Файл: Классификация языков программирования высокого уровня(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 классификацию языков программирования.

Достижение указанной цели определило постановку и решение следующих задач:

• исследовать понятие и виды языков программирования;
• провести обзор современных языков программирования;
• сопоставить языки программирования.

Предметом исследования можно назвать языки программирования.

Объектом исследования являются современные языки программирования.

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.

1. Теоретические основы языков программирования

1.1. Содержание понятия языков программирования и их история создания

Технология программирования имеет активную динамику развития в связи с тем, что появляются все новые и новые потребности в области информационных технологий. Язык программирования - система обозначений для описания алгоритмов и структур данных, определенная искусственная формальная система, средствами которой можно выражать алгоритмы.

Язык программирования содержит в себе множество разных символов, преобразующиеся в код понятный компьютеру. Чтобы преобразовать программы в понятный компьютеру код, используются программы трансляторы. С помощью трансляторов прописываются синтаксические, семантические и лексические критерии, которые помогают определить запросы пользователя и внешнего вида готовой программы. В реальном мире каждая программа, созданная программистами, с применением трудных кодов, разрабатывается на основе языка программирования. Конечно, обычный человек захотевший создать свою первую программу, решит, что это очень сложно, а более продвинутый пользователь- программист будет работать с набором команд, понимая, что это единственный способ общения пользователя с компьютером.

Язык программирования – это особый язык программистов для разработки программного обеспечения или это другие наборы инструкций и алгоритмов. В нынешнем веке очень много языков программирования, но по-настоящему популярны и широко востребованы только некоторые из них[9].

Зарождение языков программирования произошло в 1920-1930 годы и были они примитивными, ориентированные исключительно на численные расчеты и прикладные задачи. Программы того времени были оптимизированы под аппаратную архитектуру конкретного компьютера, для которого предназначались. Эффективность вычислений присутствовала, но стандартизации, увы, не было.

Таким образом, ранние языки программирования зависели от того, что принято называть средой вычислений и приблизительно соответствовали современным машинным кодам или языкам ассемблер. Языки программирования подобного рода считаются низкоуровневыми языками программирования. Подобные языки обычно применяются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств. Примером такого языка может служить Ассемблер (assembler – сборщик), который появился в конце пятидесятых годов.

Языки программирования высокого уровня отличаются от предыдущих повышением эффективности труда разработчиков за счет абстрагирования от конкретных деталей аппаратного обеспечения. Одна инструкция языка высокого уровня соответствовала последовательности из нескольких низкоуровневых инструкций, или команд.

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[9].

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.

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[7].

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[7].

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.

Для первой проблемы было найдено следующее решение: для каждой машинной команды были подобраны краткие мнемоники, отражающие ее суть. Например, для команды пересылки данных - MOV, для команды сложения - ADD и т.п. Такие мнемоники намного легче запомнить, чем двоичные, восьмеричные или шестнадцатеричные коды команды; кроме того, их не в пример легче читать, а это тоже немаловажно при отладке программы или ее изменении.

Вторая и третья проблемы также были решены без особых усилий: вместо использования реальных адресов в тексте программы располагались символические метки, а программа, генерирующая машинный код, вычисляла фактическое расположение ячеек в оперативной памяти и поставляла его в код.

Программы, предназначенные для преобразования подобных мнемонических инструкций в исполняемый машинный код, стали называть ассемблерами, а языки, используемые для записи таких программ,

- языками ассемблера, или, кратко, тоже ассемблерами[10].

Разумеется, появление ассемблеров явилось важным шагом на пути развития программирования. Во-первых, программы на ассемблере читать и понимать гораздо легче, чем разбираться с машинными кодами (однако не следует считать, что это легко - все познается в сравнении). Во-вторых, вычисление смещений для ветвлений и относительной адресации - задача хоть и не сложная, но весьма громоздкая и подверженная ошибкам. В-третьих, при добавлении дополнительных команд в середину программы не нужно заботиться о пересчете изменившихся адресов данных и команд, ассемблер их пересчитает при очередном запуске[11].

Однако применение ассемблера оставляет нерешенными ряд задач. Во-первых, программирование на языке ассемблера требует хорошего знания архитектуры машины, на которой программа будет выполняться. Это значительно сужает круг потенциальных разработчиков программного обеспечения. Например, для разработки программного обеспечения для решения экономических задач программист должен одинаково хорошо разбираться как в предметной области, так и в архитектуре компьютера; наладить совместную работу двух разных людей, каждый из которых является специалистом в одном из этих вопросов, значительно сложнее.

Во-вторых, как следствие, низкий уровень языка вынуждает программиста мыслить не категориями предметной области, а в терминах ячеек памяти, индексных и базовых регистров, указателя стека и т.п. В случае нетривиальной задачи довольно трудно мыслить одновременно на нескольких уровнях абстракции.

В-третьих, язык ассемблера вследствие жесткой привязки к архитектуре определенного компьютера делает программы непереносимыми: переход на другой тип компьютеров делает непригодными все ранее разработанные программы, поскольку новый компьютер имеет другие мнемоники и формат команд, другие методы адресации аргументов и т.п. Кроме того, переучивание программистов на новую систему команд также потребует определенного времени, что делает переход на другую архитектуру еще более трудным.

FORTRAN был первым успешно реализованным языком программирования высокого уровня. Разрабатывался он во времена жесточайшего дефицита оперативной памяти, который ставил под сомнение саму возможность практической реализации компилятора какого-либо из языков высокого уровня (ЯВУ)[12].

Это обстоятельство отложило свой отпечаток на облик языка: во главу угла ставилась высочайшая эффективность и компактность результирующего машинного кода, которые позволили языку постепенно завоевать популярность, несмотря на многочисленные нападки сторонников ассемблера.

Несмотря на отсутствие опыта (откуда же ему было взяться у разработчиков первого компилятора, когда даже теория компиляции еще не была разработана), эта задача была решена разработчиками блестяще: компилятор FORTRAN I для мэйнфреймов IBM удерживал рекорд по степени оптимизации кода в течение 20 лет! Хотя этому меньше удивляешься, узнав, что во главе разработки стоял гениальный Джон Бэкус, а в его команду входили Ш. Бест, Х. Геррик, П. Шеридан, Р. Натт, Р. Нельсон, И. Зиллер, Р. Голдберг, Л. Хейбт и Д. Сейр. Немалую роль сыграла и поддержка коллектива руководством IBM, даже несмотря на то, что проект потребовал куда больше ресурсов, чем первоначально планировалось.

Выиграв кровопролитнейшую битву с ассемблером, новый язык получил заслуженное признание как в среде ученых, так и у промышленников и военных. В частности, трудно переоценить его роль в компьютерном обеспечении космической программы[12].

В 1958 г. увидел свет FORTRAN II, в который были добавлены средства раздельной компиляции модулей, а также возможность связи с ассемблерным кодом. В том же году появился FORTRAN III, который, впрочем, так и не был выпущен для общего пользования. В этой версии можно было включать фрагменты ассемблерного кода прямо в исходный текст программы. Эффективность кода возросла еще больше, однако это сильно ударило по переносимости, поэтому от новшества решили все же отказаться.