2) Что такое язык программирования стр. 2

3) Для чего нужны языки программирования стр. 3

4) Какие существуют языки программирования стр. 4 – 7

5) Что такое компилятор и интерпретатор стр. 8

6) Список использованной литературы стр. 9

Введение

До середины 60-х компьютеры были слишком дорогими машинами, использовавшимися только для особых задач, и выполнявшими только одну задачу за раз (т. н. пакетная обработка).

Языки программирования этой эры, как и компьютеры на которых они использовались, были разработаны для специфичных задач, таких как научные вычисления. Поскольку машины были дорогими и лишь одна задача выполнялась за раз, то и машинное время было дорого – поэтому скорость выполнения программы стояла на первом месте.

Однако в течение 60-х цена на компьютеры стала падать так, что даже небольшие компании могли их себе позволить; скорость компьютеров всё увеличивалась и наступило время, когда они стали часто простаивать без задач. Чтобы этого не происходило, стали вводить системы с разделением времени (time-sharing).

В таких системах процессорное время «нарезалось», и все пользователи поочерёдно получали короткие отрезки этого времени. Машины были достаточно быстрыми для того, чтобы в результате каждый пользователь за терминалом чувствовал себя так, будто работает с системой в одиночку. Машина же, в свою очередь, простаивала меньше, поскольку выполняла не одну, а сразу много задач. Разделение времени радикально снижало стоимость машинного времени, поскольку одна машина могла совместно использоваться сотнями пользователей.

В этих условиях - когда мощность стала дешева и доступна - создатели языков программирования все больше стали задумываться об удобстве написания программ, а не только скорости их выполнения. «Мелкие»(атомарные) операции, выполняемые непосредственно устройствами машины, объединили в более «крупные», высокоуровневые операции и целые конструкции, с которыми человеку куда проще и удобнее работать.

Что такое язык программирования

Язык программирования - формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна 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 при различных обстоятельствах.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более двух с половиной тысяч 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.

Создатели языков по-разному толкуют понятие язык программирования . Среди общин мест, признаваемых большинством разработчиков, находятся 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 лишь 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.

Для чего нужны языки программирования

Процесс работы компьютера заключается в выполнении программы, то есть набора вполне определённых команд во вполне определённом порядке. Машинный вид команды, состоящий из нулей и единиц, указывает, какое именно действие должен выполнить центральный процессор. Значит, чтобы задать компьютеру последовательность действий, которые он должен выполнить, нужно задать последовательность двоичных кодов соответствующих команд. Программы в машинных кодах состоят из тысячи команд. Писать такие программы – занятие сложное и утомительное. Программист должен помнить комбинацию нулей и единиц двоичного кода каждой программы, а также двоичные коды адресов данных, используемых при её выполнении. Гораздо проще написать программу на каком-нибудь языке, более близком к естественному человеческому языку, а работу по переводу этой программы в машинные коды поручить компьютеру. Так возникли языки, предназначенные специально для написания программ, - языки программирования.

Имеется много различных языков программирования. Вообще-то для решения большинства задач можно использовать любой из них. Опытные программисты знают, какой язык лучше использовать для решения каждой конкретной задачи, так как каждый из языков имеет свои возможности, ориентацию на определённые типы задач, свой способ описания понятий и объектов, используемых при решении задач.

Всё множество языков программирования можно разделить на две группы: языки низкого уровня и языки высокого уровня.

К языкам низкого уровня относятся языки ассемблера (от англ. toassemble – собирать, компоновать). В языке ассемблера используются символьные обозначения команд, которые легко понятны и быстро запоминаются. Вместо последовательности двоичных кодов команд записываются их символьные обозначения, а вместо двоичных адресов данных, используемых при выполнении команды, - символьные имена этих данных, выбранные программистом. Иногда язык ассемблера называют мнемокодом или автокодом.

Большинство программистов пользуются для составления программ языками высокого уровня. Как и обычный человеческий язык, такой язык имеет свой алфавит – множество символов, используемых в языке. Из этих символов составляются так называемые ключевые слова языка. Каждое из ключевых слов выполняет свою функцию, так же как в привычном нам языке нам языке слова, составленные из букв алфавита данного языка, могут выполнять функции разных частей речи. Ключевые слова связываются друг с другом в предложения по определённым синтаксическим правилам языка. Каждое предложение определяет некоторую последовательность действий, которые должен выполнить компьютер.

