Языки программирования

Формализованный язык, предназначенный для описания программ и алгоритмов решения задач на ЭВМ. Языки программирования являются искусственными. В них синтаксис и семантика строго определены. Поэтому они не допускают свободного толкования выражения, что характерно для естественного языка. Языки программирования разделяются на две основные категории языки высокого уровня и языки низкого уровня:

Язык высокого уровня [high-level language] - Язык программирования, средства которого обеспечивают описание задачи в наглядном, легко воспринимаемом виде, удобном для программиста. Он не зависит от внутренних машинных кодов ЭВМ любого типа, поэтому программы, написанные на языках высокого уровня, требуют перевода в машинные коды программами транслятора либо интерпретатора. К языкам высокого уровня относят Фортран , ПЛ/1 , Бейсик , Паскаль , Си , Ада и др.

Язык низкого уровня , [low-level language ] - Язык программирования, предназначенный для определенного типа ЭВМ и отражающий его внутренний машинный код (см. ниже также “машинный язык “, “ машинно-ориентированный язык “ и “ язык ассемблера “).

Различают также следующие виды языков программирования:

Алгоритмический язык [algorithmic language ] - Совокупность символов, соглашений и правил, используемых для однозначного описания алгоритмов и обычно являющаяся часть языка программирования ;

Неалгоритмический язык [nonalgorithmic language] - Язык программирования, тексты которого не содержат указаний на порядок выполнения операций и служат лишь исходным материалом для синтеза алгоритма решения задачи;

Формальный язык [formal language]

Язык программирования, построенный по правилам некоторого логического исчисления или формальной грамматики [formal grammar ], представляющей собой систему правил построения в заданном алфавите конечных знаковых последовательностей, множество которых образует формальный язык;

См. “алгоритмический язык “;

Исходный язык [source language] - Язык программирования, на котором написана программа, в отличие от машинного языка, на котором программы выполняются компьютером. Исходные языки классифицируются на языки высокого уровня и языки низкого уровня.

Машинный ( абсолютный ) язык , язык ЭВМ [computer (machine) language] - Язык программирования, предназначенный для представления программ в форме, обеспечивающей возможность их выполнения техническими средствами;

Машинозависимый ( машинно-ориентированный ) язык , машинозависимый язык программирования [computer-sensitive (computer-oriented) language] - Язык программирования, учитывающий структуру и характеристики ЭВМ определенного типа или конкретной ЭВМ;

Машиннонезависимый язык [machine-independent language] - Язык программирования, структура и средства которого не связаны ни с какой конкретной ЭВМ и позволяют выполнять составленные на нем программы на любой ЭВМ, снабженной трансляторами (см. ниже) с этого языка;

Символический язык , язык символического кодирования [symbolic language] - Язык программирования, ориентированный на конкретные ЭВМ и основанный на кодировании машинных операций при помощи определенного набора символов;

Гибридный (комбинированный) язык [hibrid language] - Язык программирования, использующий также средства другого языка;

Графический язык [graphic language ] - Язык, предназначенный для написания программ машинной графики и пользования ими.

Базовый язык [base language]

Машинный язык , общий для семейства ЭВМ;

Язык программирования в СУБД с автономным языком.

Общий язык [common language] - Машинный язык, общий для группы ЭВМ и используемых ими внешних устройств;

Эталонный язык [reference language ] - Язык, являющийся основой для всех его конкретных версий, являющихся вариантами адаптации эталонного языка к определенным условиям применения и назначения;

Язык ассемблера , ассемблер [assembler language ] - Универсальный язык программирования , относящийся к категории языков низкого уровня, структура которого определяется форматами команд, данными машинного языка и архитектурой ЭВМ. Используется программистами в тех случаях, когда невозможно применение языка высокого уровня или требуются эффективные программы в машинных кодах.

Декларативный ( непроцедурный ) язык [declararative (nonprocedural) language] - Язык программирования, который позволяет задавать связи и отношения между объектами и величинами, но не определяет последовательность выполнения действий (например, языки Пролог , QBE);

Императивный ( процедурный ) язык [imperative language] - Язык программирования, который позволяет в явной форме (при помощи задания выполняемых операторов) определять действия и порядок (последовательность) их выполнения;

Язык функционального программирования, функциональный язык [functional language] - Декларативный язык программирования, основанный на понятии функций, которые задают зависимость, но не определяют порядок вычислений.

