Какие есть языки программирования. Какие языки программирования для чего нужны? Существующие языки программирования

1. Введение

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.

Язык программирования - искусственный (формальный) язык, предназначенный для записи программ для исполнителя (например, компьютера или станка с числовым управлением). Язык программирования задается своим описанием. Описание языка программирования - это документ, специфицирующий возможности алгоритмического языка. Обычно описание содержит:

· алфавит допустимых символов и служебных (ключевых) слов;

· синтаксические правила построения из алфавита допустимых конструкций языка;

· семантику, объясняющую смысл и назначение конструкций языка.

Языки программирования служат для представления решения задач в такой форме, чтобы они могли быть выполнены на ЭВМ.

Машинный язык, который состоит из команд процессора ЭВМ, также является языком программирования. Но алгоритмы, записанные на машинном языке, трудны для чтения даже программисту-разработчику, кроме того, работа с таким языком требует знания архитектуры конкретного компьютера, поэтому в программировании, как правило, используют языки более высокого уровня, чем машинные языки. Язык высокого уровня - это язык программирования, понятия и структура которого удобны для восприятия человеком и не зависят от конкретного компьютера, на котором будет выполняться программа.

Для того чтобы программу, записанную на языке программирования высокого уровня, можно было выполнить на компьютере, ее надо перевести на машинный язык. Программное средство, выполняющее эту функцию, называется транслятором.

Транслятор - это программа, которая считывает текст программы, написанной на одном языке, и транслирует (переводит) его в эквивалентный текст на другом языке (обычно на машинном языке). Трансляторы бывают двух основных видов: компиляторы и интерпретаторы .

Компилятор преобразует текст исходной программы в набор инструкций для данного типа процессора (машинный код) и далее записывает его в исполняемый файл (exe-файл), который может быть запущен на выполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит программу с языка высокого уровня на низкоуровневый язык.

Интерпретатор в результате трансляции выполняет операции, указанные в исходной программе. При этом программа остается на исходном языке и не может быть запущена на выполнение без интерпретатора.

Разделение на компилируемые и интерпретируемые языки является несколько условным. Так, для любого традиционно компилируемого языка, как, например, Pascal, можно написать интерпретатор, а для любого интерпретируемого языка можно создать компилятор, - например, язык Бейсик, изначально интерпретируемый, может компилироваться без каких бы то ни было ограничений.

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. Подобный подход в некотором смысле позволяет использовать плюсы как интерпретаторов, так и компиляторов.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более двух с половиной тысяч языков программирования. Количество языков программирования постоянно растет, хотя этот процесс явно замедлился. Некоторыми языками пользуется только небольшое число программистов, другие становятся известны миллионам людей. Часть из них узкоспециализированны (предназначены для решения определенного класса задач), а часть - универсальны. Профессиональные программисты иногда применяют в своей работе более десятка разных языков программирования.

Классификацию языков программирования можно вести по нескольким критериям: машинно-ориентированные (ассемблеры) и машинно-независимые, специализированные и универсальные.

К специализированным языкам можно отнести язык АРТ (A utomatically P rogrammed T ools ) - первый специализированный язык программирования для станков с числовым управлением. Язык был разработан группой американских специалистов в 1956–1959 гг. под руководством математика Дугласа Т. Росса. Язык СOBOL (Co mmon B usiness–O riented L anguage ), созданный в США под руководством Грейс Мюррей Хоппер в 1959 г., ориентирован на обработку экономической информации. Математик Грейс Мюррей Хоппер возглавила проект по разработке СOBOL в чине капитана второго ранга, впоследствии она стана контр-адмиралом. Г.М. Хоппер называют “мамой и бабушкой” СOBOLа.

(Grace Murray Hopper)

К специализированным языкам можно отнести и современные языки web-программирования Perl и PHP. Языки Рапира, Е-язык (Россия), SMR (Великобритания), LOGO (США) можно отнести к языкам, предназначенным для обучения программированию.

Самыми распространенными универсальными языками программирования сегодня являются C++, Delphi, Java, Pascal, Visual Basic, Python.

Но, рассматривая языки программирования как самостоятельный объект исследования, можно провести их классификацию по концепции построения языка.

Классификация языков программирования

Языки программирования можно разделить на два класса: процедурные и непроцедурные. Процедурные (императивные ) языки - это языки операторного типа. Описание алгоритма на этом языке имеет вид последовательности операторов. Характерным для процедурного языка является наличие оператора присваивания (Basic, Pascal, С). Программа, написанная на императивном языке, очень похожа на приказы, выражаемые повелительным наклонением в естественных языках, то есть это последовательность команд, которые должен выполнить компьютер. Программируя в императивном стиле, программист должен объяснить компьютеру, как нужно решать задачу.

