Язык программирования

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Язы́к программи́рования — 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.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало более восьми тысяч языков программирования (включая абстрактные и нестандартные языки)[1]. Каждый год их число увеличивается. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты иногда применяют в своей работе более десятка разнообразных языков программирования.

Создатели языков по-разному толкуют понятие язык программирования. К наиболее распространённым утверждениям, признаваемым большинством разработчиков, относятся следующие:[источник не указан 1841 день]

  • Функция: язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые применяются для передачи компьютеру инструкций по выполнению того или иного вычислительного процесса и организации управления отдельными устройствами.
  • Задача: язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для передачи команд и данных от человека к компьютеру, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой. Можно обобщить определение «языков программирования» — это способ передачи команд, приказов, чёткого руководства к действию; тогда как человеческие языки служат также для обмена информацией.
  • Исполнение: язык программирования может использовать специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.

Историческая справка[править | править вики-текст]

Ранние этапы развития[править | править вики-текст]

Можно сказать, что первые языки программирования возникали еще до появления современных электронных вычислительных машин: уже в XIX веке были изобретены устройства, которые можно с долей условности назвать программируемыми — к примеру, механические пианино и ткацкие станки. Для управления ими использовались наборы инструкций, которые в рамках современной классификации можно назвать предметно-ориентированными языками программирования. К началу XX века для кодирования данных и управления разнообразными механическими операциями начали применяться перфокарты. Позднее, в 19301940 годах, А. Чёрч и А. Тьюринг разработали математические абстракции — лямбда-исчисление и машину Тьюринга соответственно — для формализации алгоритмов; первая из упомянутых абстракций сохраняет свое влияние на построение языков программирования и по сей день[2].

В это же время, в 1940-е годы, появились электрические цифровые компьютеры и был разработан язык, который можно считать первым высокоуровневым языком программирования для ЭВМ — «Plankalkül», созданный немецким инженером К. Цузе в период с 1943 по 1945 годы[3]. Строилось программное обеспечение и для американского компьютера «Марк-1»; одна из активных участниц этого процесса, программист Грейс Хоппер, впоследствии разработала первый компилятор для языков программирования.

Программисты ЭВМ начала 1950-х годов, в особенности таких, как UNIVAC и IBM 701, при создании программ пользовались непосредственно машинным языком, который принято считать языком программирования первого поколения. Вскоре на смену такому методу программирования пришло применение языков второго поколения, также ограниченных спецификациями конкретных машин, но более простых для запоминания. Они традиционно известны под наименованием языков ассемблера (автокодов). Позднее, к концу десятилетия, языки второго поколения были усовершенствованы: в них появилась поддержка макрокоманд. Одновременно с этим начали появляться уже и языки третьего поколения, называемые еще  — такие, как Фортран, Лисп и Кобол[4]. Языки программирования этого типа более абстрактны и универсальны, не имея жесткой зависимости от конкретной аппаратной платформы и используемых на ней машинных команд. Обновленные версии перечисленных языков до сих пор имеют хождение в разработке программного обеспечения, и каждый из них оказал определенное влияние на последующее развитие языков программирования[5]. Тогда же, в конце 1950-х годов, появился Алгол, также послуживший основой для ряда дальнейших разработок в этой сфере. Необходимо заметить, что на формат и применение ранних языков программирования в значительной степени влияли интерфейсные ограничения[6].

Совершенствование[править | править вики-текст]

В период 1960-х — 1970-х годов были разработаны основные парадигмы языков программирования, используемые в настоящее время, хотя во многих аспектах этот процесс представлял собой лишь улучшение идей и концепций, заложенных еще в первых языках третьего поколения.

Каждый из этих языков породил по семейству потомков, и большинство современных языков программирования в конечном счете основано на одном из них.