Специализированный язык [special language] - Язык программирования, ориентированный на решение определенного круга задач;

Язык описания страниц [PDL - Page Description Language] - Специализированный язык, предназначенный для печатающих устройств. Предусматривает возможность использования изображений в формате, независимом от параметров устройства отображения. Наиболее известным языком такого типа является PostScript.

Автономный язык [freestanding language] - Специализированный язык высокого уровня, в замкнутых СУБД (“ СУБД с автономным языком “);

Язык конструирования интерактивных технологий - В СУБД - язык, предназначенный для описания технологических процессов обработки данных с учетом разделения характера операций по их типам, а также обеспечения диалога с администратором системы;

Язык манипулирования данными , ЯМД [DML - Data Manipulation Language] - В СУБД - язык, предназначенный для обращения к базе данных и выполнения поиска, чтения и модификации ее записей;

Язык обработки списков [list language] - Специализированный язык, предназначенный для описания процессов обработки данных, представленных в виде списков объектов ;

Язык описания данных [DDL - Data Description Language ] - Язык, предназначенный для описания “концептуальной схемы” базы данных ;

Язык описания хранения данных [DSDL - Data Storage Description Language ] - Язык, предназначенный для описания физической структуры ( схемы ) базы данных ;

Язык описания страниц [page description language] Система для кодировки документов, которая позволяет точно описать ее внешний вид после подготовки к выводу на печать или на дисплей. Примером использования такого языка служит PDF (Portable Document Format), разработанный Adobe для хранения и представления изображений страниц.

Язык представления знаний [KRL - Knowledge Representation Language] - Декларативный или декларативно-процедурный язык, предназначенный для представления знаний в памяти ЭВМ (например, языки Лисп и Пролог );

Язык публикаций [publication language ] - Язык, используемый для публикации алгоритмов и программ;

Язык спецификаций [specification language] - Декларативный язык для задания спецификаций программ ;

Проблемно-ориентированный язык [problem-oriented language] - Язык программирования, предназначенный для решения определенного класса задач (проблем);

Процедурный ( процедурно-ориентированный ) язык [procedure-orinted language] - Проблемно-ориентированный язык, который облегчает выражение процедуры, как точного алгоритма;

Язык реального времени [real-time language] - Язык, используемый для программирования задач, в которых критическим является время реакции ЭВМ на сигналы, требующие от нее немедленных действий (например, язык Ада );

Язык управления пакетом [batch control language ] - Набор команд , директив , квалификаторов и правил их использования для управления пакетной обработкой данных;

Язык управления заданиями [job-control language ] - Язык, на котором записывается последовательность команд, управляющих выполнением задания. В отличие от обычных языков программирования, в которых объектами описания являются элементы, связанные с решением отдельной задачи, в языках управления заданиями преобразуемыми объектами являются целые программы и выходные потоки данных, обработанных этими программами.

Общесетевой командный язык [CNCL - Common Network - Command language ] - Стандартный в рамках вычислительной сети язык диалогового (интерактивного) поиска данных, предназначенный для унификации работы пользователей с неоднородными базами данных, управляемых различными СУБД ;

Системный язык [system language ] - Язык общения оператора ЭВМ с вычислительной системой, представляющий собой совокупность команд оператора и сообщений системы;

Язык общего назначения, универсальный язык [universal programming language] - Язык программирования, ориентированный на решение задач практически из любой области и объединяющий на единой методической основе наиболее существенные свойства и средства современных машино- и проблемноориентированных языков программирования (например, язык ассемблера , ПЛ/1 и др.);

Язык ориентированный на пользователя [user-oriented language ] - Слабоформализованный язык программирования, близкий к естественному языку ;

Язык меню [menu language ] - Язык диалога пользователя с системой, основанный на использовании меню.

