Глава 4. Инструментальное ПО
Языки программирования
Инструментальное программное обеспечение (ПО) или системы программирования предназначены для автоматизации разработки новых программ на языке программирования. Язык программирования можно определить как формальную знаковую систему, предназначенную для записи программ, задающих алгоритм в форме, понятной 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 данными при различных обстоятельствах.
Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более восьми с половиной тысяч языков программирования [1 http://ru.wikipedia.org/wiki/]. Каждый год их число пополняется новыми языками. 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. Современные прикладные и системные программы, в том числе операционные системы и системы программирования, в основном разрабатываются на алгоритмических языках или языках высокого уровня, которые обеспечивают удобство и высокую производительность работы программиста.
История развития языков программирования начинается с машинных языков. Программы для первых компьютеров разрабатывались в машинных кодах, а основным носителем информации были перфокарты и перфоленты. Программисты обязаны были знать архитектуру машины досконально. Программы были достаточно простыми, что обусловливалось, во-первых, весьма ограниченными возможностями этих машин, и, во-вторых, большой сложностью разработки и, главное, отладки программ непосредственно на машинном языке.
Вместе с тем такой способ разработки обеспечивал программисту просто неограниченные возможности работы с компьютером. Становилось возможным использование таких хитроумных алгоритмов и способов организации программ, которые не используют (а некоторые и не знают) многие современные программисты. Например, могла применяться такая возможность, как самомодифицирующийся код. Знание двоичного представления команд позволяло иногда не хранить некоторые данные отдельно, а встраивать их в код как команды. И это далеко не полный список приемов, владение хотя бы одним из которых сейчас сразу же продвигает программиста до уровня экстра-класса [М. Плискин Эволюция языков программирования http://schools.keldysh.ru/sch444/MUSEUM/LANR/evol.htm#1.#1].
Первым значительным шагом был переход к языку ассемблера (assembly language, или assembler). Не очень заметный, казалось бы, шаг – переход к символическому кодированию машинных команд – имел на самом деле огромное значение. Программисту не надо было больше вникать в хитроумные способы кодирования команд на аппаратном уровне. Более того, зачастую одинаковые по сути команды кодировались различным образом в зависимости от своих параметров.
Известный пример из мира современных компьютеров – кодирование инструкции mov в процессорах Intel. Существует несколько совершенно по-разному кодируемых вариантов команды. Выбор того или иного варианта зависит от операндов, хотя суть выполняемой операции неизменна: поместить содержимое (или значение) второго операнда в первый. Появилась также возможность использования макросов и меток, что также упрощало создание, модификацию и отладку программ. Появилось даже некое подобие переносимости — существовала возможность разработки целого семейства машин со сходной системой команд и некоего общего ассемблера для них, при этом не было нужды обеспечивать двоичную совместимость.
Вместе с тем, переход к новому языку таил в себе и некоторые отрицательные (на первый взгляд) стороны. Становилось почти невозможным использование всяческих хитроумных приемов, подобных упомянутым выше. Кроме того, впервые в истории развития программирования появились два представления программы: в исходных текстах и в откомпилированном виде. Сначала, пока ассемблеры только транслировали мнемонические коды в машинные, одно легко переводилось в другое и обратно, но затем, по мере появления таких возможностей, как метки и макросы, дизассемблирование (перевод из машинного кода в ассемблер) становилось все более и более трудным делом.
К концу ассемблерной эры возможность автоматической трансляции в обе стороны была утеряна окончательно. В связи с этим было разработано большой количество специальных программ-дизассемблеров, осуществляющих обратное преобразования, однако в большинстве случаев они с трудом могут разделить код и данные. Кроме того, вся логическая информация (имена переменных, меток и т.п.) теряется безвозвратно. В случае же задачи о декомпиляции языков высокого уровня примеры удовлетворительного решения проблемы и вовсе единичны.
