Поколения языков программирования
Языки программирования также можно разделять на поколения:
– языки первого поколения: машинно–ориентированные с ручным управлением памяти на компьютерах первого поколения;
– языки второго поколения: с мнемоническим представлением команд, так называемые автокоды;
– языки третьего поколения: общего назначения, используемые для создания прикладных программ любого типа. Например, Бейсик, Кобол, Си и Паскаль;
– языки четвертого поколения: усовершенствованные, разработанные для создания специальных прикладных программ, для управления базами данных;
– языки программирования пятого поколения: языки декларативные, объектно–ориентированные и визуальные. Например, Пролог, ЛИСП, Си++, Visual Basic, Delphi.
Процедурное программирование— есть отражение фон Неймановской архитектуры компьютера. Программа отделяется от данных. Программа состоит из последовательности команд, обрабатывающих данные. Данные как правило хранятся в виде переменных. Весь процесс вычисления сводится к изменению их содержимого. Программа, написанная на процедурном языке, представляет собой последовательность команд, определяющих алгоритм решения задачи. Основная идея процедурного программирования – использование памяти для хранения данных. Основная команда – присвоение, с помощью которой определяется и меняется память компьютера. Различают такие языки процедурного программирования:
— Язык Фортран создан в начале 50-х годов 20-го века для программирования научно-технических задач;
— Кобол – создан в конце 60-х годов 20-го века для решения задач обработки больших объемов данных, хранящихся на различных носителях данных;
— Алгол (1960 год) – это многоцелевой расширенный язык программирования. В нем впервые введены понятия “блочная структура программы” и “динамическое распределение памяти”;
— BASIC – (середина 60-х годов 20-го века) специализированный язык программирования для начинающих ;
— Все перечисленные выше языки были ориентированы на различные классы задач, но они в той или иной мере были привязаны к конкретной архитектуре ЭВМ.
— PL-1 – (1963-1966гг) многоцелевой универсальный язык. Этот язык хорошо приспособлен для исследования и планирования вычислительных процессов, моделирования, решения логических задач, разработки систем математического обеспечения.
— Паскаль (PASCAL) (1968-1971гг)- язык процедурного программирования наиболее популярный для ПК, который и в настоящее время успешно применяется.
— АДА (1979 г) – язык назван в честь первой программистки Ады Лавлейс- дочери Байрона. Его отличает модульность конструкций.
— СИ – (начало 70-х годов) – с одной стороны, по набору управляющих конструкций и структур данных его можно отнести к языкам высокого уровня, а с другой – он имеет набор средств прямого обращения к функциональным узлам компьютера, а это означает, что его можно использовать как операционный язык.
Большим шагом вперёд в развитии технологий программирования было появление объектно-ориентированного программирования.
Объектно-ориентированное программирование (ООП) — это метод программирования, при использовании которого главными элементами программ являются объекты. В концепции объектно-ориентированного программирования новый подход заключается в объединении данных и алгоритмов (функций), относящихся к одному типу объектов, в единое описание классов объектов.
Класс— это шаблон, на основе которого может быть создан конкретный программный объект, он описывает свойства и методы, определяющие поведение объектов этого класса. Каждый конкретный объект, имеющий структуру этого класса, называется экземпляром класса.
Объект — совокупность свойств, методов, событий.
В объектно-ориентированном программировании понятию объекта соответствует схема:
Свойствамиописываются характеристики объектов (размер, цвет, видимость и т.д.).
Методы– это действия, совершаемые над объектами (ячейку можно почистить – метод Clear, форму показать – метод Show).
Объектно-ориентированный подход к программированию:
— программа представляет собой описание объектов, их свойств, совокупностей, отношений между ними, способов их взаимодействия и операций над объектами (методов);
— важное свойство подхода – поддержка механизма обработки событий, которые изменяют атрибуты объектов и моделируют их взаимодействие.
Объектно-ориентированное программирование снабжает программные объекты встроенными характеристиками:
Инкапсуляция – это понятие означает, что в качестве единого целого, называемого объектом, рассматриваются некоторая структура данных, определяющая его свойства, и некоторая группа функций (методов). Т.е. инкапсуляция – это объединение данных и свойственных им процедур обработки в одном объекте.
