За 60 с лишним лет развития ЭВМ были разработаны сотни языков программирования,
многие из которых используются и сейчас (например Бейсик и Фортран были впервые
применены уже в конце 1950-х годов), ежегодно появляется несколько новых языков
промышленного применения (не считая десятков экспериментальных).
Для того, чтобы разобраться в них, языки классифицируют по важнейшим признакам:
эволюционным - поколения языков (1GL, 2GL, 3GL, 4GL, 5GL...);
функциональным - по назначению, исполняемым функциям (описательные, логические, математические);
уровню языка - то есть уровню обобщения в словах-операторах языка (низкого, среднего, высокого...);
области применения - то есть где применяется язык (системные, сетевые, встроенные и пр.
Все типы классификаций естественным образом пересекаются, гармонируют между
собой, что мы увидим при рассмотрении этих классификаций, что при понимании
этого позволит легко разобраться в любом новом языке - его назначении,
возможностях, технике освоения.
Базовая иерархия языков программирования
Базовая иерархия языков программирования является системно-параллельной иерархией, то есть пакета тесно связанных иерархий: этапов программирования, поколений языков программирования и самих языков - протоколов преобразования структурной и алгоритмической информации: структурно-дескриптивного описания данных и алгоритма их обработки. Поэтому все языки деялтся на два полярных типа: дескриптивные (декларативные) и алгоритмические (командные). Однако, так как в любом алгоритме существует необходимость описания данных и структур, а в любой конструкции — порядок её сборки, то реальные языки являются частично декларативными, а частично алгоритмическими, что отражается в наличии описательной и командной (рецептурной) частей любой компьютерной программы.
Рассмотрение пакета параллельных иерархий языков программирования целесообразно начинать с иерархии этапов программирования.
Этап 1.
Постановка задачи программирования
-
включает формализацию цели программирования, часто количественно-математическую,
но всегда — формально-логическую, позволяющую осуществить все последующие этапы
и достичь поставленной цели программирования после выполнения его этапов.
Этап 2.
Алгоритмизация
-
включает построение блок-схемы алгоритма, то есть
последовательных шагов обработки данных и структуры самих данных для работы
программы.
Этап 3.
«Кодирование»
-
(от ам. Традиционного слэнга «coding») - написание текста программы на базовом текстовом языке программирования, который может быть понятен транслятору — программе, преобразующей текст в бинарный код.
Этап 4.
Трансляция
-
перевод программы в бинарный «объектный» код, производимая транслятором без участия человека, не считая процесса отладки.
Этап 5.
Сборка исполняемого модуля программы
-
представляет собой автоматическую стыковку всех объектных модулей, необходимых для получения работающей программы — последовательности команд процессора компьютера, на котором выполняется задуманный алгоритм в виде двоичного кода, понятного процессору.
Первый этап программирования — это наиболее общий, высший иерархический уровень процесса программирования, а пятый — выполняемый автоматически компьютером — низший. Здесь к мету заметить, что отношение программистов к этим этапам сразу определяет и иерархическое положение программиста. Самоучки, любители, фрилансеры часто пропускают 2 первых этапа программирования, что часто превращает их труд в «мартышкин» - программа либо не работает, либо выполняет не то, что хотел программист. Грамотные техники-программисты (уровень колледжа) обычно начинают со второго этапа, так как первый — постановку задачи им дает руководитель проекта.
Перечисленные этапы программирования в точности соответствуют поколениям языков (generation of languages, GL) — иерархии компьютерных языков, только в обратном порядке.
Поколения языков (Generations of Languages)
Поколение 1GL.
Машинные языки, языки низкого уровня
-
двоичные языки процессоров, представляющие собой набор (алфавит) команд, записанных в двоичном коде (0,1), которые данный процессор может выполнить непосредственно, если эти команды ввести в его память в виде последовательности или сразу подать в арифметическо-логическое устройство процессора. Примеры: язык процессора IBM-PC, язык ARM-процессора.
Поколение 2GL.
Ассемблеры, автокоды, системные языки, языки среднего уровня
-
текстовые языки, понятные человеку и однозначно переводимые (транслируемые) в языки низкого уровня, то есть машинный двоичный код. Программирование на 2GL на порядок производительнее, чем на 1GL, так как более удобны для человеческого восприятия. Примеры: Макроссемблер, С, PL/1.
Поколение 3GL.
