История языков программирования

ЛЕКЦИЯ № 1

Тема: Введение. в языки программирования

Цель лекции – изучить понятие и уровни языка программирования, а так же рассмотреть хронологию появления и развития языков программирования.

Литература:

1. Ваулин А.С. Языки программирования кн.5, 1993 г.;

2. П. Терренс Языки программирования: разработка и реализация, 1979 г.;

3. Касвандс Э.Г. Введение в программирование на языке Ассемблер ч.1,;

4. Хротко Г. Языки программирования высокого уровня, 1982 г.;

5. Малютин Э.А., Малютина Л.В. Языки программирования, 1982 г.;

6. Ушкова В Новые языки программирования и тенденции их развития, 1982 г.;

7. Янг С.Алгоритмические языки реального времени, 1985 г.

Изучаемые вопросы:

1. Основные определения

2. Уровни языков программирования

3. Способы трансляции

4. История развития языков программирования

ВВЕДЕНИЕ

Современный специалист в области компьютерных технологий должен владеть фундаментальными знаниями в области алгоритмизации и программирования. Под этим мы понимаем и системный подход к решению информационных задач, алгоритмическое мышление, знание терминологии и современных средств разработки программного обеспечения.

В настоящее время существует большое количество разнообразных языков программирования, с помощью которых можно эффективно решать широкий круг задач. Но залогом успешной разработки программного обеспечения на любом языке программирования было и остается знание основных принципов алгоритмизации, понимание процесса работы программы, обработки компьютером данных.

В прежнее время программирование было уделом математиков и системных инженеров. В настоящее время темы, рассматриваемые в курсе нужны компьютерным специалистам разного профиля: начиная от пользователей офисных пакетов, которые пишут макросы для автоматизации своей работы или WEB-дизайнеров и заканчивая системными программистами. Курс ориентирован на тех пользователей, кто не имеет никаких знаний по алгоритмизации и программированию или является начинающим программистом.

Даже если Вы не собираетесь работать программистом, данный курс научит Вас системно подходит к решению задач, научит грамотно формулировать техническое задание и описывать способы решения при составлении технического задания программистам.

Вам уже известно, что алгоритм, записанный на языке программирования, называется программой. А что же мы понимаем под языком программирования?

Язык программирования - это совокупность набора символов (алфавит) системы, правил образования (синтаксис) и истолкования конструкций из символов (семантика) для задания алгоритмов с использованием символов естественного языка.

Любой алгоритм есть последовательность предписаний, выполнив которые можно за конечное число шагов перейти от исходных данных к результату.

В зависимости от степени детализации предписаний определяется уровень языка программирования – чем меньше детализация, тем выше уровень языка.

По этому критерию можно выделить следующие уровни языков программирования: машинные, машинно-ориентированные и машинно-независимые (языки высокого уровня).

Машинный язык - это такой язык, который компьютер воспринимает непосредственно, то есть это язык машинных команд данной модели компьютера. А мы уже знаем, что ЭВМ "понимают" только язык двоичных знаков: нулей и единиц.

Процесс описания конкретного алгоритма на языке машинных команд называется программированием в машинных кодах. Для выполнения этой работы программист должен знать коды всех машинных операций, назначение и особенности применения каждой из них, а также помнить адреса конкретных ячеек памяти, хранящие те или иные операции.

Процесс разработки такой программы чрезвычайно трудоемок и непроизводителен. Поэтому для своего облегчения программисты придумали язык, переводящий символические имена в машинные коды. Ведь гораздо легче запомнить какое-то ключевое слово, чем соответствующий ему двоичный код.

Такие программы, работающие с помощью мнемонических (символьных) обозначений, называют ассемблерами. Они и сейчас находят широкое применение, особенно при разработке эффективных, быстродействующих программ например для разработки драйверов устройств. Именно такие машинные и полумашинные языки программирования относят к языкам низкого уровня. Их еще называют машинно-ориентированными языками (сюда относят и автокод).

Языки высокого уровня были разработаны для того, чтобы освободить программиста от учета технических особенностей конкретных компьютеров, их архитектуры.

В 1955 г. появился первый язык высокого уровня. Программы, написанные на таком языке, представляли собой набор уже не отдельных машинных команд, а более крупных элементов, называемых операторами данного языка. На языке высокого уровня исходная программа состояла из последовательности операторов.