Наследование – механизм порождения новых классов, когда порождаемый класс наследует данные и методы порождающего класса. Наследование позволяет одним объектам приобретать атрибуты и поведение других. Группы более низкого уровня наследуют характеристики групп более высоких уровней.
Наследованиепредусматривает создание новых классов на базе существующих и позволяет классу потомку иметь (наследовать) все свойства класса – родителя.
Полиморфизм – множественность форм, которые может принимать правило с одним и тем же именем. Полиморфизм методов – когда метод с одним именем может исполняться по-разному для порождаемого и порождающего классов.
Первый объектно-ориентированный язык программирования Simula был создан в 1960-х годах Нигаардом и Далом.
Современными языками объектно-ориентированного программирования являются С++ и Java. К объектно – ориентированным системам визуального проектирования относятся Visual Basic, Delphi, C++ Builder, Visual C++. Язык VBA (Visual Basic for Applications) – язык приложений Microsoft Office.
К декларативным языкам относятся функциональные и логические языки программирования. В этих языках не производится алгоритмического действия явно, то есть алгоритм не задается программистом, а строится самой программой. В декларативных языках задается, производится построение какой-либо структуры или системы, то есть декларируются (объявляются) какие-то свойства создаваемого объекта.
Эти языки получили широкое применение в системах автоматизированного проектирования (САПР), в так называемых CAD-пакетах, в моделировании, системах искусственного интеллекта.
Функциональное программирование – это способ составления программ, в которых единственным действием является вызов функции. Программа состоит из совокупности функций, которые вызывают друг друга. Переменные могут отсутствовать вообще. Алгоритмы, записанные в функциональном виде как правило короче и содержат меньше ошибок чем аналогичные объектно-ориентированные или процедурные. Функциональное программирование считается программированием сверхвысокого уровня. Языки этой группы обладают относительно низким быстродействием из за сложности реализации.
Первым языком стал язык Лисп (LISP, LIST Processing- обработка списков) создан в 1959г. Этот язык позволяет обрабатывать большие объемы текстовой информации.
Логическое программирование– парадигма программирования, основанная на автоматическом доказательстве теорем, а также раздел дискретной математики, изучающий принципы логического вывода информации на основе заданных фактов и правил вывода. Логическое программирование основано на теории и аппарате математической логики с использованием математических принципов резолюций.
Самым известным языком логического программирования является Prolog.
Первым языком логического программирования был язык Planner (1989), в котором была заложена возможность автоматического вывода результата из данных и заданных правил перебора вариантов (совокупность которых называлась планом). Planner использовался для того, чтобы понизить требования к вычислительным ресурсам и обеспечить возможность вывода фактов, без активного использования стека. Затем был разработан язык Prolog, который не требовал плана перебора вариантов и был, в этом смысле, упрощением языка Planner.
Развитием событийно управляемой концепции объектно-ориентированного подхода стало появление в 90-х годах целого класса языков программирования, которые получили название языков сценариев или скриптов.Сетевые языки предназначены для организации взаимодействия удаленных компьютеров в интенсивном интерактивном режиме, а поэтому они построены на принципах интерпретации, то есть построчной, интерактивной обработки строк программного кода, описывающего некоторый сценарий (скрипт) сетевого взаимодействия компьютеров, поэтому часто они называются скриптовыми языками.
В рамках данного подхода программа представляет собой совокупность возможных сценариев обработки данных, выбор которых инициируется наступлением того или иного события (щелчок по кнопке мыши, попадание курсора в определенную позицию, изменение атрибутов того или иного объекта, переполнение буфера памяти и т.д.). События могут инициироваться как операционной системой, так и пользователем.
— Серверный скриптовый язык PHP (1995-1997гг) обладает средствами доступа к БД и используется создателями динамических сайтов во всем мире. Процессор языка работает на сервере, формируя WEB-страницы до отправки по сети.
— Клиентский (браузерный) скриптовый язык Java Script(1990-e годы) обладает средствами формирования WEB-страницы непосредственно в браузере, позволяя осуществлять сборку и манипуляцию данными прямо на компьютере пользователя (клиента).