Непроцедурные (декларативные ) языки - это языки, при использовании которых в программе в явном виде указывается, какими свойствами должен обладать результат, но не говорится, каким способом он должен быть получен. Непроцедурные языки делятся на две группы: функциональные и логические.

Декларативные языки программирования - это языки программирования высокого уровня, в которых операторы представляют собой объявления или высказывания в символьной логике. Типичным примером таких языков являются языки логического программирования (языки, основанные на системе правил и фактов). Характерной особенностью декларативных языков является их декларативная семантика. Основная концепция декларативной семантики заключается в том, что смысл каждого оператора не зависит от того, как этот оператор используется в программе. Декларативная семантика намного проще семантики императивных языков, что может рассматриваться как преимущество декларативных языков над императивными.

Логические языки

В программах на языках логического программирования соответствующие действия выполняются только при наличии необходимого разрешающего условия на вывод новых фактов из данных фактов согласно заданным логическим правилам. Логическое программирование основано на математической логике (см. “Логические операции. Кванторы ”, “Логические выражения ”).

Первым языком логического программирования был язык Planner, он был разработан Карлом Хьюитом в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетсского технологического института в 1969 г. В этом языке была заложена возможность автоматического вывода (получения) результата из данных и заданных правил путем перебора вариантов (совокупность которых называлась планом). Но самым известным языком логического программирования является ПРОЛОГ (Prolog), который был создан во Франции в Марсельском университете в 1971 г. Аленом Кольмеро (Colmerauer).

Ален Кольмеро
(Alain Colmerauer)

Программа на языке ПРОЛОГ содержит две составные части: факты и правила. Факты представляют собой данные, с которыми оперирует программа, а совокупность фактов составляет базу данных ПРОЛОГа, которая, по сути, является реляционной базой данных. Основная операция, выполняемая над данными, - это операция сопоставления, называемая также операцией унификации или согласования. Правила состоят из заголовка и подцелей. Выполнение программы, написанной на ПРОЛОГе, начинается с запроса и состоит в доказательстве истинности некоторого логического утверждения в рамках заданной совокупности фактов и правил. Алгоритм этого доказательства (алгоритм логического вывода) и определяет принципы исполнения программы, написанной на ПРОЛОГе.

В отличие от программ, составленных на языках процедурного типа, предписывающих последовательность шагов, которые должен выполнять компьютер для решения задачи, на ПРОЛОГе программист описывает факты, правила, отношения между ними, а также запросы по проблеме. Например, пусть у нас есть следующие факты относительно того, кто является чьей мамой:

мама("Даша","Маша").

мама("Наташа","Даша").

Кроме этого, имеется правило, вводящее отношение бабушка:

бабушка(X,Y):-

Теперь мы можем делать запросы на предмет того, кто бабушка того или иного человека, или кто является внучкой (внуком) определенной женщины:

бабушка("Наташа",X).

Ответ на этот запрос система ПРОЛОГ выдаст так:

Возможности применения языка ПРОЛОГ весьма обширны. Среди наиболее известных - применение в символической математике, планировании, автоматизированном проектировании, построении компиляторов, базах данных, обработке текстов на естественных языках. Но, наверное, самое характерное применение ПРОЛОГа - это экспертные системы.

На сегодняшний день существует целый класс логических языков; так, от языка Planner также произошли логические языки программирования QA-4, Popler, Conniver и QLISP. Языки программирования Mercury, Visual Prolog, Oz и Fril произошли уже от языка Prolog.

Функциональные языки

Первым языком функционального типа является язык ЛИСП, созданный в Массачусетсском технологическом институте в 1956–1959 гг. Джоном Маккарти, который в 1956 г. на Дармутской конференции (США) впервые предложил термин “искусственный интеллект”.

Джон Маккарти (John McCarthy)

И хотя до сих пор не утихают споры вокруг этого термина и развившегося научного направления в его рамках, исследователи единодушны в использовании функциональных и логических языков для данной области. Значительное число работ по искусственному интеллекту реализовано на ЛИСПе.

После своего появления ЛИСПу присваивали много эпитетов, отражающих его черты: язык функций, символьный язык, язык обработки списков, рекурсивный язык. С позиций сегодняшней классификации ЛИСП определяется как язык программирования функционального типа, в основу которого положен метод -исчисления (метод -исчисления разработан в 30-е годы прошлого столетия А.Черчем в качестве строгой математической модели для вычислимых функций, см. “Теория алгоритмов” ).