Язык высокого уровня выполняет роль посредника между человеком и компьютером, позволяя человеку общаться с компьютером более привычным для человека способом. Часто такой язык помогает выбрать правильный метод решения задачи.

Перед тем как писать программу на языке высокого уровня, программист должен составить алгоритм решения задачи, то есть пошаговый план действий, который нужно выполнить для решения этой задачи. Поэтому языки, требующие предварительного составления алгоритма, часто называют алгоритмическими языками.

Какие существуют языки программирования

Фортран

Языки программирования стали появляться уже с середины 50-х годов. Одним из первых языков такого типа стал язык Фортран (англ. FORTRAN от FORmulaTRANslator – переводчик формул), разработанный в 1957 году. Фортран применяется для описания алгоритма решения научно-технических задач с помощью ЦВМ. Так же, как и первые вычислительные машины, этот язык предназначался, в основном, для проведения естественно-научных и математических расчётов. В усовершенствованном виде этот язык сохранился до нашего времени. Среди современных языков высокого уровня он является одним из наиболее используемых при проведении научных исследований. Наиболее распространены варианты Фортран-II, Фортран-IV, EASICFortran и их обобщения.

Алгол

После Фортрана в 1958-1960 годах появился язык Алгол (Алгол-58, Алгол-60) (англ. ALGOL от ALGOrithmicLanguage – алгоритмический язык).Алгол был усовершенствован в 1964-1968 годах – Алгол-68.Алгол был разработан комитетом, в который входили европейские и американские учёные.Он относится к языкам высокого уровня (high-level language) и позволяет легко переводить алгебраические формулы в программные команды. Алгол был популярен в Европе, в том числе СССР, в то время как сравнимый с ним Фортран был распространен в США и Канаде. Алгол оказал заметное влияние на все разработанные позднее языки программирования, и, в частности, на язык Pascal. Этот язык так же, как и Фортран, предназначался для решения научно-технических задач. Кроме того, этот язык применялся как средство обучения основам программирования – искусства составления программ.

Обычно под понятием Алгол подразумевается язык Алгол-60 , в то время как Алгол-68 рассматривается как самостоятельный язык. Даже когда язык Алгол почти перестал использоваться для программирования, он ещё оставался официальным языком для публикации алгоритмов.

Кобол

В 1959 – 1960 годах был разработан язык Кобол (англ. COBOL от COmmom Business Oriented Language – общий язык, ориентированный на бизнес). Это язык программирования третьего поколения, предназначенный, в первую очередь, для разработки бизнес приложений.Также Кобол предназначался для решения экономических задач, обработки данных для банков, страховых компаний и других учреждений подобного рода. Разработчиком первого единого стандарта Кобола являлась Грейс Хоппер (бабушка Кобола ).

Кобол обычно критикуется за многословность и громоздкость, поскольку одной из целей создателей языка было максимально приблизить конструкции к английскому языку. (До сих пор Кобол считается языком программирования, на котором было написано больше всего строк кода). В то же время, Кобол имел прекрасные для своего времени средства для работы со структурами данных и файлами, что обеспечило ему долгую жизнь в бизнес приложениях, по крайней мере, в США.