— Язык Tcl/Tk (конец 80-х годов) состоит из мощных команд, предназначенных для работы с абстрактными нетипизированными объектами и позволяет создавать программы с графическим интерфейсом.
— Язык VRML (1994г) создан для организации виртуальных трехмерных интерфейсов в Интернете.
— Язык XML. С 1996г идет работа над созданием универсального языка структуры документов. Может стать заменой языка HTML.
Структура программных продуктов
Программные продукты имеют внутреннюю структуру (внутреннюю организацию), образованную взаимосвязанными программными модулями.
Модуль – это самостоятельная часть программы, имеющая определенное назначение и обеспечивающая заданные функции обработки независимо от других программных модулей.
Структуризация программ выполняется для удобства разработки, программирования, отладки и внесения изменений в программный продукт. Особенно это важно, когда программный продукт разрабатывается коллективом разработчиков.
Структуризация программных продуктов позволяет:
— распределить работы по исполнителям, обеспечив их загрузку и требуемые сроки разработки программных продуктов;
— построить календарные графики проектных работ и осуществлять их координацию в процессе создания программных продуктов;
— контролировать трудозатраты и стоимость проектных работ и др.
Среди множества модулей различают:
• головной модуль, который управляет запуском программного продукта (существует в единственном числе);
• управляющие модули, которые задают последовательность вызова и обеспечивают вызов других модулей на обработку;
• рабочие модули, выполняющие функции обработки;
• сервисные модули и библиотеки, утилиты, осуществляющие обслуживающие функции.
Некоторые программные продукты используют модули из готовых библиотек стандартных подпрограмм, процедур, функций, объектов, методов обработки данных.
Информационная связь модулей обеспечивается за счет использования общей базы данных либо межмодульной передачи данных через переменные обмена.
Каждый модуль может оформляться как самостоятельно хранимый файл и для функционирования программного продукта необходимо наличие программных модулей в полном составе.
Структурно-сложные программные продукты разрабатываются как пакеты программ. А так как они чаще всего имеют прикладной характер, то и называются пакеты прикладных программ, или ППП.
ППП – это система программ, предназначенных для решения задач определенного класса.
Компоненты ППП объединены общими данными (базой данных), информационно и функционально связаны между собой и обладают свойством системности, т.е. объединению программ присуще новое качество, которое отсутствует для отдельного компонента ППП.
Виды проектирования программных продуктов
Проектирование алгоритмов и программ может основываться на различных подходах, среди которых наиболее распространены:
• структурное проектирование программных продуктов;
• информационное моделирование предметной области и связанных с ней приложений;
• объектно-ориентированное проектирование программных продуктов.
В основе структурного проектирования лежит последовательная декомпозиция, целенаправленное структурирование на отдельные составляющие.
Алгоритмы большой сложности обычно представляют с помощью схем двух видов:
— обобщенной, раскрывающей общий принцип функционирования алгоритма и основные логические связи между отдельными этапами на уровне типовых процессов обработки информации (ввод и редактирование данных, вычисления, печать результатов и т.п.);
— детальной, представляющей содержание каждого элемента обобщенной схемы с использованием управляющих структур в виде блок-схем алгоритма, псевдокода либо алгоритма на языках высокого уровня (программы).
Представителями структурного проектирования являются следующие методы:
Информационное моделирование предметной области – подход, в основе которого – положение об определяющей роли данных при проектировании алгоритмов и программ. Этот подход имеет решающее значение для разработки алгоритмов и программ, работающих с базами данных.
В этом подходе выделяют следующие составляющие:
— информационный анализ предметных областей (бизнес-областей);
— информационное моделирование – построение комплекса взаимосвязанных моделей данных;
— системное проектирование функций обработки данных;
— детальное конструирование процедур обработки данных.
Первоначально строятся информационные модели: модели, отражающие интегрированные структуры данных предметной области и не зависящие от средств программной реализации хранения и обработки данных (информационно-логическая модель) и модели, ориентированные на среду хранения и обработки данных (даталогические модели).