Программа, написанная на функциональном языке, состоит из неупорядоченного набора уравнений, определяющих функции и значения, которые задаются как функции от других значений. Программы и данные ЛИСПа существуют в форме символьных выражений, которые хранятся в виде списковых структур. ЛИСП имеет дело с двумя видами объектов: атомами и списками . Атомы - это символы, используемые для идентификации объектов, которые могут быть числовыми и символьными (понятия, материалы, люди и т.д.). Список - это последовательность из нуля или более элементов, заключенных в круглые скобки, каждый из которых является либо атомом, либо списком. Над списками выполняются три примитивные операции: извлечение первого элемента списка; получение оставшейся части списка после удаления первого элемента; объединение первого элемента списка L и оставшейся части списка Q.

Тексты программ на функциональных языках программирования только описывают способ решения задачи, но не предписывают последовательность действий для решения.

В качестве основных свойств функциональных языков программирования обычно рассматриваются следующие: краткость и простота; строгая типизация; модульность; функции - объекты вычисления; чистота (отсутствие побочных эффектов); отложенные (ленивые) вычисления.

Кроме ЛИСПа, к функциональным языкам относят РЕФАЛ (разработан в середине 60-х годов В.Ф. Турчиным в МГУ им. М.В. Ломоносова), Haskell, Clean, ML, OCaml, F#.

Приведем пример описания известного алгоритма быстрой сортировки списка на языке Haskell:

qsort (x:xs) = qsort elts_lt_x ++ [x]

Qsort elts_greq_x where

elts_lt_x =

elts_greq_x =

Здесь записано, что пустой список уже отсортирован. А сортировка непустого списка состоит в том, чтобы разбить список на три: список элементов, меньших головы исходного списка, голова исходного списка ([x]) и список элементов хвоста исходного списка, больше или равных x.

Объектно-ориентированные языки

Объектно-ориентированные языки - это языки, в которых понятия процедуры и данных, используемых в обычных системах программирования, заменены понятием “объект” (см. статью “Объектно-ориентированное программирование ”). Языком объектно-ориентированного программирования в чистом виде считается SmallTalk, возможности объектно-ориентированного программирования заложены также в Java, C++, Delphi.

Дальнейшее развитие современного программирования связано с так называемым “параллельным программированием”. Для реализации этой технологии разрабатываются специализированные объектно-ориентированные языки. К языкам такого типа относят, например, MC# (mcsharp ) - высокоуровневый объектно-ориентированный язык программирования для платформы.NET, поддерживающий создание программ, работающих в распределенной среде с асинхронными вызовами.

Структура языка программирования

Между существующими языками программирования есть принципиальные расхождения в концепции построения языков, особенно это справедливо для более ранних языков, но все эти языки потому и называются языками программирования, что они с точки зрения внутренней системы построения имеют одинаковое формальное строение.

Любой язык программирования состоит из предложений (операторов). Предложения (как и слова) определены над неким алфавитом С. Синтаксис языка описывает множество предложений над алфавитом С, которые внешне представляют правильно сформированные программы.

Синтаксис языка - это правила получения слов и предложений этого языка. Синтаксис схематически описывается с помощью определенных грамматических правил.

Знание формального языка (алфавита + синтаксиса) хотя и достаточно для установления синтаксической корректности программы, однако недостаточно для понимания ее назначения и способа действий. Значение и способ действия программы на языке программирования уточняются путем задания семантики.

Семантика языка - это правила интерпретации слов формального языка, т.е. установления значения отдельных языковых элементов.

Для определения формальных языков, в том числе для языков программирования, используют БНФ (формы Бэкуса - Наура) и синтаксические диаграммы. Это два взаимозаменяемых способа описания.

При описании языка программирования через БНФ используются следующие обозначения:

1) <..>- определяемое слово;

2) R - правило из синтаксиса для формирования слова;

3) ::= - БНФ-правило.

Каждое R состоит из терминальных слов или лексем языка и, возможно, следующих символов:

· [..] - данный элемент присутствует в БНФ;

· {..} - данное вхождение может быть использовано в БНФ;

· {..}* - данное вхождение может быть использовано в БНФ конечное число раз.

Пример 1. Приведем пример БНФ-правила, определяющего целое число.

Читается это правило так: “Целое число - это символ 0 или последовательность символов, которая может начинаться символом “–”, а далее следует отличная от нуля цифра, вслед за которой может следовать любая конечная последовательность цифр”.

Специальную, схожую с БНФ, форму описания формальных языков представляют синтаксические диаграммы. В синтаксических диаграммах используются три типа элементов: овал/круг, прямоугольник, стрелки. В овалах помещаются терминальные слова или лексемы, в прямоугольниках - определяемые слова. Графическое представление языка через синтаксические диаграммы делает описание языка наглядным.

Пример 2 . Описание целого числа с помощью синтаксической диаграммы.

Согласно Примерной программе, необходимо, чтобы школьники представляли современную классификацию языков программирования, а также ориентировались в областях применения каждого из них. Проще всего изложение данной темы проводить после того, как уже произошло подробное знакомство с одним из языков программирования.

