Специальный символический язык применяемый для написания программ. Самые востребованные языки программирования
Программирование - это целая наука, позволяющая создавать компьютерные программы. Она включает в себя огромное количество различных операций и алгоритмов, которые образуют единый язык программирования. Итак, что же это такое и какими бывают языки программирования? В статье даны ответы, а также приведен обзорный список языков программирования.
Историю возникновения и изменения программных языков следует изучать наравне с историей развития компьютерных технологий, ведь эти понятия связаны между собой напрямую. Без языков программирования невозможно было бы создать никакую программу для работы компьютера, а значит, создание вычислительных машин стало бы бессмысленным занятием.
Первый машинный язык был придуман в 1941 году Конрадом Цузе, который является изобретателем аналитической машины. Чуть позже, в 1943 г., Говард Эйкен создал машину "Марк-1", способную считывать инструкцию на уровне машинного кода.
В 1950-х годах начался активный спрос на разработку программного обеспечения, а машинный язык не выдерживал большие объемы кода, поэтому был создан новый способ общения с компьютерами. "Ассемблер" является первым мнемоническим языком, заменившим машинные команды. С годами список языков программирования только увеличивается, ведь область применения компьютерных технологий становится обширнее.
Классификация языков программирования
На данный момент существует более 300 языков программирования. Каждый из них имеет свои особенности и подходит для одной определенной задачи. Все языки программирования можно условно разделить на несколько групп:
- Аспектно-ориентированные (основная идея - разделение функциональности для увеличения эффективности программных модулей).
- Структурные (в основе лежит идея создания иерархической структуры отдельных блоков программы).
- Логические (в основе лежит теория аппарата математической логики и правил резолюции).
- Объектно-ориентированные (в таком программировании используются уже не алгоритмы, а объекты, которые принадлежат определенному классу).
- Мультипарадигмальные (сочетают в себе несколько парадигм, и программист сам решает, каким языком воспользоваться в том или ином случае).
- Функциональные (в качестве основных элементов выступают функции, которые меняют значение в зависимости от результатов вычислений исходных данных).
Программирование для начинающих
Многие задаются вопросом, что же такое программирование? По сути, это способ общения с компьютером. Благодаря языкам программирования мы можем ставить перед различными устройствами определенные задачи, создавая специальные приложения или программы. При изучении данной науки на начальном этапе самое главное - это выбрать подходящие (интересные для вас) языки программирования. Список для начинающих приведен ниже:
- Basic придуман в 1964 году, относится к семейству высокоуровневых языков и используется для написания прикладных программ.
- Python ("Питон") довольно легко выучить благодаря простому читаемому синтаксису, преимущество же в том, что на нем можно создавать как обычные десктопные программы, так и веб-приложения.
- Pascal ("Паскаль") - один из древнейших языков (1969 г.), созданных для обучения студентов. Его современная модификация имеет строгую типизацию и структурированность, однако "Паскаль" - вполне логичный язык, который понятен на интуитивном уровне.
Это не полный список языков программирования для начинающих. Существует огромное количество синтаксисов, которые доступны для понимания, и обязательно будут востребованы в ближайшие годы. Каждый вправе самостоятельно выбрать то направление, которое будет интересным для него.
Новички имеют возможность ускорить изучение программирования и его основ благодаря специальным инструментам. Основной помощник - это интегрированная среда разработки программ и приложений Visual Basic («Визуал Бейсик» одновременно является и языком программирования, который унаследовал стиль языка Basic 1970-х годов).
Уровни языков программирования
Все формализованные языки, предназначенные для создания, описания программ и алгоритмов для решения задач на компьютерах, делятся на две основных категории: языки программирования низкого уровня (список приведен ниже) и высокого уровня. Поговорим о каждом из них отдельно.
Низкоуровневые языки предназначены для создания машинных команд для процессоров. Главное их преимущество в том, что они используют мнемонические обозначения, т. е. вместо последовательности нулей и единиц (из двоичной системы счисления) компьютер запоминает осмысленное сокращенное слово из английского языка. Самые известные языки низкого уровня - это "Ассемблер" (существует несколько подвидов этого языка, каждый из которых имеет много общего, а отличается лишь набором дополнительных директив и макросов), CIL (доступен в платформе.Net) и Байт-код JAVA.
