ОП.04 - 05 - Классификация языков программирования

Язык программирования — формальный язык, предназначенный для записи компьютерных программ.

Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, определяющих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (обычно — ЭВМ) под её управлением.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало более восьми тысяч языков программирования (включая эзотерические, визуальные и игрушечные). Каждый год их число увеличивается. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты могут владеть несколькими языками программирования.

Язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые представляют собой набор правил, позволяющих компьютеру выполнить тот или иной вычислительный процесс, организовать управление различными объектами, и т. п. Язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для управления ЭВМ, в то время как естественные языки используются, прежде всего, для общения людей между собой. Большинство языков программирования использует специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.

Как правило, язык программирования определяется не только через спецификации стандарта языка, формально определяющие его синтаксис и семантику, но и через воплощения (реализации) стандарта — программные средства, обеспечивающие трансляцию или интерпретацию программ на этом языке; такие программные средства различаются по производителю, марке и варианту (версии), времени выпуска, полноте воплощения стандарта, дополнительным возможностям; могут иметь определённые ошибки или особенности воплощения, влияющие на практику использования языка или даже на его стандарт.

Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные стандарты. Специальные организации проводят регулярное обновление и публикацию спецификаций и формальных определений соответствующего языка. В рамках таких комитетов продолжается разработка и модернизация языков программирования и решаются вопросы о расширении или поддержке уже существующих и новых языковых конструкций.

Алфавит

Современные языки программирования рассчитаны на использование ASCII, то есть доступность всех графических символов ASCII является необходимым и достаточным условием для записи любых конструкций языка. Управляющие символы ASCII используются ограниченно: допускаются только возврат каретки CR, перевод строки LF и горизонтальная табуляция HT (иногда также вертикальная табуляция VT и переход к следующей странице FF).

ASCII (англ. American standard code for information interchange) — название таблицы (кодировки, набора), в которой некоторым распространённым печатным и непечатным символам сопоставлены числовые коды. Таблица была разработана и стандартизирована в США, в 1963 году.

Таблица символов ASCII

Подробнее см. Переносимый набор символов
Ранние языки, возникшие в эпоху 6-битных символов, использовали более ограниченный набор. Например, алфавит Фортрана включает 49 символов (включая пробел):

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 = + - * / () . , $ ' :

Заметным исключением является язык APL, в котором используется очень много специальных символов.

Использование символов за пределами ASCII (например, символов KOI8-R или символов Юникода) зависит от реализации: иногда они разрешаются только в комментариях и символьных/строковых константах, а иногда и в идентификаторах. В СССР существовали языки, где все ключевые слова писались русскими буквами, но большой популярности подобные языки не завоевали (исключение составляет Встроенный язык программирования 1С:Предприятие).

Расширение набора используемых символов сдерживается тем, что многие проекты по разработке программного обеспечения являются международными. Очень сложно было бы работать с кодом, где имена одних переменных записаны русскими буквами, других — арабскими, а третьих — китайскими иероглифами. Вместе с тем, для работы с текстовыми данными языки программирования нового поколения (Delphi 2006, C#, Java) поддерживают Unicode.

Классификация

Не существует общепринятой систематичной таксономии языков программирования. Есть множество черт, согласно которым можно производить классификацию языков, причём одни из них однозначно проводят разделы между языками на основе технических свойств, другие основываются на доминирующих признаках, имеют исключения и более условны, а третьи полностью субъективны и нередко сопровождаются заблуждениями, но на практике весьма распространены.

Конкретный язык программирования в подавляющем большинстве случаев имеет более одного языка-предка. Многие языки создаются как сочетание элементов различных языков. В одних случаях такое сочетание проходит математический анализ на предмет непротиворечивости (см., например, Определение Standard ML), в других — язык формируется исходя из практических потребностей, для решения актуальных проблем с целью получения коммерческого успеха, но при этом без соблюдения математической строгости и с включением в язык взаимоисключающих идей (как в случае C++).

Языки низкого и высокого уровня

Обычно под «уровнем языка» понимается:
степень отличия семантики языка от машинного кода целевой архитектуры процессора — другими словами, наименьший масштаб преобразований, которые должен претерпеть код программы перед тем, как он сможет исполняться (зачастую с существенной потерей эффективности) степень, в которой семантика языка учитывает особенности мышления человека, нежели машины — то есть уровень языка тем «ниже», чем он «ближе к машине», и тем «выше», чем он «ближе к человеку».