1. Первые универсальные языки

Итак, начнем. Обратимся к истокам развития вычислительной техники. Вспомним самые первые компьютеры и программы для них. Это была эра программирования непосредственно в машинных кодах, а основным носителем информации были перфокарты и перфоленты. Программисты обязаны были знать архитектуру машины досконально. Программы были достаточно простыми, что обуславливалось, во-первых, весьма ограниченными возможностями этих машин, и, во-вторых, большой сложностью разработки и, главное, отладки программ непосредственно на машинном языке. Вместе с тем такой способ разработки давал программисту просто невероятную власть над системой. Становилось возможным использование таких хитроумных алгоритмов и способов организации программ, какие и не снились современным разработчикам. Например, могла применяться (и применялась!) такая возможность, как самомодифицирующийся код. Знание двоичного представления команд позволяло иногда не хранить некоторые данные отдельно, а встраивать их в код как команды. И это далеко не полный список приемов, владение хотя бы одним из которых сейчас сразу же продвигает вас до уровня «гуру» экстра-класса.

2. Ассемблер

Первым значительным шагом представляется переход к языку ассемблера (позволим себе маленькое лирическое отступление: английское название assembly language, или assembler, на русский переводят именно тем термином, который был использован выше. При этом у новичка создается впечатление, что язык назван в честь некоего человека по имени ассемблер. Достаточно забавная ситуация, не правда ли?). Не очень заметный, казалось бы, шаг -- переход к символическому кодированию машинных команд -- имел на самом деле огромное значение. Программисту не надо было больше вникать в хитроумные способы кодирования команд на аппаратном уровне. Более того, зачастую одинаковые по сути команды кодировались совершенно различным образом в зависимости от своих параметров (широко известный пример из мира современных компьютеров -- это кодирование инструкции mov в процессорах Intel: существует несколько совершенно по-разному кодируемых вариантов команды; выбор того или иного варианта зависит от операндов, хотя суть выполняемой операции неизменна: поместить содержимое (или значение) второго операнда в первый). Появилась также возможность использования макросов и меток, что также упрощало создание, модификацию и отладку программ. Появилось даже некое подобие переносимости -- существовала возможность разработки целого семейства машин со сходной системой команд и некоего общего ассемблера для них, при этом не было нужды обеспечивать двоичную совместимость.

Вместе с тем, переход к новому языку таил в себе и некоторые отрицательные (по крайней мере, на первый взгляд) стороны. Становилось почти невозможным использование всяческих хитроумных приемов сродни тем, что упомянуты выше. Кроме того, здесь впервые в истории развития программирования появились два представления программы: в исходных текстах и в откомпилированном виде. Сначала, пока ассемблеры только транслировали мнемоники в машинные коды, одно легко переводилось в другое и обратно, но затем, по мере появления таких возможностей, как метки и макросы, дизассемблирование становилось все более и более трудным делом. К концу ассемблерной эры возможность автоматической трансляции в обе стороны была утеряна окончательно. В связи с этим было разработано большой количество специальных программ-дизассемблеров, осуществляющих обратное преобразования, однако в большинстве случаев они с трудом могут разделить код и данные. Кроме того, вся логическая информация (имена переменных, меток и т.п.) теряется безвозвратно. В случае же задачи о декомпиляции языков высокого уровня примеры удовлетворительного решения проблемы и вовсе единичны.

3. Фортран

В 1954 году в недрах корпорации IBM группой разработчиков во главе с Джоном Бэкусом (John Backus) был создан язык программирования Fortran.

Значение этого события трудно переоценить. Это первый язык программирования высокого уровня. Впервые программист мог по-настоящему абстрагироваться от особенностей машинной архитектуры. Ключевой идеей, отличающей новый язык от ассемблера, была концепция подпрограмм. Напомним, что это современные компьютеры поддерживают подпрограммы на аппаратном уровне, предоставляя соответствующие команды и структуры данных (стек) прямо на уровне ассемблера, в 1954 же году это было совершенно не так. Поэтому компиляция Fortran'а была процессом отнюдь не тривиальным. Кроме того, синтаксическая структура языка была достаточно сложна для машинной обработки в первую очередь из-за того, что пробелы как синтаксические единицы вообще не использовались. Это порождало массу возможностей для скрытых ошибок, таких, например:

В Фортране следующая конструкция описывает «цикл for до метки 10 при изменении индекса от 1 до 100»: DO 10 I=1,100.

Если же здесь заменить запятую на точку, то получится оператор присваивания: DO10I = 1.100. Говорят, что такая ошибка заставила ракету взорваться во время старта!

