Языки программирования
Язы́к программи́рования — формальная знаковая система, предназначенная для записи программ. Программа обычно представляет собой некоторый алгоритм в форме, понятной для исполнителя (например, компьютера). Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, используемых при составлении компьютерной 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 восьми с половиной тысяч языков программирования. [1] 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.
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 инструкций по выполнению того или иного вычислительного процесса и организации управления отдельными устройствами.
- Задача: язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для передачи команд и данных от человека компьютеру, в то время, как естественные языки используются для общения людей между собой. В принципе, 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 данных и управления процессом вычислений.
Стандартизация языков программирования
Язык программирования может быть представлен в виде набора спецификаций, определяющих его синтаксис и семантику.
Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные стандарты. Специальные организации проводят 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.
Типы данных
Современные цифровые компьютеры обычно являются двоичными и данные хранят в двоичном (бинарном) коде (хотя возможны реализации и в других системах счисления). Эти данные как правило отражают информацию из реального мира (имена, банковские счета, измерения и др.), представляющую высокоуровневые концепции.
Особая система, по которой данные организуются в программе, — это система типов языка программирования; разработка и изучение систем типов известна под названием теория типов. Языки могут быть классифицированы как системы со статической типизацией и языки с динамической типизацией.
Статически-типизированные языки могут быть в дальнейшем подразделены на языки с обязательной декларацией, где каждая переменная и объявление функции имеет обязательное объявление типа, и языки с выводимыми типами. Иногда динамически-типизированные языки называются латентно-типизированными.
Структуры данных
Системы типов в языках высокого уровня позволяют определять сложные, составные типы, так называемые структуры данных. Как правило, структурные типы данных образуются как декартово произведение базовых (атомарных) типов и ранее определённых составных типов.
Основные структуры данных (списки, очереди, хеш-таблицы, двоичные деревья и пары) часто представлены особыми синтаксическими конструкциями в языках высокого уровня. Такие данные структурируются автоматически.
Семантика языков программирования
Существует несколько подходов к определению семантики языков программирования.
Наиболее широко распространены разновидности следующих трёх: операционного, денотационного (математического) и деривационного (аксиоматического).
При описании семантики в рамках операционного подхода обычно исполнение конструкций языка программирования интерпретируется с помощью некоторой воображаемой (абстрактной) ЭВМ.
Деривационная семантика описывает последствия выполнения конструкций языка с помощью языка логики и задания пред- и постусловий. Денотационная семантика оперирует понятиями, типичными для математики — множества, соответствия, а также суждения, утверждения и др.
Парадигма программирования
Язык программирования строится в соответствии с той или иной базовой моделью вычислений и парадигмой программирования.
Несмотря на то, что большинство языков ориентировано на императивную модель вычислений, задаваемую фон-неймановской архитектурой ЭВМ, существуют и другие подходы. Можно упомянуть языки со стековой вычислительной моделью (Forth, Factor, Postscript и др.), а также функциональное (Лисп, ML и др.) и логическое программирование (Пролог) и язык Рефал, основанный на модели вычислений, введённой советским математиком А. А. Марковым-младшим.
В настоящее время также активно развиваются проблемно-ориентированные, декларативные и визуальные языки программирования.
Компилируемые и интерпретируемые языки
Языки программирования могут быть разделены на компилируемые и интерпретируемые.
Программа на компилируемом языке при помощи специальной программы компилятора преобразуется (компилируется) в набор инструкций для данного типа процессора (машинный код) и далее записывается в исполнимый модуль, который может быть запущен на выполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит исходный текст программы с языка программирования высокого уровня в двоичные коды инструкций процессора.
Если программа написана на интерпретируемом языке, то интерпретатор непосредственно выполняет (интерпретирует) исходный текст без предварительного перевода. При этом программа остаётся на исходном языке и не может быть запущена без интерпретатора. Можно сказать, что процессор компьютера — это интерпретатор машинного кода.
Кратко говоря, компилятор переводит исходный текст программы на машинный язык сразу и целиком, создавая при этом отдельную исполняемую программу, а интерпретатор выполняет исходный текст прямо во время исполнения программы.
Разделение на компилируемые и интерпретируемые языки является несколько условным. Так, для любого традиционно компилируемого языка, как, например, Паскаль, можно написать интерпретатор. Кроме того, большинство современных «чистых» интерпретаторов не исполняют конструкции языка непосредственно, а компилируют их в некоторое высокоуровневое промежуточное представление (например, с разыменованием переменных и раскрытием макросов).
Для любого интерпретируемого языка можно создать компилятор — например, язык Лисп, изначально интерпретируемый, может компилироваться без каких бы то ни было ограничений. Создаваемый во время исполнения программы код может так же динамически компилироваться во время исполнения.
Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем, при каждом изменении текста программы требуется её перекомпиляция, что создаёт трудности при разработке. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция.
Интерпретируемые языки обладают некоторыми специфическими дополнительными возможностями (см. выше), кроме того, программы на них можно запускать сразу же после изменения, что облегчает разработку. Программа на интерпретируемом языке может быть зачастую запущена на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий.
Однако интерпретируемые программы выполняются заметно медленнее, чем компилируемые, кроме того, они не могут выполняться без дополнительной программы-интерпретатора.
Некоторые языки, например, C#, находятся между компилируемыми и интерпретируемыми. А именно, программа компилируется не в машинный язык, а в машинно-независимый код низкого уровня, байт-код. Далее байт-код выполняется виртуальной машиной. Для выполнения байт-кода обычно используется интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету» (Just-in-time compilation, JVM), для C# — Common Language Runtime.
Подобный подход в некотором смысле позволяет использовать плюсы как интерпретаторов, так и компиляторов. Следует упомянуть также оригинальный язык Форт(Forth) имеющий и интерпретатор и компилятор.
Используемые символы
Ранние языки, возникшие в эпоху 6-битных символов, использовали более ограниченный набор. Например, алфавит Фортрана включает 49 символов (включая пробел): A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 = + — * / () . , $ ‘ :
Заметным исключением является язык APL, в котором используется очень много специальных символов.
Использование символов за пределами ASCII (например, символов KOI8-R или символов Юникода) зависит от реализации: иногда они разрешаются только в комментариях и символьных/строковых константах, а иногда и в идентификаторах. В СССР существовали языки, где все ключевые слова писались русскими буквами, но большу́ю популярность подобные языки не завоевали (исключение составляет Встроенный язык программирования 1С:Предприятие).
Расширение набора используемых символов сдерживается тем, что многие проекты по разработке программного обеспечения являются международными. Очень сложно было бы работать с кодом, где имена одних переменных записаны русскими буквами, других арабскими, а третьих китайскими иероглифами.
Языки программирования нового поколения поддерживают Unicode (Delphi 2006, C#,
Классы языков программирования
Примечания
См. также
- Список языков программирования
- Сравнение языков программирования
- Высокоуровневый язык программирования
- Компьютерный язык
- Краткая история развития языков программирования
- Грамматика с фразовой структурой
- Доказательное программирование
- Структурное программирование
- Лямбда-исчисление с типами
- Суперкомбинаторы
- Категориальная абстрактная машина
- Аппликативный подход к программированию
- Программирование
- Дракон — схемы
- Программа Hello, world!
Ссылки
- Самый полный список языков программирования — 8512 языков (англ.) (+ их генеалогическое древо)
- The Language List (англ.) — более 2500 языков с кратким описанием.
- Computer Languages History (англ.) — история языков программирования (с 1954 по май 2004) (содержит регулярно обновляемую диаграмму).
- «Hello World» in 65 verschiedenen Sprachen (нем.) — программа «Hello world» на 65 языках.
- Examples (англ.) — примеры программирования на 162 языках.
- Programming Language Popularity (англ.) — исследование популярности языков программирования за 2004 год.
- Programming Community Index (англ.) — регулярно обновляемый рейтинг популярности языков программирования.
- Форум программистов — решение различных проблем на всех языках программирования.
- программирование Исходники. Ру — все языки программирования.
- Computer Language Shootout Benchmarks (англ.) — сравнение языков программирования по эффективности.
- Programming Languages that are Loved (англ.) — сравнение языков программирования по «любви» и «ненависти» к ним.
- Прогопедия — энциклопедия языков программирования.
- Живой код — вики для коллекционирования полезного программного кода.
- Рейтинг языков программирования
- Форум по русским языкам программирования и средств разработки
Литература
- Hal Abelson and Gerald Jay Sussman. Структура и интерпретация компьютерных программ (Structure and Interpretation of Computer Programs). Доступны также видео лекции — в книге подчёркивается важность языков программирования как главной движущей силы компьютерной индустрии.
- Роберт У. Себеста. Основные концепции языков программирования = Concepts of Programming Languages / Пер. с англ. — 5-е изд. — М.: Вильямс, 2001. — 672 с. — 5000 экз. — ISBN 5-8459-0192-8 (рус.), ISBN 0-201-75295-6 (англ.)
- Вольфенгаген В. Э. Конструкции языков программирования. Приёмы описания. — М.: Центр ЮрИнфоР, 2001. — 276 с. — ISBN 5-89158-079-9
- Паронджанов В. Д. Как улучшить работу ума. Алгоритмы без программистов — это очень просто!. — М.: Дело, 2001. — 360 с. — ISBN 5-7749-0211-0