Именно такие языки и ориентированы на описание алгоритмов. Поэтому их еще называют алгоритмическими языками.

Все алгоритмические языки отличаются, прежде всего, наглядной формой реализации алгоритма в виде программы, поскольку используют привычную математическую символику и ограниченный набор понятных ключевых слов. Основным достоинством алгоритмических языков является их универсальность, то есть независимость от конкретного типа машин (машинно-независимые языки).

Поскольку машина "понимает" только свой машинный язык, программа на алгоритмическом языке перед выполнением переводится на этот язык с помощью специальной программы транслятора, название которой происходит от английского слова translator (переводчик). В программе трансляторе "заложены" все правила алгоритмического языка и способы преобразования различных его конструкции на машинный язык.

Существуют два способа трансляции:

1. ИНТЕРПРЕТАЦИЯ (Interpretation) -метод выполнения в ЭВМ программы, заданной на языке программирования, при котором инструкция исходной программы переводится и сразу выполняется.

2. КОМПИЛЯЦИЯ (Compile - собирать) -метод выполнения в ЭВМ программы, но не сразу, а лишь тогда, когда собран перевод всего текста программы.

Разницу между компиляцией и интерпретацией можно выяснить с помощью аналогии. Фармацевты в аптеке приготовляют микстуру по старинному рецепту, написанному на латыни. Есть два пути: можно сначала перевести (скомпилировать) рецепт на родной язык и лишь затем готовить лекарство на родном языке. А можно, по мере чтения перевода рецепта, сразу готовить лекарство, но не записывать сам текст перевода (т.е. только интерпретировать). В последнем случае мы не получим текста рецепта на родном языке. А можно, по мере чтения перевода рецепта, сразу готовить лекарство, но не записывать сам текст перевода (т.е. только интерпретировать). В последнем случае мы не получим текста рецепта на родном языке, а сразу получим микстуру, правда, если лекарство нужно готовить несколько раз, рецепт придется переводить многократно.

Для того, чтобы процессор мог выполнить программу, программа и данные должны быть загружены в оперативную память. Необходимо, чтобы в ОП был размещена программа - транслятор, автоматически переводящий с языка программирования в машинные коды. Трансляторы бывают двух типов: интерпретаторы и компиляторы. Интерпретатор – программа, которая обеспечивает последовательный перевод операторов программы с одновременным их выполнением. Достоинством интерпретатора является удобство отладки (поиск ошибок), недостаток – сравнительно малая скорость выполнения. Компилятор переводит весь текст программы на машинный язык и сохраняет его в исполнимом файле (обычно с расширением.exe).

История языков программирования

Первыми популярными языками высокого уровня, появившимися в 1950-х гг., были Фортран, Кобол (в США) и Алгол (в Европе).

Фортран - с его четко определенными правилами выполнения арифметических операций - являлся классическим языком программирования для решения математических и физических задач.

Кобол — язык для программирования экономических задач. В Коболе по сравнению с двумя другими названными языками слабее развиты математические средства, но зато хорошо развиты средства обработки текстов, организация вывода данных в форме требуемого документа. COBOL был задуман как основной язык для массовой обработки данных в сферах управления и бизнеса. Другие языки программирования были также специализированы. Еще один заслуживающий внимания язык программирования - Алгол - предназначался для записи алгоритмов, которые строятся в виде последовательности процедур, применяемых для решения поставленной задачи. Программисты далеко неоднозначно приняли Алгол, широкого одобрения он не получил. Но все же влияние Алгола на развитие других языков программирования оказалось значительным.

Для первых ЯПВУ предметная ориентация языков была характерной чертой.

Большое количество языков программирования появилось в 1960—1970-х гг. А за всю историю ЭВМ их было создано более тысячи. Но распространились, выдержали испытание временем немногие.

В 1965 г. в Дартмутском университете был разработан язык Бейсик. По замыслу авторов это простой язык, легко изучаемый, предназначенный для программирования несложных расчетных задач.

Наибольшее распространение Бейсик получил на микро-ЭВМ и персональных компьютерах. На некоторых моделях школьных компьютеров программировать можно только на Бейсике. Однако Бейсик — неструктурный язык, и потому он плохо подходит для обучения качественному программированию. Справедливости ради следует заметить, что последние версии Бейсика для ПК (например, QBasic) стали более структурными и по своим изобразительным возможностям приближаются к таким языкам, как Паскаль[M1].

