12 развитие парадигм программирования классификация языков программирования
Язы́к программи́рования — формальнаязнаковая система, предназначенная для записикомпьютерных программ. Язык программирования определяет наборлексических,синтаксическихисемантическихправил, задающих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (компьютер) под её управлением.
Со времени создания первых программируемых машинчеловечество придумало более двух с половиной тысяч языков программирования (включая абстрактные и нестандартные языки). Каждый год их число увеличивается. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты иногда применяют в своей работе более десятка разнообразных языков программирования.
Создатели языков по-разному толкуют понятие язык программирования. К наиболее распространённым утверждениям, признаваемым большинством разработчиков, относятся следующие:
- Функция: язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые применяются для передачи компьютеру инструкцийпо выполнению того или иноговычислительного процессаи организации управления отдельнымиустройствами.
- Задача: язык программирования отличается от естественных языковтем, что предназначен для передачикоманди данных от человека к компьютеру, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой. Можно обобщить определение «языков программирования» — это способ передачи команд, приказов, чёткого руководства к действию; тогда как человеческие языки служат также для обмена информацией.
- Исполнение: язык программирования может использовать специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данныхи управления процессом вычислений.
1. Поколения языков программирования
В развитии инструментального программного обеспечениярассматривают пять поколений языков программирования (ЯП). Языки программирования как средство общения человека с ЭВМ от поколения к поколению улучшали свои характеристики, становясь все более доступными в освоении непрофессионалам. Первые три поколения ЯП характеризовались более сложным набором зарезервированных слов и синтаксисом. Языки четвертого поколения все еще требуют соблюдения определенного синтаксиса при написании программ, но он значительно легче для освоения. Естественные ЯП, разрабатываемые в настоящее время, составят пятое поколение и позволят определять необходимые процедуры обработки информации, используя предложения языка, весьма близкого к естественному и не требующего соблюдения особого синтаксиса.
| Поколения | Языки программирования | Характеристика |
| Первое | Языки машинных команд (ЯМК) | Ориентированы на использование в конкретной ЭВМ, сложны в освоении, требуют хорошего знания архитектуры ЭВМ |
| Второе | Ассемблеры, Макроассемблеры | Более удобны для использования, но по-прежнему машинно-зависимы |
| Третье | Языки высокого уровня | Мобильные, человеко-ориентированные, проще в освоении |
| Четвертое | Непроцедурные, объектно-ориентированные, языки запросов, параллельные | Ориентированы на непрофессионального пользователя и на ЭВМ с параллельной архитектурой |
| Пятое | Языки искусственного интеллекта, экспертных систем и баз знаний, естественные языки | Ориентированы на повышение интеллектуального уровня ЭВМ и интерфейса с языками |
ЯП первого поколения представляли собой набор машинных команд в двоичном (бинарном) или восьмеричном формате, который определялся архитектурой конкретной ЭВМ. Каждый тип ЭВМ имел свой ЯП, программы на котором были пригодны только для данного типа ЭВМ. От программиста при этом требовалось хорошее знание не только машинного языка, но и архитектуры ЭВМ. Второе поколение ЯП характеризуется созданием языков ассемблерного типа (ассемблеров, макроассемблеров), позволяющих вместо двоичных и других форматов машинных команд использовать их мнемонические символьные обозначения (имена). Являясь существенным шагом вперед, ассемблерные языки все еще оставались машинно-зависимыми, а программист все также должен был быть хорошо знаком с организацией и функционированием аппаратной среды конкретного типа ЭВМ. При этом ассемблерные программы все так же затруднительны для чтения, трудоемки при отладке и требуют больших усилий для переноса на другие типы ЭВМ. Однако и сейчас ассемблерные языки используются при необходимости разработки высокоэффективного программного обеспечения (минимального по объему и с максимальной производительностью). Особо следует остановиться на использовании макрокоманд. При программировании на макроассемблере можно формировать обращение к часто повторяющейся последовательности команд при помощи одного оператора. Этот прием несколько напоминает вызов подпрограммв языках