К языкам низкого уровня относят, в первую очередь, машинные языки (или, на общеупотребимом жаргоне — машинные коды), то есть языки, реализованные непосредственно на аппаратном уровне. Их относят к первому поколению языков программирования. Вскоре после них появились языки второго поколения — так называемые «языки ассемблера». В простейшем случае они реализуют мнемонику над машинным языком для записи команд и их параметров (в частности, адресов в памяти). Кроме того, многие языки ассемблера включают и весьма развитый макроязык. Языки первого и второго поколения позволяют точно контролировать, как требуемая функциональность будет исполняться на данном процессоре с учётом особенностей его архитектуры. С одной стороны, это обеспечивает высокое быстродействие и компактность программ, но с другой, для переноса программы на другую аппаратную платформу её нужно перекодировать (а часто из-за различий архитектуры процессоров — и перепроектировать) с нуля. Большинство языков ассемблера являются бестиповыми, но существуют и типизированные языки ассемблера, нацеленные на обеспечение минимальной безопасности>>> низкоуровневых программ.

В большинстве случаев языки высокого уровня порождают машинный код большего размера и исполняются медленнее. Однако некоторые языки высокого уровня для алгоритмически и структурно сложных программ могут давать заметное преимущество в эффективности, уступая низкоуровневым лишь на небольших и простых программах (подробнее см. эффективность языков). Иначе говоря, потенциальная эффективность языка меняется с повышением его «уровня» нелинейно и вообще неоднозначно. Однако скорость разработки и трудоёмкость модификации, устойчивость и другие показатели качества в сложных системах оказываются гораздо важнее предельно возможной скорости исполнения — они обеспечивают различие между программой, что работает, и той, что нет — так что экономически более целесообразна эволюция аппаратного обеспечения (исполнение большего числа инструкций в единицу времени) и методов оптимизирующей компиляции (более того, последние десятилетия эволюция аппаратного обеспечения движется в направлении поддержки методов оптимизирующей компиляции для языков высокого уровня). К примеру, автоматическая сборка мусора, присутствующая в большинстве высокоуровневых языков программирования, считается одним из важнейших улучшений, благотворно повлиявших на скорость разработки.

Поэтому в наши дни языки низкого уровня используются только в задачах системного программирования. Распространено мнение, что в задачах, где необходим точный контроль за ресурсами, язык сам должен требовать как можно меньше преобразований, иначе все усилия программиста окажутся напрасными. В действительности есть примеры, опровергающие это. Так, язык BitC является представителем четвёртого поколения (функциональной парадигмы программирования), но целиком и полностью ориентирован именно на системное программирование и уверенно конкурирует по скорости с Си. То есть, это «высокоуровневый язык», предназначенный для «низкоуровневого программирования». Языки третьего поколения C# и Limbo разрабатывались для использования одновременно как в системном программировании (с целью повышения отказоустойчивости операционной системы), так и в прикладном — это обеспечивает единство платформы, что сокращает потери при трансляции.

Безопасные и небезопасные языки

Современные компьютеры представляют сложные данные реального мира в виде чисел в памяти компьютера. Это вводит в дисциплину программирования риск человеческого фактора, в том числе вероятность ошибок доступа к памяти. Поэтому многие языки программирования сопровождаются средством контроля смысла операций над двоичными данными на основе сопровождающей их логической информации — системой типов. Однако существуют и бестиповые языки, например, Forth.

Системы типов языков делятся на динамические (потомки Lisp, Smalltalk, APL) и статические, а последние, в свою очередь, делятся на неполиморфные (потомки Алгола и BCPL) и полиморфные (потомки ML). Кроме того, они делятся на явные (англ. explicit) и неявные (англ. implicit) — другими словами, требующие явной декларации типов для объектов в программе или статически выводящие их самостоятельно.

Системы типов бывают сильные и слабые. Сильная система типов назначает тип для всякого выражения раз и навсегда (когда бы конкретно это ни происходило — в динамике или в статике), а слабая позволяет впоследствии переназначать типы. Сильная типизация порой ошибочно отождествляется со статической.

В общем и целом, язык называется безопасным, если программы на нём, которые могут быть приняты компилятором как правильно построенные, в динамике никогда не выйдут за рамки допустимого поведения. Это не значит, что такие программы не содержат ошибок вообще. Термин «хорошее поведение программы» (англ. good behavior) означает, что даже если программа содержит некий баг (в частности, логическую ошибку), то она тем не менее не способна нарушить целостность данных и обрушиться (англ. crash). Хотя термины неформальны, безопасность некоторых языков (например, Standard ML) математически доказуема. Безопасность других (например, Ada) была обеспечена ad hoc-образом, без обеспечения концептуальной целостности, что может обернуться катастрофами, если положиться на них в ответственных задачах (см. концептуальная целостность языков).