В 1954 году в корпорации IBM группой разработчиков во главе с Джоном Бэкусом (John Backus) был создан язык программирования Fortran. Значение этого события трудно переоценить. Это первый язык программирования высокого уровня. Впервые программист мог по-настоящему абстрагироваться от особенностей машинной архитектуры. Ключевой идеей, отличающей новый язык от ассемблера, была концепция подпрограмм.
Напомним, что это современные компьютеры поддерживают подпрограммы на аппаратном уровне, предоставляя соответствующие команды и структуры данных (стек) прямо на уровне ассемблера, в 1954 же году это было совершенно не так. Поэтому компиляция Fortran’а была процессом отнюдь не тривиальным. Кроме того, синтаксическая структура языка была достаточно сложна для машинной обработки в первую очередь из-за того, что пробелы как синтаксические единицы вообще не использовались. Это порождало массу возможностей для скрытых ошибок.
Язык Фортран использовался (и используется сейчас) для научных вычислений. Он страдает от отсутствия многих привычных языковых конструкций и атрибутов, компилятор практически никак не проверяет синтаксически правильную программу с точки зрения семантической корректности (соответствие типов и др.). В нем нет поддержки современных способов структурирования кода и данных. Это осознавали и сами разработчики. По признанию самого Бэкуса, перед ними стояла задача скорее разработки компилятора, чем языка. Понимание самостоятельного значения языков программирования пришло позже.
Появление Фортрана было встречено еще большей критикой, чем внедрение ассемблера. Программистов пугало снижение эффективности программ за счет использования промежуточного звена в виде компилятора. И эти опасения имели под собой основания: действительно, хороший программист, скорее всего, при решении какой-либо небольшой задачи вручную напишет код, работающий быстрее, чем код, полученный как результат компиляции. Через некоторое время пришло понимание того, что реализация больших проектов невозможна без применения языков высокого уровня. Мощность вычислительных машин росла, и с тем падением эффективности, которое раньше считалось угрожающим, стало возможным смириться. Преимущества же языков высокого уровня стали настолько очевидными, что побудили разработчиков к созданию новых языков, все более и более совершенных.
Вторым в истории высокоуровневым языком программирования стал Lisp. Он использовался и по сей день используется в основном для разрешения сложных задач. Датой рождения Лиспа был 1958 год, известность к нему пришла чуть позже. В 1960 в журнале Communications of the ACM вышла статья Джона Маккарти (автора Лиспа) с подробным описанием нового языка. Он стал отцом не только Лиспа, но и основоположником всего функционального программирования. Язык Lisp — язык для обработки списков. Получил достаточно широкое распространение в системах искусственного интеллекта. Имеет несколько потомков: Planner (1967), Scheme (1975), Common Lisp (1984). Многие его черты были унаследованы современными языками функционального программирования.
В 1960 году в США был создан язык программирования Cobol. Он был рассчитан специально для создания коммерческих приложений. На Коболе написаны тысячи прикладных коммерческих систем. Отличительной особенностью языка является возможность эффективной работы с большими массивами данных, что характерно именно для коммерческих приложений. Популярность Кобола столь высока, что даже сейчас, при всех его недостатках (по структуре и замыслу Кобол во многом напоминает Фортран) появляются новые его диалекты и реализации. Так недавно появилась реализация Кобола, совместимая с Microsoft .NET, что потребовало, вероятно, внесения в язык некоторых черт объектно-ориентированного языка.
В 1960 году командой во главе с Петером Науром (Peter Naur) был создан язык программирования Algol. Этот язык дал начало целому семейству алголоподобных языков (важнейший представитель – Pascal). В 1968 году появилась новая версия языка - Algol 68. Она не нашла столь широкого практического применения, как первая версия, но была весьма популярна в кругах теоретиков. Язык был достаточно интересен, так как обладал многими уникальными на так момент характеристиками.
