Файл: Сравнительный анализ процедур для различных языков программирования.pdf

Введение

Язык программирования — формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, задающих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (компьютер) под её управлением.

Целью курсовой работы является изучение двух основных языков программирования и их сравнение на основе полученных ранее знаний.

1. Теоретическая часть

1.1. Определение языка программирования С++

Язык возник в начале 1980-х годов, когда сотрудник фирмы Bell Labs Бьёрн Страуструп придумал ряд усовершенствований к языку C под собственные нужды. Когда в конце 1970-х годов Страуструп начал работать в Bell Labs над задачами теории очередей (в приложении к моделированию телефонных вызовов), он обнаружил, что попытки применения существующих в то время языков моделирования оказываются неэффективными, а применение высокоэффективных машинных языков слишком сложно из-за их ограниченной выразительности. Так, язык Симула имеет такие возможности, которые были бы очень полезны для разработки большого программного обеспечения, но работает слишком медленно, а язык BCPL достаточно быстр, но слишком близок к языкам низкого уровня и не подходит для разработки большого программного обеспечения [1].

Вспомнив опыт своей диссертации, Страуструп решил дополнить язык C (преемник BCPL) возможностями, имеющимися в языке Симула. Язык C, будучи базовым языком системы UNIX, на которой работали компьютеры Bell, является быстрым, многофункциональным и переносимым. Страуструп добавил к нему возможность работы с классами и объектами. В результате практические задачи моделирования оказались доступными для решения как с точки зрения времени разработки (благодаря использованию Симула-подобных классов), так и с точки зрения времени вычислений (благодаря быстродействию C). В первую очередь в C были добавлены классы (с инкапсуляцией), наследование классов, строгая проверка типов, inline-функции и аргументы по умолчанию. Ранние версии языка, первоначально именовавшегося «C with classes» («Си с классами»), стали доступны с 1980 года.

Разрабатывая C с классами, Страуструп написал программу cfront — транслятор, перерабатывающий исходный код C с классами в исходный код простого C. Это позволило работать над новым языком и использовать его на практике, применяя уже имеющуюся в UNIX инфраструктуру для разработки на C. Новый язык, неожиданно для автора, приобрёл большую популярность среди коллег и вскоре Страуструп уже не мог лично поддерживать его, отвечая на тысячи вопросов.

К 1983 году в язык были добавлены новые возможности, такие как виртуальные функции, перегрузка функций и операторов, ссылки, константы, пользовательский контроль над управлением свободной памятью, улучшенная проверка типов и новый стиль комментариев (//). Получившийся язык уже перестал быть просто дополненной версией классического C и был переименован из C с классами в «C++». Его первый коммерческий выпуск состоялся в октябре 1985 года.

До начала официальной стандартизации язык развивался в основном силами Страуструпа в ответ на запросы программистского сообщества. Функцию стандартных описаний языка выполняли написанные Страуструпом печатные работы по C++ (описание языка, справочное руководство и так далее). Лишь в 1998 году был ратифицирован международный стандарт языка C++: ISO/IEC 14882:1998 «Standard for the C++ Programming Language»; после принятия технических исправлений к стандарту в 2003 году — следующая версия этого стандарта — ISO/IEC 14882:2003[2].

1.2. Развитие и стандартизация языка

В 1985 году вышло первое издание «Языка программирования C++», обеспечивающее первое описание этого языка, что было чрезвычайно важно из-за отсутствия официального стандарта. В 1989 году состоялся выход C++ версии 2.0. Его новые возможности включали множественное наследование, абстрактные классы, статические функции-члены, функции-константы и защищённые члены. В 1990 году вышло «Комментированное справочное руководство по C++», положенное впоследствии в основу стандарта. Последние обновления включали шаблоны, исключения, пространства имён, новые способы приведения типов и булевский тип.

Стандартная библиотека C++ также развивалась вместе с ним. Первым добавлением к стандартной библиотеке C++ стали потоки ввода-вывода, обеспечивающие средства для замены традиционных функций C printf и scanf. Позднее самым значительным развитием стандартной библиотеки стало включение в неё Стандартной библиотеки шаблонов.