Технологии, ориентированные на информационное моделирование, сначала специфицируют данные, а затем описывают процессы, использующие эти данные. Средствами структур данных моделируются функции предметной области, прослеживается взаимосвязь функций обработки данных, уточняется состав входной и выходной информации, логика преобразования входных структур данных в выходные.
Метод объектно-ориентированного проектирования основывается на:
— модели построения системы как совокупности объектов абстрактного типа данных;
— модульной структуре программ;
— нисходящем проектировании, используемом при выделении объектов.
В отличие от традиционного структурного подхода, объектно-ориентированный подход к проектированию программных продуктов основан на:
• установлении характерных свойств классов и методов их обработки;
• создании иерархии классов;
• наследовании свойств классов и методов их обработки.
Каждый объект объединяет в себе как данные, так и программу обработки этих данных.. Программный продукт, созданный с помощью инструментальных средств объектно-ориентированного программирования, содержит объекты с их характерными свойствами, для которых разработан графический интерфейс пользователя.
Эволюция языков программирования
Пятница — самое время расслабиться и вспомнить, с чего все началось. Представляем вам краткий экскурс в историю разработки от GeekBrains.
Доисторическая эра
С точки зрения определения даты рождения языка программирования существует некоторая двойственность.
С одной стороны, в первой половине 19 века Ада Лавлейс описала вычислительную машину и ввела основополагающие понятия цикла и рабочей ячейки, за что получила гордое звание первой женщины-программиста.
С другой, первый язык программирования в современном представлении зародился лишь во время Второй мировой войны на релейной машине Z4 немецкого изобретателя Конрада Цузе. Его название Планкалкюль (нем. Plankalkül — исчисление планов), и это был полноценный язык высокого уровня, поддерживающий условные операторы, арифметические операции, массивы, циклы, исключения и утверждения. Доподлинно известно, что в конце 40-х годов Планкалкюль позволял ЭВМ решать шахматные задачи.
Изобретение Цузе могло бы изменить ход истории, однако итоги войны и усилия американцев по популяризации собственного машинного языка отложили полноценное явление миру Планкалкюля вплоть до 1972 года.
Z4 в Немецком музее, Мюнхен
Языки для компьютеров
Вместо этого эволюция пошла по пути машинного языка. Он был удобен для компьютеров, но не очень удобен для программистов. Это была буквально работа с железом вручную: были лишь те команды, которые были зашиты в процессор, все остальные операции приходилось реализовывать вручную.
Прямым развитием машинного языка стал язык ассемблера. Это был первый размен скорости на удобство: ассемблер был чуть менее нативным, но гораздо более дружелюбным к программисту. До языков высокого уровня, комфортных для программиста, было еще далеко.
Качественный скачок произошёл после изобретения транзистора и первых доступных компьютеров. Это побудило в период с 1954-1957 году компанию IBM активно работать над разработкой популярного коммерчески языка Fortran (от англ. Formula и Translation).
Fortran — язык для научных и инженерных вычислений. Считается, что именно он стал первым реализованным языком высокого уровня. Благодаря большому количеству математических библиотек Fortran был и остается важным языком для разного рода научных изысканий.
Далее началось бурное развитие программирования: практически одновременно появились Algol, алгоритмический высокоуровневый язык, активно использовавшийся в СССР и Европе, LISP и COBOL.
Языки для народа
Но по-настоящему массовым программирование стало с появлением языка BASIC в 1964 году. Преподаватели Дартмутского Колледжа Джон Кемени и Томас Курц разработали его для обучения студентов основам программирования ЭВМ.
BASIC был алгоритмическим языком, для его создателей было важно не быстродействие и эффективность, а легкое понимание. Тем не менее BASIC быстро обрёл популярность в реализациях от Microsoft и Apple. Но не все были им довольны. По мнению противников языка простота и бесструктурность ранних версий BASIC поощряли применение порочных и опасных методик разработки.
«Студентов, ранее изучавших Бейсик, практически невозможно обучить хорошему программированию. Как потенциальные программисты они умственно изувечены без надежды на восстановление».
Эдсгер Дейкстра.