Каким бы совершенным ни был компьютер, без программного обеспечения он представляет собой просто груду металла и пластика. Именно программы определяют, что и как , в какой последовательности он выполняет те или иные операции. Первые языки программирования начали появляться в начале пятидесятых годов и использовались для преобразования простых арифметических выражений в машинный код. Машинный код – это система команд вычислительной машины, интерпретируемых непосредственно микропроцессором. Но человеку писать программу в машинных кодах очень неудобно. Для того чтобы облегчить труд программиста, и начали создаваться языки программирования .Языки программирования делятся на языки высокого уровня и низкого. Чем выше уровень языка, тем легче на нем писать программисту. Такой язык более понятен человеку, так как позволяет с помощью простых смысловых конструкций задавать необходимую последовательность действий. После создания программы происходит ее компиляция – то есть автоматический в понятный процессору язык машинных кодов. Языки низкого уровня находятся гораздо ближе к языку машинных кодов, поэтому писать на них труднее. Но у них есть свое преимущество – написанные на таком языке программы получаются очень быстрыми и компактными. Наиболее популярным низкоуровневым языком является Assembler. Некоторые его преимущества настолько очевидны, что даже в сложных программах, написанных на высокоуровневых языках, часто применяют вставки на Ассемблере.Несмотря на существование большого количества языков программирования , получившие широкое распространение можно пересчитать по пальцам. Одним из самых распространенных является язык C++. Это очень удобный и достаточно простой для программиста язык, позволяющий создавать программы любого уровня сложности. Не так давно компания Microsoft разработала язык C# (читается как «си шарп»), обладающий рядом новых возможностей и предназначенный для написания программ под операционную систему Windows. Компания Microsoft выпустила и очень популярную среду программирования Microsoft Visual Studio, позволяющую программировать на С++, С# и некоторых других языках.Очень известным является язык программирования Delphi. Свое происхождение он ведет от некогда знаменитого Паскаля, однако благодаря усилиям компании Borland приобрел ряд новых качеств, став, по сути, новым языком. Писать на этом языке достаточно просто и удобно, а благодаря среде программирования Borland Delphi он получил очень широкое распространение.Без языков программирования было бы невозможным и существование интернета. Такие языки , как Perl и PHP позволяют создавать скрипты, определяющие выполнение на страницах сайта необходимых действий. Даже создание самой простой интернет-страницы невозможно без знания HTML – стандартного языка разметки документов. Вычислительные устройства сейчас находятся повсюду: в сотовых телефонах и банкоматах, в станках с числовым программным управлением и в телевизорах. Трудно найти сферу жизни, в которой они не были бы тем или иным образом задействованы. И все эти устройства работают благодаря программам, написанным с помощью тех или иных языков программирования .

Язык программирования - средство общения программиста с компьютером. Компьютер в данном случае - машина, понимающая лишь элементарные команды. На каком же языке разговор человека с компьютером сложнее всего?

В советском романе «Программист» рассказывается о ситуации, когда в техническом институте вычислительная машина. Приехало начальство и попросило продемонстрировать ее работу. Но она не понимала команды языка программирования. Тогда талантливый инженер начал диалог с машиной на ее языке - прямо в двоичном коде.

Многие программисты считают именно двоичный код самым сложным языком программирования - что является парадоксом, ведь бинарные числа языком не являются. Само понятие «язык программирования» подразумевает с языка компьютеров на язык человеческий. В двоичном же коде программисту приходится без упрощений дискутировать с машиной.

Несмотря на огромные трудности работы с двоичным кодом напрямую, именно двоичная логика позволяет экономней всего распоряжаться машинной памятью. Ее можно использовать для простых электрических устройств (микроволновые печи, чайники), а также в приборах, требующих особой скорости (точные часы, медицинское оборудование, спортивный инвентарь для судейства).

Ассемблер

Ассемблер - группа команд двоичного кода, сгруппированного по секциям. Этот язык используется при дизассемблировании программ. Бывает необходимо узнать код программы по ее исполняемым файлам. Для этого необходимо расшифровать исполняемый файл (работа во многом перекликается с криптографией). Этот процесс расшифровки исполняемых файлов называется дизассемблированием. На выходе программист получает группу команд ассемблера, даже если изначально программа была написана на другом языке. Работа с ассемблером (asm) напоминает программирование в двоичном коде, являясь испытанием даже для сильных программистов.

Популярный С++

Огромное количество программ и оболочек в мире написано на языках группы С. Сам язык С был создан в 1970 году для работы с процессорами. Этот язык отличался большой простотой.