К середине 60-х годов прошлого века в США резко возросла потребность в обучении программированию не только специалистов в области вычислительной техники, но и широкого круга пользователей. Это было связано с резким увеличением количества компьютеров в бизнесе. Два профессора Дартмутского колледжа – Томас Курт и Джон Кемени для обучения студентов программированию создали язык Бейсик (BASIC). Свое название язык получил по первым буквам английских слов “Beginner’s All-purpose Symbolic Instruction Code” – универсальный код символических инструкций для начинающих.
Есть и другой перевод – базовый, основной, что хорошо соответствовало сложившемуся положению дел в программировании для бизнеса. Язык предназначался для обучения программированию и получил широкое распространение в виде различных диалектов, прежде всего, как язык для домашних микрокомпьютеров. Впоследствии большая часть критики этого языка строилась на том, что после Basic'а нормально программировать человек не может, и исправить это уже не удастся. Как бы то ни было, в 1963 язык был создан и получил имя Dartmouth BASIC.
Настоящую популярность этот язык получил в 1975 году. Тогда Microsoft (в то время только два человека – Билл Гейтс и Пол Аллен) написали интерпретатор бейсика для компьютеров Altair 8800, названный Altair BASIC. Язык стремительно разветвился на множество диалектов. Например, Apple II базировался на одной из его версий, а для операционной системы CP/M был написан BASIC-80. Заметим, что второе (или даже третье) дыхание развитию Basic дал опять же Microsoft. Произошло это в начале 90-х годов прошлого столетия, когда был выпущен Visual Basic, уже совсем не похожий на своего предка.
В 1964 году же корпорация IBM создала язык PL/1, который был призван заменить Cobol и Fortran в большинстве приложений. Язык обладал исключительным богатством синтаксических конструкций. В нем впервые появилась обработка исключительных ситуаций и поддержка параллелизма. Надо заметить, что синтаксическая структура языка была крайне сложной. Пробелы уже использовались как синтаксические разделители, но ключевые слова не были зарезервированы. В силу таких особенностей разработка компилятора для PL/1 была исключительно сложным делом. Язык так и не стал популярен вне мира IBM. Однако широко использовался в бывшем Советском Союзе и странах социалистического содружества. Причина этого заключается в производстве этими странами ряда программно совместимых моделей компьютеров ЕС ЭВМ, которые практически были скопированы с компьютеров IBM/360.
Создание каждого из вышеупомянутых языков (за исключением, может быть, Algol’а) было вызвано некоторыми практическими требованиями. Эти языки послужили фундаментом для более поздних разработок. Все они представляют одну и ту же парадигму программирования. Следующие языки пошли существенно дальше в своем развитии, в сторону более глубокого абстрагирования.
В 1970 году Никлаус Вирт создал язык программирования Pascal. Язык замечателен тем, что это первый широко распространенный язык для структурного программирования (первым, был Алгол, но он не получил столь широкого распространения). Впервые оператор безусловного перехода перестал играть основополагающую роль при управлении порядком выполнения операторов. В этом языке также внедрена строгая проверка типов, что позволило выявлять многие ошибки на этапе компиляции.
Отрицательной чертой языка было отсутствие в нем средств для разбиения программы на модули. Вирт осознавал это и разработал язык Modula-2 (1978), в котором идея модуля стала одной из ключевых концепций языка. В 1988 году появился язык Modula-3, в котором были добавлены объектно-ориентированные черты. Логическим продолжением Pascal и Modula являются язык Oberon и Oberon-2. Они характеризуются движением в сторону объектно- и компонентно-ориентированности. В этом плане интересно рассмотреть С-подобные языки.
В 1972 году Керниганом и Ритчи был создан язык программирования C. Он создавался как язык для разработки операционной системы UNIX. Язык С часто называют «переносимым ассемблером», имея в виду то, что он позволяет работать с данными практически так же эффективно, как на ассемблере, предоставляя при этом структурированные управляющие конструкции и абстракции высокого уровня (структуры и массивы). Именно с этим связана его огромная популярность и поныне. И именно это является его ахиллесовой пятой. Компилятор C очень слабо контролирует типы, поэтому очень легко написать внешне совершенно правильную, но логически ошибочную программу.
