Краткий обзор известных языков программирования. Список языков программирования. Языки программирования низкого и высокого уровня

Языки программирования делятся на 2 класса:

1. Машинные или машинно-ориентированные (низкого уровня)
2. Алгоритмические (высокого уровня)

Язык низкого уровня ориентирован на конкретный тип процессора и записывается в машинных кодах (0 или 1). Этот язык понятен компьютеру, но не понятен человеку. Например, язык АССЕМБЛЕРА

Языки программирования высокого уровня – записываются с помощью английских слов и фраз. То есть такой язык понятен человеку но

не понятен компьютеру. Эти языки нужно переводить на машинные коды. Для этого применяются трансляторы. Они делятся на:

1. Компиляторы – сразу переводят исходный текст программы на язык машинных кодов. После этого формируется командный файл (.exe или.com) и сама исходная программа уже не нужна.
2. Интерпретаторы – они переводят исходный текст программы по шагам. И каждый раз при запуске обращаются к исходному тексту. Очень удобно при отладке программ.

Еще есть понятие «компоновки» программ, то есть сбор откомпилированных элементов в единый программный модуль

Этапы компьютерного моделирования:

1. Постановка задачи и определение объекта моделирования
2. Разработка концептуальной модели, выявление основных элементов и их взаимосвязей
3. Формализация и переход к модели
4. Создание алгоритма и написание программы
5. Планирование и проведение компьютерных экспериментов
6. Анализ и интерпретация результатов

Массив относится к составным типам данных. Доступ к элементу массива осуществляется по имени массива и номеру элемента. Элементы массива в памяти компьютера упорядочены по возрастанию индексов.

Атрибуты переменной в языках программирования: имя, адрес, значение и тип

Критерии качества программных систем: надежность, правильность, понятность, гибкость, эффективность

Языки программирования :

Perl – язык сценариев

В процедурных языках программирования отсутствует комплексный тип данных

Виртуальная машина Java – интерпретатор

Пролог – язык логического программирования, является интерпретатором

JavaSCRIPT – язык сценариев

SQL – язык манипулирования данными используется для выборки, вставки и удаление информации в реляционных базах данных.

К языкам декларативного программирования относятся логические языки

HTML и XML – языки разметки данных

С – язык применяемый для структурного программирования

Основными элементами объектно-ориентированного программирования являются:

1. Класс
2. Объект - экземпляр класса
3. Событие, которое происходит с объектом
4. Метод который выполняется над объектом
5. Свойство

Базовыми понятиями объектно-ориентированного программирования являются:

1. Полиморфизм – использование одного имени для задания общих для класса действий, что означает способность объектов выбирать внутренний метод исходя из типа данных
2. Наследование – свойство ООП, которое может быть смоделировано с помощью таксономической классификационной схемы (иерархии)
3. Инкапсуляция – означает возможность заключать в отдельный модуль процедуры работы с объектом

Основой метода структурного программирования являются: (программирование «сверху-вниз»)

По другому это программирование без «GoTo»

1. Использование композиции трех базовых элементов: ветвления, линейной структуры и цикла
2. Использование подпрограмм

При использовании подпрограмм нет необходимости добиваться минимального количества операторов. Передача входных данных при вызове подпрограммы происходит с помощью параметров. Параметры, указываемые в момент вызова подпрограммы из основной программы называются фактическими .

Для системного программирования наиболее подходят языки: С, С++ и Ассемблер

При трансляции для проверки типов в выражениях предназначен этап семантического анализа.

На этапе синтаксического анализа при трансляции выявляются ошибки типа «пропущена точка с запятой»

Внедрение ЭВМ во все сферы человеческой деятельности требует от специалистов разного профиля овладения навыками использования вычислительной техники. Повышается уровень подготовки студентов вузов, которые уже с первых курсов приобщаются к использованию ЭВМ и простейших численных методов, не говоря уже о том, что при выполнении курсовых и дипломных проектов применение вычислительной техники становится нормой в подавляющем большинстве вузов.

Вычислительная техника используется сейчас не только в инженерных расчетах и экономических науках, но и таких традиционно нематематических специальностях, как медицина, лингвистика, психология. В связи с этим можно констатировать, что применение ЭВМ приобрело массовый характер. Возникла многочисленная категория специалистов - пользователей ЭВМ, которым необходимы знания по применению ЭВМ в своей отрасли - навыки работы с уже имеющимся программным обеспечением, а так же создания своего собственного ПО, приспособленного для решения конкретной задачи. И здесь на помощь пользователю приходят описания языков программирования.