Следует рассказать, почему возникают новые языки и совершенствуются старые: в первую очередь это происходит при поиске средства для быстрого написания сложных программ, которые к тому же не содержали ошибок. Известен пример, когда создание языка АДА (назван так в честь первой женщины-программиста Ады Лавлейс, дочери Байрона) было инициировано в 1974 году в Министерстве обороны США. Американские военные осознали, что они теряют много времени, усилий и денег на разработку и сопровождение встроенных компьютерных систем (например, систем наведения ракет), а трудноуловимые ошибки языков программирования приводят к настоящим катастрофам.

Декларативные языки были очень популярны в конце 80-х - начале 90-х годов прошлого столетия, они были названы языками программирования искусственного интеллекта для компьютеров пятого поколения. Однако надежды на их широкое распространение пока не оправдались. Возможно, потому, что существующие системы функционального и логического программирования не позволяют создавать быстро работающие программы для содержательных задач. Не исключено, что их время просто еще не наступило.

Выбирая стратегию преподавания темы “Алгоритмизация и программирование”, необходимо учитывать, что задача общеобразовательного курса - это в большой степени выработка определенного стиля мышления, формирование наиболее общих навыков, умений и представлений, нежели освоение тех или иных конкретных языков и технических средств программирования. В то же время, такой курс должен служить базой для последующего профессионального изучения программирования в высшей школе или старших классах средней школы (в рамках профессионального обучения).

В настоящее время существуют два наиболее распространенных подхода к преподаванию программирования:

1) преподавание на основе специально разработанного языка учебного языка, ориентированного на обучение основным навыкам программирования;

2) изучение одного или нескольких языков программирования, широко используемых на практике при решении научных и хозяйственных задач (такие языки можно назвать стандартными).

Первый подход часто используется при преподавании основ программирования в младших классах средней школы с использованием специальных языков, например, Рапиры, Е-языка, LOGO. Эти языки учитывают возможности школьников младших классов. Такой подход хорош при углубленном изучении информатики в 5–6-х классах.

Относительно второго подхода можно сказать, что большинство современных реализаций стандартных языков загружено большим количеством технических деталей и сложны в изучении. Тем не менее наиболее приемлемым для общеобразовательной школы, где курс информатики преподается в 8–11-х классах, является обучение теоретическим основам программирования на базе стандартного языка. При этом не обязательно вдаваться в глубины языка. Учащиеся, которых он заинтересует, могут сделать это и сами. Наибольшее внимание следует уделить переходу от алгоритмических структур к их программной реализации на языке программирования.

Здесь стоит отметить, что Pascal первоначально создавался как учебный язык, но со временем получил широкое распространение в качестве стандартного языка и развитие в виде объектно-ориентированного языка с визуальной технологией программирования Delphi. За основу курса в 8–9-х классах можно взять Pascal или Basic, а в качестве расширенного (факультативного) курса в 10–11-х классах ознакомить учащихся с их объектно-ориентированными расширениями (Delphi и Visual Basic). У каждого языка есть свои сторонники и противники, и конечный выбор остается за учителем.

Существует два основных подхода к изучению языка программирования: формальный и “программирование по образцу”. Первый основан на формальном (строгом) описании конструкций языка программирования (синтаксиса языка и его семантики ) тем или иным способом (с помощью синтаксических диаграмм, мета-языка или формального словесного описания, в частности, семантики) и использовании при решении задач только изученных, а следовательно понятных, элементов языка. При втором подходе школьникам сначала выдаются готовые программы, рассказывается, что именно они делают, и предлагается написать похожую программу или изменить имеющуюся, не объясняя до конца ряд “технических” или несущественных, с точки зрения учителя, для решения задачи деталей. При этом говорится, что точный смысл соответствующих конструкций вы узнаете позднее, а пока поступайте аналогичным образом. Второй подход дает возможность так называемого “быстрого старта”, но создает опасность получить полуграмотных пользователей среды программирования, т.е. людей, которые используют в своей практике достаточно сложные конструкции, но не могут четко объяснить, почему в том или ином случае нужно применять именно их, и как они работают. В результате рано или поздно такие “программисты” сталкиваются с ошибками, исправить которые они просто не в состоянии - им не хватает знаний.

Одна из задач школьной информатики - научить именно формальному подходу, в частности, при применении различных определений. И формальное изучение языка программирования этому немало способствует. Но и без хороших примеров (образцов) при обучении программированию школьников не обойтись. И чем младше ученики, тем больше примеров необходимо приводить при описании языка (иногда даже заменяя ими строгое определение). Другое дело, что следует добиваться того, чтобы в результате обсуждения примера все его детали оказались понятны школьникам (обязательно нужно объяснить, как и почему это работает, в том числе опираясь на уже изученный формальный материал). В этом случае сильные ученики получат возможность понять все досконально и смогут использовать полученные знания в дальнейшем, а остальные приобретут конкретные навыки и оставят для себя возможность вернуться при необходимости к формальным определениям позже.