высокого уровня, но между ними лежит значительное различие, заключающееся в том, что подпрограмма, занимающая некоторый участок памяти, может быть исполнена неограниченное число раз путем передачи ей управления из вызывающей программы, в которую подпрограмма сама затем возвращает управление. В ассемблере используются макровызовы макроопределений. Макроопределение — это последовательность операторов, которые могут содержать формальные параметры. Макроопределение и команда обращения к макроопределению (макровызов) образуют макрокоманду. Макровызов — это оператор вызова макроопределения. Если макроопределение содержит формальные параметры, то макровызов обязан содержать фактические значения этих параметров, которые будут подставлены вместо соответствующих формальных. В результате макровызова формируется реальная последовательность команд — макрорасширение. Макрорасширение вставляется в исходный текст программы на место оператора макровызова. Таким образом, в исходный текст программы макрорасширение одного и того же макроопределения может быть вставлено несколько раз, по числу макровызовов. Каждое макрорасширение послетрансляции, естественно, занимает свой участок памяти. Третье поколение ЯП начинается с появления в 1956 г. первого языка высокого уровня — Fortran, разработанного под руководством Дж. Бэкуса в фирме IBM. За короткое время Fortran становится основным ЯП при решении инженерно-технических и научных задач. Первоначально Fortran обладал весьма ограниченными средствами обеспечения работы с символьной информацией и с системой ввода-вывода. Однако постоянное развитие языка сделало его одним из самых распространенных ЯВУ на ЭВМ всех классов — от микро- до супер-ЭВМ, а его версии используются и для вычислительных средств нетрадиционной параллельной архитектуры. Вскоре после языка Fortran появились такие ныне широко известные языки, как Algol, Cobol,Basic, PL/1,Pascal, APL, ADA, C, Forth, Lisp, Modula и др. В настоящее время насчитывается свыше 2000 различных языков высокого уровня. Языки четвертого поколения носят ярко выраженный непроцедурный характер, определяемый тем, что программы на таких языках описывают только что, а не как надо сделать. В программах формируются скорее соотношения, а не последовательности шагов выполнения алгоритмов. Типичными примерами непроцедурных языков являются языки, используемые для задач искусственного интеллекта(например, Prolog, Langin). Так как непроцедурные языки имеют минимальное число синтаксических правил, они значительно более пригодны для применения непрофессионалами в области программирования. Второй тенденцией развития ЯП четвертого поколения являются объектно-ориентированные языки, базирующиеся на понятии программного объекта, впервые использованного в языке Simula-67 и составившего впоследствии основу известного языка SmallTalk. Программный объект состоит из структур данных и алгоритмов, при этом каждый объект знает,как выполнять операции со своими собственными данными. На самом деле, различные объекты могут пользоваться совершенно разными алгоритмами при выполнении действий, определенных одним и тем же ключевым словом (так называемое свойство полиморфизма). Например, объект с комплексными числами и массивами в качестве данных будет использовать различные алгоритмы для выполнения операции умножения. Такими свойствами обладают объектно-ориентированные Pascal, Basic, C++, SmallTalk, Simula, Actor и ряд других языков программирования. Третьим направлением развития языков четвертого поколения можно считать языки запросов, позволяющих пользователю получать информацию из баз данных. Языки запросов имеют свой особый синтаксис, который должен соблюдаться, как и в традиционных ЯП третьего поколения, но при этом проще в использовании. Среди языков запросов фактическим стандартом стал язык SQL(Structured Query Language). Четвертым направлением развития являются языки параллельного программирования (модификация ЯВУ Fortran, языки Occam, SISAL, FP и др.), которые ориентированы на создание программного обеспечения для вычислительных средств параллельной архитектуры (многомашинные, мультипроцессорные среды и др.), в отличие от языков третьего поколения, ориентированных на традиционную однопроцессорную архитектуру. К интенсивно развивающемуся в настоящее время пятому поколению относятся языки искусственного интеллекта,экспертных систем, баз знаний (InterLisp, ExpertList, IQLisp, SAIL и др.), а также естественные языки, не требующие освоения какого-либо специального синтаксиса (в настоящее время успешно используются естественные ЯП с ограниченными возможностями — Clout, Q&A, HAL и др.).