В 1986 году Бьярн Страуструп создал первую версию языка C++, добавив в язык C объектно-ориентированные черты, взятые из Simula (см. ниже), и исправив некоторые ошибки и неудачные решения языка. C++ продолжает совершенствоваться и в настоящее время, так в 1998 году вышла новая (третья) версия стандарта, содержащая в себе некоторые довольно существенные изменения. Язык стал основой для разработки современных больших и сложных проектов. У него имеются, однако же, и слабые стороны, вытекающие из требований эффективности.
В 1995 году в корпорации Sun Microsystems Кеном Арнольдом и Джеймсом Гослингом был создан язык Java. Он наследовал синтаксис C и C++ и был избавлен от некоторых неприятных черт последнего. Отличительной особенностью языка является компиляция в код некоей абстрактной машины, для которой затем пишется эмулятор (Java Virtual Machine) для реальных систем. Кроме того, в Java нет указателей и множественного наследования, что сильно повышает надежность программирования.
В 1998–2001 годах в корпорации Microsoft группой инженеров под руководством Андерса Хейлсберга в компании был создан язык C#. Он в достаточной степени схож с Java (и задумывался как альтернатива последнему), но имеет и отличительные особенности. Язык C# ориентирован, в основном, на разработку многокомпонентных Интернет-приложений. Это основной язык разработки приложений для платформы Microsoft .NET. Компилятор с C# входит в стандартную установку самой .NET, поэтому программы на нём можно создавать и компилировать даже без инструментальных средств, вроде Visual Studio.
В 1983 году под эгидой Министерства Обороны США был создан язык Ada. Язык замечателен тем, что очень много ошибок может быть выявлено на этапе компиляции. Кроме того, поддерживаются многие аспекты программирования, которые часто отдаются на откуп операционной системе (параллелизм, обработка исключений). В 1995 году был принят стандарт языка Ada 95, который развивает предыдущую версию, добавляя в нее объектную ориентированность и исправляя некоторые неточности. Оба этих языка не получили широкого распространения вне военных и прочих крупномасштабных проектов (авиация, железнодорожные перевозки). Основной причиной является сложность освоения языка и достаточно громоздкий синтаксис (значительно более громоздкий, чем Pascal).
Все вышеперечисленные языки являются языками общего назначения в том смысле, что они не ориентированы и не оптимизированы под использование каких-либо специфических структур данных или на применение в каких-либо специфических областях. Было разработано большое количество языков, ориентированных на достаточно специфические применения. Ниже приведен краткий обзор таких языков.
В 1957 году была предпринята попытка создания языка для описания математической обработки данных. Язык был назван APL (Application Programming Language). Его отличительной особенностью было использование математических символов (что затрудняло применение на текстовых терминалах; появление графических интерфейсов сняло эту проблему) и очень мощный синтаксис, который позволял производить множество нетривиальных операций прямо над сложными объектами, не прибегая к разбиению их на компоненты. Широкому применению помешало, как уже отмечалось, использование нестандартных символов как элементов синтаксиса.
В 1962 году появился язык Snobol (а в 1974 – его преемник Icon), предназначенный для обработки строк. Синтаксис Icon напоминает С и Pascal одновременно. Отличие заключается в наличии мощных встроенных функций работы со строками и связанная с этими функциями особая семантика. Современным аналогом Icon и Snobol является Perl –язык обработки строк и текстов, в который добавлены некоторые объектно-ориентированные возможности. Считается очень практичным языком, однако ему недостает элегантности.
В 1969 году был создан язык SETL – язык для описания операций над множествами. Основной структурой данных в языке является множество, а операции аналогичны математическим операциям над множествами. Язык полезен при написании программ, имеющих дело со сложными абстрактными объектами.