Кроме того, в 1960 — 1970х годах активно велись споры о необходимости поддержки структурного программирования в тех или иных языках[9]. В частности, голландский специалист Э. Дейкстра выступал в печати с предложениями о полном отказе от использования инструкций GOTO во всех высокоуровневых языках. Развивались также приемы, направленные на сокращение объема программ и повышение продуктивности работы программиста и пользователя; в итоге наборы инструкций на языках четвертого поколения уже требовали существенно меньшего количества перфокарт для их записи, нежели аналогичные программы на языках третьего поколения.

Объединение и развитие[править | править вики-текст]

В 1980-е годы наступил период, который можно условно назвать временем консолидации. Язык С++ объединил в себе черты объектно-ориентированного и системного программирования, правительство США стандартизировало язык Ада, производный от Паскаля и предназначенный для использования в бортовых системах управления военными объектами, в Японии и других странах мира осуществлялись значительные инвестиции в изучение перспектив так называемых языков пятого поколения, которые включали бы в себя конструкции логического программирования[10]. Сообщество функциональных языков приняло в качестве стандарта ML и Лисп. В целом этот период характеризовался скорее опорой на заложенный в предыдущем десятилетии фундамент, нежели разработкой новых парадигм.

Важной тенденцией, которая наблюдалась в разработке языков программирования для крупномасштабных систем, было сосредоточение на применении модулей — объемных единиц организации кода. Хотя некоторые языки, такие, как ПЛ/1, уже поддерживали соответствующую функциональность, модульная система нашла свое отражение и применение также и в языках Модула-2, Оберон,Ада и ML. Часто модульные системы объединялись с конструкциями обобщенного программирования[11].

В 1990-х годах в связи с активным развитием Интернета распространение получили языки, позволяющие создавать сценарии для веб-страниц — главным образом Perl, развившийся из скриптового инструмента для Unix-систем, и Java. Возрастала также и популярность технологий виртуализации. Эти изменения, однако, также не представляли собой фундаментальных новаций, являясь скорее совершенствованием уже существовавших парадигм и языков (в последнем случае — главным образом семейства Си).

В настоящее время развитие языков программирования идет в направлении повышения безопасности и надежности, создания новых форм модульной организации кода и интеграции с базами данных.

Стандартизация языков программирования[править | править вики-текст]

Язык программирования может быть представлен в виде набора спецификаций, определяющих его синтаксис и семантику.

Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные стандарты. Специальные организации проводят регулярное обновление и публикацию спецификаций и формальных определений соответствующего языка. В рамках таких комитетов продолжается разработка и модернизация языков программирования и решаются вопросы о расширении или поддержке уже существующих и новых языковых конструкций.

Типы данных[править | править вики-текст]

Современные цифровые компьютеры являются двоичными и данные хранят в двоичном (бинарном) коде (хотя возможны реализации и в других системах счисления). Эти данные как правило отражают информацию из реального мира (имена, банковские счета, измерения и др.), представляющую высокоуровневые концепции.

Особая система, по которой данные организуются в программе, — это система типов языка программирования; разработка и изучение систем типов известна под названием теория типов. Языки можно поделить на имеющие статическую типизацию и динамическую типизацию, а также бестиповые языки (например, Forth).

Статически типизированные языки могут быть в дальнейшем подразделены на языки с обязательной декларацией, где каждая переменная и объявление функции имеет обязательное объявление типа, и языки с выводимыми типами. Иногда динамически типизированные языки называют латентно типизированными.

Структуры данных[править | править вики-текст]

Системы типов в языках высокого уровня позволяют определять сложные, составные типы, так называемые структуры данных. Как правило, структурные типы данных образуются как декартово произведение базовых (атомарных) типов и ранее определённых составных типов.

Основные структуры данных (списки, очереди, хеш-таблицы, двоичные деревья и пары) часто представлены особыми синтаксическими конструкциями в языках высокого уровня. Такие данные структурируются автоматически.

Семантика языков программирования[править | править вики-текст]

Существует несколько подходов к определению семантики языков программирования.

Наиболее широко распространены разновидности следующих трёх: операционного, деривационного (аксиоматического) и денотационного (математического).

