Файл: Классификация языков программирования высокого уровня (Языки программирования).pdf

ВВЕДЕНИЕ

К сегодняшнему дню сформировалась очень тесная связь между языками, на которых реализуется речь, и языками, на которых производится программирование. Язык программирования в некотором роде родствен речевым языкам, так как предлагает программисту набор концептуальных инструментов, достаточный для достижения цели – программирования, также как речевые языки обладают достаточным количеством инструментов для выражения мыслей. Тем не менее, большинство языков, применяющихся в речи, относительно статичны, и развиваются спонтанно и временно, в то время как языки программирования прогрессируют сообразно течению времени и развитию технологий.

Так, неотъемлемой частью современного общества являются электронно–вычислительные машины самых различных форм и конфигураций, которые, в свою очередь, обязательно включают некоторые системы логического, аппаратного и программного обеспечения. Программное обеспечение разрабатывается и совершенствуется при помощи языков программирования, которых на сегодняшний день известно целое множество.

Появление персонального компьютера и операционных систем с пользовательским интерфейсом привело и к развитию языков программирования. Так, сегодня наиболее часто для создания новых программных продуктов используются языки программирования высокого уровня.

Для подробного изучения вопроса необходимо выполнить цель исследования – осуществить классификацию языков программирования высокого уровня.

Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:

• рассмотреть понятие языка программирования;
• классифицировать языки программирования как таковые и в частности – языки программирования высокого уровня;
• осуществить краткий обзор наиболее распространенных языков программирования высокого уровня: C++, Python и Delphi;
• подвести итоги исследования.

Объектом исследования выступают языки программирования, а предметом – языки программирования высокого уровня.

Методологической основой исследования выступили научные труды таких отечественных исследователей проблемы, как Герман О., Павловская Т. А., Хабибуллин И. и др.

Структура работы содержит две главы, каждая из которых, в свою очередь, включает по два параграфа. В исследование также включены такие структурные элементы, как введение, заключение и список использованных источников.

---

Глава 1. Языки программирования

1.1 Понятие языка 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.

Языки программирования – это формальные искусственные языки [12]. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарный запас, грамматику и синтаксис, а также семантику.

Алфавитом в языках программирования называется набор символов, который является разрешенным к использованию и применяется для образования слов, конструкций и величин каждого конкретного языка.

Синтаксис в языках программирования представляет собой систему правил, которые определяют допустимые конструкции внутри языка из символов его алфавита.

Семантика – система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработки данных [4].

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.

Языком самого низкого уровня является ассемблер. 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. 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 [7].

---

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. 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).

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.

1.2 Классификация языков программирования

Классификацию языков программирования можно вести по нескольким критериям: машинно–ориентированные (ассемблеры) и машинно–независимые, специализированные и универсальные.

К специализированным языкам можно отнести язык АРТ (Automatically Programmed Tools) – первый специализированный язык программирования для станков с числовым управлением. Язык был разработан группой американских специалистов в 1956–1959 гг. под руководством математика Дугласа Т. Росса. Язык СOBOL (Common Business–Oriented Language), созданный в США под руководством Грейс Мюррей Хоппер в 1959 г., ориентирован на обработку экономической информации. Математик Грейс Мюррей Хоппер (рисунок 1) возглавила проект по разработке СOBOL в чине капитана второго ранга, впоследствии она стана контр–адмиралом. Г. М. Хоппер называют «мамой и бабушкой» СOBOLа [6].

Рисунок 1 Грейс Мюррей Хоппер

К специализированным языкам можно отнести и современные языки web–программирования Perl и PHP. Языки Рапира, Е–язык (Россия), SMR (Великобритания), LOGO (США) можно отнести к языкам, предназначенным для обучения программированию.

Самыми распространенными универсальными языками программирования сегодня являются C++, Delphi, Java, Pascal, Visual Basic, Python. Рассматривая языки программирования как самостоятельный объект исследования, можно провести их классификацию по концепции построения языка.

---

Языки программирования можно разделить на два класса: процедурные и непроцедурные (рисунок 2). Процедурные (императивные) языки – это языки операторного типа. Описание алгоритма на этом языке имеет вид последовательности операторов. Характерным для процедурного языка является наличие оператора присваивания (Basic, Pascal, С). Программа, написанная на императивном языке, очень похожа на приказы, выражаемые повелительным наклонением в естественных языках, то есть это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер. Программируя в императивном стиле, программист должен объяснить компьютеру, как нужно решать задачу.