В последнее время в связи развитием Интернет-технологий, широким распространением высокопроизводительных компьютеров и рядом других факторов получили распространение так называемые скриптовые языки. Эта языки первоначально ориентировались на использование в качестве внутренних управляющих языков во всякого рода сложных системах. Многие из них, однако же, вышли за пределы сферы своего изначального применения и используются ныне в совсем иных областях. Характерными особенностями данных языков являются, во-первых, их интерпретируемость (компиляция либо невозможна, либо нежелательна), во-вторых, простота синтаксиса, а в-третьих, легкая расширяемость. Таким образом, они идеально подходят для использования в часто изменяемых программах, очень небольших программах или в случаях, когда для выполнения операторов языка затрачивается время, несопоставимое со временем их разбора. Было создано достаточно большое количество таких языков, перечислим лишь основные и наиболее часто используемые.
Язык JavaScript был создан в компании Netscape Communications в качестве языка для описания сложного поведения веб-страниц. Первоначально язык назывался LiveScript, причиной смены названия послужили маркетинговые соображения. Интерпретируется браузером во время отображения веб-страницы. По синтаксису похож на Java и (отдаленно) на C/C++. Язык имеет возможность использовать встроенную в браузер объектную функциональность, однако подлинно объектно-ориентированным языком не является.
Другой скриптовый язык VBScript был создан в корпорации Microsoft во многом в качестве альтернативы JavaScript. Имеет подобную область применения. Синтаксически похож на язык Visual Basic (является усеченной версией последнего). Так же, как и JacaScript, исполняется браузером при отображении веб-страниц и имеет ту же степень объектной ориентированности.
Язык Perl, нашедший применение для динамической генерации веб-страниц на веб-серверах, создавался в помощь системному администратору операционной системы Unix для обработки различного рода текстов и выделения нужной информации. Развился до мощного средства работы с текстами. Является интерпретируемым языком и реализован практически на всех существующих платформах. Интерпретируемый объектно-ориентированный язык программирования Python по структуре и области применения близок к Perl, однако менее распространен и более строг и логичен. Имеются реализации для большинства существующих платформ.
Интересно рассмотрение группы ранних объектно-ориентированных языков. Объектно-ориентированный подход, пришедший на смену структурному, впервые появился отнюдь не в C++, как полагают некоторые. Существует целая череда чистых объектно-ориентированных языков, без сведений о которых наш обзор был бы неполным. Первым объектно-ориентрованным языком был язык Simula (1967). Этот язык был предназначен для моделирования различных объектов и процессов, и объектно-ориентированные черты появились в нем именно для описания свойств модельных объектов.
Популярность объектно-ориентированному программированию принес язык Smalltalk, созданный в 1972 году. Язык предназначался для проектирования сложных графических интерфейсов и был первым по-настоящему объектно-ориентированным языком. В нем классы и объекты – это единственные конструкции программирования. Недостатком Smalltalk являются большие требования к памяти и низкая производительность полученных программ. Это связано с не очень удачной реализацией объектно-ориентированных особенностей. Популярность языков C++ и Ada 95 связана именно с тем, что объектная ориентированность реализована без существенного снижения производительности.
Существует еще язык с очень хорошей реализацией объектной ориентированности, не являющийся надстройкой ни над каким другим языком. Это язык Eiffel (1986). Являясь чистым языком объектно-ориентированного программирования, он, кроме того, повышает надежность программы путем использования «контрольных утверждений».
Большинство компьютерных архитектур и языков программирования ориентированы на последовательное выполнение операторов программы. В настоящее время существуют программно-аппаратные комплексы, позволяющие организовать параллельное выполнение различных частей одного и того же вычислительного процесса. Для программирования таких систем необходима специальная поддержка со стороны средств программирования, в частности, языков программирования. Некоторые языки общего назначения содержат в себе элементы поддержки параллелизма, однако программирование истинно параллельных систем требует подчас специальных приемов [М. Плискин Эволюция языков программирования http://schools.keldysh.ru/sch444/MUSEUM/LANR/evol.htm#1.#1]. .