  • При описании семантики в рамках операционного подхода обычно исполнение конструкций языка программирования интерпретируется с помощью некоторой воображаемой (абстрактной) ЭВМ.
  • Деривационная семантика описывает последствия выполнения конструкций языка с помощью языка логики и задания пред- и постусловий.
  • Денотационная семантика оперирует понятиями, типичными для математики — множества, соответствия, а также суждения, утверждения и др.

Парадигма программирования[править | править вики-текст]

Язык программирования строится в соответствии с той или иной базовой моделью вычислений и парадигмой программирования.

Несмотря на то, что большинство языков ориентировано на императивную модель вычислений, задаваемую фон-неймановской архитектурой ЭВМ, существуют и другие подходы. Можно упомянуть языки со стековой вычислительной моделью (Форт, Factor, PostScript и др.), а также функциональное (Лисп, Haskell, ML, F#, РЕФАЛ, основанный на модели вычислений, введённой советским математиком А. А. Марковым-младшим и др.) и логическое программирование (Пролог).

В настоящее время также активно развиваются декларативные и визуальные языки программирования, а также методы и средства разработки проблемно-специфичных языков (см. Языково-ориентированное программирование).

Способы реализации языков[править | править вики-текст]

Языки программирования могут быть реализованы как компилируемые и интерпретируемые.

Программа на компилируемом языке при помощи компилятора (особой программы) преобразуется (компилируется) в машинный код (набор инструкций) для данного типа процессора и далее собирается в исполнимый модуль, который может быть запущен на исполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит исходный текст программы с языка программирования высокого уровня в двоичные коды инструкций процессора.

Если программа написана на интерпретируемом языке, то интерпретатор непосредственно выполняет (интерпретирует) исходный текст без предварительного перевода. При этом программа остаётся на исходном языке и не может быть запущена без интерпретатора. Процессор компьютера, в этой связи, можно назвать интерпретатором для машинного кода.

Разделение на компилируемые и интерпретируемые языки является условным. Так, для любого традиционно компилируемого языка, как, например, Паскаль, можно написать интерпретатор. Кроме того, большинство современных «чистых» интерпретаторов не исполняют конструкции языка непосредственно, а компилируют их в некоторое высокоуровневое промежуточное представление (например, с разыменованием переменных и раскрытием макросов).

Для любого интерпретируемого языка можно создать компилятор — например, язык Лисп, изначально интерпретируемый, может компилироваться без каких бы то ни было ограничений. Создаваемый во время исполнения программы код может так же динамически компилироваться во время исполнения.

Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем, при каждом изменении текста программы требуется её перекомпиляция, что замедляет процесс разработки. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция.

Интерпретируемые языки обладают некоторыми специфическими дополнительными возможностями (см. выше), кроме того, программы на них можно запускать сразу же после изменения, что облегчает разработку. Программа на интерпретируемом языке может быть зачастую запущена на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий.

Однако интерпретируемые программы выполняются заметно медленнее, чем компилируемые, кроме того, они не могут выполняться без программы-интерпретатора.

Некоторые языки, например, Java и C#, находятся между компилируемыми и интерпретируемыми. А именно, программа компилируется не в машинный язык, а в машинно-независимый код низкого уровня, байт-код. Далее байт-код выполняется виртуальной машиной. Для выполнения байт-кода обычно используется интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету» (Just-in-time compilation, JIT). Для Java байт-код исполняется виртуальной машиной Java (Java Virtual Machine, JVM), для C# — Common Language Runtime.

Подобный подход в некотором смысле позволяет использовать плюсы как интерпретаторов, так и компиляторов. Следует упомянуть, что есть языки, имеющие и интерпретатор, и компилятор (Форт).

Языки программирования низкого уровня[править | править вики-текст]

Первые компьютеры приходилось программировать двоичными машинными кодами. Однако программировать таким образом — довольно трудоемкая и тяжелая задача. Для упрощения этой задачи начали появляться языки программирования низкого уровня, которые позволяли задавать машинные команды в понятном для человека виде. Для преобразования их в двоичный код были созданы специальные программы — трансляторы.