В """" был разработан язык C++, наследовавший большинство возможностей предшественника, но добавивший дополнительный принцип - парадигму наследования. Несмотря на видимую простоту команд, именно этот язык является мощнейшим инструментом программирования. Огромное количество сторонних библиотек дает программисту большой простор для творческого процесса. Однако язык имеет сложную логическую структуру. Необходимо использовать объектно-ориентированный подход, который уменьшает число строк кода (из-за наследования), но усложняет логику. От программиста требуется умение фантазировать, что само по себе непросто.

Новые языки

В настоящее время широкой популярностью пользуются свободные «абстрактные» языки программирования: NOSQL, Erlang, Python. Освоить их непросто, однако специалисты редких языков пользуются большой популярностью. Как правило, новые языки создаются для решения специфических задач: работы с web-интерфейсами, создания приложений или управления серверными процессами. Особая трудность программирования на новейших языках заключена в их малой исследованности - имеется мало компонентов и библиотек, спецификаций и учебников.

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.

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:

1. Языки низкого уровня (машинные коды и ассемблер)
2. Средний уровень (C, Фортран ….)
3. Высокий уровень (C++, Java, Python, Ruby, JavaScript ...)

Уровень также характеризует насколько подробно нужно детализировать листинг будущей программы для воплощения реализации. Насколько этот процесс прост для человека. Не стоит считать уровень языка однозначным показателем его возможностей. Язык программирования – это инструмент, который эффективен в одной области и менее полезен в других. И столяр, и плотник работают с деревом. У первого основной инструмент – набор стамесок, у второго – топор. Однако резной шкаф изящнее сделает столяр, а дом быстрее поставит плотник. Хотя каждый и способен выполнить работу другого, но сделает это гораздо менее эффективно. Различные данные в компьютере представлены в виде наборов нулей и единиц. Управляющие команды для её обработки – те же данные, содержащие внутри себя инструкции, которые определяют местоположение необходимой информации и способ модификации.

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.

Минусы:

• 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.

Машинные коды широко использовались на заре появления компьютеров, других способов программирования в эпоху пионеров ЭВМ не было. В данное время ими изредка пользуются инженера в области микроэлектроники при разработке или низкоуровневом тестировании процессоров.

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.

Сравним фрагменты прошлой программы в машинных кодах (по центру) и на языке ассемблера (справа): 2004 b0 48 83 ec 08 sub $0x8 , % rsp 2004 b4 bf bc 05 20 00 mov $0x2005bc , % edi 2004 b9 31 c0 xor % eax, % eax 2004 bb e8 e8 fe ff ff callq getData 2004 c0 48 83 c4 08 add $0x8 , % rsp 2004 c4 83 c0 01 add $0x1 , % eax Как видим, процесс написания программы упростился: нет необходимости пользоваться справочниками формирования цифровых значений команд, рассчитывать длины переходов, распределение данных в памяти по её ячейкам и иные особенности процессора. Мы описываем нужное действие из набора символьных команд и необходимых для логики из выполнения аргументов, а далее программа-транслятор переводит текстовый файл на понятный процессору набор нулей и единиц. Плюсы:

• 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.

Минусы:

• Ассемблер относится к низкоуровневым языкам программирования. Создание даже небольших участков кода затруднено. К тому же также необходимо учитывать специфику работы аппаратуры.
• Платформозависимость.