Язык Оccam был создан в 1982 году и предназначен для программирования транспьютеров – многопроцессорных систем распределенной обработки данных. Он описывает взаимодействие параллельных процессов в виде каналов – способов передачи информации от одного процесса к другому. Отметим особенность синтаксиса языка Occam – в нем последовательный и параллельный порядки выполнение операторов равноправны, и их необходимо явно указывать ключевыми словами PAR и SEQ.
В 1985 году была предложена модель параллельных вычислений Linda. Основной ее задачей является организация взаимодействия между параллельно выполняющимися процессами. Это достигается за счет использования глобальной кортежной области (tuple space). Процесс может поместить туда кортеж с данными (то есть совокупность нескольких, возможно разнородных, данных), а другой процесс может ожидать появления в кортежной области некоторого кортежа и, после его появления, прочитать кортеж с возможным последующим его удалением.
Заметим, что процесс может, например, поместить кортеж в область и завершиться, а другой процесс может через некоторое время воспользоваться этим кортежем. Таким образом, обеспечивается возможность асинхронного взаимодействия. Очевидно, что при помощи такой модели можно эмулировать и синхронное взаимодействие. Linda – это модель параллельных вычислений, она может быть добавлена в любой язык программирования. Существуют достаточно эффективные реализации Linda, обходящие проблему существования глобальной кортежной области с потенциально неограниченным объемом памяти.
Все языки, о которых шла речь ранее, имеют одно общее свойство: они императивны. Это означает, что программы на них, в конечном итоге, представляют собой пошаговое описание решения той или иной задачи. Можно попытаться описывать лишь постановку проблемы, а решать задачу поручить компилятору. Существует два основных подхода, развивающие эту идею: функциональное и логическое программирование.
Основная идея, лежащая в основе функционального программирования, - это представление программы в виде математических функций (т.е. функций, значение которых определяется лишь их аргументами, а не контекстом выполнения). Оператор присваивания в таких языках не используется (или, как минимум, его использование не поощряется). Императивные возможности, как правило, имеются, но их применение обставлено серьезными ограничениями. Существуют языки с ленивой и с энергичной семантикой. Различие заключается, грубо говоря, в том, что в языках с энергичной семантикой вычисления производятся в том же месте, где они описаны, а в случае ленивой семантики вычисление производится только тогда, когда оно действительно необходимо. Первые языки имеют более эффективную реализацию, в то время как вторые – лучшую семантику.
Из языков с энергичной семантикой упомянем ML и два его современных диалекта – Standard ML (SML) и CaML. Последний имеет объектно-ориентированного потомка – Objective CaML (O’CaML). Среди языков с ленивой семантикой наиболее распространены два: Haskell и его более простой диалект Clean. Интересен язык функционального программирования F#. Он является языком мультипарадигменного программирования. На нем можно функциональный, императивный и объектно-ориентированный код. Это позволяет быть более прагматичным, вместо того чтобы пытаться загнать любую задачу, стоящую перед разработчиком, в прокрустово ложе классов и интерфейсов. Язык F# включен в стандартный набор Visual Studio 2010, хотя присутствует и сейчас, в виде плагина для VS2008.
F# использует вывод типов, что приводит к более лаконичным программам. Программист тратит массу времени, добавляя сигнатуры типов, точки с запятыми, фигурные скобки в своем любимом языке программирования. Вся эта информация предназначена большей частью для упрощения создания компилятора. Почему бы не писать тот код, который хочет программист, и предоставить компилятору вычислить остальное? Лаконичность языка F# его главная сильная сторона. F# – это .NET-язык программирования.
Он компилируется в IL в том же рабочем цикле, что и C# с VB, и будет работать с уже существующим .NET-кодом. У него есть интерактивная среда программирования, называемая F# Interactive Window. Программировать на нем увлекательно. Этот язык рушит многие барьеры, связанные с программированием и позволяет сконцентрироваться на написании кода, который нужен разработчику.
