Файл: Современные языки программирования.pdf

ВВЕДЕНИЕ

С появлением компьютеров в пятидесятые годы двадцатого века началось бурное развитие языков программирования. Раньше компьютеры были больших размеров, занимали целые помещения, их называли ЭВМ (электронно-вычислительная машина), машина делала только простые арифметические действия – сложение, вычитание.

Самые первые языки программирования были простейшими и мало чем отличались от машинных последовательностей нулей и единичек, которые использует компьютер. Работа с такими языками была очень сложная для программистов, им нужно было знать числовые коды всех машинных команд, самим регулировать объемы памяти под команды, программы и данные. Для более простого общения человека с ЭВМ были созданы языки программирования типа Ассамблера. Язык создала команда разработчиков в компании IBM под руководством инженера Джона Бэкуса. Язык представлял собой не просто совокупность разрозненных простых команд, а группы более крупных кодов, которые стали называть операторами. Для перевода этих операторов на машинный язык были изобретены трансляторы, с помощью которых алгоритмы переводятся на язык понятный ЭВМ.

В настоящее время языки программирования применяются в разных областях человеческой деятельности. Настолько проникли в повседневную жизнь человека, что человек их не замечаем. Например, каждый день человек отправляется на работу, чтоб пройти турникет в метро, необходимо приложить специальную карточку метро или воспользоваться приложением в телефоне для входа в метро. Система сканирует чип, который встроен в карточку метро, а в телефоне NFC (Near field communication – переводится, коммуникация ближнего поля) – это интерфейс беспроводной связи, где главная характеристика является небольшой радиус действия до 10 см. Благодаря развитию информационных технологий и современных языкам программирования, человечество шагнуло в цифровой мир, где появились IoT (internet of things) – интернет вещи, связанные по сети интернета устройства, которые выполняют различные цели и задачи.

Целью курсовой работы является изучить теоретический материал по современным языкам программирования. Создать не большую программу на одном из языков программирования (Python) – блог. Познакомится, что такое операторы, массивы, функции в языке программирование. Рассмотреть синтаксис языка программирования Python и фреймворк Django.

ЧАСТЬ 1. История возникновения программирования. Основные принципы и подходы при создании языков программирования

1.1 Начало истории программирования

С глубокой древности известны попытки создать устройства, ускоряющие и облегчающие процесс вычислений. Еще древние греки и римляне применяли приспособление, подобное счетам - абак. Такие устройства были известны и в странах Древнего Востока. В XV века немецкие ученые В. Шиккард, Г.Лейбниц и французский ученый Б. Паскаль создали механические вычислительные устройства - предшественники всем известного арифмометра. Вычислительные машины совершенствовались в течении нескольких веков. Но при этом не применялось понятие «программа и программирование».

В начале XIX века английский ученый, профессор математики Кэмбриджского университета Чарльз Бэббидж, анализируя результаты обработки переписи населения во Франции, теоретически исследовал процесс выполнения вычислений и обосновал основы архитектуры вычислительной машины. Работая над проектом аналитической машины - «Машины для исчисления разностей», Ч. Бэббидж предсказал многие идеи и принципы организации и работы современных ЭВМ, в частности принцип программного управления и запоминаемой программы. Общая увлеченность наукой дала ученому и Аде Лавлейс долгие годы плодотворного сотрудничества. В 1843 году она перевела статью Менабреа по лекциям

Ч. Бэббиджа, где в виде подробных комментариев (по объему они превосходили основной текст) сформулировала главные принципы программирования аналитической машины. Она разработала первую программу в 1843 году для машины Бэббиджа, убедила его в необходимости использования в изобретении двоичной системы счисления вместо десятичной, разработала принципы программирования, предусматривающие повторение одной и той же последовательности команд при определенных условиях. Именно она предложила термины «рабочая ячейка» и «цикл».

А. Лавлейс составила первые программы для решения системы двух уравнений и вычисления чисел Бернулли по довольно сложному алгоритму и предположила, что со временем аналитическая машина будет сочинять музыкальные произведения, рисовать картины и использоваться в практической и научной деятельности. Время подтвердило ее правоту и точность прогнозов. Своими работами А. Лавлейс заложила теоретические основы программирования и по праву считается первым в мире программистом и основоположником научного программирования.