Языки высокого уровня
-
текстовые языки, приближенные по словарю и синтаксису к человеческому языку (обычно утрированному английскому, пиндосу), позволяющие записывать программные конструкции в форме, удобной для человеческого мышления и подобные обычному тексту — конспекту, стенограмме. Программирование на 3GL на порядок производительнее, чем на 2GL, так как более удобны для человеческого восприятия и на порядок короче ассемблерных. Примеры: бейсик, фортран, PHP и практически все сетевые языки.
Поколение 4GL.
Языки визуального программирования
-
языки блок-схем, позволяющие отображать алгоритмы в программных проектах, что облегчает создание и анализ алгоритмов. Программирование на 4GL на порядок производительнее, чем на 3GL. Примеры: RAD-системы, CAD-пакеты, OLAP-системы.
Поколение 5GL.
Интеллектуальные языки программирования
-
позволяют передать функцию создания алгоритмов компьютеру, а за человеком оставить лишь постановку задачи. Программирование на 5GL на порядок производительнее, чем на 4GL. Примеры: система MatCAD, экспертные системы.
Заметим, что увеличение производительности труда программиста оборачивается увеличением нагрузки на процессор и память, то есть компьютерная программа, полученная средствами каждого следующего поколения имеет на порядок большую длину исполняемого кода, а значит, расхода вычислительных ресурсов и памяти компьютера, то есть выполняется намного медленнее на том же самом компьютере или требует намного более быстрого процессора.
Хотя поколения языков, естественно, сложились исторически, это не означает, что ранние поколения себя изжили. Они применяются в своих нишах, например, для программирования простейших устройств, имеющих минимум памяти, типа банковских карт, микроконтроллеров бытовых и промышленных устройств применим только машинный код, ибо языкам высоких уровней там «не развернуться». В системном программировании наилучшие результаты дают языки 2GL, ибо в этой сфере важна скорость выполнения и компактность кода. Для обработки текста и сетевых задач оптимальными являются языки 3GL.
Непосредственно связанной с иерархией поколений языков является так называемая «Стандартная модель OSI», описывающая 7 уровней иерархии протоколов (языков) сетевого обмена информацией, рассмотренная ниже.
Функциональная классификация языков программирования
Существующие языки программирования классифицируют по
четырём основным функциональным группам: процедурные, объектно-ориентированные,
функциональные и логические. Дадим краткие определения каждого подхода.
Процедурное программирование
-
такое программирование, когда программа отделена от данных и состоит из последовательности команд, обрабатывающих данные. Данные как правило хранятся в виде переменных. Весь процесс вычисления сводится к изменению их содержимого.
Декларативные языки программирования
-
это языки объявлений и построения структур. К ним относятся функциональные и логические языки программирования. В этих языках не производится алгоритмических действий явно, то есть алгоритм не задается прграммистом, а строится самой программой. В декларативных языках задается, производится построение какой-либо структуры или системы, то есть декларируются (объявляются) какие-то свойства создаваемого объекта. Эти языки получили широкое применение в системах автоматизированного проектирования (САПР), в так называемых CAD-пакетах, в моделировнии, системах исккусственного интеллекта.
Объектно-ориентированное программирование
-
в этих языках переменные и функции группируются в так называемые классы (шаблоны). Благодаря этому достигается более высокий уровень структуризации программы. Объекты, порождённые от классов вызывают методы (функции или процедуры) друг друга и меняют таким образом состояние свойств (переменных). С формально-математической стороны объектно ориентированный способ написания программ базируется на процедурной модели программирования, но с содержательной стороны ООП базируется не на функции, а на объекте, как целостной системе, имеющей стандартный автоматический межобъектный интерфейс.
Сетевые языки
-
языки, предназначенные для организации взаимодействия удаленных компьютеров в интенсивном интерактивном режиме, а поэтому они построены на принципах интерпретации, то есть построчной, интерактивной обработки строк программного кода, описывающего некоторый сценарий (скрипт) сетевого взаимодействия компьютеров, поэтому часто они называются скриптовыми языками, хотя скриптовые языки не обязательно являются сетевыми, к примеру, пакетные командные языки различных операционных сред.
Машинно - ориентированные языки
Машинно - ориентированные языки - это языки, наборы операторов и изобразительные средства которых существенно зависят от особенностей ЭВМ (внутреннего языка, структуры памяти и т.д.). Машинно -ориентированные языки позволяют использовать все возможности и особенности Машинно - зависимых языков:
высокое качество создаваемых программ (компактность и скорость выполнения);
возможность использования конкретных аппаратных ресурсов;
предсказуемость объектного кода и заказов памяти;
для составления эффективных программ необходимо знать систему команд и особенности функционирования данной ЭВМ;
трудоемкость процесса составления программ ( особенно на машинных языках и ЯСК), плохо защищенного от появления ошибок;
низкая скорость программирования;
невозможность непосредственного использования программ, составленных на этих языках, на ЭВМ других типов.