Языки программирования высокого уровня: список
Высокоуровневые языки созданы для удобства и большей эффективности приложений, они являются полной противоположностью низкоуровневых языков. Их отличительная черта - наличие смысловых конструкций, которые емко и кратко описывают структуры и алгоритмы работы программ. В языках низкого уровня их описание на машинном коде было бы слишком длинным и непонятным. Языки же высокого уровня обладают независимостью от платформы. Вместо них функцию транслятора совершают компиляторы: они переводят текст программы в элементарные машинные команды.
Следующий список языков программирования: C ("Си"), C# ("Си-шарп"), "Фортран", "Паскаль", Java ("Ява") - входит в число самых используемых высокоуровневых синтаксисов. Он обладает следующими свойствами: эти языки работают с комплексными структурами, поддерживают строковые типы данных и операции с файлами ввода-вывода информации, а также имеют преимущество - с ними гораздо проще работать благодаря читабельности и понятному синтаксису.
Самые используемые языки программирования
В принципе, написать программу можно на любом языке. Вопрос в том, будет ли она работать эффективно и без сбоев? Вот почему для решения различных задач следует выбирать наиболее подходящие языки программирования. Список по популярности можно охарактеризовать так:
- языки ООП: Java, C++, Python, PHP, VisualBasic и JavaScript;
- группа структурных языков: Basic, Fortran и Pascal;
- мультипарадигмальные: C#, Delphi, Curry и Scala.
Область применения программ и приложений
Выбор языка, на котором написана та или иная программа, во многом зависит от области ее применения. Так, например, для работы с самим "железом" компьютера (написания драйверов и поддерживающих программ) лучшим вариантом станет C ("Си") или С++, которые входят в основные языки программирования (список смотрите выше). А для разработки мобильных приложений, в том числе игр, следует выбрать Java или С# ("Си-шарп").
Если вы еще не определились, в каком направлении работать, то рекомендуем начать изучение с языков C или C++. Они имеют весьма понятный синтаксис, четкое структурное разделение на классы и функции. К тому же, зная C или С++, можно с легкостью выучить любой другой язык программирования.
Языки программирования
Язык программирования – формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна для исполнителя (например, ЭВМ, т.е. компьютера).
Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, используемых при составлении программы. Он позволяет программисту точно определить то, на какие события будет реагировать компьютер, как будут храниться и передаваться данные, а также какие именно действия следует выполнять над этими данными при различных обстоятельствах.
Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более 2500 языков программирования. Каждый год их число пополняется новыми.
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.
Каждый язык программирования может быть представлен в виде набора формальных спецификаций, определяющих его синтаксис и семантику – систему правил истолкования отдельных языковых конструкций.
Эти спецификации обычно включают в себя описание:
типов и структур данных;
операционную семантику (алгоритм вычисления конструкций языка);
семантические конструкции языка;
библиотеки примитивов (например, команды ввода-вывода);
философии, назначения и возможностей языка.
Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные комитеты по стандартизации, которые выполняют 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.
Языки программирования принято делить на низкоуровневые и высокоуровневые . Такое разделение происходит взависимости от степени детализации команд – чем меньше детализация, тем выше уровень языка.
Языки программирования низкого уровня
Низкоуровневый язык программирования – язык программирования, близкий к программированию непосредственно в машинных кодах. Низкоуровневые языки, как правило, используют особенности конкретного семейства процессоров.
Низкоуровневым языком является язык ассемблера (от английского assembler - сборщик) - названия транслятора (компилятора) c языка ассемблера. Язык ассемблера, часто для краткости неверно называют "ассемблером".
Команды языка ассемблера один в один соответствуют командам процессора и фактически, представляют собой удобную символьную форму записи команд и аргументов.
Обычно программы или участки кода пишутся на низкоуровневом языке ассемблера в случаях, когда разработчику критически важно оптимизировать такие параметры, как быстродействие (например, при создании драйверов устройств) и размер кода (загрузочные сектора, программное обеспечение различных устройств, вирусы, навесные защиты и т.д.).
Языки программирования высокого уровня
Высокоуровневый язык программирования – язык программирования, разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Термин «высокоуровневый» здесь означает, что язык предназначен для решения абстрактных высокоуровневых задач и оперирует не инструкциями к оборудованию, а логическими понятиями и абстракцией данный. Это позволяет быстрее программировать сложные задачи и обеспечивает относительную независимость от оборудования. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого уровня, с различными операционными системами и различным аппаратным оборудованием, в то время как их исходный текст остаётся, в большей части, неизменным.