Важно отметить, что F# поддерживает почти все возможности, которые есть у C#. Поэтому его можно использовать, не опасаясь принципа «все или ничего». Не нужно выбрасывать существующий код и переводить все на F#. Вообще, предполагается, что код на F# будет главным образом использоваться как библиотеки классов, интегрированные в большой программный продукт.
Программы на языках логического программирования выражены как формулы математической логики, а компилятор пытается получить следствия из них. Родоначальником большинства языков логического программирования является язык Prolog (1971). У него есть ряд потомков – Parlog (1983, ориентирован на параллельные вычисления), Delta Prolog и др.
Технология программирования во многом определяется языком программирования, на котором пишутся программы. В языке могут быть заложены средства, влияющие на технологичность и архитектуру разрабатываемой системы (например, объектно-ориентированность, модульность и т.п.). О распространенности языков можно судить по рейтингу, ежемесячно составляемой фирмой TIOBE [ 
Л.Н. Чернышов СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ: ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ].
В таблице приводится первая десятка языков с наибольшими рейтингами на март 2009 и указанием тенденций в их местах по сравнению с тем же месяцем прошлого года. Рейтинг составляется по определенной методике, основанной в основном на упоминаниях в Интернете. Как видно, ведущие места занимают C-подобный языки. Язык Java прочно удерживает первую позицию в течение последних лет. Интересно, что эта десятка практически постоянна (см. рейтинги 2005 года), но доля первых трех языков снижается (с 54 до 45 % за 4 года). Это, по-видимому, связано с развитием интернет-технологий с ее скриптовыми языками Python, Perl, JavaScript и др.
| Позиция | Изменения по сравнению с прошлым годом | Язык программирования | Рейтинг Март 2009 | Рейтинг октябрь 2005 |
| Java | 19.9% | 21.9% | ||
| C | 15.9% | 18.8% | ||
| +2 | C++ | 10.4% | 11.8% | |
| PHP | 9.5% | 9.7% | ||
| -2 | (Visual) Basic | 8.3% | 6.9% | |
| +1 | Python | 5.2% | 2.9% | |
| +1 | C# | 4.3% | 3.5% | |
| +2 | JavaScript | 3.6% | 2.0% | |
| -3 | Perl | 3.4% | 7.4% | |
| -1 | Delphi | 2.7% | 1.5% |
В заключение раздела можно выделить некоторую общую тенденцию в развитии языков программирования. Языки развиваются в сторону все большей и большей абстракции. И это сопровождается падением эффективности. Вопрос: а стоит ли этого абстракция? Ответ: стоит, так как повышение уровня абстракции влечет за собой повышение уровня надежности программирования. С низкой эффективностью можно бороться путем создания более быстрых компьютеров. Если требования к памяти слишком высоки, можно увеличить ее объем. Это требует времени и средств, но это решаемо. А вот с ошибками в программах можно бороться только одним способом: их надо исправлять. Еще лучше не совершать. А еще лучше максимально затруднить их совершение. И именно на это направлены все исследования в области языков программирования.
Основы компиляции
Программы, написанные на языках программирования высокого уровня перед выполнением на ЭВМ должны транслироваться в эквивалентные программы, написанные на машинном коде. Транслятор - это программа, которая переводит программу на исходном (входном) языке в эквивалентную ей программу на результирующем (выходном) языке. Если исходный язык является языком высокого уровня, например таким, как Паскаль, С++, и если объектный язык - автокод, то такой транслятор называется компилятором.
Достоинство компилятора заключается в том, что программа компилируется один раз и при каждом выполнении не требуется дополнительных преобразований. Соответственно, не требуется наличие компилятора на целевой машине, для которой компилируется программа. Недостаток: отдельный этап компиляции замедляет написание и отладку и затрудняет исполнение небольших, несложных или разовых программ. В том случае, если исходный язык является языком ассемблера (низкоуровневым языком, близким к машинному языку), то компилятор такого языка называется ассемблером.