В 1998 году был опубликован стандарт языка ISO/IEC 14882:1998 (известный как C++98), разработанный комитетом по стандартизации C++ (ISO/IEC JTC1/SC22/WG21 working group). Стандарт C++ не описывает способы именования объектов, некоторые детали обработки исключений и другие возможности, связанные с деталями реализации, что делает несовместимым объектный код, созданный различными компиляторами. Однако для этого третьими лицами создано множество стандартов для конкретных архитектур и операционных систем.

В 2003 году был опубликован стандарт языка ISO/IEC 14882:2003, где были исправлены выявленные ошибки и недочёты предыдущей версии стандарта.

В 2005 году был выпущен отчёт Library Technical Report 1 (кратко называемый TR1). Не являясь официально частью стандарта, отчёт описывает расширения стандартной библиотеки, которые, как ожидалось авторами, должны быть включены в следующую версию языка C++. Степень поддержки TR1 улучшается почти во всех поддерживаемых компиляторах языка C++.

С 2009 года велась работа по обновлению предыдущего стандарта, предварительной версией нового стандарта сперва был C++09, а спустя год C++0x, сегодня — C++11, куда были включены дополнения в ядро языка и расширение стандартной библиотеки, в том числе большую часть TR1.

C++ продолжает развиваться, чтобы отвечать современным требованиям. Одна из групп, разрабатывающих язык C++ и направляющих комитету по стандартизации C++ предложения по его улучшению — это Boost, которая занимается, в том числе, совершенствованием возможностей языка путём добавления в него особенностей метапрограммирования.

Никто не обладает правами на язык C++, он является свободным. Однако сам документ стандарта языка (за исключением черновиков) не доступен бесплатно. В рамках процесса стандартизации, ISO выпускает несколько видов изданий. В частности, технические доклады и технические характеристики публикуются, когда "видно будущее, но нет немедленной возможности соглашения для публикации международного стандарта." До 2011 года не было опубликовано три технических отчета по C++: TR 19768: 2007 (также известный как C++, Технический отчет 1) для расширений библиотеки в основном интегрирован в C++11, TR 29124: 2010 для специальных математических функций, и TR 24733: 2011 для десятичной арифметики с плавающей точкой. Техническая спецификация DTS 18822:. 2 014 (по файловой системой) была утверждена в начале 2015 года, и остальные технические характеристики находятся в стадии разработки и ожидают одобрения.

1.2.1. Особенности языка С++

C++ содержит средства разработки программ контролируемой эффективности для широкого спектра задач, от низкоуровневых утилит и драйверов до весьма сложных программных комплексов. В частности:

Высокая совместимость с языком Си : код на Си может быть с минимальными переделками скомпилирован компилятором C++. Внешнеязыковой интерфейс является прозрачным, так что библиотеки на Си могут вызываться из C++ без дополнительных затрат, и более того — при определённых ограничениях код на С++ может экспортироваться внешне не отличимо от кода на Си (конструкция extern "C")[3].

Как следствие предыдущего пункта — вычислительная производительность. Язык спроектирован так, чтобы дать программисту максимальный контроль над всеми аспектами структуры и порядка исполнения программы. Один из базовых принципов С++ — «не платишь за то, что не используешь» (см. Философия C++) — то есть ни одна из языковых возможностей, приводящая к дополнительным накладным расходам, не является обязательной для использования. Имеется возможность работы с памятью на низком уровне.

Поддержка различных стилей программирования: традиционное императивное программирование (структурное, объектно-ориентированное), обобщённое программирование, функциональное программирование, порождающее метапрограммирование.

Автоматический вызов деструкторов объектов в адекватном порядке (обратном вызову конструкторов) упрощает и повышает надёжность управления памятью и другими ресурсами (открытыми файлами, сетевыми соединениями, соединениями с базами данных и т. п.).

Перегрузка операторов позволяет кратко и ёмко записывать выражения над пользовательскими типами в естественной алгебраической форме.

Имеется возможность управления константностью объектов (модификаторы const, mutable, volatile). Использование константных объектов повышает надёжность и служит подсказкой для оптимизации. Перегрузка функций-членов по признаку константности позволяет определять выбор метода в зависимости цели вызова (константный для чтения, неконстантный для изменения). Объявление mutable позволяет сохранять логическую константность при виде извне кода, использующего кэши и ленивые вычисления.