Высокоуровневый язык не даёт возможности создания точных инструкций оборудованию. Таким образом, программы, написанные на языках высокого уровня, проще для понимания программистом, но гораздо менее эффективны, чем их аналоги, написанные при помощи низкоуровневых языков. В частности, поэтому в большинство профессиональных высокоуровневых языков программирования сегодня встроена поддержка того или иного языка низкого уровня – языка ассемблера.
Первым языком программирования высокого уровня считается компьютерный язык Plankalkül , разработанный немецким инженером Конрадом Цузе ещё в период 1942–1946 гг. Однако, широкое применение высокоуровневых языков началось с возникновением Фортрана и созданием компилятора для этого языка (1957).
Наиболее распространёнными языками высокого уровня в настоящее время являются С++, Visual Basic, Delphi, Java, Python, Ruby, Perl, PHP.
Большинство современных компиляторов позволяют комбинировать в одной программе, код написанный на разных языках программирования. Это позволяет быстро писать сложные программы, используя высокоуровневый язык, не теряя быстродействия в критических ко времени задачах, используя для них части написанные на языке ассемблера. Комбинирование достигается несколькими приемами:
Вставка фрагментов на языке ассемблера в текст программы (специальными директивами языка) или написание процедур на языке ассемблера. Способ хороший для несложных преобразований данных, но полноценного ассемблерного кода - с данными и подпрограммами, включая подпрограммы с множеством входов и выходов, не поддерживаемых высокоуровневыми языками, с помощью него сделать нельзя.
Модульная компиляция. Большинство современных компиляторов работают в два этапа. На первом этапе каждый файл программы компилируется в объектный модуль. А на втором объектные модули линкуются (связываются) в готовую программу. Прелесть модульной компиляции состоит в том что каждый объектный модуль будущей программы может быть полноценно написан на своем языке программирования и скомпилирован своим компилятором.
Среда визуального программирования Delphi
Бурное развитие вычислительной техники, потребность в эффективных средствах разработки программного обеспечения и языках программирования привели к появлению систем программирования, ориентированных на так называемую "быструю разработку" - RAD-систем (Rapid Application Development).
Среди таких систем быстрой разработки приложений можно выделить Borland Delphi , Borland C Builder и Microsoft Visual Basic. В их основе лежит технология визуального проектирования и событийного программирования, суть которой заключается в том, что среда разработки берет на себя большую часть рутинной работы, оставляя программисту работу по конструированию диалоговых окон и функций обработки событий.
Delphi – это среда быстрой разработки, в которой в качестве языка программирования используется язык объектно-ориентированный язык Object Pascal .
Object Pascal - результат развития языка Turbo Pascal, который, в свою очередь, развился из языка Pascal. Pascal, впервые предложенный швейцарским ученым Н. Виртом еще в 1970г., является полностью процедурным языком, Turbo Pascal начиная с версии 5.5 добавил в Pascal объектно-ориентированные свойства, а Object Pascal - объектно-ориентированный язык программирования с уникальным свойством доступа к метаданным классов (то есть к описанию классов и их членов) в компилируемом коде, также называемом интроспекцией.
Рассказывает программист Вильям В. Вольд
На протяжении последних шести месяцев я работал над созданием языка программирования (ЯП) под названием Pinecone. Я не рискну назвать его законченным, но использовать его уже можно - он содержит для этого достаточно элементов, таких как переменные, функции и пользовательские структуры данных. Если хотите ознакомиться с ним перед прочтением, предлагаю посетить официальную страницу и репозиторий на GitHub .
Введение
Я не эксперт. Когда я начал работу над этим проектом, я понятия не имел, что делаю, и всё еще не имею. Я никогда целенаправленно не изучал принципы создания языка - только прочитал некоторые материалы в Сети и даже в них не нашёл для себя почти ничего полезного.
Тем не менее, я написал абсолютно новый язык. И он работает. Наверное, я что-то делаю правильно.
В этой статье я постараюсь показать, каким образом Pinecone (и другие языки программирования) превращают исходный код в то, что многие считают магией. Также я уделю внимание ситуациям, в которых мне приходилось искать компромиссы, и поясню, почему я принял те решения, которые принял.
Текст точно не претендует на звание полноценного руководства по созданию языка программирования, но для любознательных будет хорошей отправной точкой.
Первые шаги
«А с чего вообще начинать?» - вопрос, который другие разработчики часто задают, узнав, что я пишу свой язык. В этой части постараюсь подробно на него ответить.
Компилируемый или интерпретируемый?