2. 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 общиx 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.

3. Этапы решения задачи на ЭВМ.

Наиболее эффективное применение ВТ нашла при проведении трудоемких расчетов в научных исследованиях и инженерных расчетах. При решении задачи на ЭВМ основная роль все-таки принадлежит человеку. Машина лишь выполняет его задания по разработанной программе. роль человека и машины легко уяснить, если процесс решения задачи разбить на перечисленные ниже этапы.

Постановка задачи. Этот этап заключается в содержательной (физической) постановке задачи и определении конечных решений.

Построение математической модели. Модель должна правильно (адекватно) описывать основные законы физического процесса. Построение или выбор математической модели из существующих требует глубокого понимания проблемы и знания соответствующих разделов математики.

Разработка ЧМ. Поскольку ЭВМ может выполнять лишь простейшие операции, она «не понимает» постановки задачи, даже в математической формулировке. Для ее решения должен быть найден численный метод, позволяющий свести задачу к некоторому вычислительному алгоритму. В каждом конкретном случае необходимо выбрать подходящее решение из уже разработанных стандартных.

Разработка алгоритма. Процесс решения задачи(вычислительный процесс) записывается в виде последовательности элементарных арифметических и логических операций, приводящей к конечному результату и называемой алгоритмом решения задачи.

Программирование. Алгоритм решения задачи записывается на понятном машине языке в виде точно определенной последовательности операций - программы. Процесс обычно производится с помощью некоторого промежуточного языка, а ее трансляция осуществляется самой машиной и ее системой.

Оладка программы. Составленная программа содержит разного рода ошибки, неточности, описки. Отладка включает контроль программы, диагностику (поиск и определение содержания) ошибок, и их устранение. Программа испытывается на решении контрольных (тестовых) задач для получения уверенности в достоверности результатов.

Проведение расчетов. На этом этапе готовятся исходные данные для расчетов и проводится расчет по отлаженной программе. при этом для уменьшения ручного труда по обработке результатов можно широко использовать удобные формы выдачи результатов в виде текстовой и графической информации, в понятном для человека виде.

Анализ результатов. Результаты расчетов тщательно анализируются, оформляется научно-техническая документация.

4. 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.

Машина не понимает человеческий язык. Конечно, мы не про Siri и другие распознаватели голоса — мы про создание нового софта. Чтобы сделать калькулятор, машине нужно поставить задачу так же, как бригадир объясняет рабочим как класть кирпич. Но «Вася, ёпт, ну ровнее же надо!» нужно описать на языке программирования. Откуда вообще взялись эти языки?

Отправная точка современного компьютера — аналитическая машина Бэббиджа, но языки придумали раньше: в XIX веке изобрели механическое пианино и ткацкий станок, для которых инженеры описывали логику работы. Этот набор инструкций — прототип того, на чём сегодня пишут программисты.

В середине XX века появляется машина Тьюринга, затем первые компьютеры и первый современный язык программирования Plankalkül. Первый скачок развития произошёл, когда на компьютеры обратили внимание военные — DARPA и иже с ними начали активно инвестировать в молодую отрасль. Второй пришёл с распространением интернета — чем глубже люди погружаются в цифровую эпоху, тем более востребованы главные творцы окружения этой эпохи — программисты. И всё больше желающих к ним присоединиться.

Желание разумное и понятное, но первый вопрос в голове часто становится непреодолимым барьером — с какого языка начать обучаться программированию? Страх неправильного выбора основывается на страхе потратить время впустую. В итоге начинающий программист несколько лет ищет «свой» язык, никак не продвигаясь к заветной цели. Так, чёрт возьми, какой же выбрать язык?

Критерии выбора первого языка программирования

Выбор языка зависит от задач, которые хочет решить программист. Для интернет-проектов популярен Python, который используют в своих проектах Google и Facebook, для мобильных приложений под Android лучший друг — Java, а под iOS — Swift.

Истинная проблема выбора — отсутствие конкретной задачи. Это нормально, потому что понять, чем именно хочется заниматься можно, только оказавшись внутри среды. Поэтому специалисты рекомендуют в качестве первого языка взять тот, с помощью которого можно решить самый широкий спектр задач.

Конечно, узкоспециализированные языки лучше решают задачи, под которые они заточенны, но это следующий шаг. Новичку всё же нужна свобода выбора.

