Тема 6. Языки программирования высокого уровня

Основные понятия языков программирования. Развитие языков программирования. Структуры и типы данных языка программирования. Трансляция. Компиляция и интерпретация. Эволюция и классификация языков программирования.

Язык программирования (Я.П.) — 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 данными при различных обстоятельствах.

Если Я.П. ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня.

К таким языкам относят язык Ассемблер, который представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью символьных условных обозначений, называемых мнемониками (конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассемблера).

Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, чем компьютеру (особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются).

Эволюция языков программирования. Я.П. делят на пять поколений:

Поколение 1. Входят языки, созданные в начале 50-х гг. (машиннозависимые языки, язык Ассемблер).

Поколение 2. Конец 50-х-начало 60-х гг. (Символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Возросли скорость разработки и надежность программ).

Поколение 3. 60-е гг. – 70-е гг. (Появились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решать задачи из любых областей. Качества таких языков: относительная простота, независимость от конкретного компьютера, возможность использования мощных синтаксических конструкций. Результат – повышение производительности труда программистов.) (Кобол –для экономической области, Pascal – универсальный ЯВУ (Н.Вирт), Basic

Поколение 4. Начало 70-х гг.- по настоящее время. (Языки 4-го поколения предназначены для реализации крупных проектов, повышения их надежности и скорости создания. – Проблемно-ориентированные языки). (C++-объектно-ориентированный С, Java – начло 90-х гг. – компиляция в платформо-независимый байт-код)

Поколение 5. Середина 90-х гг. (Системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Языки программирования для Интернета – скрипт-языки – HTML, Perl, PHP, XML).

Одним из важнейших признаков классификации языков программирования является принадлежность их к одному из стилей, основными из которых являются следующие: процедурный, функциональный, логический и объектно-ориентированный.

Процедурное (императивное) программирование является отражением архитектуры традиционных ЭВМ, которая была предложена фон Нейманом в 40-х годах. Теоретической моделью процедурного программирования служит алгоритмическая система под названием «машина Тьюринга».

Программа на процедурном языке программирования состоит из последовательности операторов (инструкций), задающих процедуру решения задачи. Основным является оператор присваивания, служащий для изменения содержимого областей памяти. Концепция памяти как хранилища значений, содержимое которого может обновляться операторами программы, является фундаментальной в императивном программировании.

Сущность функционального (аппликативного) программирования определена А. П. Ершовым как «... способ составления программ, в которых единственным действием является вызов функции, единственным способом расчленения программы на части является введение имени для функции, а единственным правилом композиции — оператор суперпозиции функции. Никаких ячеек памяти, ни операторов присваивания, ни циклов, ни, тем более, блок-схем, ни передачи управления».

Роль основной конструкции в функциональных языках играет выражение: К выражениям относятся скалярные константы, структурированные объекты, функции, тела функций и вызовы функций. Функция трактуется как однозначное отображение из X в X, где X — множество выражений.

Новую область — логическое, или реляционное программирование, — открыло появление языка PROLOG (Пролог) (PROgramming in LOGic — программирование в терминах логики). Этот язык был создан французским ученым А. Кольмероэ в 1973 году. В настоящее время известны и другие языки, однако наиболее развитым и распространенным языком логического программирования является именно Пролог. Так, имеется свыше 15 различных его реализаций на ПЭВМ. Языки логического программирования, в особенности Пролог, широко используются в системах искусственного интеллекта, рассматриваемых в данном учебном пособии.

Центральным понятием в логическом программировании является отношение. Программа представляет собой совокупность определений отношений между объектами (в терминах условий или ограничений) и цели (запроса). Процесс выполнения программы трактуется как процесс общезначимости логической формулы, построенной из программы по правилам, установленным семантикой используемого языка. Результат вычисления является побочным продуктом этого процесса. В реляционном программировании нужно только специфицировать факты, на которых алгоритм основывается, а не определять последовательность шагов, которые требуется выполнить. Это свидетельствует о декларативности языка логического программирования. Она метко выражена в формуле Р. Ковальского: «алгоритм = логика + управление».

Объектно-ориентированное программирование представляет собой метод программирования, который весьма близко напоминает наше поведение. Оно является естественной эволюцией более ранних нововведений в разработке языков программирования. Объектно-ориентированное программирование является более структурным, чем все предыдущие разработки, касающиеся структурного программирования. Оно также является более модульным и более абстрактным, чем предыдущие попытки абстрагирования данных и переноса деталей программирования на внутренний уровень.

Для перевода программы, написанной на языке высокого уровня, в соответствующую машинную программу используются языковые процессоры. Различают два вида языковых процессоров: интерпретаторы и трансляторы.

Интерпретатор — это программа, которая получает исходную программу и по мере распознавания конструкций входного языка реализует действия, описываемые этими конструкциями.

Транслятор — это программа, которая принимает исходную программу и порождает на своем выходе программу, записываемую на объектном языке программирования (объектную программу). В частном случае объектным может служит машинный язык, и в этом случае полученную на выходе транслятора программу можно сразу же выполнить на ЭВМ. В общем случае объектный язык необязательно должен быть машинным или близким к нему (автокодом). В качестве объектного языка может служить и некоторый промежуточный язык.

Для промежуточного языка может быть использован другой транслятор или интерпретатор — с промежуточного языка на машинный. Транслятор, использующий в качестве входного язык, близкий к машинному (автокод или язык Ассемблера) традиционно называют Ассемблером.

Транслятор с языка высокого уровня называют компилятором.

Литература: [1], с. 115-129; [2], с. 140-178.