Трансляторы делятся на:

компиляторы — превращают текст программы в машинный код, который можно сохранить и после этого использовать уже без компилятора (примером является исполняемые файлы с расширением *.exe) .

интерпретаторы — превращают часть программы в машинный код, выполняют его и после этого переходят к следующей части. При этом каждый раз при выполнении программы используется интерпретатор .

Примером языка низкого уровня является ассемблер. Языки низкого уровня ориентированы на конкретный тип процессора и учитывают его особенности, поэтому для переноса программы на ассемблере на другую аппаратную платформу ее нужно почти полностью переписать. Определенные различия есть и в синтаксисе программ под разные компиляторы. Правда, центральные процессоры для компьютеров фирм AMD и Intel практически совместимы и отличаются лишь некоторыми специфическими командами. А вот специализированные процессоры для других устройств, например, видеокарт и телефонов содержат существенные различия.

Языки низкого уровня, как правило, используют для написания небольших системных программ, драйверов устройств, модулей стыков с нестандартным оборудованием, программирование специализированных микропроцессоров, когда важнейшими требованиями являются компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам.

Ассемблер — язык низкого уровня, широко применяется до сих пор.

Языки программирования высокого уровня[править | править вики-текст]

Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому созданные приложения легко переносятся с компьютера на компьютер. В большинстве случаев достаточно просто перекомпилировать программу под определенную компьютерную архитектурную и операционную систему. Разрабатывать программы на таких языках значительно проще и ошибок допускается меньше. Значительно сокращается время разработки программы, что особенно важно при работе над большими программными проектами .

Сейчас в среде разработчиков считается, что языки программирования, которые имеют прямой доступ к памяти и регистров или имеют ассемблерные вставки, нужно считать языками программирования с низким уровнем абстракции. Поэтому большинство языков, считавшихся языками высокого уровня до 2000 года сейчас уже таковыми не считаются.

Недостатком некоторых языков высокого уровня является большой размер программ в сравнении с программами на языках низкого уровня. С другой стороны, для алгоритмически и структурно сложных программ при использовании суперкомпиляции преимущество может быть на стороне языков высокого уровня. Сам текст программ на языке высокого уровня меньше, однако, если взять в байтах, то код, изначально написанный на ассемблере, будет более компактным. Поэтому в основном языки высокого уровня используются для разработки программного обеспечения компьютеров и устройств, которые имеют большой объем памяти. А разные подвиды ассемблера применяются для программирования других устройств, где критичным является размер программы.

Используемые символы[править | править вики-текст]

Современные языки программирования рассчитаны на использование ASCII, то есть доступность всех графических символов ASCII является необходимым и достаточным условием для записи любых конструкций языка. Управляющие символы ASCII используются ограниченно: допускаются только возврат каретки CR, перевод строки LF и горизонтальная табуляция HT (иногда также вертикальная табуляция VT и переход к следующей странице FF).

Ранние языки, возникшие в эпоху 6-битных символов, использовали более ограниченный набор. Например, алфавит Фортрана включает 49 символов (включая пробел): A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 = + - * / () . , $ ' :

Заметным исключением является язык APL, в котором используется очень много специальных символов.

Использование символов за пределами ASCII (например, символов KOI8-R или символов Юникода) зависит от реализации: иногда они разрешаются только в комментариях и символьных/строковых константах, а иногда и в идентификаторах. В СССР существовали языки, где все ключевые слова писались русскими буквами, но большу́ю популярность подобные языки не завоевали (исключение составляет Встроенный язык программирования 1С:Предприятие).

Расширение набора используемых символов сдерживается тем, что многие проекты по разработке программного обеспечения являются международными. Очень сложно было бы работать с кодом, где имена одних переменных записаны русскими буквами, других — арабскими, а третьих — китайскими иероглифами. Вместе с тем, для работы с текстовыми данными языки программирования нового поколения (Delphi 2006, C#, Java) поддерживают Unicode.