В эпоху ЭВМ третьего поколения получил большое распространение язык PL/1 {Program Language One), разработанный фирмой IBM. Это был первый язык, претендовавший на универсальность, т. е. на возможность решать любые задачи: вычислительные, обработки текстов, накопления и поиска информации. Однако PL/1 оказался слишком сложным языком. Для машин типа IBM 360/370 транслятор с него не мог считаться оптимальным, содержал ряд невыявленных ошибок. На ЭВМ класса мини и микро он вообще не получил распространения. Однако тенденция к универсализации языков оказалась перспективной. Старые языки были модернизированы в универсальные варианты — Алгол-68, Фортран-77.

Значительным событием в истории языков программирования стало создание в 1971 г. языка Паскаль. Его автор — швейцарский профессор Н.Вирт — разрабатывал Паскаль как учебный язык структурного программирования.

Наибольший успех в распространении этого языка обеспечили персональные компьютеры. Фирма Borland International, Inc (США) разработала систему программирования Турбо Паскаль для ПК.

Турбо Паскаль — это не только язык и транслятор с него, но еще и операционная оболочка, обеспечивающая пользователю удобство работы. Турбо Паскаль вышел за рамки учебного предназначения и стал языком профессионального программирования с универсальными возможностями. Транслятор с Турбо Паскаля по оптимальности создаваемых им программ близок наиболее удачному в этом отношении транслятору — транслятору с Фортрана.

В силу названных достоинств Паскаль стал основой многих современных языков программирования, например, таких как Ада, Модула-2 и др.[M2] [M3]

Язык программирования Си (английское название — С) создавался как инструментальный язык для разработки операционных систем, трансляторов, баз данных и других системных и прикладных программ. Так же как и Паскаль, Си — это язык структурного программирования, но, в отличие от Паскаля, в нем заложены возможности непосредственного обращения к некоторым машинным командам, к определенным участкам памяти компьютера.

Дальнейшее развитие Си привело к созданию языка объектно-ориентированного программирования Си++.

Модула-2 — это еще один язык, предложенный Н.Виртом, основанный на языке Паскаль и содержащий средства для создания больших программ.[M4]

ЭВМ будущего, пятого поколения называют машинами «искусственного интеллекта». Но прототипы языков для этих машин были созданы существенно раньше их физического появления. Это языки ЛИСП и Пролог.

ЛИСП появился в 1965 г. Язык ЛИСП основан на понятии рекурсивно определенных функций. А поскольку доказано, что любой алгоритм может быть описан с помощью некоторого набора рекурсивных функций, то ЛИСП, по сути, является универсальным языком. С его помощью на ЭВМ можно моделировать достаточно сложные процессы, в частности интеллектуальную деятельность людей.

Язык Пролог разработан во Франции в 1972 г. также для решения проблемы «искусственного интеллекта». Пролог позволяет в формальном виде описывать различные утверждения, логику рассуждений и заставляет ЭВМ давать ответы на заданные вопросы.

Итак, в 1955 году увидел свет первый алгоритмический язык Фортран. Он использовался для решения научно-технических и инженерных задач. Слово "Фортран" образовано от начальных слогов английских слов - formula translator (переводчик формул). Он был разработан сотрудниками фирмы IBM под руководством Джона Бэкуса. Основным назначением этого языка является программирование численных расчетов на ЭВМ.

Как видно из названия, первоначально язык создавался с целью использования при математических расчетах. Он предназначался для написания программ, используемых при решении прикладных технических задач. Основу языка составляли арифметические операторы, соответствующие по своему синтаксису традиционной записи математических выражений. В дополнение к этому в языке имелись средства разбиения сложных алгоритмов на более простые.

Как и многие естественные языки (украинский, русский, английский и т.д.), Фортан (и другие языки) имеет много "диалектов" (их называют версиями), различающихся правилами записи некоторых команд, но по сути одинаковых.

За прошедшие годы было много новых версий языка Фортан. Он все время менялся и развивался. Одна из последних версий - Фортран-77. Благодаря простоте и тому, что этим языком написаны большие библиотеки программ, Фортран и в наши дни является одним из самых распространенных в мире языков программирования.

[M5] Затем в 1960 г. появился Алгол (Algoritmic language - алгоритмический язык), также ориентированный на научное применение, в него было введено множество новых понятий, подхваченных позднейшими языками, например, понятие блочной структуры.