Помимо универсальности , есть ещё критерии:

• Простота — спотыкаться о сложный синтаксис и застревать в дебрях нечитаемого кода — не самое приятное начало обучения.
• Популярность — язык должен часто обновляться, иметь большое сообщество разработчиков, быть востребованным в крупных компаниях. Ещё один плюс — чем популярнее язык, тем легче найти ответ на возникший рабочий вопрос.

Под эти три описания лучше всего подходят языки Python, C#, Java и Ruby.

Разработан в 80-е годы голландским программистом Гвидо ван Россумом. Большие технологические компании работают с Python: Яндекс, Google, Facebook и YouTube. Это так называемый скриптовый язык — на нём пишут то, что у программы под капотом. Его используют для веб-приложений, в разработке игр, софта для серверов…

Простота	Популярность	Универсальность
Код легко читается, у него понятная структура. Стандартного инструментария достаточно для начала обучения.	Занимает 1-е место в программах начального обучения программированию в университетах США. Регулярно обновляется — раз в 2,5 года. Входит в пятерку популярных языков по версии аналитической компании TIOBE Software на январь 2016 года.	На Python пишут почти всё: скрипты управления системами, веб-сайты, системы машинного обучения, игры.

Язык был разработан в конце 90-х на базе C++ и Java. В основном используется для больших enterprise-проектов, но не ограничивается только ими. Например, скрипты в игровом движке Unity пишут на C#.

Простота	Популярность	Универсальность
Структурно близок к C++ и Java — синтаксис (структура программного кода) сложнее, чем у Python и Ruby, но зато на изучение родственных языков уйдёт меньше времени. Интерфейсы библиотек хорошо вписываются в шаблоны проектирования — это упрощает изучение.	Последнее обновление было в 2015-м году. На C# пишут под Windows Phone, iOS и Android. Большое количество документации, но библиотек со свободной лицензией не много — это значит, что для обучения программист может использовать чужой код, но вот для использования в коммерческом продукте нужно платить.	Язык придумали программисты из Microsoft для разработки Windows-приложений. Несмотря на это, его используют и в других системах. Также работает на встраиваемых, десктопных и серверных платформах.

Ruby

Создан японским разработчиком под влиянием языка Perl. Запущен в 1995 году. На Ruby написаны: Shopify, Github, Groupon, Yellow Pages, Twitter и Slideshare. Он набирает популярность, но чаще встречается в стартапах, нежели в крупных компаниях. Хорошо подходит для создания простого интернет-проекта.

Простота	Популярность	Универсальность
Как и Python, код легко читается. Структура также идентична Python. В сравнении с остальными языками, выбор стандартных библиотек скуднее — нужно потратить время на поиски.	Большое и лояльное сообщество разработчиков — замыкает десятку самых популярных языков по версии TIOBE Software. Много библиотек в свободном доступе.	Наименее универсальный из всей четвёрки — в основном подходит для web-разработок. С другой стороны, внутри интернет-проектов с ним можно делать очень разные и очень крутые вещи.

Java

Первая версия языка вышла в мае 1995 года. Java используется в Amazon, eBay, LinkedIn и Yahoo!

Простота	Популярность	Универсальность
Как было сказано ранее, у Java и C# очень похожий синтаксис — выучил один, почти знаешь другой. Но как и в первом случае, синтаксис сложнее, чем у Ruby и Python.	В мире 3 миллиарда смартфонов на Android — это значит, что Java ещё долго будет востребован. Первый по популярности по версии TIOBE Software.	Чаще всего используется для enterprise-разработки и Android-приложений.

Итог препарирования

Вывод сделать сложно. С одной стороны манит возможность одним выстрелом убить двух зайцев и взять Java или C#, но Python манит свой универсальностью, а Ruby — простотой.

Мы сомневались и пошли говорить с опытными разработчиками — они всё же советуют остановиться на Python. Вот что говорит Григорий Петров, профессиональный разработчик, евангелист VoxImplant:

«Язык программирования Python часто называют «исполняемым псевдокодом», потому что синтаксис языка и стандартные библиотеки делают упор на читаемость и понятность. Добавим к этому широчайший выбор средств разработки, библиотек, обучающих материалов — и мы получим один из лучших языков программирования для начинающих».

Вывод: пока нет чётких задач и ясных целей, а есть только желание кодить, остановиться стоит на Python — он простой, популярный и универсальный. Никита Соболев, преподаватель программирования для начинающих в #tceh, также считает выбор этого языка оптимальным для новичка — образовательная программа получилась сложнее и длиннее, чем на курсе по Ruby, но свобода в выборе направления того стоит.

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.

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.