, ими стали проблемно – ориентированные языки. Эти языки - языки ориентированные на решение определенных проблем, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме.

Проблемных языков очень много, например: Фортран, Алгол – языки, созданные для решения математических задач; Simula, Слэнг - для моделирования; Лисп, Снобол – для работы со списочными структурами. О них я расскажу дальше.

Универсальные языки. Универсальные языки были созданы для широкого круга задач: коммерческих, научных, моделирования и т.д. Первый универсальный язык был разработан фирмой IBM, ставший в последовательности языков Пл/1. Второй по мощности универсальный язык называется Алгол-68. Он позволяет работать с символами, разрядами, числами с фиксированной и плавающей запятой. Пл/1 имеет развитую систему операторов для управления форматами, для работы с полями переменной длины, с данными организованными в сложные структуры, и для эффективного использования каналов связи. Язык учитывает включенные во многие машины возможности прерывания и имеет соответствующие операторы. Предусмотрена возможность параллельного выполнение участков программ. Программы в Пл/1 компилируются с помощью автоматических процедур. Язык использует многие свойства Фортрана, Алгола, Кобола. Однако он допускает не только динамическое, но и управляемое и статистическое распределения памяти.

Диалоговые языки. Появление новых технических возможностей поставило задачу перед системными программистами – создать программные средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие человека с ЭВМ их назвали диалоговыми языками. Эти работы велись в двух направлениях. Создавались специальные управляющие языки для обеспечения оперативного воздействия на прохождение задач, которые составлялись на любых раннее неразработанных (не диалоговых) языках. Разрабатывались также языки, которые кроме целей управления обеспечивали бы описание алгоритмов решения задач.

Необходимость обеспечения оперативного взаимодействия с пользователем потребовала сохранения в памяти ЭВМ копии исходной программы даже после получения объектной программы в машинных кодах. При внесении изменений в программу с использованием диалогового языка система программирования с помощью специальных таблиц устанавливает взаимосвязь структур исходной и объектной программ. Это позволяет осуществить требуемые редакционные изменения в объектной программе.

Одним из примеров диалоговых языков является Бейсик. Он использует обозначения подобные обычным математическим выражениям. Многие операторы являются упрощенными вариантами операторов языка Фортран. Поэтому этот язык позволяет решать достаточно широкий круг задач.

Непроцедурные языки. Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам (табличные языки и генераторы отчетов), и языков связи с операционными системами. Позволяя четко описывать как задачу, так и необходимые для её решения действия, таблицы решений дают возможность в наглядной форме определить, какие условия должны быть выполнены, прежде чем переходить к какому-либо действию. Одна таблица решений, описывающая некоторую ситуацию, содержит все возможные блок-схемы реализаций алгоритмов решения.

Табличные методы легко осваиваются специалистами любых профессий. Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.

Современные языки программирования

Первые несколько поколений ЭВМ строились на классических принципах, сформулированных американским математиком Джоном фон Нейманом в 1946 г., когда начались разработки цифровых ЭВМ с программным управлением. Одним из основных принципов Д. фон Неймана является принцип хранимой программы. Под программой вычислительной машины понимается описание алгоритма решения задачи, заданное на языке вычислительной машины. Таким образом, языки программирования – это формальные языки общения человека с ЭВМ, предназначенные для описания совокупности инструкций, выполнение которых обеспечивает правильное решение требуемой задачи, т.е. для описания подлежащих обработке данных (информации) и алгоритмов (программ). Основная роль языков программирования заключается в планировании действий по обработке информации. Любой язык программирования основан на системе понятий, на основе которой человек может выражать свои соображения.

Теоретическую основу языков программирования составляют алгоритмические языки. В настоящее время для ЭВМ разработано значительное количество языков программирования. Они отличаются друг от друга различными свойствами, а значит, и областью применения. Примерная классификация языков программирования приведена на Рисунке 1.

Рис.1. Классификация языков программирования

С и его разновидности

Язык "C" является универсальным языком программирования. Он тесно связан с операционной системой "UNIX" , так как был развит на этой системе и так как "UNIX" и ее программное обеспечение написано на "C". Сам язык, однако, не связан с какой-либо одной операционной системой или машиной; и хотя его называют языком системного программирования, так как он удобен для написания операционных систем, он с равным успехом использовался при написании больших вычислительных программ, программ для обработки текстов и баз данных.

Язык "C" - это язык относительно "низкого уровня". В такой характеристике нет ничего оскорбительного; это просто означает, что "C" имеет дело с объектами того же вида, что и большинство ЭВМ, а именно, с символами, числами и адресами. Они могут объединяться и пересылаться посредством обычных арифметических и логических операций, осуществляемых реальными ЭВМ.

В языке "C" отсутствуют операции, имеющие дело непосредственно с составными объектами, такими как строки символов, множества, списки или с массивами, рассматриваемыми как целое. Здесь, например, нет никакого аналога операциям PL/1, оперирующим с целыми массивами и строками. Язык не предоставляет никаких других возможностей распределения памяти, кроме статического определения и механизма стеков, обеспечиваемого локальными переменных функций; здесь нет ни "куч"(HEAP), ни "сборки мусора", как это предусматривается в АЛГОЛЕ-68. Наконец, сам по себе "C" не обеспечивает никаких возможностей ввода-вывода: здесь нет операторов READ или WRITE и никаких встроенных методов доступа к файлам. Все эти механизмы высокого уровня должны обеспечиваться явно вызываемыми функциями.

Аналогично, язык "C" предлагает только простые, последовательные конструкции потоков управления: проверки, циклы, группирование и подпрограммы, но не мультипрограммирование, параллельные операции, синхронизацию или сопрограммы[4]. Хотя отсутствие некоторых из этих средств может выглядеть как удручающая неполноценность ("выходит, что я должен обращаться к функции, чтобы сравнить две строки символов ?!"), но удержание языка в скромных размерах дает реальные преимущества. Так как "C" относительно мал, он не требует много места для своего описания и может быть быстро выучен. Компилятор с "C" может быть простым и компактным. Кроме того, компиляторы легко пишутся; при использовании современной технологии можно ожидать написания компилятора для новой ЭВМ за пару месяцев и при этом окажется, что 80 процентов программы нового компилятора будет общей с программой для уже существующих компиляторов. Это обеспечивает высокую степень мобильности языка. Поскольку типы данных и структуры управления, имеющиеся в "C", непосредственно поддерживаются большинством существующих ЭВМ, библиотека, необходимая во время прогона изолированных программ, оказывается очень маленькой. На PDP -11, например, она содержит только программы для 32-битового умножения и деления и для выполнения программ ввода и вывода последовательностей. Конечно, каждая реализация обеспечивает исчерпывающую, совместимую библиотеку функций для выполнения операций ввода-вывода, обработки строк и распределения памяти, но так как обращение к ним осуществляется только явно, можно, если необходимо, избежать их вызова; эти функции могут быть компактно написаны на самом "C".