Категории языков программирования[править | править вики-текст]

Математически обоснованные языки программирования[править | править вики-текст]

Ряд известных авторов[12][13] выделяют в особую категорию «языки, наследованные от математики» (англ. mathematically-derived languages). Алан Кэй также отделяет языки, являющиеся «стилем во плоти» (crystalization of style) от прочих языков, являющихся «склеиванием возможностей» (agglutination of features)[14].

Это языки, семантика которых является непосредственным воплощением некой математической модели, незначительно адаптированной (без нарушения целостности) для того, чтобы быть более практичным языком для разработки реальных программ. Лишь некоторые языки попадают под эту категорию, большинство языков проектируются приоритетно исходя из возможности эффективной трансляции в машину Тьюринга, и имеют лишь некое подмножество в своём составе, воплощающее ту или иную математическую модель — от арифметики до средств параллелизма (например, Occam-π[en] — это Occam, дополненный набором конструкций, воплощающих \pi-исчисление)..

Примеры математически обоснованных языков и воплощаемых ими математических моделей:

  • APL и его потомки (J, K) — оригинальная семантика, не имеющая названия, воплощающая нотацию Айверсона для исчисления массивов (часто встречается термин «array languages»).

Наличие математического обоснования для языка может гарантировать (или, как минимум, обещать с очень высокой вероятностью) некоторые или все из следующих положительных свойств:

  • Обеспечение потенциально более высокой эффективности программ. Даже если семантика языка далека от архитектуры целевой платформы компиляции, к нему могут быть примененимы формальные методики глобального анализа программ (хотя трудоёмкость написания даже тривиального транслятора может оказаться выше). Например, для языков Scheme и Standard ML существуют развитые глобально-оптимизирующие компиляторы (вплоть до суперкомпиляторов), результат работы которых может уверенно конкурировать по скорости с языком низкого уровня Си и даже опережать последний (хотя ресурсоёмкость работы самих компиляторов оказывается значительно выше). Одна из самых быстрых СУБД — KDB[17] — написана на языке K. Язык Scala (унаследовавший математику от ML) обеспечивает на платформе JVM более высокую скорость, чем «родной» для неё язык Java. С другой стороны, Forth имеет репутацию одного из самых нетребовательных к ресурсам языков (менее требователен, чем Си) и используется для разработки приложений реального времени под самые маломощные ЭВМ; кроме того, транслятор Форта является одним из наименее трудоёмких в реализации на ассемблере.
  • Заранее известный (неограниченный или, наоборот, чётко очерченный) предел роста сложности программных компонентов, систем и комплексов, которые можно выразить средствами этого языка с сохранением показателей качества[12][18]. Языки, не имеющие математического обоснования (а именно такие наиболее часто применяются в мейнстриме: C++, Java, C#, Delphi и др.), на практике ограничивают реализуемую функциональность и/или снижают качество по мере усложнения системы[19], так как им присущи экспоненциальные кривые роста сложности как касательно работы одного отдельно взятого человека, так и касательно сложности управления проектом в целом[20][21]. Прогнозируемая сложность системы приводит либо к поэтапной декомпозиции проекта на множество более мелких задач, каждая из которых решается соответствующим языком; либо к языково-ориентированному программированию для случая, когда адресуемой языком задачей является как раз описание семантик и/или символьные вычисления (Lisp, ML, Haskell, Рефал, Регулярные выражения). Языки с неограниченным пределом роста сложности программ нередко относят к метаязыкам (что в непосредственном толковании термина не верно, но практике сводимо, так как всякий мини-язык, выбранный для решения некоторой подзадачи в составе общей задачи, может быть представлен в виде синтаксического и семантического подмножества данного языка, не требуя трансляции[22]).
  • Удобство для человека при решении задач, на которые этот язык ориентирован по своей природе (см. предметно-специфичный язык), что в некоторой степени также способно (косвенно) повлиять на повышение стабильности результирующих программ за счёт повышения вероятности обнаружения ошибок в исходном коде и снижения дублирования кода.

