Файл: Классификация языков программирования. Критерии выбора среды и языка разработки программ (Основная терминология программирования).pdf

• Код, написанный программистом, транслируется в компактный промежуточный код виртуальной машины.
• При интерпретации промежуточного кода для исполнения, виртуальная машина перед первым использованием каждого отдельного участка кода фактически компилирует и временно сохраняет его в памяти.
• Повторное использование уже скомпилированного фрагмента кода происходит также быстро, как и при классической компиляции: его не требуется транслировать в машинный язык заново.
• Пока участок кода не используется, он может не компилироваться^[30], что позволяет избежать затрат ресурсов, присущих обычной компиляции.

1.3. Классификация языков программирования по уровню детализации

Детализированность алгоритмов на ЯП определяет его уровень. Языки высокого уровня удобны для восприятия человеком^[31]. Также, уровень языка тесно связан со степенью его зависимости от аппаратного обеспечения. Чем выше ориентация ЯП на конкретную архитектуру набора команд и чем больше в нём технических деталей^[32], ухудшающих восприятие кода программистом, тем ниже уровень языка. Всего по этим критериям выделяют следующие категории языков^[33][34]: машинные языки, ЯП ассемблерного типа, и высокоуровневые ЯП. Также, частным случаем уровня детализации работы с аппаратным обеспечением может являться способ работы языка с памятью.

Начнём с машинных языков. Данная категория языков самая древняя, и, по сути, является не языком, а способом кодирования машинных инструкций, предложенным Джоном фон Нейманом в 1945 году. Любой современный компьютер является реализацией множества его идей, включая эту. Каждая команда машинного языка, построенная по принципам фон Неймана, целиком и полностью состоит из двоичных цифр, объединённых в минимальные блоки (байты и слова)[9]. Таким образом, текстовая запись родного для компьютера машинного кода будет представлять собой набор нечитабельных для неподготовленного человека чисел, независимо от того, в какой системе счисления эти числа визуализированы. Программировать таким способом крайне тяжело и затратно, а код полностью зависим от процессора^[35].

В связи с очевидным неудобством программирования в машинных кодах, команды процессоров были сгруппированы в соответствии с их функциональностью с точки зрения человека, и им были присвоены читабельные формальные наименования^[36]. Так появились ассемблеры – программы для трансляции формальной алгоритмической записи инструкций процессора (т.н. язык ассемблера) в их машинную форму^[37]. Язык ассемблерного типа, в отличие от машинного кода, может использоваться для наглядного и относительно читабельного описания алгоритма программы: он позволяет не отвлекаться на фактическое вычисление машинных инструкций^[38]. Ассемблеры зависимы от набора команд процессора, а ассемблерные инструкции - повторяют процессорные инструкции^[39].

Также существует очень специфический независимый от процессора подвид ассемблеров, появившийся в эпоху виртуальных машин и JIT-компиляции. Он транслирует инструкции не в машинный код аппаратного процессора, а в промежуточный код виртуальной машины^[40]. Ассемблеры этого типа, таким образом, зависят не от аппаратной платформы, а от виртуальной машины и программной платформы. Такие языки чрезмерно специфичны, использование ассемблеров виртуальных машин на практике – явление довольно нечастое^[41].

На этом эволюция языков программирования в плане оптимизации работы программиста не закончилась. Программировать на машинных и ассемблерных языках сложно, из-за необходимости думать не над решением прикладной задачи, а над описанием действий аппаратного обеспечения. Если задача, которую решает программист, достаточно масштабна, - низкоуровневое программирование только переусложнит её. Именно для облегчения условий работы прикладных программистов, и повышения их сосредоточенности на текущей задаче, и были разработаны языки высокого уровня^[42]. Высокоуровневые лексемы не связаны прямо с функционалом процессора, а ориентированы на использование в прикладных целях, они сделаны похожими на естественные языки^[43] и/или символическую математику, чтобы быть понятными программисту^[44].

Помощь в реализации фактических конструкций высокоуровневых языков возложена на программный интерфейс приложений (API) и двоичный интерфейс приложений (ABI). Первый интерфейс может применяться силами самого программиста. Он включает различные высокоуровневые средства, помогающие программисту в решении прикладных задач. Ответственность за внутреннюю реализацию API лежит на его разработчиках. Второй интерфейс программист в большинстве случаев не может использовать явно, но именно он отвечает за реализацию семантики языка операционной системой и аппаратным обеспечением, отвечая за двоичную совместимость программного обеспечения [21].

Кроме этого, у высокоуровневых языков иногда бывает автоматизирована работа с памятью. Такую систему называют сборкой мусора [18]. В противовес преимущественно высокоуровневой сборке мусора, в высокоуровневых и низкоуровневых ЯП может существовать и явное освобождение памяти. Для явного оперирования памятью в высокоуровневых языках программирования, созданы специальные правила и идеомы, например, «resource acquisition is initialization» (RAII) в языке C++^[45].

