Эволюция языков программирования

Введение. Развитие вычислительной техники сопровождается созданием новых и совершенствованием существующих средств общения программистов с ЭВМ - языков программирования (ЯП).

Под ЯП понимают правила представления данных и записи алгоритмов их обработки, которые автоматически выполняются ЭВМ. В более абстрактном виде ЯП является средством создания программных моделей объектов и явлений внешнего мира.

К настоящему времени созданы десятки различных ЯП от самых примитивных до близких к естественному языку человека. Чтобы разобраться во всем многообразии ЯП, нужно знать их классификацию, а также историю создания, эволюцию и тенденции развития.

Движущие силы эволюции ЯП

Чтобы понимать тенденции развития ЯП, нужно знать движущие силы их эволюции. Для выяснения этого вопроса будем рассматривать ЯП с различных точек зрения.

Во-первых, ЯП является инструментом программиста для создания программ. Для создания хороших программ нужны хорошие ЯП. Поэтому одной из движущих сил эволюции ЯП является стремление разработчиков к созданию более совершенных программ.

Во-вторых, процесс разработки программы можно сравнивать с промышленным производством, в котором определяющими факторами являются производительность труда коллектива программистов, себестоимость и качество программной продукции. Создаются различные технологии разработки программ (структурное, модульное, объектно-ориентированное программирование и другие), которые должны поддерживаться ЯП. Поэтому второй движущей силой эволюции ЯП является стремление к повышению эффективности процесса производства программной продукции.

В-третьих, программы можно рассматривать как аналог радиоэлектронных устройств обработки информации, в которых вместо радиодеталей и микросхем используют конструкции ЯП (элементная база программы). Как и электронные устройства, программы могут быть простейшими (уровня детекторного приемника) и очень сложными (уровня автоматической космической станции), при этом уровень инструмента должен соответствовать сложности изделия. Кроме того, человеку удобнее описывать моделируемый объект в терминах предметной области, а не языком цифр. Поэтому третьей движущей силой, ведущей к созданию новых, специализированных, ориентированных на проблемную область и более мощных ЯП, является увеличение разнообразия и повышение сложности задач, решаемых с помощью ЭВМ.

В-четвертых, совершенствование самих ЭВМ приводит к необходимости создания языков, максимально реализующих новые возможности ЭВМ.

В-пятых, программы являются интеллектуальным продуктом, который нужно накапливать и приумножать. Но программы, как и технические изделия, обладают свойством морального старения, одной из причин которого является их зависимость от типа ЭВМ и операционной среды. С моральным старением программ борются путем их модернизации и выпуска новых версий, однако при высокой динамике смены типов ЭВМ и операционных сред разработчики будут только тем и заниматься, что модернизировать старые программы. Поэтому, ЯП должен обеспечивать продолжительный жизненный цикл программы, и стремление к этому является пятой движущей силой развития ЯП.

История развития ЯП

Известно, что первым программистом была женщина - леди Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона. Она разрабатывала программы для одного из первых механических компьютеров, созданного в начале прошлого века английским ученым Чарльзом Беббиджом. Однако настоящее программирование в современном понимании началось с момента создания первой электронной вычислительной машины. Но тем не менее, имя этой замечательной женщины - Ada - присвоено одному из самых мощных современных ЯП, который является базовым для министерства обороны США.

Первые ЭВМ, созданные человеком, имели небольшой набор команд и встроенных типов данных, но позволяли выполнять программы на машинном языке. Машинный язык (МЯ) - единственный язык, понятный ЭВМ. Он реализуется аппаратно: каждую команду выполняет некоторое электронное устройство. Программа на МЯ представляет собой последовательность команд и данных, заданных в цифровом виде. Например, команда вида 1А12 в 16-ричном виде или 0001101000010010 в двоичном виде означает операцию сложения ( 1А ) содержимого регистров 1 и 2.

Данные на МЯ представлены числами и символами. Операции являются элементарными и из них строится вся программа. Ввод программы в цифровом виде производился непосредственно в память с пульта ЭВМ либо с примитивных устройств ввода. Естественно, что процесс программирования был очень трудоемким, разобраться в программе даже автору было довольно сложно, а эффект от применения ЭВМ был довольно низким. Этот этап в развитии ЯП показал, что программирование является сложной проблемой, трудно поддающейся автоматизации, но именно программное обеспечение определяет в конечном счете эффективность применения ЭВМ. Поэтому на всех последующих этапах усилия направлялись на совершенствование интерфейса между программистом и ЭВМ - языка программирования.

