Файл: Классификация языков программирования. (История развития языков программирования).pdf

1. Языки программирования

Язык программирования — это система обозначений, служащая для точного описания программ или алгоритмов для вычислительной техники. Языки программирования являются искусственными языками. От естественных языков они отличаются ограниченным числом “слов” и очень строгими правилами записи команд (операторов). Поэтому при применении их по назначению они не допускают свободного толкования выражений, характерного для естественного языка.

Можно сформулировать ряд требований к языкам программирования и классифицировать языки по их особенностям.

Базовые требования, предъявляемые к языкам программирования:

наглядность - использование в языке по возможности уже существующих символов, хорошо известных и понятных как программистам, так и пользователям ЭВМ;

единство - использование одних и тех же символов для обозначения одних и тех же или родственных понятий в разных частях алгоритма. Количество этих символов должно быть по возможности минимальным;

гибкость - возможность относительно удобного, несложного описания распространенных приемов математических вычислений с помощью имеющегося в языке ограниченного набора изобразительных средств;

модульность - возможность описания сложных алгоритмов в виде совокупности простых модулей, которые могут быть составлены отдельно и использованы в различных сложных алгоритмах;

однозначность - недвусмысленность записи любого алгоритма. Отсутствие ее может привести к неверным ответам при решении задач [2].

В настоящее время в мире существует несколько сотен реально используемых языков программирования. Для каждого есть своя область применения.

Любой алгоритм, есть последовательность предписаний, выполнив которые можно за конечное число шагов перейти от исходных данных к результату. В зависимости от степени детализации предписаний обычно определяется уровень языка программирования — чем меньше детализация, тем выше уровень языка.

1.1. История развития языков программирования

Программа – алгоритм, записанный на языке программирования. Программа – последовательность операторов языка. Языки программирования – искусственные языки, строго формализованные; существует правила записи операторов языка – синтаксис языка.

1. Машинный язык (40-50 годы XX в.).

Программы на машинном языке – очень длинные последовательности единиц и нулей (машинный код), являлись машинно-зависимыми, т.е. для каждой вычислительной системы необходимо составлять свою программу.

2. Ассемблер (начало 50-ых годов XX в.).

Вместо 1 и 0 используются операторы (MOV, ADD, SUB и т.д.), которые похожи на английские слова. Программы на ассемблере также являются машинно-зависимыми. Для преобразования в машинный код использовался компилятор (спец. программа – переводчик в машинный код).

3. Первые языки программирования высокого уровня.

С середины 50-ых гг. XX в. начали создавать первые языки программирования высокого уровня. Эти языки были Машино-независимыми (не привязаны к определенному типу вычислительной техники). Но для каждого языка были разработаны собственные компиляторы.

Примеры таких языков: FORTRAN (FORmulaTRANslator; 1954) предназначен для научных и технических расчетов; COBOL (1959) был предназначен в основном для коммерческих приложений (обрабатывал большие объемы нечисловых данных) – CommonBusiness-OrientedLanguage); язык BASIC (Beginner’sAllPurposeInstuctionCode – универсальный язык символьных инструкций для начинающих) (1964 г.)

4. Алгоритмические языки программирования.

С начала 80-ых г. XX в. начали создаваться языки программирования, которые позволили перейти к структурному программированию (использование операторов ветвления, выбора, цикла и практически отказ от частого использования операторов перехода (goto). К этим языкам относятся: язык Pascal (назван его создателем Никлаусом Виртом в честь великого физика Блеза Паскаля; 1970); язык Си, позволяющий быстро и эффективно создавать программный код (1971)

5. Языки объектно-ориентированного программирования

(90-ые г. XX в.). В основу этих языков положены программные объекты, которые объединяют данные и методы их обработки. В этих языках сохранялся алгоритмический стиль программирования. Для них были разработаны интегрированные среды программирования, позволяющие визуально конструировать графический интерфейс приложений:

язык С++ (1983) - продолжение алгоритмического языка Си;

язык ObjectPascal (1989) был создан на основе языка Pascal. После создания среды программирования – Delphi (1995);

язык VisualBasic(1991) был создан корпорацией Microsoft на основе языка Qbasic (1975) для разработки приложений с графическим интерфейсом в среде ОС Windows.

6. Языки программирования для компьютерных сетей.

В 90-ые годы XX в. в связи с бурным развитием Интернета были созданы языки, обеспечивающие межплатформенную совместимость. На подключенных к Интернету компьютерах с различными ОС (Windows, Linux, MacOS и др.) могли выполняться одни и те же программы. Исходная программа компилируется в промежуточный код, который исполняется на компьютере встроенной в браузер виртуальной машиной:

язык Java - объектно-ориентированный язык был разработан фирмой SunMicrosystems для создания сетевого программного обеспечения (1995);

язык JavaScript - язык сценариев Web-страниц (компания Netscape). (1995)

7. Языки программирования на платформе .NET.

Интегрированная среда программирования VisualStudio .Net, разработанная корпорацией Microsoft, позволяет создавать приложения на различных языках объектно-ориентированного программирования, в том числе:

На языке Visual Basic .Net (на основе Visual Basic) - 2003 г.;

на языке VisualC# (С-шарп) – на основе языков С++ и J – 2003 г.;

на языке VisualJ# (J-шарп) – на основе Java и JavaScript – 2003 г.