1.4. Классификация парадигм, реализуемых языками программирования

В связи с требованиями по решению прикладных задач, а также в связи с необходимостью упростить правила программирования, сделав их исходные тексты схожими с человеческой логикой, появлялось множество парадигм программирования. Рассмотрим наиболее устоявшиеся, независимо от классификатора, парадигмы^[46][47][48]:

• императивная
• функциональная
• декларативная
• объектно-ориентированная

Рассмотрим сначала императивную парадигму. Минимальный лексический элемент управления у языков данной группы – оператор^[49]. Действия над данными выражаются в виде последовательностей инструкций [2], выполнение каждой из которых изменяет состояние компьютера. Процедурная схема идеально отражает особенности компьютерной архитектуры Джона фон Неймана [8, с. 16]. Императивная программа представляет собой последовательность инструкций, выполняемых по порядку. Также присутствуют циклы – последовательности инструкций, которые могут выполняться по нескольку раз до выполнения определённого условия ^[50]. Процедурами называются именованные блоки машинных инструкций, которые можно вызвать удалённо из разных участков кода [1]. Возможен рекурсивный вызов процедур, однако такие приёмы программирования следует использовать осторожно из-за ограничений стековой памяти на многих компьютерных архитектурах [7, с. 99 – 101]. Любой императивный язык должен показывать, как именно должен быть реализован тот или иной алгоритм; зато, у процедурных программ высокая скорость выполнения^[51]. Согласно некоторым расширенным классификациям, благодаря этому фактору, только процедурные языки могут быть низкоуровневыми^[52]. Известным примером языка, созданного для процедурного программирования, является C.

Функциональная парадигма (также называемая в некоторых источниках^[53] аппликативной) была предвосхищена математиком А. Чёрчем, в 30-х годах XX века создавшим лямбда-исчисление, в некотором смысле предок любого функционального языка [29].

Основная идея функционального программирования (ФП) – оперирование функциями, подвидом процедур [1], умеющим возвращать значение^[54], для работы с данными. Из простых функций составляются более и более сложные функции, пока из начальных данных не будет получен желаемый результат [8, 15]. Ещё одной особенностью функциональной парадигмы является сознательный отказ от использования переменных. Долгое время реализация лямбда-исчисления на фон-неймановских компьютерных архитектурах считалась крайне сложной^[55]. На относительно современных компьютерах (конца XX века – начала XXI века) функциональное программирование наконец-то обрело достойную реализацию. Это связано в основном с развитием параллельных вычислений; в частности, параллелизм может быть описан функциональным языком более лаконично, чем императивным, также эти технологии хорошо комбинируются. Функциональные языки программирования используются в математическом ПО и для создания Искусственного Интеллекта. Как и процедурное программирование, ФП демонстрирует, как именно должно выполняться то или иное программное действие^[56], однако функциональное программирование часто противопоставляется императивному^[57]. Классическим примером языка, созданного для ФП, является LISP.

Декларативная группа языков, как и функциональная группа, оперирует действиями для достижения конечного результата. На практике иногда даже отождествляют эти два понятия^[58]. Однако парадигма декларативного программирования строится вокруг утверждения, что каждый шаг действий не должен описываться явно. Способ решения задачи в декларативных ЯП не описывается; вместо этого, основным предметом описания является сама задача и условия, при которых она может быть выполнена.

В некоторых источниках эта группа языков называется языками с системой правил^[59], согласно же другим – языки системы правил являются лишь наиболее показательным подвидом декларативных языков^[60]. Языки системы правил, также известные как языки логического программирования, не имеют чёткого порядка выполнения алгоритмов. Вместо этого, единственным, что влияет на порядок выполнения логических программ, являются т.н. разрешающие высказывания (условия) [8, с.18]. В программе задаются факты, являющиеся по сути своей данными, и аксиомы, связывающие каждое потенциальное действие программы с проверкой разрешающего условия. Действие будет выполнено только при соответствии условию. Самым известным языком логического программирования является Prolog.

Объектно-ориентированная парадигма представлена множеством языков, таких как C++ или Java. По данным некоторых источников, она значительно повышает производительность труда программиста^[61][62], позволяя работать с данными, имеющими прямое отношение к предметной области программы. Для этого, программа разбивается на осмысленные модули, именуемые объектами, и на функции, которые можно выполнить с тем или иным объектом, называемые методами. Важнейшую роль тут играют типы данных. Каждый объект имеет свой тип, и может наследовать черты объектов другого типа. Типы описываются программистом посредством своеобразных чертежей - классов^[63].

Разработка объектно-ориентированных программ начинается с построения иерархий из классов [8, с. 19]. Некоторые готовые классы программист может получить из средств API [21]. Основные особенности классов и их методов, ставшие стандартом парадигмы объектно-ориентированного программирования (ООП):

- Внутренняя информация классов должна быть инкапсулирована, доступ к ней извне должен быть скрыт либо жёстко регламентирован; это обеспечивает контроль над несанкционированным или случайным произвольным изменением данных^[64].

- Одни классы могут наследовать черты других классов, при этом производные объекты автоматически считаются также и объектами унаследованного класса^[65].

- Полиморфизм ad-hoc: возможность создать в разных классах, объединённых в одну иерархию, разные реализации наследуемого метода, и ссылаться на них из классов и методов внешнего контекста, как на один и тот же, несмотря на различия в реализации^[66].

1.5. Критерии выбора сред и языков программирования

IDE должна реализовывать нужную модель разработки максимально удобно для программиста^[67]. Данные вопросы, на примере платформы Java, изучала во второй половине 2000-х исследовательская группа в Вестминстерском Университете. В ходе исследования было решено создать несколько групп критериев. Часть критериев, независимая от Java [20]:

• Интерфейс. Для оценки интерфейса IDE требовалось ответить на следующие вопросы: 2 вопроса про автодополнение кода, насколько хорош редактор кода, понятен и дружественен ли интерфейс, особенности навигации в IDE.
• Развёртывание, тестирование и поддержка. Несколько вопросов о проверке кода на ошибки, тестировании, системе справки и поддержки, предоставляемой программисту.
• Возможности подключения баз данных, различных сетевых служб. Производительность IDE на пике работы.