Самый популярный демонстрационный Java пример: public static void main (String args) { System. out. println ("Hello World!" ) ; } будет выглядеть (NASM синтаксис, с использованием Windows API и kernel32.lib) следующим образом: global _main extern _GetStdHandle@4 extern _WriteFile@20 extern _ExitProcess@4 section . text _main: ; DWORD bytes; mov ebp, esp sub esp, 4 ; hStdOut = GetstdHandle ( STD_OUTPUT_HANDLE) push - 11 call _GetStdHandle@4 mov ebx, eax ; WriteFile ( hstdOut, message, length (message) , & bytes, 0 ) ; push 0 lea eax, [ ebp- 4 ] push eax push (message_end - message) push message push ebx call _WriteFile@20 ; ExitProcess (0 ) push 0 call _ExitProcess@4 ; never here hlt message: db "Hello, World" , 10 message_end: Как и машинные коды, ассемблер чаще используется инженерами и системными программистами. На нём пишут аппаратно-зависимые части ядра операционных систем, критические по времени или особенностям реализации драйвера различных периферийных устройств. Но в последнее время к нему прибегают всё реже и реже, так как его применение сильно сужает переносимость программ на другие платформы. Иногда используют процесс дизассемблирования – создают ассемблерный листинг программы из цифровых кодов для разбора логики выполнения небольших фрагментов. В редких случаях, если первоначальный высокоуровневый код недоступен: анализ вирусов для борьбы с ними или потере исходного текста. Язык ассемблера причисляют к первому/второму поколению (мы не будем рассматривать отдельно псевдокоды до возникновения ассемблера и их отличие от символьных команд). Хотелось бы выделить использование ассемблера в Demo Scene (демо-сцена): сплав искусства, математики и низкоуровневого кодирования, воплощающие художественные замыслы своих создателей в виде программ, генерирующих видеоклипы при ограничениях в ресурсах. Часто общий размер файла программы и данных не должен превышать 256 байт (также популярен и формат в 4/64 килобайта). Вот пример 4 Кб программы:

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.

Минусы:

• 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.

Однако и порог вхождения выше, чем для ООП: для эффективного кода необходимо строить программу, описывая в виде функций алгоритм выполнения. Но также для чистого функционального стиля неплохо бы знать азы логики и теории категорий. Наиболее популярные – Haskell, Scala, F#. Но не бойтесь, в Java (как и в других современных языках третьего поколения) появились элементы функционального программирования и их возможно комбинировать вместе с ООП. Более подробно вы познакомитесь со всеми этими подробностями на онлайн-стажировке JavaRush. Область логического программирования (следующий уровень языков) пока не нашла широкого практического применения в силу малой востребованности. Построение программ требует знание основ дискретной математики, логики предикатов, средств ограничений и других разделов математической логики. Наиболее популярный активный язык – Prolog.

Заключение

В настоящее время самые распространённые – языки ООП. Java, с момента возникновения, всегда находится в топе, обычно в тройке, востребованных языков. Помимо ООП, содержит элементы функционального программирования, и вы можете комбинировать разные стили составления ваших программ. Спектр применения Java весьма широк – это бизнес задачи, реализация веб-серверов (backend), основной язык создания Android-приложений, кроссплатформенные среды программирования и рабочих мест (IDE/АРМ) и моделирования и многое другое. Особенно сильны позиции Java в Enterprise секторе – области корпоративного программного обеспечения, которая требует качественный и долгоживущий код, реализацию самых сложных бизнес-логик.

ЯЗЫК ПРОГРАММИРОВАНИЯ И ЕГО ВИДЫ

Язык программирования - формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, задающих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (компьютер) под её управлением.

Высокоуровневый язык программирования - язык программирования, разработанный для быстроты и удобства использования программистом. Основная черта высокоуровневых языков - это абстракция, то есть введение смысловых конструкций, кратко описывающих такие структуры данных и операции над ними, описания которых на машинном коде (или другом низкоуровневом языке программирования) очень длинны и сложны для понимания.

Низкоуровневый язык программирования (язык программирования низкого уровня) - язык программирования, близкий к программированию непосредственно в машинных кодах используемого реального или виртуального (например, Java, Microsoft .NET) процессора. Для обозначения машинных команд обычно применяется мнемоническое обозначение. Это позволяет запоминать команды не в виде последовательности двоичных нулей и единиц, а в виде осмысленных сокращений слов человеческого языка (обычно английских).

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ НИЗКОГО УРОВНЯ

Первым компьютерам приходилось программировать двоичными машинными кодами. Однако программировать таким образом - достаточно трудоемкая и сложная задача. Для упрощения этой задачи стали появляться языки программирования низкого уровня, которые позволяли задавать машинные команды в более понятном для человека виде. Для преобразования их в двоичный код были созданы специальные программы - трансляторы.

Рис.1. Пример машинного кода и представления его на ассемблере

Трансляторы делятся на:

компиляторы - превращают текст программы в машинный код, который можно сохранить и затем использовать уже без компилятора (примером являются исполняемые файлы с расширением *. exe);

интерпретаторы - превращают часть программы в машинный код, выполняют и после этого переходят к следующей части. При этом каждый раз при выполнении программы используется интерпретатор.