Компилятор анализирует программу целиком, превращает её в машинный код и сохраняет для последующего выполнения. Интерпретатор же разбирает и выполняет программу построчно в режиме реального времени.
Технически любой язык можно как компилировать, так и интерпретировать. Но для каждого языка один из методов подходит больше, чем другой, и выбор парадигмы на ранних этапах определяет дальнейшее проектирование. В общем смысле интерпретация отличается гибкостью, а компиляция обеспечивает высокую производительность, но это лишь верхушка крайне сложной темы.
Я хотел создать простой и при этом производительный язык, каких немного, поэтому с самого начала решил сделать Pinecone компилируемым. Тем не менее, интерпретатор у Pinecone тоже есть - первое время запуск был возможен только с его помощью, позже объясню, почему.
Прим. перев. Кстати, у нас есть краткий обзор - это отличное упражнение для тех, кто изучает Python.
Выбор языка
Своеобразный мета-шаг: язык программирования сам является программой, которую надо написать на каком-то языке. Я выбрал C++ из-за производительности, большого набора функциональных возможностей, и просто потому что он мне нравится.
Но в целом совет можно дать такой:
- интерпретируемый ЯП крайне рекомендуется писать на компилируемом ЯП (C, C++, Swift). Иначе потери производительности будут расти как снежный ком, пока мета-интерпретатор интерпретирует ваш интерпретатор;
- компилируемый ЯП можно писать на интерпретируемом ЯП (Python, JS). Возрастёт время компиляции, но не время выполнения программы.
Проектирование архитектуры
У структуры языка программирования есть несколько ступеней от исходного кода до исполняемого файла, на каждой из которых определенным образом происходит форматирование данных, а также функции для перехода между этими ступенями. Поговорим об этом подробнее.
Лексический анализатор / лексер
Строка исходного кода проходит через лексер и превращается в список токенов.
Первый шаг в большинстве ЯП - это лексический анализ . Говоря по-простому, он представляет собой разбиение текста на токены, то есть единицы языка: переменные, названия функций (идентификаторы), операторы, числа. Таким образом, подав лексеру на вход строку с исходным кодом, мы получим на выходе список всех токенов, которые в ней содержатся.
Обращения к исходному коду уже не будет происходить на следующих этапах, поэтому лексер должен выдать всю необходимую для них информацию.
Flex
При создании языка первым делом я написал лексер. Позже я изучил инструменты, которые могли бы сделать лексический анализ проще и уменьшить количество возникающих багов.
Одним из основных таких инструментов является Flex - генератор лексических анализаторов. Он принимает на вход файл с описанием грамматики языка, а потом создаёт программу на C, которая в свою очередь анализирует строку и выдаёт нужный результат.
Моё решение
Я решил оставить написанный мной анализатор. Особых преимуществ у Flex я в итоге не увидел, а его использование только создало бы дополнительные зависимости, усложняющие процесс сборки. К тому же, мой выбор обеспечивает больше гибкости - например, можно добавить к языку оператор без необходимости редактировать несколько файлов.
Синтаксический анализатор / парсер
Список токенов проходит через парсер и превращается в дерево.
Следующая стадия - парсер. Он преобразует исходный текст, то есть список токенов (с учётом скобок и порядка операций), в абстрактное синтаксическое дерево , которое позволяет структурно представить правила создаваемого языка. Сам по себе процесс можно назвать простым, но с увеличением количества языковых конструкций он сильно усложняется.
Bison
На этом шаге я также думал использовать стороннюю библиотеку, рассматривая Bison для генерации синтаксического анализатора. Он во многом похож на Flex - пользовательский файл с синтаксическими правилами структурируется с помощью программы на языке C. Но я снова отказался от средств автоматизации.
Преимущества кастомных программ
С лексером моё решение писать и использовать свой код (длиной около 200 строк) было довольно очевидным: я люблю задачки, а эта к тому же относительно тривиальная. С парсером другая история: сейчас длина кода для него - 750 строк, и это уже третья попытка (первые две были просто ужасны).
Тем не менее, я решил делать парсер сам. Вот основные причины:
- минимизация переключения контекста ;
- упрощение сборки;
- желание справиться с задачей самостоятельно.
В целесообразности решения меня убедило высказывание Уолтера Брайта (создателя языка D) в одной из его статей :
Я бы не советовал использовать генераторы лексических и синтаксических анализаторов, а также другие так называемые «компиляторы компиляторов». Написание лексера и парсера не займёт много времени, а использование генератора накрепко привяжет вас к нему в дальнейшей работе (что имеет значение при портировании компилятора на новую платформу). Кроме того, генераторы отличаются выдачей не релевантных сообщений об ошибках.