Стремление программистов оперировать не цифрами, а символами, привело к созданию мнемонического языка программирования, который называют ассемблером, мнемокодом, автокодом. Этот язык имеет определенный синтаксис записи программ, в котором, в частности, цифровой код операции заменен мнемоническим кодом. Например, команда сложения записывается в виде AR 1, 2 и означает сложение ( A ddition) типа регистр-регистр ( R egister) для регистров 1 и 2. Теперь программа имеет более удобочитаемую форму, но ее не понимает ЭВМ. Поэтому понадобилось создать специальную программу транслятор, который преобразует программу с языка ассемблера на МЯ. Эта проблема потребовала, в свою очередь, глубоких научных исследований и разработки различных теорий, например теорию формальных языков, которые легли в основу создания трансляторов. Практически любой класс ЭВМ имеет свой язык ассемблера. На сегодняшний день язык ассемблера используется для создания системных программ, использующих специфические аппаратные возможности данного класса ЭВМ.

Следующий этап характеризуется созданием языков высокого уровня (ЯВУ). Эти языки являются универсальными (на них можно создавать любые прикладные программы) и алгоритмически полными, имеют более широкий спектр типов данных и операций, поддерживают технологии программирования. На этих языках создается неисчислимое множество различных прикладных программ.

Принципиальными отличиями ЯВУ от языков низкого уровня являются:

· использование переменных;

· возможность записи сложных выражений;

· расширяемость типов данных за счет конструирования новых типов из базовых;

· расширяемость набора операций за счет подключения библиотек подпрограмм;

· слабая зависимость от типа ЭВМ.

С усложнением ЯП усложняются и трансляторы для них. Теперь в набор инструментов программиста, кроме транслятора, входит текстовый редактор для ввода текста программ, отладчик для устранения ошибок, библиотекарь для создания библиотек программных модулей и множество других служебных программ. Все вместе это называется системой программирования. Наиболее яркими представителями ЯВУ являются FORTRAN, PL/1, Pascal, C, Basic, Ada.

Может возникнуть вопрос: почему создано столько различных языков одного класса? Почему нельзя создать один язык на все случаи жизни? Ответ на этот вопрос может быть таким же, как и на вопрос о различных языках народов мира: так уж получилось. Каждый из разработчиков ЯВУ стремился создать самый лучший и самый универсальный язык, который позволял бы быстро получать самые эффективные, надежные и безошибочные программы. Однако в процессе этого поиска выяснилось, что дело не в самом языке, а в технологии его использования. Поэтому дальнейшее развитие языков стало определяться новыми технологиями программирования.

Одновременно с развитием универсальных ЯВУ стали развиваться проблемно-ориентированные ЯП, которые решали экономические задачи ( COBOL ), задачи реального времени ( Modula-2, Ada ), символьной обработки ( Snobol ), моделирования ( GPSS, Simula, SmallTalk ), численно-аналитические задачи ( Analitic ) и другие. Эти специализированные языки позволяли более адекватно описывать объекты и явления реального мира, приближая язык программирования к языку специалиста в проблемной области.

Другим направлением развития ЯП является создание языков сверхвысокого уровня (ЯСВУ). На языке высокого уровня программист задает процедуру (алгоритм) получения результата по известным исходным данным, поэтому они называются процедурными ЯП. На ЯСВУ программист задает отношения между объектами в программе, например систему линейных уравнений, и определяет, что нужно найти, но не задает как получить результат. Такие языки еще называют непроцедурными, т.к. сама процедура поиска решения встроена в язык (в его интерпретатор). Такие языки используются, например, для решения задач искусственного интеллекта ( Lisp, Prolog ) и позволяют моделировать мыслительную деятельность человека в процессе поиска решений.

К непроцедурным языкам относят и языки запросов систем управления базами данных ( QBE, SQL ).

Классификация ЯП

Исходя из вышесказанного, ЯП можно классифицировать по следующим признакам.

1. По степени ориентации на специфические возможности ЭВМ ЯП делятся на:

· машинно-зависимые;

· машинно-независимые.

К машинно-зависимым ЯП относятся машинные языки, ассемблеры и автокоды, которые используются в системном программировании. Программа на машинно-зависимом ЯП может выполняться только на ЭВМ данного типа. Программа на машинно-независимом ЯП после трансляции на машинный язык становится машинно-зависимой. Этот признак ЯП определяет мобильность получаемых программ (возможность переноса на ЭВМ другого типа).

2. По степени детализации алгоритма получения результата ЯП делятся на:

· языки низкого уровня;

· языки высокого уровня;

· языки сверхвысокого уровня.

3. По степени ориентации на решение определенного класса задач:

· проблемно-ориентированные;

· универсальные.

4. По возможности дополнения новыми типами данных и операциями:

· расширяемые;

· нерасширяемые.

5. По возможности управления реальными объектами и процессами:

· языки систем реального времени;

· языки систем условного времени.

6. По способу получения результата:

· процедурные;

· непроцедурные.

7. По типу решаемых задач:

· языки системного программирования;

· языки прикладного программирования.

8. Непроцедурные языки по типу встроенной процедуры поиска решений делятся на:

· реляционные;

· функциональные;

· логические.

Рассмотренная схема классификации позволяет каждому ЯП присвоить один из признаков каждого класса.

Тенденции развития ЯП

Рассмотренная схема классификации ЯП позволяет сделать вывод о том, что ЯП обладают определенной специализацией. Поэтому рассмотрим тенденции развития классов ЯП.