Шаблоны C++ дают возможность построения обобщённых контейнеров и алгоритмов для разных типов данных. Попутно шаблоны дают возможность производить вычисления на этапе компиляции.

Возможность расширения языка для поддержки парадигм, которые не поддерживаются компиляторами напрямую. Например, библиотека Boost.Bind позволяет связывать аргументы функций. Используя шаблоны и множественное наследование, можно имитировать классы-примеси и комбинаторную параметризацию библиотек. Такой подход применён в библиотеке Loki, класс SmartPtr которой позволяет, управляя всего несколькими параметрами времени компиляции, сгенерировать около 300 видов «умных указателей» для управления ресурсами.

Возможность встраивания предметно-ориентированных языков программирования в основной код. Такой подход использует, например библиотека Boost.Spirit, позволяющая задавать EBNF-грамматику парсеров прямо в коде C++. Boost.Spirit реализует рекурсивно-нисходящий алгоритм, что накладывает соответствующие ограничения (такие как недопустимость левой рекурсии).

Доступность. Для С++ существует огромное количество учебной литературы, переведённой на всевозможные языки. Язык имеет высокий порог вхождения, но среди всех языков такого рода обладает наиболее широкими возможностями.

Недостатки и критика

Сторонники С++ позиционируют его как «универсально применимый» — вплоть до отождествления «применимости» с Тьюринг-полнотой (что является ошибкой) и одновременно с оптимальностью, то есть обоснованностью выбора его в качестве инструмента для данной конкретной задачи; при этом ни одной конкретной задачи не обозначается, а наоборот, делается утверждение, что С++ подходит для любой задачи (что теоретически невозможно. Однако С++ не отвечает многим требованиям качества программирования, не предъявляемым к Си, но важным для широкого спектра задач прикладного программирования. В частности, критики полагают, что:

Плохо продуманный синтаксис сужает спектр применимости языка (что, с учётом претензий на «универсальность», делает его крайне неудобным в некоторых задачах).

Унаследованные от Си низкоуровневые свойства существенно тормозят и затрудняют прикладную разработку.

Язык не содержит многих важных возможностей.

Язык содержит опасные возможности, существенно снижающие качество программ сразу по всем показателям.

Производительность труда программистов на языке оказывается неоправданно низка, а продукт труда — низкокачественным.

В то же время, критике подвергается и применимость С++ в низкоуровневой разработке в качестве «улучшенного Си».

Многие конкретные недостатки вытекают непосредственно из свойств семантики системы типов языка: она не отвечает требованиям полноты и ортогональности, при этом обладает избыточностью и предусматривает понятие «приведения типов» (как явно, так и неявно). В отношении типизации, С++ чаще всего противопоставляются либо типизируемые по Хиндли-Милнеру, либо динамически типизируемые языки. Начиная со стандарта C++0x, в языке появилась возможность автоматического выведения типов, из-за чего возникло заблуждение, что отныне «С++ поддерживает вывод типов по Хиндли-Милнеру». Однако, системе типов С++ противопоставляется не сам механизм выведения типов, а полиморфная семантика системы типов Хиндли-Милнера[4], предусматривающая в том числе и механизм выведения, но не как главное преимущество. Существуют примеры развития Си по пути типизации Хиндли-Милнера.

Критика C++ с позиций только ООП (без сравнения методологий проектирования) с описанием вреда от влияния C++ на другие языки приведена в работе[23]. В случае языково-ориентированного проектирования программ применимость С++, как и при использовании любых других языков, ограничивается нижним уровнем системы — реализацией предметно-специфичных языков (DSL) первого уровня. Для этой задачи С++ объективно является далеко не оптимальным выбором (см. раздел Отсутствие возможностей). В случае применения методологии «чистого встраивания» DSL в язык общего назначения (которая является традиционной для Lisp/ML, и для которой в С++ потенциально предназначена библиотека Boost.Spirit), с т.з. воплощения изоморфизма Карри-Ховарда выбор С++ в качестве базы был бы абсурден. Наиболее ортодоксальные противники С++ утверждают, что этот язык нельзя использовать в реальной индустрии вообще, и его существование имеет лишь педагогический смысл — в качестве образцово-показательной коллекции антипаттернов в задаче разработки языков программирования