Абстрактный семантический граф
Переход от синтаксического дерева к семантическому графу
В этой части я реализовал структуру, по своей сути наиболее близкую к «промежуточному представлению» (intermediate representation) в LLVM. Существует небольшая, но важная разница между абстрактным синтаксическим деревом (АСД) и абстрактным семантическим графом (АСГ).
АСГ vs АСД
Грубо говоря, семантический граф - это синтаксическое дерево с контекстом. То есть, он содержит информацию наподобие какой тип возвращает функция или в каких местах используется одна и та же переменная. Из-за того, что графу нужно распознать и запомнить весь этот контекст, коду, который его генерирует, необходима поддержка в виде множества различных поясняющих таблиц.
Запуск
После того, как граф составлен, запуск программы становится довольно простой задачей. Каждый узел содержит реализацию функции, которая получает некоторые данные на вход, делает то, что запрограммировано (включая возможный вызов вспомогательных функций), и возвращает результат. Это - интерпретатор в действии.
Варианты компиляции
Вы, наверное, спросите, откуда взялся интерпретатор, если я изначально определил Pinecone как компилируемый язык. Дело в том, что компиляция гораздо сложнее, чем интерпретация - я уже упоминал ранее, что столкнулся с некоторыми проблемами на этом шаге.
Написать свой компилятор
Сначала мне понравилась эта мысль - я люблю делать вещи сам, к тому же давно хотел изучить язык ассемблера. Вот только создать с нуля кроссплатформенный компилятор - сложнее, чем написать машинный код для каждого элемента языка. Я счёл эту идею абсолютно не практичной и не стоящей затраченных ресурсов.
Как развитие компьютерных технологий не стоит на месте, так и постоянно совершенствуются способы и а также языки программирования. Рассмотрим, какие языки существуют в современной компьютерной области и их классификацию.
Общие сведения
Список языков программирования настолько широк и многообразен, что полностью выкладывать его - задача практически невыполнимая. Среди всех языков можно выделить три основные подгруппы:
- машинные (языки программирования низкого уровня);
- машинно-ориентированные (ассемблеры);
- машинно-независимые (высокого уровня);
Среди разработчиков современного программного обеспечения наиболее популярны следующие основные языки программирования. Список приведён в порядке убывания популярности:
- Java.
- HTML.
- Visual Basic.
- Delphi.
Этот список языков программирования далеко не полный, однако это наиболее востребованные языки, знание которых могут потребовать у программиста при устройстве на работу. Все они являются языками программирования высокого уровня.
Основы программирования
Языки программирования низкого уровня - это такие языки, которые требуют учитывать тип и возможности процессора. Операторы и методы работы таких языков программирования достаточно близки к машинному коду, они требуют знания устройства памяти персонального компьютера и того, как процессор обращается к ней.
Сложно назвать различные языки программирования низкого уровня. Список все равно сведётся к одному главенствующему языку - ассемблеру. Поскольку он позволяет составлять коды программ в обозначениях близких машинному коду, то используется ассемблер исключительно при написании системного программного обеспечения, такого как операционные системы, драйверы устройств и при программировании управляющих кодов микросхем.
Минусом таких языков программирования является то, что программы на них пишутся для выполнения конкретных задач, на конкретном устройстве и их выполнение невозможно в случае переноса на другой процессор.
Разработка приложений
Список языков программирования для создания пользовательских приложений, а также для разработки и внедрения пользовательского программного обеспечения насчитывает тысячи позиций. Как понимаете, такое многообразие обусловлено тем, что конкретный язык подходит для решения определённых задач.
Несмотря на то что эти языки программирования определяют в отдельную группу, их выполнение происходит в машинном коде. Для выполнения готовой программы построчно и перевода её в используются специальные программы - интерпретаторы. Если перевод программного кода с одного языка на другой осуществляется без выполнения команд, то этим занимаются программы-компиляторы. В общем случае программы, предназначенные для перевода написанных программ из одного формального языка программирования в другой, называются трансляторами.
Рассмотрим подробнее языки программирования высокого уровня. Список составлять не будем, просто распишем несколько подробнее о каждом из наиболее популярных.