Программирование - это целая наука, позволяющая создавать компьютерные программы. Она включает в себя огромное количество различных операций и алгоритмов, которые образуют единый язык программирования. Итак, что же это такое и какими бывают языки программирования? В статье даны ответы, а также приведен обзорный список языков программирования.

Историю возникновения и изменения программных языков следует изучать наравне с историей развития компьютерных технологий, ведь эти понятия связаны между собой напрямую. Без языков программирования невозможно было бы создать никакую программу для работы компьютера, а значит, создание вычислительных машин стало бы бессмысленным занятием.

Первый машинный язык был придуман в 1941 году Конрадом Цузе, который является изобретателем аналитической машины. Чуть позже, в 1943 г., Говард Эйкен создал машину "Марк-1", способную считывать инструкцию на уровне машинного кода.

В 1950-х годах начался активный спрос на разработку программного обеспечения, а машинный язык не выдерживал большие объемы кода, поэтому был создан новый способ общения с компьютерами. "Ассемблер" является первым мнемоническим языком, заменившим машинные команды. С годами список языков программирования только увеличивается, ведь область применения компьютерных технологий становится обширнее.

Классификация языков программирования

На данный момент существует более 300 языков программирования. Каждый из них имеет свои особенности и подходит для одной определенной задачи. Все языки программирования можно условно разделить на несколько групп:

• Аспектно-ориентированные (основная идея - разделение функциональности для увеличения эффективности программных модулей).
• Структурные (в основе лежит идея создания иерархической структуры отдельных блоков программы).
• Логические (в основе лежит теория аппарата математической логики и правил резолюции).
• Объектно-ориентированные (в таком программировании используются уже не алгоритмы, а объекты, которые принадлежат определенному классу).
• Мультипарадигмальные (сочетают в себе несколько парадигм, и программист сам решает, каким языком воспользоваться в том или ином случае).
• Функциональные (в качестве основных элементов выступают функции, которые меняют значение в зависимости от результатов вычислений исходных данных).

Программирование для начинающих

Многие задаются вопросом, что же такое программирование? По сути, это способ общения с компьютером. Благодаря языкам программирования мы можем ставить перед различными устройствами определенные задачи, создавая специальные приложения или программы. При изучении данной науки на начальном этапе самое главное - это выбрать подходящие (интересные для вас) языки программирования. Список для начинающих приведен ниже:

• Basic придуман в 1964 году, относится к семейству высокоуровневых языков и используется для написания прикладных программ.
• Python ("Питон") довольно легко выучить благодаря простому читаемому синтаксису, преимущество же в том, что на нем можно создавать как обычные десктопные программы, так и веб-приложения.
• Pascal ("Паскаль") - один из древнейших языков (1969 г.), созданных для обучения студентов. Его современная модификация имеет строгую типизацию и структурированность, однако "Паскаль" - вполне логичный язык, который понятен на интуитивном уровне.

Это не полный список языков программирования для начинающих. Существует огромное количество синтаксисов, которые доступны для понимания, и обязательно будут востребованы в ближайшие годы. Каждый вправе самостоятельно выбрать то направление, которое будет интересным для него.

Новички имеют возможность ускорить изучение программирования и его основ благодаря специальным инструментам. Основной помощник - это интегрированная среда разработки программ и приложений Visual Basic («Визуал Бейсик» одновременно является и языком программирования, который унаследовал стиль языка Basic 1970-х годов).

Уровни языков программирования

Все формализованные языки, предназначенные для создания, описания программ и алгоритмов для решения задач на компьютерах, делятся на две основных категории: языки программирования низкого уровня (список приведен ниже) и высокого уровня. Поговорим о каждом из них отдельно.

Низкоуровневые языки предназначены для создания машинных команд для процессоров. Главное их преимущество в том, что они используют мнемонические обозначения, т. е. вместо последовательности нулей и единиц (из двоичной системы счисления) компьютер запоминает осмысленное сокращенное слово из английского языка. Самые известные языки низкого уровня - это "Ассемблер" (существует несколько подвидов этого языка, каждый из которых имеет много общего, а отличается лишь набором дополнительных директив и макросов), CIL (доступен в платформе.Net) и Байт-код JAVA.

Языки программирования высокого уровня: список

Высокоуровневые языки созданы для удобства и большей эффективности приложений, они являются полной противоположностью низкоуровневых языков. Их отличительная черта - наличие смысловых конструкций, которые емко и кратко описывают структуры и алгоритмы работы программ. В языках низкого уровня их описание на машинном коде было бы слишком длинным и непонятным. Языки же высокого уровня обладают независимостью от платформы. Вместо них функцию транслятора совершают компиляторы: они переводят текст программы в элементарные машинные команды.