Машинно-ориентированные языки по степени автоматического программирования подразделяются на классы.
Машинный язык
Как уже упоминалось в введении, отдельный компьютер имеет свой определенный Машинный язык (далее МЯ), ему предписывают выполнение указываемых операций над определяемыми ими операндами, поэтому МЯ является командным. Однако, некоторые семейства ЭВМ (например, ЕС ЭВМ, IBM-370 и др.) имеют единый МЯ для ЭВМ разной мощности. В команде любого из них сообщается информация о местонахождении операндов и типе выполняемой операции.
В новых моделях ЭВМ намечается тенденция к повышению внутренних языков машинно - аппаратным путем реализовывать более сложные команды, приближающиеся по своим функциональным действиям к операторам алгоритмических языков программирования.
Языки Символического Кодирования
Продолжим рассказ о командных языках, Языки Символического Кодирования (далее ЯСК), так же, как и МЯ, являются командными. Однако коды операций и адреса в машинных командах, представляющие собой последовательность двоичных (во внутреннем коде) или восьмеричных (часто используемых при написании программ) цифр, в ЯСК заменены на символы (идентификаторы), форма написания которых помогает программисту легче запоминать смысловое содержание операции. Это обеспечивает существенное уменьшение числа ошибок при составлении программ.
Использование символических адресов - первый шаг к созданию ЯСК. Команды ЭВМ вместо истинных (физических) адресов содержат символические адреса. По результатам составленной программы определяется требуемое количество ячеек для хранения исходных промежуточных и результирующих значений. Назначение адресов, выполняемое отдельно от составления программы в символических адресах, может проводиться менее квалифицированным программистом или специальной программой, что в значительной степени облегчает труд программиста.
Автокоды
Есть также языки, включающие в себя все возможности ЯСК, посредством расширенного введения макрокоманд - они называются Автокоды.
В различных программах встречаются некоторые достаточно часто использующиеся командные последовательности, которые соответствуют определенным процедурам преобразования информации. Эффективная реализация таких процедур обеспечивается оформлением их в виде специальных макрокоманд и включением последних в язык программирования , доступный программисту. Макрокоманды переводятся в машинные команды двумя путями - расстановкой и генерированием. В постановочной системе содержатся "остовы" - серии команд, реализующих требуемую функцию, обозначенную макрокомандой. Макрокоманды обеспечивают передачу фактических параметров, которые в процессе трансляции вставляются в "остов" программы, превращая её в реальную машинную программу.
В системе с генерацией имеются специальные программы, анализирующие макрокоманду, которые определяют, какую функцию необходимо выполнить и формируют необходимую последовательность команд, реализующих данную функцию.
Обе указанных системы используют трансляторы с ЯСК и набор макрокоманд, которые также являются операторами автокода.
Развитые автокоды получили название Ассемблеры. Сервисные программы и пр., как правило, составлены на языках типа Ассемблер. Более полная информация об языке Ассемблера см. ниже.
Макрос
Язык, являющийся средством для замены последовательности символов описывающих выполнение требуемых действий ЭВМ на более сжатую форму - называется Макрос (средство замены).
В основном, Макрос предназначен для того, чтобы сократить запись исходной программы. Компонент программного обеспечения, обеспечивающий функционирование макросов, называется макропроцессором. На макропроцессор поступает макроопределяющий и исходный текст. Реакция макропроцессора на вызов-выдача выходного текста.
Макрос одинаково может работать, как с программами, так и с данными.
Машинно - независимые языки
Машинно - независимые языки - это средство описания алгоритмов решения задач и информации, подлежащей обработке. Они удобны в использовании для широкого круга пользователей и не требуют от них знания особенностей организации функционирования ЭВМ и ВС.
Подобные языки получили название высокоуровневых языков программирования. Программы, составляемые на таких языках, представляют собой последовательности операторов, структурированные согласно правилам рассматривания языка(задачи, сегменты, блоки и т.д.). Операторы языка описывают действия, которые должна выполнять система после трансляции программы на МЯ.
Т.о., командные последовательности (процедуры, подпрограммы), часто используемые в машинных программах, представлены в высокоуровневых языках отдельными операторами. Программист получил возможность не расписывать в деталях вычислительный процесс на уровне машинных команд, а сосредоточиться на основных особенностях алгоритма.
