Файл: История возникновения и развития языка программирования Си (С++) и Java ( Теоретические основы языков программирования).pdf

Введение

Актуальность. Мир IT сильно поменялся за последние годы, появились новые приоритеты и технологии – вместе с ним сильно изменился процесс разработки. Сегодняшние средства разработки это совсем не те продукты, которые были лет десять назад, они построены на новейших технологиях, интегрируются со средствами групповой разработки, планирования и управления проектами, средствами оценки рисков, управления жизненным циклом приложений и позволяют создавать настоящую среду для индустриального программирования.

В настоящее время интерес к созданию новых языков программирования снизился (и в мире, и в России), а круг используемых языков стабилизировался. Наступил момент для анализа использования современных языков программирования. 

 Актуальность данной темы обусловлена тем, что прогресс компьютерных технологий определил процесс появления новых разнообразных знаковых систем для записи алгоритмов – языков программирования. 

Цель работы – изучить современные языки программирования.

Достижение указанной цели определило постановку и решение следующих задач:

• исследовать понятие и виды языков программирования;
• просмотреть историю создания языков программирования;
• провести сравнение языков программирования Java и C++.

Предметом исследования можно назвать два языка программирования: C++ и Java.

Объектом исследования являются языки программирования Java и C++.

Теоретико-методологическую основу исследования составили научные труды, посвященные анализу языков программирования. При разработке и решении поставленных задач использовались методы сравнительного анализа, а также группировки.

Структура работы. Работа включает введение, две главы, заключение и список литературы. В первой главе рассматриваются общие сведения о языках программирования и история развития их. Во второй главе рассматривается обзор современных языков программирования.

Научно-методической основой работы служат труды отечественных и зарубежных ученых в области программирования. При выполнении работы использовалась научно-методическая литература, публикации в периодической печати и научных изданиях, материалы Интернет-порталов.

Глава 1. Теоретические основы языков программирования

1.1. Содержание понятия и классификация языков программирования

Сегодня практически все программы создаются с помощью языков программирования. Теоретически программу можно написать и на естественном языке (говорят: программирование на метаязыке), но из-за неоднозначности естественного языка автоматически перевести такую программу в машинный код пока невозможно^[1].

Языки программирования — это формальные искусственные языки. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику^[2].

Алфавит — разрешенный к использованию набор символов, с помощью которого могут быть образованы слова и величины данного языка.

Синтаксис — система правил, определяющих допустимые конструкции языка программирования из букв алфавита.

Семантика — система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработки даннх.

Взаимодействие синтаксических и семантических правил определяет основные понятия языка, такие как операторы, идентификаторы, константы, переменные, функции, процедуры и т.д. В отличие от естественных, язык программирования имеет ограниченный запас слов (операторов) и строгие правила их написания, а правила грамматики и семантики, как и для любого формального языка, явно однозначно и четко сформулированы.

Языки программирования, ориентированные на команды процессора и учитывающие его особенности, называют языками низкого уровня. «Низкий уровень» не означает неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора^[3].

Языком самого низкого уровня является Assambler. Программа, написанная на нем, представляет последовательность команд машинных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С помощью языков низкого уровня создаются компактные оптимальные программы, так как программист получает доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой программы на компьютере с процессором другого типа невозможно^[4]. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность, быстродействие, прямой доступ к аппаратным ресурсам. Также к низкоуровневым языкам программирования относятся C, C++.

Плюсами низкоуровневых языков программирования является полный контроль над всем (в том числе и над памятью, что в других языках практически невозможно)^[5].

Минусы: дополнительный контроль несет дополнительные сложности, контроль над памятью может быстро стать утомительным, относительно бедная стандартная библиотека (Набор функций, макросов, глобальных переменных, доступных из любого места любой программы, написанной на этом языке).

Среднеуровневые языки часто используются для первых шагов в «мир программирования», так как они довольно несложны в изучении, но уже могут использоваться для каких-либо реальных проектов. К среднеуровневым языкам относятся язык JAVA, С#.

Плюсы:

• Необязательно париться насчет памяти.
• Обширные «родные» библиотеки, но при желании можно подключить сторонние.
• Компиляция происходит в «байт-код», подходящий для взаимодействия с другими языками.
• Хорошо служит несложным вводом в структуру программы.

Минусы:

• Требуется дополнительно установленная среда для выполнения байт-кода (Java Runtime Environment для Java); сложно для освоения новичку, так как надо понимать, как устроена память, сборка мусора;
• Абстракций стало ненамного меньше.

Языки программирования, имитирующие естественные, обладающие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня. Чем выше уровень языка, тем
ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в программе, к понятиям исходной задачи^[6]. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому исходные тексты программ легко переносимы на другие платформы, имеющие
трансляторы этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, число ошибок, допускаемых в процессе программирования,
намного меньше. В настоящее время насчитывается несколько сотен таких языков (без учета их диалектов). Самыми известными являются PHP, Python, Ruby, Javascript.