Язык Фортран использовался (и используется по сей день) для научных вычислений. Он страдает от отсутствия многих привычных языковых конструкций и атрибутов, компилятор практически никак не проверяет синтаксически правильную программу с точки зрения семантической корректности (соответствие типов и проч.). В нем нет поддержки современных способов структурирования кода и данных. Это осознавали и сами разработчики. По признанию самого Бэкуса, перед ними стояла задача скорее разработки компилятора, чем языка. Понимание самостоятельного значения языков программирования пришло позже.

Появление Фортрана было встречено еще более яростной критикой, чем внедрение ассемблера. Программистов пугало снижение эффективности программ за счет использования промежуточного звена в виде компилятора. И эти опасения имели под собой основания: действительно, хороший программист, скорее всего, при решении какой-либо небольшой задачи вручную напишет код, работающий быстрее, чем код, полученный как результат компиляции. Через некоторое время пришло понимание того, что реализация больших проектов невозможна без применения языков высокого уровня. Мощность вычислительных машин росла, и с тем падением эффективности, которое раньше считалось угрожающим, стало возможным смириться. Преимущества же языков высокого уровня стали настолько очевидными, что побудили разработчиков к созданию новых языков, все более и более совершенных.

4. Cobol

В 1960 году был создан язык программирования Cobol.

Он задумывался как язык для создания коммерческих приложений, и он стал таковым. На Коболе написаны тысячи прикладных коммерческих систем. Отличительной особенностью языка является возможность эффективной работы с большими массивами данных, что характерно именно коммерческих приложений. Популярность Кобола столь высока, что даже сейчас, при всех его недостатках (по структуре и замыслу Кобол во многом напоминает Фортран) появляются новые его диалекты и реализации. Так недавно появилась реализация Кобола, совместимая с Microsoft .NET, что потребовало, вероятно, внесения в язык некоторых черт объектно-ориентированного языка.

5. PL/1

В 1964 году все та же корпорация IBM создала язык PL/1, который был призван заменить Cobol и Fortran в большинстве приложений. Язык обладал исключительным богатством синтаксических конструкций. В нем впервые появилась обработка исключительных ситуаций и поддержка параллелизма. Надо заметить, что синтаксическая структура языка была крайне сложной. Пробелы уже использовались как синтаксические разделители, но ключевые слова не были зарезервированы. В частности, следующая строка -- это вполне нормальный оператор на PL/1: IF ELSE=THEN THEN THEN; ELSE ELSE.

В силу таких особенностей разработка компилятора для PL/1 была исключительно сложным делом. Язык так и не стал популярен вне мира IBM.

6. BASIC

В 1963 году в Дартмурском колледже (Dartmouth College) был создан язык программирования BASIC (Beginners' All-Purpose Symbolic Instruction Code -- многоцелевой язык символических инструкций для начинающих). Язык задумывался в первую очередь как средство обучения и как первый изучаемый язык программирования. Он предполагался легко интерпретируемым и компилируемым. Надо сказать, что BASIC действительно стал языком, на котором учатся программировать (по крайней мере, так было еще несколько лет назад; сейчас эта роль отходит к Pascal). Было создано несколько мощных реализаций BASIC, поддерживающих самые современные концепции программирования (ярчайший пример -- Microsoft Visual Basic).

7. Algol

В 1960 году командой во главе с Петером Науром (Peter Naur) был создан язык программирования Algol. Этот язык дал начало целому семейству Алгол-подобных языков (важнейший представитель -- Pascal). В 1968 году появилась новая версия языка. Она не нашла столь широкого практического применения, как первая версия, но была весьма популярна в кругах теоретиков. Язык был достаточно интересен, так как обладал многими уникальными на так момент характеристиками.

8. Дальнейшее развитие языков программирования

В этом месте я предпочту остановиться и сделать некоторые замечания. Создание каждого из вышеупомянутых языков (за исключением, может быть, Algol'а) было вызвано некоторыми практическими требованиями. Эти языки послужили фундаментом для более поздних разработок. Все они представляют одну и ту же парадигму программирования. Следующие языки пошли существенно дальше в своем развитии, в сторону более глубокого абстрагирования.