Проблемно - ориентированные языки
С расширением областей применения вычислительной техники возникла необходимость формализовать представление постановки и решение новых классов задач. Необходимо было создать такие языки программирования, которые, используя в данной области обозначения и терминологию, позволили бы описывать требуемые алгоритмы решения для поставленных задач, ими стали проблемно - ориентированные языки. Эти языки, ориентированные на решение определенных проблем, должны обеспечить программиста средствами, позволяющими коротко и четко формулировать задачу и получать результаты в требуемой форме.
Проблемных языков очень много, например:
Фортран, Алгол - языки, созданные для решения математических задач;
Simula, Слэнг - для моделирования;
Лисп, Снобол - для работы со списочными структурами.
Об этих языках рассказано дальше.
Универсальные языки
Универсальные языки были созданы для широкого круга задач: коммерческих, научных, моделирования и т.д. Первый универсальный язык был разработан фирмой IBM, ставший в последовательности языков Пл/1. Второй по мощности универсальный язык называется Алгол-68. Он позволяет работать с символами, разрядами, числами с фиксированной и плавающей запятой. Пл/1 имеет развитую систему операторов для управления форматами, для работы с полями переменной длины, с данными организованными в сложные структуры, и для эффективного использования каналов связи. Язык учитывает включенные во многие машины возможности прерывания и имеет соответствующие операторы. Предусмотрена возможность параллельного выполнение участков программ.
Программы в Пл/1 компилируются с помощью автоматических процедур. Язык использует многие свойства Фортрана, Алгола, Кобола. Однако он допускает не только динамическое, но и управляемое и статистическое распределения памяти.
Диалоговые языки
Появление новых технических возможностей поставило задачу перед системными программистами - создать программные средства, обеспечивающие оперативное взаимодействие человека с ЭВМ их назвали диалоговыми языками.
Эти работы велись в двух направлениях. Создавались специальные управляющие языки для обеспечения оперативного воздействия на прохождение задач, которые составлялись на любых раннее неразработанных (не диалоговых) языках. Разрабатывались также языки, которые кроме целей управления обеспечивали бы описание алгоритмов решения задач.
Необходимость обеспечения оперативного взаимодействия с пользователем потребовала сохранения в памяти ЭВМ копии исходной программы даже после получения объектной программы в машинных кодах. При внесении изменений в программу с использованием диалогового языка система программирования с помощью специальных таблиц устанавливает взаимосвязь структур исходной и объектной программ. Это позволяет осуществить требуемые редакционные изменения в объектной программе.
Одним из примеров диалоговых языков является Бэйсик.
Бэйсик использует обозначения подобные обычным математическим выражениям. Многие операторы являются упрощенными вариантами операторов языка Фортран. Поэтому этот язык позволяет решать достаточно широкий круг задач.
Непроцедурные языки
Непроцедурные языки составляют группу языков, описывающих организацию данных, обрабатываемых по фиксированным алгоритмам (табличные языки и генераторы отчетов), и языков связи с операционными системами.
Позволяя четко описывать как задачу, так и необходимые для её решения действия, таблицы решений дают возможность в наглядной форме определить, какие условия должны быть выполнены прежде чем переходить к какому-либо действию. Одна таблица решений, описывающая некоторую ситуацию, содержит все возможные блок-схемы реализаций алгоритмов решения.
Табличные методы легко осваиваются специалистами любых профессий.
Программы, составленные на табличном языке, удобно описывают сложные ситуации, возникающие при системном анализе.
Знаете ли Вы, что абстракция через спецификацию - это прием программирования, позволяющий абстрагироваться от процесса вычислений описанных в теле процедуры, до уровня знания того, что данная процедура делает. Это достигается путем задания спецификации, описывающей эффект ее работы, после чего смысл обращения к данной процедуре становится ясным через анализ этой спецификации, а не самого тела процедуры. Мы пользуемся абстракцией через спецификацию всякий раз, когда связываем с процедурой некий комментарий, достаточно информативный для того, чтобы иметь возможность работать без анализа тела процедуры. Абстракция через спецификацию позволяет абстрагироваться от процесса вычислений описанных в теле процедуры, до уровня знания того, что данная процедура делает. Это достигается путем задания спецификации, описывающей эффект ее работы, после чего смысл обращения к данной процедуре становится ясным через анализ этой спецификации, а не самого тела процедуры. Мы пользуемся абстракцией через спецификацию всякий раз, когда связываем с процедурой некий комментарий, достаточно информативный для того, чтобы иметь возможность работать без анализа тела процедуры.