Плюсы: Значительно проще синтаксис, абстракции упрощают жизнь, большие стандартные библиотеки, в целом все просто и интуитивно понятно.

Минусы: Сравнительно низкая производительность; Страдает архитектура (изменения могут вноситься в любом месте кода, а не там, где это действительно нужно).

Таким образом, языки программирования высокого уровня, ориентированные на решение больших содержательных прикладных задач, являются аппаратно-независимыми и требуют использования
соответствующих программ-переводчиков для преобразования текста программы в машинный код, который в итоге и обрабатывается процессором^[7].

Языки программирования могут быть реализованы как компилируемые и интерпретируемые^[8].

Исходный код программы переводится в двоичные коды инструкций процессора. Это делает компилируемые языки сравнительно быстрее интерпретируемых, так как код уже переведен к машинному виду и не требует дополнительных программ-интерпретаторов для обработки. Но в этом кроется также и минус, так как скомпилированная программа может выполняться только на том типе компьютера и на той операционной системе, на которой был рассчитан компилятор.

К примеру, код, выводящий на экран фразу “Hello, world!”, написанный на Java:

public class HelloWorld {

public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello, world!");

}

}

 И то же самое на машинном коде для процессора архитектуры х86:

BB 11 01 B9 0D 00 B4 0E 8A 07 43 CD 10 E2 F9 CD 20 48 65 6C 6C 6F 2C 20 57 6F 72 6C 64 21

Исходный код, вместо компиляции в машинный код, исполняется специальной программой интерпретатором.

Главными плюсами таких языков являются кроссплатформенность (один и тот же код будет работать на разных операционных системах) и динамическая типизация (переменная связывается с типом – число, строка, указатель - в момент присваивания данных, а не в момент ее объявления)

Рис. 2. Программа написанная с использованием интерпретируемых языков

Также программы, написанные с использованием интерпретируемых языков, можно запускать сразу же после изменений в коде, что облегчает разработку. К таким языкам относятся Python, Ruby, Perl, PHP^[9].

1.2. История создания языков программирования

На первый взгляд это может показаться странным, но программирование старше, чем языки программирования^[10].

Первые программисты обходились вовсе без языков программирования. Самые первые цифровые электронно-вычислительные машины создавались для конкретных, узкоспециализированных задач (например, для решения систем линейных уравнений методом Гаусса), и программу их работы изменить было невозможно в принципе. Естественно, вопрос программирования подобных вычислительных систем отпадал сам собой  - можно было только менять входные данные.

Последовавшие за ними вычислительные машины с изменяемой программой также были лишены возможности использования языков программирования: программы вводились в них посредством соединения гнезд на специальной коммутационной панели, которая управляла последовательностью выполняемых операций. Разумеется, автоматизировать этот трудоемкий и сложный процесс не представлялось возможным^[11].

Хотя к этому времени (40-е годы XX столетия) уже была известна модель хранимой программы фон Неймана, элементная база еще не позволяла создавать оперативные запоминающие устройства достаточного объема для хранения кодов инструкций, их едва хватало для хранения данных (память размером в 1000 машинных слов считалась огромной и стоила астрономическую сумму). Поэтому между теорией и практическим ее воплощением прошло несколько лет, пока, наконец, не появились действительно универсальные цифровые ЭВМ, позволяющие быстро менять программы путем загрузки их в оперативную память. Громоздкие коммутационные панели, опутанные клубками проводов, исчезли, их заменили массивы кодов инструкций, загружаемых с различных устройств хранения информации: перфолент и перфокарт, магнитных лент, барабанов.

С появлением таких устройств и зародилось явление, которое довольно быстро из досадной проблемы переросло в настоящий кризис, кризис программирования. Выяснилось, что разрабатывать программы в машинных кодах слишком трудно и долго, а, следовательно, дорого. На фоне непрерывного снижения цен на оборудование увеличение затрат на программное обеспечение раздражало владельцев компьютеров (если бы они только знали, что ждет их в будущем!). Поиск решения этой проблемы и привел к появлению ныне столь многочисленной семьи языков программирования.

Поскольку большинство промышленных компьютеров обладало фон-неймановской архитектурой, их программы представляли собой не что иное, как последовательности машинных слов определенной структуры. А если так, то ничто не мешает разработать программу, которая будет выдавать такие последовательности в качестве своих выходных данных.

Разумеется, все выглядит так просто лишь на первый взгляд. Для того чтобы сделать эту идею реальностью, потребовалось много лет упорного труда математиков, лингвистов и инженеров, которые разработали теорию формальных языков и превратили разработку компиляторов из занятия, доступного лишь избранным, в хорошо формализованный процесс, которому обучают в большинстве учебных заведений компьютерного профиля.

Самым первым и очевидным шагом на пути автоматизации программирования было освободить программистов от самой рутинной части их работы. Самыми рутинными операциями при программировании в кодах были:

• формирование кода команды;
• вычисление физических адресов ячеек с данными;
• вычисление смещений для команд условного и безусловного ветвлений.