В 1854 году английский математик Джордж Буль опубликовал книгу «Законы мышления», в которой развил алгебру высказываний - Булеву алгебру. На ее основе в начале 80-х гг. XIX в. построена теория релейно-контактных схем и конструирования сложных дискретных автоматов. Алгебра логики оказала многогранное влияние на развитие вычислительной техники, являясь инструментом разработки и анализа сложных схем, инструментом оптимизации большого числа логических элементов, из многих тысяч которых состоит современная ЭВМ.

Идеи Ч. Бэббиджа реализовал американский ученый Г. Холлерит, который с помощью построенной счетно-аналитической машины и перфокарт за три года обработал результаты переписи населения в США по состоянию на 1890 года. В машине впервые было использовано электричество. В 1896 году Холлеритом была основана фирма по выпуску вычислительных перфорационных машин и перфокарт.

В 1936 году английский математик А. Тьюринг ввел понятие машины Тьюринга, как формального уточнения интуитивного понятия алгоритма. Ученый показал, что любой алгоритм в некотором смысле может быть реализован на машине Тьюринга, а следовательно, доказывал возможность построения универсальной ЭВМ. И та, и другая машины аналогично могут быть снабжены исходными данными решаемой задачи и программой ее решения. Машину Тьюринга можно считать, как бы идеализированной моделью универсальной ЭВМ.

В 40-х гг. XX в. механическая элементная база вычислительных машин стала заменяться электрическими и электронными устройствами. Первые электромеханические машины были созданы в Германии К. Цузе (Ц-3, 1941г.) и в США под руководством профессора Гарвардского университета Г. Айкена (МАРК-1, 1944 г.). Первая электронная машина создана в США группой инженеров под руководством доктора Пенсильванского университета Дж. Мочли и аспиранта Дж. Экксрта (ЭНИАК - электронный числовой интегратор и калькулятор, 1946 г.). В 1949 году в Англии была построена EDSAC - первая машина, обладающая автоматическим программным управлением, внутренним запоминающим устройством и другими необходимыми компонентами современных ЭВМ.

Логические схемы вычислительных машин были разработаны в конце 1940-х гг. Дж. фон Нейманом, Г. Гольдстайном и А. В. Берксом. Особый вклад в эту работу внес американский математик Джон фон Нейман, принимавший участие в создании ЭНИАК. Он предложил идею хранения команд управления и данных в машинной памяти и сформулировал основные принципы построения современных ЭВМ. ЭВМ с хранимой программой оказались более быстродействующими и гибкими, чем ранее созданные.

В 1951 году в США было налажено первое серийное производство электронных машин УНИВАК (универсальная автоматическая вычислительная машина). В это же время фирма IBM начала серийный выпуск машины IBM/701.

В СССР первыми авторами ЭВМ, изобретенной в декабре 1948 года, являются И. С. Брук и Б. И. Рамеев. А первая советская ЭВМ с сохраняющейся программой создана в 1951 году под руководством С. А Лебедева (МЭСМ - малая электронная счетная машина). В 1953 году в Советском Союзе начался серийный выпуск машин, первыми их которых были БЭСМ-1, «Стрела».

С появлением цифровых программно-управляемых машин родилась новая область прикладной математики - программирование. Как область науки и профессия она возникла в 1950-х гг. Первоначально программы составлялись вручную на машинных языках (в машинных кодах). Программы были громоздки, их отладка - очень трудоемка. Для упрощения приемов и методов составления и отладки программ были созданы мнемокоды, по структуре близкие к машинному языку и использующие символьную адресацию. Ассемблеры переводили программу, записанную в мнемокоде, на машинный язык и, расширенные макрокомандами, используются и в настоящее время. Далее были созданы автокоды, которые можно применять на различных машинах, и позволившие обмениваться программами. Автокод - набор псевдокоманд для решения специализированных задач, например научных или инженерных. Для таких задач имеется развитая библиотека стандартных программ.