Следующий список языков программирования: C ("Си"), C# ("Си-шарп"), "Фортран", "Паскаль", Java ("Ява") - входит в число самых используемых высокоуровневых синтаксисов. Он обладает следующими свойствами: эти языки работают с комплексными структурами, поддерживают строковые типы данных и операции с файлами ввода-вывода информации, а также имеют преимущество - с ними гораздо проще работать благодаря читабельности и понятному синтаксису.

Самые используемые языки программирования

В принципе, написать программу можно на любом языке. Вопрос в том, будет ли она работать эффективно и без сбоев? Вот почему для решения различных задач следует выбирать наиболее подходящие языки программирования. Список по популярности можно охарактеризовать так:

• языки ООП: Java, C++, Python, PHP, VisualBasic и JavaScript;
• группа структурных языков: Basic, Fortran и Pascal;
• мультипарадигмальные: C#, Delphi, Curry и Scala.

Область применения программ и приложений

Выбор языка, на котором написана та или иная программа, во многом зависит от области ее применения. Так, например, для работы с самим "железом" компьютера (написания драйверов и поддерживающих программ) лучшим вариантом станет C ("Си") или С++, которые входят в основные языки программирования (список смотрите выше). А для разработки мобильных приложений, в том числе игр, следует выбрать Java или С# ("Си-шарп").

Если вы еще не определились, в каком направлении работать, то рекомендуем начать изучение с языков C или C++. Они имеют весьма понятный синтаксис, четкое структурное разделение на классы и функции. К тому же, зная C или С++, можно с легкостью выучить любой другой язык программирования.

На заре компьютерной эры машинный код был единственным средством общения человека с компьютером. Огромным достижением создателей языков программирования было то, что они сумели заставить сам компьютер работать переводчиком с этих языков на машинный код.

Существующие языки программирования можно разделить на две группы: процедурные и непроцедурные (см. рис. 4.1).

Процедурные (или алгоритмические) программы представляют из себя систему предписаний для решения конкретной задачи. Роль компьютера сводится к механическому выполнению этих предписаний.

Процедурные языки разделяют на языки низкого и высокого уровня.

Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня.
Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора.

Рис. 4.1. Общая классификация языков программирования

Языки низкого уровня (машинно-ориентированные) позволяют создавать программы из машинных кодов, обычно в шестнадцатеричной форме. С ними трудно работать, но созданные с их помощью высококвалифицированным программистом программы занимают меньше места в памяти и работают быстрее. С помощью этих языков удобнее разрабатывать системные программы, драйверы (программы для управления устройствами компьютера), некоторые другие виды программ.

Языком низкого уровня (машинно-ориентированным) является Ассемблер , который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью условных символьных обозначений, называемых
мнемониками.

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

Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, а ошибок при создании программ допускается гораздо меньше.

Основное достоинство алгоритмических языков высокого уровня - возможность описания программ решения задач в форме, максимально удобной для восприятия человеком. Но так как каждое семейство ЭВМ имеет свой собственный, специфический внутренний (машинный) язык и может выполнять лишь те команды, которые записаны на этом языке, то для перевода исходных программ на машинный язык используются специальные программы-трансляторы.

Работа всех трансляторов строится по одному из двух принципов: интерпретация или компиляция.

Интерпретация подразумевает пооператорную трансляцию и последующее выполнение оттранслированного оператора исходной программы. В связи с этим можно отметить два недостатка метода интерпретации: во-первых, интерпретирующая программа должна находиться в памяти ЭВМ в течение всего процесса выполнения исходной программы, т. е. занимать определенный объем памяти; во-вторых, процесс трансляции одного и того же оператора повторяется столько раз, сколько раз должна исполняться эта команда в программе, что резко снижает производительность работы программы.

Несмотря на указанные недостатки, трансляторы-интерпретаторы получили достаточное распространение, так как они удобны при разработке и отладке исходных программ.

При компиляции процессы трансляции и выполнения разделены во времени: сначала исходная программа полностью переводится на машинный язык (после чего наличие транслятора в оперативной памяти становится ненужным), а затем оттранслированная программа может многократно исполняться. Следовательно, для одной и той же программы трансляция методом компиляции обеспечивает более высокую производительность вычислительной системы при сокращении требуемой оперативной памяти.

Большая сложность в разработке компилятора по сравнению с интерпретатором с того же самого языка объясняется тем, что компиляция программы включает два действия: анализ, т. е. определение правильности записи исходной программы в соответствии с правилами построения языковых конструкций входного языка, и синтез – генерирование эквивалентной программы в машинных кодах. Трансляция методом компиляции требует неоднократного «просмотра» транслируемой программы, т. е. трансляторы-компиляторы являются многопроходными: при первом проходе они проверяют корректность синтаксиса языковых конструкций отдельных операторов независимо друг от друга, при последующем проходе – корректность синтаксических взаимосвязей между операторами и т. д.