Степень контроля ошибок и реакция языка на них могут различаться. Простейшие системы типов запрещают, к примеру, вычитать строку из целого числа. Однако целыми числами могут представляться и миллиметры, и дюймы, но было бы логической ошибкой вычитать дюймы из миллиметров. Развитые системы типов позволяют (а наиболее развитые — принуждают) внедрять в программу такую логическую информацию.

Компилируемые, интерпретируемые и встраиваемые языки

Можно выделить три принципиально разных способа реализации языков программирования: компиляция, интерпретация и встраивание. Распространено заблуждение, согласно которому способ реализации является присущим конкретному языку свойством. В действительности, это деление до определённой степени условно. В ряде случаев язык имеет формальную семантику, ориентированную на интерпретацию, но все или почти все его действительные реализации являются компиляторами, порой весьма эффективно оптимизирующими (примерами могут служить языки семейства ML, такие как Standard ML, Haskell). Есть языки, размывающие границы между интерпретацией и компиляцией — например, Forth.

Компиляция означает, что исходный код программы сперва преобразуется в целевой (машинный) код специальной программой, называемой компилятором — в результате получается исполнимый модуль, который уже может быть запущен на исполнение как отдельная программа. Интерпретация же означает, что исходный код выполняется непосредственно, команда за командой (иногда — с минимальной подготовкой, буквально после разбора исходного кода в AST),— так что программа просто не может быть запущена без наличия интерпретатора. Встраивание языка можно философски рассматривать как «реализацию без трансляции» — в том смысле, что такой язык является синтаксическим и семантическим подмножеством некого другого языка, без которого он не существует. Говоря же более точно, встраиваемые языки добавляют к сказанному ещё четыре способа реализации.

Естественный для языка способ реализации определяется временем связывания программных элементов с их характеристиками. В частности, в языках со статической типизацией переменные и другие объекты программы связываются с типом данных на этапе компиляции, а в случае типизации динамической — на этапе выполнения, как правило — в произвольной точке программы. Некоторые свойства элементов языка, такие как значение арифметических операторов или управляющих ключевых слов, могут быть связаны уже на этапе определения языка. В других языках возможно их переназначение. Раннее связывание обычно означает бо́льшую эффективность программы, в то время как позднее — большую гибкость, ценой которого является меньшая скорость и/или усложнение соответствующего этапа. Однако, даже из, казалось бы, очевидных случаев есть исключения — например, интенсиональный полиморфизм откладывает обработку статической типизации до этапа выполнения, но не замедляя, а повышая общее быстродействие (по крайней мере, в теории).

Для любого традиционно компилируемого языка (такого как Паскаль) можно написать интерпретатор. Но многие интерпретируемые языки предоставляют некоторые дополнительные возможности, такие как динамическая генерация кода, так что их компиляция должна быть динамической (см. динамическая компиляция). Таким образом, составной термин «язык + способ его реализации» в ряде случаев оказывается уместен. Кроме того, большинство современных «чистых» интерпретаторов не исполняют конструкции языка непосредственно, а компилируют их в некоторое высокоуровневое промежуточное представление (например, с разыменованием переменных и раскрытием макрокоманд). Большинство традиционно интерпретируемых или компилируемых языков могут реализовываться как встраиваемые, хотя метаязыков, которые были бы способны охватить другие языки как своё подмножество, не так много (наиболее ярким представителем является Lisp).

Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем, при каждом изменении текста программы требуется её перекомпиляция, что замедляет процесс разработки. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция. Интерпретируемые языки позволяют запускать программы сразу же после изменения, причём на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий, а гомоиконичные — и вовсе динамически перемещать программу между разными машинами без прерывания её работы (наиболее общий случай сериализации), позволяя разрабатывать системы непрерывной доступности. Портируемость интерпретируемой программы определяется только наличием реализаций интерпретаторов под те или иные аппаратные платформы. Ценой всего этого становятся заметные потери быстродействия; кроме того, если программа содержит фатальную ошибку, то об этом не будет известно, пока интерпретатор не дойдёт до её места в коде (в отличие от статически типобезопасных языков).

Некоторые языки, например, Java и C#, находятся между компилируемыми и интерпретируемыми. А именно, программа компилируется не в машинный язык, а в машинно-независимый код низкого уровня, байт-код. Далее байт-код выполняется виртуальной машиной. Для выполнения байт-кода обычно используется интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету» (Just-in-time compilation, JIT). Для Java байт-код исполняется виртуальной машиной Java (Java Virtual Machine, JVM), для C# — Common Language Runtime. Подобный подход в некотором смысле позволяет использовать плюсы как интерпретаторов, так и компиляторов.

Что почитать по теме

• Статья на Википедии - Язык программирования