До конца 1950-х гг. ЭВМ основным элементом конструкции были электронные лампы (1-е поколение). В этот период развитие идеологии и техники программирования шло за счет достижений американских ученых Дж. фон Неймана, сформулировавшего основные принципы построения ЭВМ, и Дж. Бэкуса, под руководством которого в 1954 году был создан Fortran (Formula Translation) - первый язык программирования высокого уровня, используемый до настоящего времени в разных модификациях. Так, в 1965 году в Дартмутском колледже Д. Кэмэни и Т. Куртцем была разработана упрощенная версия Фортрана - Basic. В 1966 году комиссия при Американской ассоциации стандартов (ASA) разработала два стандарта языка: Фортран и Базисный Фортран. Используются также дальнейшие модификации языка (например, 1970, 1990 гг.).

Достижения в области электроники и микроэлектроники позволили заменить элементную базу ЭВМ на более совершенную. В конце 1950-х гг. громоздкие электронные лампы заменяют полупроводниками (миниатюрными транзисторами). Появляются ЭВМ II поколения; затем примерно через 10 лет - ЭВМ III поколения на интегральных схемах; еще через 10 лет - ЭВМ IV поколения на больших интегральных схемах (БИС). В Японии в 1990-х гг. реализованы проекты ЭВМ V поколения, в которых использованы достижения в области искусственного интеллекта и биоэлектроники. Если объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) одной из лучших отечественных машин 1960-х гг. М-20, созданной под руководством С.А.Лебедева в 1958 году, имел 4096 слов (8 Кбайт) и быстродействие 20 тыс. операций в секунду, то современные персональные компьютеры характеризуются ОЗУ в десятки Мбайт и быстродействием в сотни миллионов операций в секунду, что позволяет решать сложнейшие задачи.

В 1953 году А.А.Ляпуновым был предложен операторный метод программирования, который заключался в автоматизации программирования, а алгоритм решения задачи представлялся в виде совокупности операторов, образующих логическую схему задачи. Схемы позволяли расчленить громоздкий процесс составления программы, части которой составлялись по формальным правилам, а затем объединялись в целое. Для проверки идей операторного метода в СССР в 1954 году была разработана первая программирующая программа ПП-1, а в 1955 году более совершенная - ПП-2. В 1956 году разработана ПП БЭСМ, в 1957 году - ППСВ, в 1958 году - для машины «Стрела».

В США в 1954 г. стал применяться алгебраический подход, совпадающий, по существу, с операторным методом. В 1956 году корпорацией IBM разработана универсальная ПП Фортран для автоматического программирования на ЭВМ IBM/704.

В этот период по мере накопления опыта и теоретического осмысления совершенствовались языки программирования. В 1958-1960 гг. в Европе был создан ALGOL, который породил целую серию алголоподобных языков: Algol W, (1967), Algol 68, Pascal (Н. Вирт, 1970 г.), С (Д. Ритчи и Б. Керниган, 1972 г.), Ada (под руководством Ж. Ишбиа, 1979 г.), C++ (1983).
В 1961-1962 гг. Дж. Маккарти в Массачусетском технологическом институте был создан язык функционального программирования Lisp, открывший в программировании одно из альтернативных направлений, предложенных Дж. фон Нейманом.

На начало 1970-х гг. существовало более 700 языков высокого уровня и около 300 трансляторов для автоматизации программирования.

1.2 Структурное и модульное программирование

В 1965 году итальянцы Бом и Джакопини предложили использовать в качестве базовых алгоритмических элементов следование, ветвление и цикл. Почти в то же время к аналогичным выводам пришел голландский ученый Э. Дийкстра, заложивший основы структурного программирования. В 1970-х гг. эта методология оформилась, и корпорация IBM сообщила о применении в разработке программного обеспечения «Усовершенствованных методов программирования», одним из компонентов которых являлась технология нисходящего структурного программирования, основу которого составляет следующее:

• сложная задача разбивается на простые, функционально управляемые задачи, каждая задача имеет один вход и один выход; управляющий поток программы состоит из совокупности элементарных функциональных подзадач;
• управляющие структуры просты, т. е. логическая задача должна состоять из минимальной, функционально полной совокупности достаточно простых управляющих структур;
• программа разрабатывается поэтапно, на каждом этапе решается ограниченное число точно поставленных задач.