Полученная в результате трансляции методом компиляции программа называется объектным модулем , который представляет собой эквивалентную программу в машинных кодах, но не «привязанную» к конкретным адресам оперативной памяти. Поэтому перед исполнением объектный модуль должен быть обработан специальной программой операционной системы (редактором связей – Link) и преобразован в загрузочный модуль .

Наряду с рассмотренными выше трансляторами-интерпретаторами и трансляторами-компиляторами на практике используются также трансляторы интерпретаторы-компиляторы, которые объединяют в себе достоинства обоих принципов трансляции: на этапе разработки и отладки программ транслятор работает в режиме интерпретатора, а после завершения процесса отладки исходная программа повторно транслируется в объектный модуль (т. е. уже методом компиляции). Это позволяет значительно упростить и ускорить процесс составления и отладки программ, а за счет последующего получения объектного модуля обеспечить более эффективное исполнение программы.

Классическое процедурное программирование требует от программиста детального описания того, как решать задачу, т. е. формулировки алгоритма и его специальной записи. При этом ожидаемые свойства результата обычно не указываются. Основные понятия языков этих групп – оператор и данные.
При процедурном подходе операторы объединяются в группы – процедуры. Структурное программирование в целом не выходит за рамки этого направления, оно лишь дополнительно фиксирует некоторые полезные приемы
технологии программирования.

Принципиально иное направление в программировании связано с методологиями (иногда говорят «парадигмами») непроцедурного программирования. К ним можно отнести объектно-ориентированное и декларативное программирование. Объектно-ориентированный язык создает окружение в виде множества независимых объектов. Каждый объект ведет себя подобно отдельному компьютеру, их можно использовать для решения задач как «черные ящики», не вникая во внутренние механизмы их функционирования. Из языков объектного программирования, популярных среди профессионалов, следует назвать прежде всего Си++, для более широкого круга программистов предпочтительны среды типа Delphi и Visual Basic.

При использовании декларативного языка программист указывает исходные информационные структуры, взаимосвязи между ними и то, какими свойствами должен обладать результат. При этом процедуру его получения («алгоритм») программист не строит (по крайней мере, в идеале). В этих языках отсутствует понятие «оператор» («команда»). Декларативные языки можно подразделить на два семейства – логические (типичный представитель – Пролог) и функциональные (Лисп).

Охарактеризуем наиболее известные языки программирования.

1.Фортран (FORmula TRANslating system – система трансляции формул); старейший и по сей день активно используемый в решении задач математической ориентации язык. Является классическим языком для программирования на ЭВМ математических и инженерных задач

2.Бейсик (Beginner"s All-purpose Symbolic Instruction Code – универсальный символический код инструкций для начинающих); несмотря на многие недостатки и изобилие плохо совместимых версий – самый популярный по числу пользователей. Широко употребляется при написании простых программ.

3.Алгол (ALGOrithmic Language – алгоритмический язык); сыграл большую роль в теории, но для практического программирования сейчас почти не используется.

4.ПЛ/1 (PL/1 Programming Language – язык программирования первый); многоцелевой язык; сейчас почти не используется.

5.Паскаль (Pascal – назван в честь ученого Блеза Паскаля); чрезвычайно популярен как при изучении программирования, так и среди профессионалов. Создан в начале 70-х годов швейцарским ученым Никлаусом Виртом. Язык Паскаль первоначально разрабатывался как учебный, и, действительно, сейчас он является одним из основных языков обучения программированию в школах и вузах. Однако качества его в совокупности оказались столь высоки, что им охотно пользуются и профессиональные программисты. Не менее впечатляющей, в том числе и финансовой, удачи добился Филип Кан, француз, разработавший систему Турбо-Паскаль. Суть его идеи состояла в объединении последовательных этапов обработки программы – компиляции, редактирования связей, отладки и диагностики ошибок – в едином интерфейсе. Версии Турбо-Паскаля заполонили практически все образовательные учреждения, программистские центры и частные фирмы. На базе языка Паскаль созданы несколько более мощных языков (Модула, Ада, Дельфи).

6.Кобол (COmmon Business Oriented Language – язык, ориентированный на общий бизнес); в значительной мере вышел из употребления. Был задуман как основной язык для массовой обработки данных в сферах управления
и бизнеса.

7.АДА ;является языком, победившим (май 1979 г.) в конкурсе по разработке универсального языка, проводимым Пентагоном с 1975 году. Разработчики – группа ученых во главе с Жаном Ихбиа. Победивший язык окрестили АДА, в честь Огасты Ады Лавлейс. Язык АДА – прямой наследник языка
Паскаль. Этот язык предназначен для создания и длительного (многолетнего) сопровождения больших программных систем, допускает возможность параллельной обработки, управления процессами в реальном времени и многое другое, чего трудно или невозможно достичь средствами более простых языков.