Интерпретаторы и компиляторы

Для того, чтобы процессор имел возможность выполнить программу, программа и данные должны быть загружены в оперативную память. Необходимо, чтобы в ОП была размещена программа - транслятор, автоматически переводящий с языка программирования в машинные коды. Трансляторы бывают двух типов: интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор – программа, которая обеспечивает последовательный перевод операторов программы с одновременным их выполнением. Достоинством интерпретатора является удобство отладки (поиск ошибок), недостаток – сравнительно малая скорость выполнения. Компилятор переводит весь текст программы на машинный язык и сохраняет его в исполняемом (бинарном) файле (обычно с расширением .exe, для семейства операционных систем Windows).

Системы объектно-ориентированного программирования содержат программу-транслятор и позволяют работать в режиме как интерпретатора, так и компилятора. На этапе разработки и отладки проекта используется режим интерпретатора, а для получения готового приложения – режим компилятора [6].

1.2. Классификация языков программирования

Уровень языка программирования определяет близость языка к естественному, человеческому языку, чем выше уровень, тем ближе. По этому критерию можно выделить следующие типы языков программирования:

· машинные;

· машинно-ориентированные (ассемблеры);

· машинно-независимые (языки высокого уровня).

Машинные и машинно-ориентированные языки — это языки низкого уровня, требующие указания мелких деталей процесса обработки данных. Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. В данном случае “низкий уровень” не значит “плохой”. Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора. [2]

При программировании на машинном языке программист может держать под своим контролем каждую команду и каждую ячейку памяти, использовать все возможности имеющихся машинных операций. Но процесс написания программы на машинном языке очень трудоемкий и утомительный. Программа получается громоздкой, труднообозримой, ее трудно отлаживать, изменять и развивать.

Поэтому в случае, когда нужно иметь эффективную программу, в максимальной степени учитывающую специфику конкретного компьютера, вместо машинных языков используют близкие к ним машинно-ориентированные языки (ассемблеры).

Язык ассемблера — это машинно-зависимый язык низкого уровня, в котором короткие мнемонические имена соответствуют отдельным машинным командам. Используется для представления в удобочитаемой форме программ, записанных в машинном коде. [2]

Язык ассемблера позволяет программисту пользоваться текстовыми мнемоническими (то есть легко запоминаемыми человеком, похожими на слова естественного языка) кодами, по своему усмотрению присваивать символические имена регистрам компьютера и памяти, а также задавать удобные для себя способы адресации. Кроме того, он позволяет использовать различные системы счисления (например, десятичную или шестнадцатеричную) для представления числовых констант, использовать в программе комментарии и др.

С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям аппаратной платформы. С другой стороны, при этом требуется очень хорошо понимать устройство компьютерной техники, затрудняется отладка больших приложений, а окончательная программа не может быть перенесена на компьютер с другим типом (архитектурой) процессора. Подобные языки обычно применяют для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнейшими требованиями становятся компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам. В некоторых областях, например в компьютерной графике, на языках низкого уровня пишутся библиотеки, эффективно реализующие алгоритмы обработки изображений и трехмерной графики, требующие интенсивных вычислений.

Таким образом, программы, написанные на языке ассемблера, требуют значительно меньшего объема памяти и времени выполнения. Знание программистом языка ассемблера и машинного кода дает ему понимание архитектуры вычислительного комплекса. Несмотря на то, что большинство специалистов в области программного обеспечения разрабатывают программы на языках высокого уровня, наиболее мощное и эффективное программное обеспечение полностью или частично написано на языке ассемблера.

Языки высокого уровня - были разработаны для того, чтобы освободить разработчика программы от учета технических особенностей конкретных вычислительных комплексов или платформ, их архитектуры. Языки программирования высокого уровня имитируют естественные языки, используя некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические символы. Эти языки более удобны для понимания человеком. Уровень языка характеризуется степенью его близости к естественному, человеческому языку. Машинный язык не похож на человеческий, он крайне беден в своих изобразительных средствах. Средства записи программ на языках высокого уровня более выразительны и привычны для человека. Например, алгоритм вычисления по сложной формуле не разбивается на отдельные операции, а записывается компактно в виде одного выражения с использованием привычной математической символики. Составить свою или понять чужую программу на таком языке гораздо проще.

Важным преимуществом языков высокого уровня является их универсальность, независимость от аппаратной платформы. Программа, написанная на таком языке, может выполняться на разных машинах. Составителю программы не нужно знать систему команд вычислительной машины, на которой он предполагает проводить обработку данных. При переходе на другую вычислительную систему программа не требует переделки. Такие языки – не только средство общения человека с машиной, но и людей между собой. Программа, написанная на языке высокого уровня, легко может быть понята любым специалистом, который знает язык и характер реализованной задачи.

Таким образом, можно сформулировать основные преимущества языков высокого уровня перед машинными:

алфавит языка высокого уровня значительно шире алфавита машинного языка, что существенно повышает наглядность текста программы;

набор операций, допустимых для использования, не зависит от набора машинных операций, а выбирается из соображений удобства формулирования алгоритмов решения задач определенного класса;

формат предложений достаточно гибок и удобен для использования, что позволяет с помощью одного предложения задать достаточно содержательный этап обработки данных;

необходимые операции задаются с помощью общепринятых математических обозначений;

данным в языках высокого уровня присваиваются индивидуальные имена, выбираемые разработчиком программы;

в языке может быть предусмотрен значительно более широкий набор различных типов данных по сравнению с набором машинных типов данных.