SQL
Специализированный язык программирования предназначен в первую очередь для работы с системами управления базами данных и их программирования. SQL переводится как "специализированный Поскольку в последние десятилетия рынок СУБД вырос многократно, популярность этого языка не становится сюрпризом.
Существуют различные мнения касательно будущего этого языка. Однозначно считается, что технология создания реляционных баз данных была на высоте, однако её время уходит. Необходимость развития в связи с возрастающими объёмами обрабатываемых данных приводит специалистов к мысли, что в будущем человечеству просто необходим переход от реляционных технологий к постреляционным, но с учетом сохранения совместимости с существующими банками данных.
Javascript
По праву занимает второе место среди языков программирования высокого уровня. Прост в освоении, удобен в работе. Повышенная по сравнению с прародителем приспособленность к программированию приводит к тому, что работают с этим языком миллионы человек по всему миру. Объектно-ориентированный язык основанный на С++, приспособлен к созданию программ и приложений, способных обрабатывать огромные потоки информации в специализированных средах и учитывать специфику среды внедрения готового
Технология Java - это основа, позволяющая в неограниченных количествах увеличивать инфраструктуру предприятий и компаний, способная связать воедино системы самого различного калибра, начиная от подключения к сети телефона по Wi-fi и заканчивая суперкомпьютерами.
XML
Потомок HTML, эта технология являет собой расширяемый язык разметки. Она приспособлена для интерпретирования документов. На нем проводятся сложнейшие преобразования и изменения документов. Язык XML используется для передачи и временного хранения данных при работе с различными реляционными базами через интернет.
XML уже достиг того уровня, когда может претендовать на роль основополагающей технологии для построения корпоративных сетей.
Программируем по-русски
Большинство популярных языков программирования используют лексику английского языка. Однако кроме них существуют также русские языки программирования. Список на русском невелик, а предметная область, в которой они используются, очень специализирована. Приведём некоторые примеры.
- 1С:Предприятие. Целая система, предназначенная для управления организацией во всех сферах деятельности. Нередко в объявлениях по поиску сотрудников можно встретить "Программист 1С".
- Глагол. Аналог англоязычного Pascal.
- Робик. Специализированный язык программирования, предназначенный для обучения детей основам программирования.
- Рапира. Язык с основанный на процедурах.
Как видите, список языков программирования настолько широк и разнообразен, что его невозможно охватить никакими классификациями и перечнями. Если вы решите заняться программированием на любительском или профессиональном уровне, то помните, что программист - творческая профессия, требующая не только знаний, но и фантазии, воображения, интуиции и даже немного удачи.
Какие бывают языки программирования? Что за концепции в них заложены? Как они развивались? В данной статье рассмотрим виды языков программирования основываясь на так называемых уровнях - от машинных кодов (низкий уровень, приближённый к компьютерному "железу") до таких языков, как Java или С# (высокий уровень). Чем меньше преобразований пройдёт текстовый листинг программы по пути превращения в набор нулей и единичек – тем ниже уровень. Далее мы рассмотрим:- Языки низкого уровня (машинные коды и ассемблер)
- Средний уровень (C, Фортран ….)
- Высокий уровень (C++, Java, Python, Ruby, JavaScript ...)
Машинные языки (Самый низкий уровень)
Нам придётся совершить краткий визит из Software области в Hardware. Рассмотрим в упрощенном виде. Процессор – основной «мозг» компьютера. Материнская плата, на которой он установлен, содержит контроллеры, служащие для взаимодействия с прочими устройствами через шины (каналы данных для связи).Некоторые работают с большой скоростью (красные стрелки): процессор черпает из памяти команды и манипулирует данными, видеокарта – особенно в 3D играх, потребляет огромные объёмы текстур, фигур, координат пикселей и прочих объектов для построения изображения на экране монитора. Другим (в силу ограничения скорости обмена информацией) столь высокие показатели и не нужны. Разнообразные внутренние и внешние устройства подключены на схеме зелёными стрелками.