Также при поддержке фирмы IBM появился язык Кобол (Cobol - сокращенное от английских слов Comnon business oriented language - общепринятый деловой ориентированный язык). Он был ориентирован на решение экономических задач, а точнее - на обработку информации.

Язык Бейсик (Basic - beginners all-parpouse sumbolic instraction code, что в переводе с английского означает "многоцелевой язык символических инструкций для начинающих") был разработан профессорами Дартмутского колледжа (СИГА) Т.Куртцем и Дж. Кемени в 1965 году для обучения студентов, незнакомых с вычислительной техникой.

Этот язык, напоминающий Фортран, но более простой, быстро стал очень популярным. Особенно его популярность повысилась благодаря "взрыву микроинформатики" - появлению персональных микрокомпьютеров, где Бейсик стал основным языком программирования.

Достоинствами Бейсика являются удобные средства ввода, отладки и испытания программ, а также возможность доступа ко всем основным ресурсам компьютера. Его отличает простота конструкций и возможность осуществления диалогового режима работы с ЭВМ.

Вместе с тем Бейсик имеет и ряд недостатков. Это, прежде всего, отсутствие явных ограничений на составление запутанных программ (этот недостаток присущ и Фортрану). Его оператор Goto при бездумном применении сильно запутывает программу и порой делает ее совсем непонятной с точки зрения логики выполнения. Кроме того, программы на языке Бейсик обычно выполняются относительно медленно, поскольку ЭВМ применяют, как правило, не компиляторы, а интерпретаторы языка.

Но последние диалекты языка Бейсик все больше устраняют перечисленные недостатки и приближают его к языку Паскаль и другим процедурным языкам (т.е. основанным па понятиях алгоритмов, программ, инструкции).

С его помощью можно решать достаточно сложные задачи. Например, так называемая версия расширенного Бейсика, имеющая матричные операции, позволяет с помощью одного оператора преобразовывать большие таблицы (матрицы). Есть версии Бейсика, работающие в режиме компиляции, что значительно ускоряет прогон программ, написанных на этом языке.

Итак, простота, совмещенная с мощными инструментальными возможностями, а также наличие у всех без исключения персональных ЭВМ интерпретатора этого языка, делают его самым распространенным среди начинающих пользователей ЭВМ.

В 1967-1968 гг. появился язык PL/1 (Programming language - универсальный программно-ориентированный). Он также был создан на фирме IBM, но уже в качестве универсального языка программирования. Этот язык, как языки программирования СИ, Ада и Паскаль, может использоваться как для научных задач, так и для задач управления. Он очень мощный, но и очень сложный, используется лишь в высших учебных заведениях и научно-исследовательских центрах.

Но вернемся к началу 60-х годов. Все основные языки программирования все еще можно было пересчитать по пальцам, но вскоре их число начало резко возрастать. Поэтому были предприняты попытки создать универсальный язык программирования, но ни одна из этих попыток не увенчалась успехом.

Среди десятка наиболее распространенных на тот период времени языков программирования каждый был ориентирован на решение определенных задач. Бейсик употреблялся для написания простых программ. Фортран - с его четко определенными правилами выполнения арифметических операций - являлся классическим языком программирования для решения математических и физических задач. Язык программирования COBOL был задуман как основной язык для массовой обработки данных в сферах управления и бизнеса. Другие языки программирования были также специализированы. Еще один заслуживающий внимания язык программирования - Алгол - предназначался для записи алгоритмов, которые строятся в виде последовательности процедур, применяемых для решения поставленной задачи. Программисты далеко неоднозначно приняли Алгол, широкого одобрения он не получил. Но все же влияние Алгола на развитие других языков программирования оказалось значительным.

Среди языков, целью создания которых было улучшение Алгола, следует особо отметить Паскаль, который был создан в 1970 г. профессором Никлаус Вирт в Цюрихском политехническом университете. Создатель языка назвал его в честь Блеза Паскаля первого конструктора устройства, которое теперь относится к классу цифровых вычислительных машин. Он создавался как язык, который, с одной стороны, был бы хорошо приспособлен для обучения программированию, а с другой - давал бы возможность эффективно решать самые разнообразные задачи на современных ЭВМ. При создании этого языка Вирт большое внимание уделял хорошему стилю программирования (так называемое структурное программирование), благодаря которому конструкции Паскаля позволяют писать надежные, легко проверяемые программы с ясной и четкой структурой.