8.Си (С – «си»); широко используется при создании системного программного обеспечения. Наложил большой отпечаток на современное программирование (первая версия – 1972 г.), является очень популярным в среде разработчиков систем программного обеспечения (включая операционные системы). Си сочетает в себе черты как языка высокого уровня, так и машинно-ориентированного языка, допуская программиста ко всем машинным ресурсам, чего не обеспечивают такие языки, как Бейсик и Паскаль.

9.Си++ (С++);объектно-ориентированное расширение языка Си, созданное Бьярном Страуструпом в 1980 году. Множество новых мощных возможностей, позволивших резко повысить производительность программистов, наложилось на унаследованную от языка Си определенную низкоуровневость.

10.Дельфи (Delphi); язык объектно-ориентированного «визуального» программирования; в данный момент чрезвычайно популярен. Созданный на базе языка Паскаль специалистами фирмы Borland язык Delphi, обладая мощностью и гибкостью языков Си и Си++, превосходит их по удобству и простоте интерфейса при разработке приложений, обеспечивающих взаимодействие с базами данных и поддержку различного рода работ в рамках корпоративных сетей и сети Интернет.

11.Ява (Java); платформенно-независимый язык объектно-ориентированного программирования, чрезвычайно эффективен для создания интерактивных веб-страниц. Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе СИ++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей.

12.Лисп (Lisp) – функциональный язык программирования. Ориентирован на структуру данных в форме списка и позволяет организовать эффективную обработку больших объемов текстовой информации.

13.Пролог (PROgramming in LOGic – логическое программирование). Главное назначение языка – разработка интеллектуальных программ и систем. Пролог – это язык программирования, созданный специально для работы с базами знаний, основанными на фактах и правилах (одного из элементов систем искусственного интеллекта). В языке реализован механизм возврата для выполнения обратной цепочки рассуждений, при котором предполагается, что некоторые выводы или заключения истинны, а затем эти предположения проверяются в базе знаний, содержащей факты и правила логического вывода.
Если предположение не подтверждается, выполняется возврат и выдвигается новое предположение. В основу языка положена математическая модель теории исчисления предикатов.

Языки программирования для Интернета:

1. HTML. Общеизвестный язык для оформления документов. Он очень прост и содержит элементарные команды форматирования текста, добавления рисунков, задания шрифтов и цветов, организации ссылок и таблиц.

2. PERL. Он задумывался как средство эффективной обработки больших текстовых файлов, генерации текстовых отчетов и управления задачами.
По мощности Perl значительно превосходит языки типа Си. В него введено много часто используемых функций работы со строками, массивами, управление процессорами, работа с системной информацией.

3. Tcl/Tk. Этот язык ориентирован на автоматизацию рутинных процессов и состоит из мощных команд. Он независим от системы и при этом позволяет создавать программы с графическим интерфейсом.

4. VRML. Создан для организации виртуальных трехмерных интерфейсов в Интернете. Он позволяет описывать в текстовом виде различные трехмерные сцены, освещение и тени, текстуры.

Выбор языка программирования зависит от многих факторов: назначения, удобства написания исходных программ, эффективности получаемых объектных программ и т. п. Разнотипность решаемых компьютером задач и определяет многообразие языков программирования.

Контрольные вопросы

1. Что такое системы программирования и к какому классу программ они относятся?

2. Что входит в состав систем программирования?

3. На каком языке программирования создавались первые программы?

4. На какие языки подразделяются процедурные языки?

5. Охарактеризуйте языки низкого уровня.

6. Какой язык относится к языку низкого уровня?

7. Достоинства языков низкого уровня.

8. Охарактеризуйте языки высокого уровня.

9. Достоинства языков высокого уровня.

10. Приведите примеры языков высокого уровня.

11. Для чего предназначены трансляторы?

12. Чем отличается компилятор от интерпретатора?

13. Недостатки интерпретации (как вид транслятора).

14. Что представляет собой процесс компиляции программы?

15. Какие действия выполняются при компиляции?

16. Чем отличается загрузочный модуль от объектного?

17. Чем отличается процедурное программирование от непроцедурного?

18. Какие виды программирования относятся к непроцедурному
программированию?

19. Особенность декларативных языков.

20. Охарактеризуйте кратко языки программирования: Фортран, Бейсик, Паскаль, Кобол.

21. Охарактеризуйте кратко языки программирования: Ада, Си, Си++, Delphi, Java.

22. Приведите примеры объектно-ориентированных языков.

23. К какому классу языков относится язык Лисп?

24. К какому классу языков относится язык Пролог?