Кайнозой
В 1960-х годах компания Bell Labs всерьёз взялась за разработку операционной системы Unix для своих миникомпьютеров. Первые ОС были написаны на ассемблере, но эксперимент оказался неудачным.
Потом в алфавитном порядке Кеном Томпсоном и Деннисом Ритчи был специально разработан интерпретируемый язык B (Би), но и в этот раз результат оставлял желать лучшего.
Всё изменилось с третьей попыткой в 1972 году и языком C, который оказался настолько успешным, что и спустя 40 лет занимает важное место в разработке ПО. Например, по данным IEEE Spectrum С в 2015 году стоял на втором месте: «The 2015 Top Ten Programming Languages».
В другом полушарии на останках языка Algol-68 Никлаус Вирт разработал Pascal. Цель он преследовал ту же самую, что и BASIC — простота в обучении и наглядность выполняемых операций.
Несмотря на внешнюю незамысловатость, Pascal оказался крайне эффективным языком не только в деле обучения, но и в серьезной разработке. Он остаётся крайне востребованным как в школах, так и в мире больших приложений: Total Commander, WinRAR, ранние версии Skype и Nero Burning ROM были написаны на Pascal.
В конце 1970-х были сформированы принципы ООП, на основе которых был доработан язык C, получив сперва название «С with classes», а потом более привычное взгляду C++. Отчасти из-за совершенства творения, отчасти из-за славы одного из первопроходцев, C++ долгое время оставался самым востребованным языком. На нём были написаны операционные системы Symbian, Windows и OS X, браузеры Google Chrome и Mozilla, и ещё тысячи популярных приложений.
Через четыре года после появления первой версии C++ Ларри Уолл разработал Perl — «практичный язык для извлечения данных и составления отчётов» (Practical Extraction and Report Language). Изначально язык обрёл популярность благодаря функциям, заложенным в названии, однако позднее расширил свои возможности и аудиторию.
Сегодня Perl по-прежнему активно используется в качестве удобного средства обработки текста в командной строке, но не меньше востребован и в системном администрировании, веб-разработке и даже играх.
Современность
В статье об истории эволюции языков просто обязан упоминаться Python, горячо любимый не только преподавателями GeekBrains, но и, судя по широте использования, многими иностранными университетами и крупными зарубежными компаниями. Его структура и философия направлены на то, чтобы ускорить разработку готового продукта программистом. С точки зрения развития, это куда более совершенный язык, нежели все существовавшие до 1991 года. Он минималистичен, но при этом более читабелен, достаточно часто обновляется и прекрасен по соотношению «скорость — качество разработки».
Впрочем, теми же самыми характеристиками можно описать и Ruby, увидевший свет в 1995 году, с поправкой на то, что у Юкихиро Мацумото было 2 года, чтобы подумать, чем его язык может стать лучше современников.
Развитие интернета в конце XX века требовало более качественных языков обработки текста и данных. Так на свет появились HTML, PHP, CSS и JavaScript, без которых сегодня очень трудно представить веб-разработку.
Вместе с этим появился и Java — объектно-ориентированный язык, использующий виртуальную машину JVM. Это обеспечивает языку практически полную независимость от машины, на которой производится запуск. Совокупность этих факторов и популярность смартфонов c ОС Android позволяет Java возглавлять список самых популярных языков по версии Tiobe, а нам — рекомендовать его начинающим разработчикам в качестве первого или основного.
Если взглянуть на этот же самый рейтинг, в конце второго десятка можно отыскать современные языки программирования. Например, Swift — продукт компании Apple, популярный не только за счет своих качеств, но и благодаря громкому имени производителя.
Будущее
Уже сейчас появляются языки программирования, которые можно назвать языками сверхвысокого уровня. Они предназначены не для написания прикладных программ, а для обработки больших массивов данных и статистики. В их числе R, MATLAB и Julia.
Можно предполагать, что в будущем появятся человекоориентированные языки, на которых написать программу будет не сложнее, чем пост в ЖЖ. С другой стороны, квантовые компьютеры потребуют свой особый, квантовый ассемблер.
Как думаете, что будет дальше, и на какой из существующих языков поставите вы?