Внутренний мир процессора
Все команды процессора поступают из памяти на выполнение в двоичном виде. Формат, количество, подмножество инструкций зависят от его архитектуры. Большинство из них несовместимо друг с другом и следуют разным идеологиям. А также вид команды сильно зависит от режима (8/16/32… разрядность) и источника данных (память, регистр, стек…), с которыми работает процессор. Одно и то же действие может быть представлено различными инструкциями. Процессор имеет команды сложения двух операндов (ADD X,Y) и прибавления единицы к указанному (INC X). Добавление тройки к операнду можно выполнить как ADD X,3 или троекратно вызвав INC X. И, в отношении разных процессоров, нельзя предсказать какой из этих способов будет оптимальным по скорости или объёму занимаемой памяти. Для удобства двоичную информацию записывают в 16-ричном виде. Рассмотрим часть привычной программы (язык C, синтаксис которого сходный с Java) int func () { int i = getData ("7" ) ; return ++ i; . . . } Код, реализующий те же действия в виде последовательности инструкций для процессора: ... 48 83 ec 08 bf bc 05 20 00 31 c0 e8 e8 fe ff ff 48 83 c4 08 83 c0 01 ... Вот так, собственно и выглядит низкоуровневый язык программирования для процессора intel. Фрагмент, вызывающий метод с аргументом и возвращающий увеличенный на единицу результат. Это и есть машинный язык (код), который передается непосредственно сразу, без преобразований, на исполнение процессору. Плюсы:- Мы полностью хозяева положения, имеем самые широкие возможности использования процессора и аппаратуры компьютера.
- Для нас доступны все варианты организации и оптимизации кода.
- Необходимо обладать обширными знаниями по функционированию процессоров и учитывать большое количество аппаратных факторов при выполнении кода.
- Создание программ чуть более сложных чем приведенный пример приводит к резким увеличениям затрат времени по написанию кода и его отладку.
- Платформозависимость: программа, созданная для одного процессора, как правило, не будет функционировать на других. Возможно, и для данного процессора, в остальных режимах его работы, потребуется редактирование кода.
Язык ассемблера (низкий уровень)
В отличие от компьютера мы с вами лучше воспринимаем информацию в текстовом/смысловом, а не цифровом виде. Вы с легкостью назовете полсотни имён контактов в вашем смартфоне, но вряд ли сможете наизусть написать соответствующие им номера телефонов. Аналогично и с программированием. На лестнице типов мы поднимемся выше, сделав три основных шага:- Сопоставим группам цифровых инструкций процессора, выполняющих соответствующие действия, одну символьную команду.
- Выделим аргументы инструкций процессора отдельно.
- Введем возможность именовать области памяти, переменные, местоположение отдельных команд.
- Процесс написания и модификации кода упростился.
- Сохранился контроль ко всем ресурсам аппаратуры.
- Относительно легче переносить программу на другие платформы, но требуется их модификация в зависимости от аппаратной совместимости.
- Ассемблер относится к низкоуровневым языкам программирования. Создание даже небольших участков кода затруднено. К тому же также необходимо учитывать специфику работы аппаратуры.
- Платформозависимость.
Языки группы C/Фортран (средний/высокий уровень)
С развитием возможностей вычислительной техники объём функциональности и сроки реализации кода на ассемблере уже не устраивали. Затраты для написания, тестирования и сопровождения программ росли на порядок быстрее их возможностей. Необходимо было снизить требования от программиста в плане знаний функционирования аппаратуры, дать ему инструмент, позволяющий писать на языках, приближенных к человеческой логике. Перейти к новому уровню типов языков программирования. Предоставить возможность разбивать на разнообразные модули с дальнейшим последовательным вызовом (парадигма процедурного программирования), предоставить различные типы данных с возможностью их конструирования и т. п. Дополнительно эти меры привнесли улучшенную переносимость кода на другие платформы, более комфортную организацию командной работы. Одним из первых языков, поддерживающий всё вышеперечисленное был разработанный в 50-е годы прошлого века Фортран . Возможность создавать в текстовом виде с описанием логики выполнения используя циклы, ветвления, подпрограммы и оперируя массивами и представляя данные в виде вещественных, целых и комплексных чисел приводила инженеров и учёных в восторг. За короткое время были созданы научные «фреймворки» и библиотеки. Всё это и стало следствием того, что Фортран и поныне имеет актуальность, пусть и в узкой научной среде, и развивается, так как багаж наработок очень велик, одна только библиотека IMSL активно развивается с 1970 (!) года, много ли вспомните подобных актуальных software-старожилов? Другая ветка развития языков этого уровня – C . Если Фортран стал инструментом учёных, то C создавался в помощь программистам, создающим прикладное ПО: операционные системы, драйвера и т. д. Язык позволяет вручную управлять распределением памяти, даёт прямой доступ к аппаратным ресурсам. C-программистам приходится контролировать низкоуровневые сущности, поэтому многие придерживаются мнения, что язык C – усовершенствованный ассемблер и его часто называют языком «среднего» уровня. Привнеся в ассемблер типизацию данных, элементы процедурного и модульного программирования язык C и сегодня является одним из основных для системного программирования, чему также способствует и бурное развитие микроэлектроники в последнее время. Всевозможные гаджеты, контроллеры, сетевые и прочие устройства нуждаются в драйверах, реализации протоколов для совместной работы и прочем относительно низкоуровневом ПО для реализации взаимодействия с аппаратурой. Все вышеперечисленное способствует востребованности языка и в настоящее время. Объектно-ориентированные и функциональные принципы получили дальнейшее развитие в виде C++, C#, Java, взяв многое от синтаксиса C. Плюсы:- Упрощение процесса создания кода: введение типов, разбивка на модули, сокращение листинга программ.