Примером языка низкого уровня является ассемблер. Языки низкого уровня ориентированы на конкретный тип процессора и учитывают его особенности, поэтому для переноса программы на ассемблере на другую аппаратную платформу ее нужно почти полностью переписать. Определенные различия имеются и в синтаксисе программ под разные компиляторы. Правда, центральные процессоры для компьютеров фирм AMD и Intel практически совместимы и отличаются лишь некоторыми специфическими командами. А вот специализированные процессоры для других устройств, например, видеокарт, телефонов содержат существенные различия.

Преимущества

С помощью языков низкого уровня создаются эффективные и компактные программы, поскольку разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора.

Недостатки

Программист, работающий с языками низкого уровня, должен быть высокой квалификации, хорошо понимать устройство микропроцессорной системы, для которой создается программа. Так, если программа создается для компьютера, нужно знать устройство компьютера и, особенно, устройство и особенности работы его процессора;

результирующая программа не может быть перенесена на компьютер или устройство с другим типом процессора;

значительное время разработки больших и сложных программ.

Языки низкого уровня, как правило, используют для написания небольших системных программ, драйверов устройств, модулей стыков с нестандартным оборудованием, программирование специализированных микропроцессоров, когда важнейшими требованиями являются компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам.

Ассемблер - язык низкого уровня, что широко применяется до сих пор.

ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ

Первым языком программирования высокого уровня считается компьютерный язык Plankalkül, разработанный немецким инженером Конрадом Цузе ещё в период 1942-1946 годах. Однако транслятора для него не существовало до 2000 г. Первым в мире транслятором языка высокого уровня является ПП (Программирующая Программа), он же ПП-1, успешно испытанный в 1954 г. Транслятор ПП-2 (1955 г., 4-й в мире транслятор) уже был оптимизирующим и содержал собственный загрузчик и отладчик, библиотеку стандартных процедур, а транслятор ПП для ЭВМ Стрела-4 уже содержал и компоновщик (linker) из модулей. Однако, широкое применение высокоуровневых языков началось с возникновением Фортрана и созданием компилятора для этого языка (1957).

Высокоуровневые языки стремятся не только облегчить решение сложных программных задач, но и упростить портирование программного обеспечения. Использование разнообразных трансляторов и интерпретаторов обеспечивает связь программ, написанных при помощи языков высокого уровня, с различными операционными системами и оборудованием, в то время как их исходный код остаётся, в идеале, неизменным.

Такого рода оторванность высокоуровневых языков от аппаратной реализации компьютера помимо множества плюсов имеет и минусы. В частности, она не позволяет создавать простые и точные инструкции к используемому оборудованию. Программы, написанные на языках высокого уровня, проще для понимания программистом, но менее эффективны, чем их аналоги, создаваемые при помощи низкоуровневых языков. Одним из следствий этого стало добавление поддержки того или иного языка низкого уровня (язык ассемблера) в ряд современных профессиональных высокоуровневых языков программирования.

Примеры: C, C++,C#, Java, Python, PHP, Ruby, Perl, Паскаль, Delphi, Lisp . Языкам высокого уровня свойственно умение работать с комплексными структурами данных. В большинстве из них интегрирована поддержка строковых типов, объектов, операций файлового ввода-вывода и т. п.Недостатком языков высокого уровня является больший размер программ по сравнению с программами на языке низкого уровня. Поэтому в основном языки высокого уровня используются для разработок программного обеспечения компьютеров и устройств, которые имеют большой объем памяти. А разные подвиды ассемблера применяются для программирования других устройств, где критичным является размер программы.

В основе императивных языков лежат несколько важных идей, в их числе представление действий в виде математических формул, концепция типа данных и теорема о структурном преобразовании.