Другой метод реализации программ, написанных на языке высокого уровня – интерпретация [Р. У. Себеста. Основные концепции языков программирования/ Пер. с англ. – М.: Вильямс, 2001]. Интерпретатор программно моделирует машину, цикл выборки-исполнения которой работает с командами на языках высокого уровня, а не с машинными командами. Такое программное моделирование создаёт виртуальную машину, реализующую язык. Этот подход называется чистой интерпретацией. Чистая интерпретация применяется, как правило, для языков с простой структурой (например, АПЛ или Лисп). Интерпретаторы командной строки обрабатывают команды в скриптах в UNIX или в пакетных файлах (.bat) в MS-DOS также, как правило, в режиме чистой интерпретации.
Достоинство чистого интерпретатора: отсутствие промежуточных действий для трансляции упрощает реализацию интерпретатора и делает его удобнее в использовании, в том числе в диалоговом режиме. Недостаток – интерпретатор должен быть в наличии на целевой машине, где должна исполняться программа. А свойство чистого интерпретатора, что ошибки в интерпретируемой программе обнаруживаются только при попытке выполнения команды (или строки) с ошибкой, можно признать как недостатком, так и достоинством.
Существуют компромиссные между компиляцией и чистой интерпретацией варианты реализации языков программирования, когда интерпретатор перед исполнением программы транслирует её на промежуточный язык (например, в байт-код или p-код), более удобный для интерпретации (т.е. речь идёт об интерпретаторе со встроенным транслятором). Такой метод называется смешанной реализацией. Примером смешанной реализации языка может служить Perl. Этот подход сочетает как достоинства компилятора и интерпретатора (бо́льшая скорость исполнения и удобство использования), так и недостатки (для трансляции и хранения программы на промежуточном языке требуются дополнительные ресурсы; для исполнения программы на целевой машине должен быть представлен интерпретатор). Так же, как и в случае компилятора, смешанная реализация требует, чтобы перед исполнением исходный код не содержал ошибок (лексических, синтаксических и семантических).
Для компиляции компилятор должен выполнить анализ исходной программы, а затем синтез объектной программы. Сначала исходная программа разлагается на ее составные части; затем из них строятся части эквивалентной объектной программы. Для этого на этапе анализа компилятор строит несколько таблиц (рис. 1), которые используются затем как при анализе, так и при синтезе.
Рис. 1
При анализе программы из описаний, заголовков процедур, заголовков циклов и т.д. извлекается информация и сохраняется для последующего использования. Эта информация обнаруживается в отдельных точках программы и организуется так, чтобы к ней можно было обратиться из любой части компилятора. Например, при каждом использовании идентификатора необходимо знать, как был описан этот идентификатор и как он использовался в других местах программы. Что конкретно следует хранить, зависит, конечно, от исходного языка, объектного языка и сложности компилятора. Но в каждом компиляторе в той или иной форме используется таблица символов (иногда ее называют списком идентификаторов или таблицей имен). Это таблица идентификаторов, встречающихся в исходной программе, вместе с их атрибутами. К атрибутам относятся тип идентификатора, его адрес в объектной программе и любая другая информация о нем, которая может понадобиться при генерации объектной программы.
Лексический анализатор (сканер) - самая простая часть компилятора. Сканер просматривает литеры исходной программы слева направо и строит символы программы – целые числа, идентификаторы, служебные слова и т. д. (Символы передаются затем на обработку фактическому анализатору.) На этой стадии может быть исключен комментарий. Сканер также может заносить идентификаторы в таблицу символов и выполнять другую простую работу, которая фактически не требует анализа исходной программы. Он может выполнить большую часть работы по макрогенерации в тех случаях, когда требуется только текстовая подстановка.
Обычно сканер передает символы анализатору во внутренней форме. Каждый разделитель (служебное слово, знак операции или знак пунктуации) будет представлен целым числом. Идентификаторы или константы можно представить парой чисел. Первое число, отличное от любого целого числа, использующегося для представления разделителя, характеризует сам "идентификатор" или "константу"; второе число являет<