Язык программирования Си (английское название — С) создавался как инструментальный язык для разработки операционных систем, трансляторов, баз данных и других системных и прикладных программ. Так же как и Паскаль, Си — это язык структурного программирования, но, в отличие от Паскаля, в нем заложены возможности непосредственного обращения к некоторым машинным командам, к определенным участкам памяти компьютера.

Дальнейшее развитие Си привело к созданию языка объектно-ориентированного программирования Си++.

В 1980 г. появился язык Ада. Назван он в память об Аде Лавлейс - дочери английского поэта Лорда Байрона, первой программистки в истории вычислительной техники. Он был создан во Франции по заказу американского министерства обороны как универсальный язык программирования. Это самый новый и самый мощный из языков программирования, он унаследовал качества языков Паскаль и Алгол-68 и дополнительно приобрел многие другие качества: системное программирование, параллельность и т.д.

Я рассмотрел одну из классификаций языков программирования, в ее основе лежит выразительная мощность языка. Однако существуют и другие разделения, произведенные по совершенно другим признакам. Одна из них - классификация, согласно которой все языки делятся на вычислительные и языки символьной обработки. Можно сказать, что все вышеперечисленные языки относились к первому типу. Что же касается языков обработки символьной информации, то следует хотя бы упомянуть о ЛИСП`е (сокращение от List Processing Language), ПРОЛОГ`е (сокращение от Programming in Logic) и РЕФАЛ`е (алгоритмический язык рекурсивных функций).

Язык ЛИСП разработан Дж. Маккарти в США. Он стал основой ряда программных реализаций интеллектуальных систем и дал толчок к разработке множества специализированных языков искусственного интеллекта и языков представлений знаний.

Гораздо интереснее Пролог, появившийся в 1972 году. Он стоит особняком в ряду тех языков программирования, о которых мы успели рассказать. Пролог - это сокращение от PROgramming LOGic. Можно сказать, что он появился "на пустом месте", так как фактически при его создании ни один из известных языков не был взят за основу. Пролог разрабатывался Аланом Колмари - сотрудником университета в Лумини, и в отличиe от ЛИСП`а - это европейский язык. В чем же его особенность? А вот в чем: это первый и, пожалуй, единственный язык программирования, основанный на логическом выводе и решении поставленной задачи. Это роднит его с искусственным интеллектом. Фактически, на основе ряда начальных данных (аксиом, фактов) в соответствии с правилами логики, указывающими рамки поиска пути к решению, язык самостоятельно приходит к некоторым выводам. То есть, вы описываете не то, как надо решать некоторую задачу (как это делается в подавляющем большинстве других языков), a лишь ставите ее перед Прологом, и он уж сам ищет решение. Из-за необычности своей структуры он использовался при решении достаточно нестандартных задач, поэтому оказался распространен не так широко, как другие языки.

Наконец, третьим языком символьной обработки, с появлением которого в эту область были внесены интересные идеи, стал язык РЕФАЛ, созданный В. Турчиным. Подобно ЛИСП"у, этот язык активно использует мощные средства преобразования списков на основе концепции распознавания по образу.

Языки символьной обработки сыграли важную роль в программировании. С одной стороны, они позволили осуществить разработку и реализацию ряда практически важных систем аналитических преобразований, интеллектуальных программ и так далее, а с другой - именно эти языки породили целый спектр исследований, результатом которых стала разработка и реализация языков представления знаний. Такие языки - важнейшее средство реализации типичных спецификаций проблем информационной интеграции, и, следовательно, они могут с успехом претендовать на роль языков сверхвысокого уровня.

Существует огромное множество специализированных языков, позволяющих эффективно решать задачи в некоторых областях: моделирования (языки Симула, Симкри т и GPSS), управления аппаратурой (ФОРТ), для написания системных программ (СИ), написания баз данных (Кодасил), обучения программированию (Лого, Робик, алгоритмический язык А.П.Ершова) и другие.

Но в целом эволюция машинных языков происходит в направлении естественного языка - идеальное решение, состоящее в том, что пользователю надо будет только сформулировать задачу на естественном языке, а все остальное сделает компьютер. Конечно, в настоящее время это всего лишь мечта, но тем не менее языки последних поколений более близки к языку человеческих рассуждений.

[M1]Устаревшее можно выбросить.

[M2]Уже отошли в прошлое.

[M3]

[M4]Можно убрать

[M5]Многовато