- Прозрачная логика заложенного алгоритма вследствие ухода от машинных кодов к более понятным для человека командам в семантически описательном стиле.
- Переносимость. Стало достаточно перекомпилировать текст программы для выполнения на другой платформе (возможно, с небольшой модификацией).
- Скорость откомпилированных программ.
- Отсутствие автоматического управления памятью и необходимость постоянного её контроля.
- Отсутствие реализации концепций объектно-ориентированного и функционального программирования.
Развитие языков высокого уровня
Высокоуровневые языки программирования, в плане создания ПО, стали всё по большей части удаляться от машинных кодов и реализовывать различные, помимо процедурного, парадигм программирования. К ним относят также и реализацию объектно-ориентированных принципов. C++, Java, Python, JavaScript, Ruby… – спектр языков данного типа наиболее популярен и востребован сегодня. Они предоставляют больше возможностей для реализации разнообразного ПО и нельзя однозначно определить «специализацию» каждого из них. Но популярность применения в соответствующих областях обусловлена библиотеками/фреймворками для работы с ними, например: JavaScript – Frontend. Язык был разработан для взаимодействия клиентского веб-браузера с пользователем и удалённым сервером. Наиболее популярные библиотеки: Angular, React и VUE. В данное время относительно активно употребляется и на web и т. п. серверах (backend), особенно популярен Node.js. Ruby – Backend. Применяется для создания скриптов (служебных сервисных файлов) и на web серверах. Основной фреймворк - Ruby On Rails. Python – научная и инженерная сфера (помимо веб-области). Является альтернативой стандартным вычислительным и математическим пакетам (Mathematica, Octave, MatLab…), но имеет привычную семантику языка и большое число библиотек. Имеет много поклонников в области систем машинного обучения, статистики и искусственного интеллекта. Из часто используемых библиотек необходимо упомянуть django, numpy, pandas, tensorflow. С++ – Универсал, эволюционное развитие языка C. Предоставляет возможности функционального и объектно-ориентированного программирования и не потеряв при этом способность низкоуровневого взаимодействия с аппаратным обеспечением. За счёт чего реализуется производительность и гибкость при создании ПО, но и цена соответствует: высокий порог вхождения за счёт сложной спецификации языка, необходимости самостоятельного контроля за ресурсами при выполнении программы. Многие однопользовательское и системное ПО написано с его применением: модули операционных систем (Windows, Symbian…), игры, редакторы (Adobe Photoshop, Autodesk Maya…), базы данных (MSSQL, Oracle…), проигрыватели (WinAmp…) и т. д. Следует отметить, что современное ПО является сложным продуктом, в разработке которого используется сразу несколько языков программирования и расставлять степень участия каждого из них в общий результат бывает весьма затруднительно.Дальнейший прогресс
В последнее время набирает популярность и иной вид программирования - функциональное (дальнейшее развитие уровня языка) . Здесь уже другой вид абстракции для вычислений – функции, которые берут в качестве аргументов набор функций и возвращают другую. Роль переменных играют те же функции (привычные нам переменные – просто константные выражения, аналогичные final перед объявлением типа в Java). Собственно функция замкнута в своей области видимости, результат её работы зависит только от переданных аргументов. Отсюда вытекают два замечательных свойства:- Для тестирования нам необходимы только аргументы функций (результат работы не зависит от внешних переменных и т. п.).
- Программа в функциональном стиле чудесным образом готова к параллельной работе: последовательные вызовы функций можно пускать в соседних потоках (так как на них не действуют внешние факторы) и им не нужны блокировки (то есть, проблемы синхронизации отсутствуют). Хороший стимул уделить время этой теме, учитывая повальное распространение многоядерных процессоров.