Языки системного программирования, на которых создаются операционные системы, трансляторы и другие системные программы, развиваются в направлении повышения их уровня и независимости от ЭВМ. На сегодняшний день почти 90% системного программного обеспечения создается не на языке ассемблера, а на языке C. Например, операционная система Unix практически полностью написана на C. Язык C позволяет получать программы, сравнимые по своей эффективности с программами, написанными на языке ассемблера. Правда, объем программ получается больше, но зато эффективность их создания гораздо выше.

Машинная независимость достигается использованием стандарта языка, поддерживаемого всеми разработчиками трансляторов, и использованием так называемых кросс-систем для эквивалентного преобразования программ с одного языка низкого уровня на другой.

Другим направлением является повышение уровня самого машинного языка. Например, известны Lisp -машины, в которых машинным языком является язык Lisp (реализован аппаратно). Другим примером являются ЭВМ 5-го поколения с машинным языком искусственного интеллекта Prolog.

ЯВУ развиваются в направлении поддержки технологий программирования, обеспечения низкоуровневых операций (уровня ассемблера), обеспечения новых информационных технологий (НИТ) и независимости от среды реализации. Следует сказать, что по своим возможностям ЯВУ постепенно сближаются и программисту на C все труднее становится спорить о преимуществах языка C с программистом, работающим на языке Basic.

Тотальный бум переживает технология объектно-ориентированного программирования (ООП): практически все современные ЯВУ поддерживают ООП. Да и все современные программные системы построены на принципах ООП, и сегодня каждый программирующий студент знает, что такое инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Для обозначения факта поддержки ООП языки получают приставку Object (например, ObjectPascal ) или другие (например, C++ ).

Windows, сети ЭВМ, серверы, базы данных и Internet, как основа НИТ, оказывают сильнейшее влияние на современные ЯП. Разработчики ЯП просто обязаны включать в языки средства поддержки НИТ, чтобы привлечь программистов на свою сторону. Для поддержки Windows создаются системы визуального программирования с приставкой Visual, например Visual C++, Visual Basic и др. Для работы с БД, сетями и Internet в ЯП включаются специальные внутренние или внешние средства.

Стремление к созданию программ, независимых от типа ЭВМ и операционной системы, привело к созданию языка Java. Основная задача Java - обеспечить выполнение программ, распространяемых через Web -страницы Internet, на любой рабочей станции. Кроме того, Java поддерживает все средства НИТ и в ближайшее время, очевидно, станет самым популярным ЯП.

Популярность языков искусственного интеллекта за последние 5 лет, к сожалению, заметно упала. На мой взгляд это связано прежде всего с психологическими проблемами, которые испытывают программисты при использовании этих языков. Например, в мощнейшем языке Lisp программа имеет очень сложную для понимания списочную структуру и небольшой по объему проект очень быстро выходит из под контроля. В языке Prolog программист должен точно знать логику работы встроенной машины логического вывода, а работа программы зависит от структуры и содержимого базы знаний (БЗ). Если с проектированием программы и структуры БЗ программист справляется, то для заполнения БЗ он должен быть экспертом в предметной области либо тесно контактировать с экспертом и извлекать из него знания, а то и другое является сложной задачей.

Поэтому необходимы дополнительные обеспечивающие средства для возврата популярности этих языков.

Заключение. Изучение вопросов эволюции ЯП призвано облегчить программисту выбор языка для решения определенных задач. Однако следует осознавать, что не все мы полиглоты и не нужно изучать все существующие ЯП - достаточно изучать по одному языку каждого класса по мере необходимости, так как в процессе эволюции все языки одного класса сближаются. И помните главное: лучший язык тот, который знаешь в совершенстве.

Трансляторы

Так как текст записанной на языке высокого уровня программы не понятен компьютеру, то требуется перевести его на машинный язык. Такой перевод программы с языка программирования на язык машинных кодов называется трансляцией, а выполняется он специальными программами — трансляторами.

Существует три вида трансляторов: интерпретаторы, компиляторы и ассембле­ры.

Интерпретатором называется транслятор, производящий пооператорную (покомандную) обработку и выполнение исходной программы.

Компилятор преобразует (транслирует) всю программу в модуль на машин­ном языке, после этого программа записывается в память компьютера и лишь по­том исполняется.

Ассемблеры переводят программу, записанную на языке ассемблера (автоко­да), в программу на машинном языке.

Любой транслятор решает следующие основные задачи:

• анализирует транслируемую программу, в частности определяет, содержит ли она синтаксические ошибки;

• генерирует выходную программу (ее часто называют объектной или рабочей) на языке команд ЭВМ (в некоторых случаях транслятор генерирует выходную про­грамму на промежуточном языке, например, на языке ассемблера);

• распределяет память для выходной программы (в простейшем случае это заключается в назначении каждому фрагменту программы, переменным, константам, массивам и другим объектам своих адресов участков памяти).

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: