Файл: Классификация языков программирования высокого уровня (Понятие языка программирования).pdf

Эталонной реализацией Python является интерпретатор CPython, поддерживающий большинство активно используемых платформ. Он распространяется под свободной лицензией Python Software Foundation License, позволяющей использовать его без ограничений в любых приложениях, включая проприетарные. Есть реализация интерпретатора для JVM с возможностью компиляции, CLR, LLVM, другие независимые реализации. Проект PyPy использует JIT-компиляцию, которая значительно увеличивает скорость выполнения Python-программ.

Python — активно развивающийся язык программирования, новые версии с добавлением/изменением языковых свойств выходят примерно раз в два с половиной года. Язык не подвергался официальной стандартизации, роль стандарта де-факто выполняет CPython, разрабатываемый под контролем автора языка.

Python это язык программирования общего назначения, нацеленный в первую очередь на повышение продуктивности самого программиста, нежели кода, который он пишет. Говоря простым человеческим языком, на Python можно написать практически что угодно (веб-/настольные приложения, игры, скрипты по автоматизации, комплексные системы расчёта, системы управления жизнеобеспечением и многое многое другое) без ощутимых проблем. Более того, порог вхождения низкий, а код во многом лаконичный и понятный даже тому, кто никогда на нём не писал. За счёт простоты кода, дальнейшее сопровождение программ, написанных на Python, становится легче и приятнее по сравнению с Java или C++. А с точки зрения бизнеса это влечёт за собой сокращение расходов и увеличение производительности труда сотрудников.

Недостатки

Синтаксис и семантика

Несмотря на то, что одним из заявленных принципов дизайна Python является принцип наименьшего удивления, критики отмечают целый ряд архитектурных решений, которые могут вводить в заблуждение или вызывать недоумение у программистов, привыкших к другим распространённым языкам. В их числе:

• Различная семантика присваивания для значений встроенных типов и объектов: для первых копируется значение, для вторых — копируется ссылка на тот же объект.

• Отличие в поведении на некоторых типах «сокращённых» операторов, таких как «+», «=» и их развёрнутой записи, хотя в большинстве языков «сокращённый» вариант — это просто краткая запись полного, и семантически они абсолютно эквивалентны.

• Жёсткая трактовка лексической области видимости, подобная используемой в JavaScript: даже если переменная получает значение в последней строке функции, её областью видимости является вся функция.

• Путаница между полями класса и полями объекта.

• Интуитивно трудно предсказуемое поведение параметров со значением-объектом по умолчанию. Если в качестве инициализатора для параметра по умолчанию указать конструктор объекта, это приведёт к созданию статического объекта, ссылка на который и будет передаваться по умолчанию в каждый вызов. Это может повлечь трудно уловимые ошибки.

Низкое быстродействие

Классический Python имеет общий со многими другими интерпретируемыми языками недостаток — сравнительно невысокую скорость выполнения программ. В некоторой степени ситуацию улучшает сохранение байт-кода, которое позволяет интерпретатору не тратить время на синтаксический разбор текста модулей при каждом запуске.

Существуют реализации языка Python, вводящие высокопроизводительные виртуальные машины (ВМ) в качестве бэк-энд компилятора. Примерами таких реализаций может служить PyPy, базирующийся на RPython; более ранней инициативой является проект Parrot. Ожидается, что использование ВМ типа LLVM приведёт к тем же результатам, что и использование аналогичных подходов для реализаций языка Java, где низкая вычислительная производительность в основном преодолена. Однако нельзя забывать, что динамический характер Python делает неизбежными дополнительные накладные расходы при исполнении программ, что ограничивает производительность Python-систем независимо от применяемых технологий. Вследствие этого для написания критических участков кода используются низкоуровневые языки, интеграция с которыми обеспечивается множеством программ и библиотек (см. выше).

В самой популярной реализации языка Python интерпретатор довольно велик и более требователен к ресурсам, чем в аналогичных популярных реализациях Tcl, Forth, LISP или Lua, что ограничивает его применение во встроенных системах. Тем не менее, Python нашёл применение в КПК и некоторых моделях мобильных телефонов.

Невозможность модификации встроенных классов

По сравнению с Ruby и некоторыми другими языками, в Python отсутствует возможность модифицировать встроенные классы, такие, как int, str, float, list и другие, что, однако, позволяет Python потреблять меньше оперативной памяти и быстрее работать. Ещё одной причиной введения такого ограничения является необходимость согласования с модулями расширения. Многие модули (в целях оптимизации быстродействия) преобразуют Python-объекты элементарных типов к соответствующим Си-типам вместо манипуляций с ними посредством Си-API. Также это избавляет от многих потенциальных ошибок при неконтролируемом динамическом переопределении встроенных типов.

Глобальная блокировка интерпретатора (GIL)

Интерпретатор Python в CPython, Stackless и PyPy использует потоко-небезопасные данные, во избежание разрушения которых при совместной модификации из разных потоков применяется глобальная блокировка интерпретатора — GIL (Global Interpreter Lock): в ходе исполнения кода поток интерпретатора блокирует GIL, выполняет некоторое количество инструкций (по умолчанию 100), после чего освобождает блокировку и приостанавливается, давая возможность работать другим потокам. GIL также освобождается во время ввода-вывода, изменения и проверки состояния синхронизирующих примитивов, при исполнении кода расширений, не обращающихся к данным интерпретатора, например, NumPy/SciPy. Таким образом, в каждый момент времени в одном процессе интерпретатора Python может исполняться только один поток кода на Python, независимо от числа доступных процессорных ядер.

Потери производительности от GIL зависят от характера программ и архитектуры системы. Большинство программ являются однопоточными либо запускают всего несколько потоков, из которых часть в каждый конкретный момент простаивает в ожидании; персональные компьютеры обычно имеют не более четырёх процессорных ядер, которые загружены параллельно исполняющимися в системе процессами, так что реальные потери производительности из-за GIL невелики. Но в серверных приложениях может быть удобно использовать десятки и сотни (а то и больше) параллельных потоков (например, в системах массового обслуживания, где каждый поток обрабатывает данные для отдельного пользовательского запроса), а сервера на конец 2010-х годов нередко имеют десятки и даже сотни процессорных ядер, то есть технически могут обеспечить этим потокам физически одновременное исполнение; в таких условиях GIL может приводить к действительно значительному снижению общей производительности, так как лишает программу возможности полноценно использовать ресурсы многоядерных систем.

Ведётся работа по оптимизации GIL. Отказ от GIL в ближайшем будущем не планируется, так альтернативные механизмы на однопоточных приложениях, которых большинство, работают медленнее или потребляют больше ресурсов:

• Вариант интерпретатора с синхронизацией доступа к отдельным объектам вместо глобальной блокировки из-за частых захватов/освобождений блокировок оказался слишком медленным.

• python-safethread — CPython без GIL, по утверждениям авторов, обеспечивает на однопоточных приложениях скорость порядка 60-65 % от скорости CPython.

• Реализация потоков через процессы ОС, например, модуль processing (с версии 2.6 переименован в multiprocessing). В UNIX-подобных системах накладные расходы при порождении процесса невелики, но в Windows использование процессов вместо потоков ведёт к существенному увеличению расхода оперативной памяти.

• Отказ от совместного использования изменяемых данных и вызовов внешнего кода.

Радикальным вариантом решения проблемы может быть переход на Jython и IronPython, работающие на виртуальных машинах Java и .NET/Мono: эти реализации вообще не используют GIL.

Достоинства языка.

Несомненным достоинством является то, что интерпретатор Python реализован практически на всех платформах и операционных системах. Первым таким языком был C, однако его типы данных на разных машинах могли занимать разное количество памяти и это служило некоторым препятствием при написании действительно переносимой программы. Python же таким недостатком не обладает.

Следующая немаловажная черта - расширяемость языка, этому придается большое значение и, как пишет сам автор, язык был задуман именно как расширяемый. Это означает, что имеется возможность совершенствования языка всеми заинтересованными программистами. Интерпретатор написан на С и исходный код доступен для любых манипуляций. В случае необходимости, можно вставить его в свою программу и использовать как встроенную оболочку. Или же, написав на C свои дополнения к Python и скомпилировав программу, получить "расширенный" интерпретатор с новыми возможностями.

Следующее достоинство - наличие большого числа подключаемых к программе модулей, обеспечивающих различные дополнительные возможности. Такие модули пишутся на С и на самом Python и могут быть разработаны всеми достаточно квалифицированными программистами.

В качестве примера можно привести следующие модули:

• Numerical Python - расширенные математические возможности, такие как манипуляции с целыми векторами и матрицами;

• Tkinter - построение приложений с использованием графического пользовательского интерфейса (GUI) на основе широко распространенного на X-Windows Tk-интерфейса;

• OpenGL - использование обширной библиотеки графического моделирования двух- и трехмерных объектов Open Graphics Library фирмы Silicon Graphics Inc. Данный стандарт поддерживается, в том числе, в таких распространенных операционных системах как Microsoft Windows 95 OSR 2, 98 и Windows NT 4.0.

3.4 Язык JavaScript

JavaScript — мультипарадигменный язык программирования. Поддерживает объектно-ориентированный, императивный и функциональный стили. Является реализацией языка ECMAScript (стандарт ECMA-262).

JavaScript обычно используется как встраиваемый язык для программного доступа к объектам приложений. Наиболее широкое применение находит в браузерах как язык сценариев для придания интерактивности веб-страницам.

Основные архитектурные черты: динамическая типизация, слабая типизация, автоматическое управление памятью, прототипное программирование, функции как объекты первого класса.

На JavaScript оказали влияние многие языки, при разработке была цель сделать язык похожим на Java, но при этом лёгким для использования непрограммистами. Языком JavaScript не владеет какая-либо компания или организация, что отличает его от ряда языков программирования, используемых в веб-разработке.

Преимущества JavaScript.

1. Ни один современный браузер не обходится без поддержки JavaScript.

2. С использованием написанных на JavaScript плагинов и скриптов справится даже не специалист.

3. Полезные функциональные настройки.

4. Постоянно совершенствующийся язык – сейчас разрабатывается бета-вариация проекта, JavaScript2.

5. Взаимодействие с приложением может осуществляется даже через текстовые редакторы – Microsoft Office и Open Office.

6. Перспектива использования языка в процессе обучения программированию и информатике.

Недостатки JavaScript.

1. Пониженный уровень безопасности ввиду повсеместного и свободного доступа к исходным кодам популярных скриптов.

2. Множество мелких раздражающих ошибок на каждом этапе работы. Большая часть из них легко исправляется, но их наличие позволяет считать этот язык менее профессиональным, сравнительно с другими.

3. Повсеместное распространение. Своеобразным недостатком можно считать тот факт, что часть активно используемых программ (особенно приложений) перестанут существовать при отсутствии языка, поскольку целиком базируются на нем.

Сравнение языков программирования

Основным критерием оценивание языка есть быстродействие и память. По ним мы их и сравним.

По данным, приведённым в исследовании, самым быстрым можно считать язык программирования C/C++; за ним с небольшим отрывом следуют Java и C#; затем идут различные реализации компиляторов Python; заметно отстают интерпретаторы Python; а замыкает список (с большим отставанием) язык статистических вычислений R.

Приведём таблицу, в которой указано время выполнения в секундах (столбцы с пометкой t) и требуемая память в мегабайтах (столбцы с пометкой m) при тестировании нескольких программ (рис.1). Проверялись реализации алгоритма решения головоломки судоку (sudoku), умножение матриц (matmul), обработка регулярных выражений (patmch) и подсчёт числа повторяемости слов в тексте (dict). Первые две задачи в большей степени показали производительность реализаций самих языков программирования, остальные – эффективность дополнительных библиотек.