Сведения о более поздних языках я буду приводить в виде описания семейств языков. Это позволит лучше проследить взаимосвязи между отдельными языками.

9. Pascal-подобные языки

В 1970 году Никлаусом Виртом был создал язык программирования Pascal. Язык замечателен тем, что это первый широко распространенный язык для структурного программирования (первым, строго говоря, был Алгол, но он не получил столь широкого распространения). Впервые оператор безусловного перехода перестал играть основополагающую роль при управлении порядком выполнения операторов. В этом языке также внедрена строгая проверка типов, что позволило выявлять многие ошибки на этапе компиляции.

Отрицательной чертой языка было отсутствие в нем средств для разбиения программы на модули. Вирт осознавал это и разработал язык Modula-2 (1978), в котором идея модуля стала одной из ключевых концепций языка. В 1988 году появилась Modula-3, в которую были добавлены объектно-ориентированные черты. Логическим продолжением Pascal и Modula являются язык Oberon и Oberon-2. Они характеризуются движением в сторону объектно- и компонентно- ориентированности.

10. C-подобные языки

В 1972 году Керниганом и Ритчи был создан язык программирования C. Он создавался как язык для разработки операционной системы UNIX. C часто называют «переносимым ассемблером», имея в виду то, что он позволяет работать с данными практически так же эффективно, как на ассемблере, предоставляя при этом структурированные управляющие конструкции и абстракции высокого уровня (структуры и массивы). Именно с этим связана его огромная популярность и поныне. И именно это является его ахиллесовой пятой. Компилятор C очень слабо контролирует типы, поэтому очень легко написать внешне совершенно правильную, но логически ошибочную программу.

В 1986 году Бьярн Страуструп создал первую версию языка C++, добавив в язык C объектно-ориентированные черты, взятые из Simula (см. ниже), и исправив некоторые ошибки и неудачные решения языка. C++ продолжает совершенствоваться и в настоящее время, так в 1998 году вышла новая (третья) версия стандарта, содержащая в себе некоторые довольно существенные изменения. Язык стал основой для разработки современных больших и сложных проектов. У него имеются, однако же, и слабые стороны, вытекающие из требований эффективности.

В 1995 году в корпорации Sun Microsystems Кеном Арнольдом и Джеймсом Гослингом был создан язык Java. Он наследовал синтаксис C и C++ и был избавлен от некоторых неприятных черт последнего. Отличительной особенностью языка является компиляция в код некоей абстрактной машины, для которой затем пишется эмулятор (Java Virtual Machine) для реальных систем. Кроме того, в Java нет указателей и множественного наследования, что сильно повышает надежность программирования.

В 1999-2000 годах в корпорации Microsoft был создан язык C#. Он в достаточной степени схож с Java (и задумывался как альтернатива последнему), но имеет и отличительные особенности. Ориентирован, в основном, на разработку многокомпонентных Интернет-приложений.

Эволюция языка программирования переживает этапы как становления, развития так и увядания. Но вот некоторые языки так и не собираются полностью освобождать место для новых поколений и как ни странно уверенно держатся на плаву за счет уникальных и гениально простых идей.

Успешно наращивает свою популярность язык Java на фоне падения популярности языков C, C++, C#. Эта тенденция связана с растущей популярностью веб-приложений. Visual Basic совершил прорыв с 6 места в 2005 году до 3-го места. Казалось бы малоизвестный язык Ruby успешно поднялся с 28 места до 13 места. Наверняка существенную роль в росте количества специалистов по объектно-ориантированному языку программирования Ruby сыграли новые библиотеки для разработки веб-приложений и веб-сервисов, как Ruby on Rails (http://www.rubyonrails.ru). Ruby on Rails отличается удевительной простотой и скоростью разработки.

Pascal и Ada уверенно держатся на своих местах. List как ускоспециализированный язык теряет часть своих приверженцев, но пока еще популярен в узких кругах за счет уникальных свойств для разработки систем искусственного интеллекта. CLIPS как расширение LISP используется для разработки экспертных систем.

Следующий ниже рейтинг популярности языков программирования был построен на основания анализа наличия специалистов по программированию во всем мере. Для сбора данных использовались поисковые системы Google, Yahoo! и MSN.