Пpогpамма на императивном языке стpоится из функций (подпpогpамм). Пpогpаммы на языке ассемблеpа тоже могут состоять из подпpогpамм и в этом нет ничего нового, но языки высокого уpовня позволяют не думать о таких вопpосах как оpганизация вызовов, пеpедача исходных данных и возвpат pезультатов. Описание функции состоит из имени, списка паpаметpов (исходных данных), типа pезульта и действий, пpиводящих к получению этого pезультата. Одна из функций пpогpаммы является главной, ее выполнение и есть pабота пpогpаммы.

Простой пример - функция, вычисляющая синус числа. Она может называться sin, ее исходные данные состоят из одного вещественного числа, pезультат - тоже вещественное число, получаемое путем суммиpования отpезка известного бесконечного pяда (или выполнения команды fsin математического сопроцессора).

Набоp действий, котоpые могут выполняться внутpи функции очень огpаничен. Он состоит из вычисления фоpмульных выpажений, вызовов дpугих функций (что не является отдельным действием - вызов функции часто входит в выpажение), присваиваний, ветвлений (гpуппа действий, котоpая выполняется лишь при истинности некоторого условия) и циклов (гpуппа действий, выполняемых многокpатно, число повтоpений зависит от некотоpого условия). Действия могут быть вложены дpуг в дpуга. Может показаться, что набоp из ветвлений и циклов слишком мал, но это не так. Доказано, что любой алгоpитм, составленный из функциональных блоков (на низком уpовне - арифметических команд и команд пеpесылки данных), условных и безусловных пеpеходов может быть пpеобpазован в эквивалентный алгоpитм, составленный только из стpуктуpных блоков - функциональных блоков, ветвлений и циклов с пpовеpкой условия в конце. Это утвеpжение было сфоpмулиpовано в статье Бома и Джакопини (Corrado Bohm and Giuseppe Jacopini) "Flow diagrams, turing mashines and languages with only two formation rules" (Communications of ACM, Volume 9 / Number 5 / May, 1965).

Если для выполнения необходимых действий нужно где-то хpанить пpомежуточные pезультаты, внутpи функции помещаются специальные описания, содеpжащие имена переменных и, возможно, другую информацию. Адpеса ячеек опеpативной памяти будут назначены им автоматически. В некоторых языках внутри функций также могут содержаться определения констант и типов. В Pascal-подобных языках функция подобна программе и может включать определения не только констант, типов и переменных, но и других функций.

Объявление данных пpедставляет собой список именованых объектов. Эти объекты называются пеpеменными. В ряде языков должен задаваться тип переменной, определяющий необходимый для ее pазмещения объем памяти и набоp опеpаций, в котоpых она может участвовать. Но это не обязательно так, существуют языки, в которых тип переменной не задается и может меняться по ходу выполнения программы.

Обычно языки пpогpаммиpования пpедоставляют достаточно огpаниченный набоp пpедопpеделенных типов пеpеменных и сpедства создания новых типов. Пpедопpеделены некотоpые из следующих типов:

натуpальные и целые числа pазличной pазpядности;

вещественные числа;

символы - буквы, цифpы, знаки аpифметических действий и пp.;

стpоки символов;

логические значения;

указатели

Действия над данными могут выполняться с помощью функций и операторов.

В языке C, напpимеp, не опpеделены символы, строки и логические значения. Его тип char на самом деле является коpотким целым и допускает аpифметические действия.

Новые типы обpазуются путем объединения в единое целое нескольких элементов одного типа (массив, каждый его элемент имеет поpядковый номеp) или элементов pазных типов (стpуктуpа, каждый ее элемент имеет собственное имя). Напpимеp, в большинстве языков комплексные числа не опpеделены, но их можно опpеделить:

В некоторых языках (например, в C++) для создаваемых типов могут быть определены и операторы, что позволяет использовать переменные этих типов так же, как и переменные предопределенных типов.

Есть и другие способы создания новых типов. Например, в языке Pascal возможно создание:

типов-диапазонов (посредством задания диапазона значений);

типов-перечислений (посредством перечисления возможных значений);

типов-множеств

Переменные типов-множеств могут быть использованы для хранения информации о наборе свойств каких-либо объектов. Нечто подобное можно сделать с помощью переменных целого типа, установленные биты которых озачают наличие соответствующих совойств. По-видимому, использование множеств более устойчиво к ошибкам программиста.