Следует иметь ввиду, что языки, наследованные от «наследованных от математики» уже не обязательно будут обладать этими свойствами. Например, язык Python соединяет в себе несколько упомянутых моделей, но для их совмещения не существует обоснования, поэтому он не может считаться «наследованным от математики», и, как следствие, ему присуще лишь последнее из указанных свойств.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Список языков программирования (англ.).  ??? (???). Проверено ???. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  2. Pierce Benjamin C. Types and Programming Languages. — MIT Press, 2002. — P. 52. — ISBN 0-262-16209-1
  3. Rojas, Raúl, et al. (2000). «Plankalkül: The First High-Level Programming Language and its Implementation». Institut für Informatik, Freie Universität Berlin, Technical Report B-3/2000. (full text)
  4. Linda Null, Julia Lobur, The essentials of computer organization and architecture, Edition 2, Jones & Bartlett Publishers, 2006, ISBN 0-7637-3769-0, p. 435
  5. O'Reilly Media. History of programming languages (PDF). Проверено 5 октября 2006. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  6. Frank da Cruz. IBM Punch Cards Columbia University Computing History.
  7. Richard L. Wexelblat: History of Programming Languages, Academic Press, 1981, chapter XIV.
  8. François Labelle. Programming Language Usage Graph. SourceForge. Проверено 21 июня 2006. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  9. (2006) «The Semicolon Wars». American Scientist 94 (4): 299–303.
  10. Tetsuro Fujise, Takashi Chikayama, Kazuaki Rokusawa, Akihiko Nakase (December 1994). «KLIC: A Portable Implementation of KL1» Proc. of FGCS '94, ICOT Tokyo, December 1994. http://www.icot.or.jp/ARCHIVE/HomePage-E.html KLIC is a portable implementation of a concurrent logic programming language KL1.
  11. Jim Bender. Mini-Bibliography on Modules for Functional Programming Languages. ReadScheme.org (15 марта 2004). Проверено 27 сентября 2006. Архивировано из первоисточника 10 мая 2013.
  12. 1 2 Andrew W. Appel A Critique of Standard ML. — Princeton University, revised version of CS-TR-364-92, 1992.
  13. Greg Nelson Systems Programming with Modula-3. — NJ: Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1991. — 288 с. — ISBN 978-0135904640
  14. Алан Кэй The Early History of Smalltalk. — Apple Computer, ACM SIGPLAN Notices, vol.28, №3, March 1993.
  15. Thomas Noll, Chanchal Kumar Roy Modeling Erlang in the Pi–Calculus. — ACM 1-59593-066-3/05/0009, 2005.
  16. Design Principles Behind Smalltalk
  17. kx : Calibrated performance
  18. Luca Cardelli Typeful programming. — IFIP State-of-the-Art Reports, Springer-Verlag, 1991.
  19. Mаrtin Ward Language Oriented Programming. — Computer Science Department, Science Labs, 1994.
    « There is a fundamental limit to complexity of any software system for it to be still manageable: if it requires more than "one brainfull" of information to understand a component of the system, then that component will not be understood fully. It will be extremely difficult to make enhancements or fix bugs, and each fix is likely to introduce further errors due to this incomplete knowledge. »
  20. Фредерик Брукс Мифический человеко-месяц или Как создаются программные системы. — Addison-Wesley, 1975. — ISBN ISBN 5-93286-005-7
  21. Роберт Гласс Факты и заблуждения профессионального программирования. — "Символ-Плюс", 2007. — 240 с. — ISBN 5-93286-092-8, 978-5-93286-092-2
  22. Czarnecki, O’Donnell, Striegnitz, Taha - DSL implementation in metaocaml, template haskell, and C++, 2004

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

  • The Language List (англ.) — более 2500 языков с кратким описанием
  • Computer Languages History (англ.) — история языков программирования (с 1954 по май 2004) (содержит регулярно обновляемую диаграмму)