Непроцедурные (декларативные) языки – это языки, при использовании которых в программе в явном виде указывается, какими свойствами должен обладать результат, но не говорится, каким способом он должен быть получен. Непроцедурные языки делятся на две группы: функциональные и логические [16].

Декларативные языки программирования – это языки программирования высокого уровня, в которых операторы представляют собой объявления или высказывания в символьной логике. Типичным примером таких языков являются языки логического программирования (языки, основанные на системе правил и фактов). Характерной особенностью декларативных языков является их декларативная семантика. Основная концепция декларативной семантики заключается в том, что смысл каждого оператора не зависит от того, как этот оператор используется в программе. Декларативная семантика намного проще семантики императивных языков, что может рассматриваться как преимущество декларативных языков над императивными.

Рисунок 2 Классификация языков программирования [21]

Логические языки

В программах на языках логического программирования соответствующие действия выполняются только при наличии необходимого разрешающего условия на вывод новых фактов из данных фактов согласно заданным логическим правилам. Логическое программирование основано на математической логике (см. «Логические операции. Кванторы», «Логические выражения»).

Первым языком логического программирования был язык Planner, он был разработан Карлом Хьюитом в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетсского технологического института в 1969 г. В этом языке была заложена возможность автоматического вывода (получения) результата из данных и заданных правил путем перебора вариантов (совокупность которых называлась планом). Но самым известным языком логического программирования является ПРОЛОГ, который был создан во Франции в Марсельском университете в 1971 г. Аленом Кольмеро (рисунок 3) [12].

---

Рисунок 3 Ален Кольмеро

Программа на языке ПРОЛОГ содержит две составные части: факты и правила. Факты представляют собой данные, с которыми оперирует программа, а совокупность фактов составляет базу данных ПРОЛОГа, которая, по сути, является реляционной базой данных. Основная операция, выполняемая над данными, – это операция сопоставления, называемая также операцией унификации или согласования. Правила состоят из заголовка и подцелей. Выполнение программы, написанной на ПРОЛОГе, начинается с запроса и состоит в доказательстве истинности некоторого логического утверждения в рамках заданной совокупности фактов и правил. Алгоритм этого доказательства (алгоритм логического вывода) и определяет принципы исполнения программы, написанной на ПРОЛОГе.

В отличие от программ, составленных на языках процедурного типа, предписывающих последовательность шагов, которые должен выполнять компьютер для решения задачи, на ПРОЛОГе программист описывает факты, правила, отношения между ними, а также запросы по проблеме.

Возможности применения языка ПРОЛОГ весьма обширны. Среди наиболее известных – применение в символической математике, планировании, автоматизированном проектировании, построении компиляторов, базах данных, обработке текстов на естественных языках. Но, наверное, самое характерное применение ПРОЛОГа – это экспертные системы [19].

На сегодняшний день существует целый класс логических языков; так, от языка Planner также произошли логические языки программирования QA–4, Popler, Conniver и QLISP. Языки программирования Mercury, Visual Prolog, Oz и Fril произошли уже от языка Prolog.

Функциональные языки

Первым языком функционального типа является язык ЛИСП, созданный в Массачусетсском технологическом институте в 1956–1959 гг. Джоном Маккарти (рисунок 4), который в 1956 г. на Дармутской конференции (США) впервые предложил термин «искусственный интеллект» [6].

Рисунок 4 Джон Маккарти

И хотя до сих пор не утихают споры вокруг этого термина и развившегося научного направления в его рамках, исследователи единодушны в использовании функциональных и логических языков для данной области. Значительное число работ по искусственному интеллекту реализовано на ЛИСПе.

После своего появления ЛИСПу присваивали много эпитетов, отражающих его черты: язык функций, символьный язык, язык обработки списков, рекурсивный язык. С позиций сегодняшней классификации ЛИСП определяется как язык программирования функционального типа, в основу которого положен метод –исчисления (метод –исчисления разработан в 30–е годы прошлого столетия А.Черчем в качестве строгой математической модели для вычислимых функций, см. «Теория алгоритмов»).

---