Языки программирования

Язык программирования – это искуственный язык, созданный для взаимодействия с машиной, в частности, с компьютером. ЯП используются для написания программ, которые управляют машиной и/или выражают алгоритмы.

Первые ЯП были созданы задолго до появления компьютеров и управляли поведением, скажем, самоиграющих пианино или автоматических ткацких станков.

Многие ЯП имеют императивную форму, т.е. описывают последовательность операций. Другие могут иметь декларативную форму, т.е. описывают результат, а не то, как его получить.

Некоторые языки определяются стандартом (C,C++,Haskell, и др.). Другие не имеют формального описания, и наиболее широко распространенная реализация используется в качестве эталона.

Описание ЯП обычно делится на две части: синтаксис, т.е. форма, и семантика, т.е. значение.

Семантика в свою очередь подразделяется на лексику и грамматику.

Лексика определяет какие “слова” могут быть в языке. Это включает названия переменных, функций, числовые константы, строки, и т.п., а так же управляющие символы языка. Грамматика определяет каким образом эти “слова” комбинируются в более сложные выражения.

Не все синтаксически корректные программы являются семантически корректными. Например:

complex *p = nullptr;
complex abs_p = sqrt(*p>>4 + p->im);

Здесь *p не определено, *p >> 4 не определено, даже если определено *p, и p->im так же не определено. Тем не менее, синтаксически это корректная программа.

Семантика же подразделяется на статическую, динамическую, и систему типов.

Статическая семантика: определяет статические свойства языка, выходящие за рамки синтаксиса. Например, статическая семантика может определять, что все идентификаторы должны быть определены перед использованием, или что вызов функции должен принимать столько же аргументов, сколько указано в ее определении (ни то ни другое не является обязательным, кстати сказать)
Динамическая семантика: определяет стратегию выполнения программы. Она определяет, каким образом исполняются инструкции, порядок их исполнения, значение управляющих структур и т.д.
Система типов: определяет каким образом ЯП классифицирует значения и выражения, как эти типы взаимодействуют и каким образом ЯП может манипулировать ими. Система типов является практическим приложением теории категорий. Цель системы типов – проверка программы на корректность (до какой-то степени). Любая система типов, отвергая некорректные программы, будет так же отвергать некоторый процент коррекнтых (хотя необычных) программ. Чтобы обойти это ограничение, ЯП обычно имеют некие механизмы для выхода из ограничений системы типов. В большинстве случаев, указание корректных типов ложится на совесть программиста. Однако некоторые ЯП (обычно функциональные) умеют выводить типы исходя из семантики, и таким образом освобождают программиста от необходимости явно указывать типы.

Классификация языков программирования

Существует множество критериев, по которым можно классифицировать языки программирования. Частые варианты классификации включают:

По парадигме (декларативные, императивные, структурированные и т.п.)
По системе типов (динамические, статические, сильно- и слаботипизированные, нетипизированные и т.п.)
По уровню абстракции (высокого, низкого уровня)
По модели исполнения (компилируемые, интерпретируемые)
По “поколению”

Четкой классификации не существует, по той простой причине, что существуют буквально тысячи ЯП, и в любой категории классификации обнаруживается практически непрерывный спектр.

По системе типов

Наиболее категоричное разделение ЯП по системе типов на типизированные и нетипизированные.

Нетипизированные языки: позволяют производить любую возможную операцию над любыми данными. Это обычно какие-либо языки ассемблера, которые работают непосредственно с двоичным представлением данных в памяти.

С точки зрения теории типов очень немногие из современных языков являются типизированными в полном смысле этого слова. Большинство являются типизированными в некоторой мере. Так, многие языки позволяют выходить за пределы системы типов, принося типобезопасность в жертву более точному управлению исполнением программы.

Типизированные языки: определяют типы данных, с которыми работает любая операция. Например, операция деления работает над числами – для строк эта операция не определена.

Типизированные языки, в свою очередь, могут классифицироваться по моменту проверки типов и по строгости этой проверки.

По моменту проверки типов ЯП делятся на статически и динамически типизированные (или просто, статические и динамические).

Статически типизированные языки: При статической типизации, типы всех выражений точно определены до выполнения программы, и обычно проверяются при компиляции. Языки со статической типизацией, в свою очередь могут быть явно типизированными (manifestly typed) или типовыводящими (type-inferred).
Явно типизированные языки: требуют явного указания типов. К ним относятся, например, C, C++, C#, Java.
Типовыводящие языки: определяют (выводят) типы большинства выражений автоматически, и требуют явного аннотирования только в сложных и неоднозначных случаях. К ним относятся, например, Haskell и OсaML.

Надо заметить, что многие явно типизированные языки умеют выводить типы в некоторых случаях (например, auto в С++11), поэтому четкую грань здесь провести можно не всегда.

Динамически типизированные языки: производят проверку типов на этапе выполнения. Иначе говоря, типы связаны со значением при выполнении, а не с текстовым выражением. Как и типовыводящие языки, динамически типизированные не требуют указания типов выражений. Помимо прочего, это позволяет одной переменной иметь значения разных типов в разные моменты исполнения программы. Однако, ошибки типов не могут быть автоматически обнаружены, пока фрагмент кода не будет выполнен. Это усложняет отладку и несколько подрывает идею типобезопасности в целом. Примерами динамически типизированных языков являются Lisp, Perl, Python, JavaScript и Ruby.

По строгости типизации языки делятся на сильно и слабо типизированные.

Слабо типизированные языки: неявно конвертируют один тип в другой, скажем, строки в числа и наоборот. Это может быть удобно в некоторых случаях, однако многие программные ошибки могут быть пропущены. Усложняется отладка.
Сильно типизированные языки: не позволяют неявную конверсию, и требуют явной.

В целом, четкую грань провести оказывается достаточно сложно, поскольку неявное преобразование типов в той или иной мере производится в большинстве языков. Однозначно к слабо типизированным относят Perl, JavaScript и C (в силу свободной конверсии void*). К сильно типизированным относят C++, Java, Haskell, и другие.

По уровню абстракции

Классификация по уровню абстракции сильно зависит от современных представлений о “высоком уровне абстракции”.

Языки по-настоящему низкого уровня – это машинный код и языки ассемблера, все остальные – в некотором смысле языки высокого уровня. Тем не менее, многие сейчас считают C и C++ языками низкого уровня.

Java, Python, Ruby и т.п. сейчас общепринято считаются языками высокого уровня.

Языки высокого уровня могут значительно упрощать реализацию сложных алгоритмов, однако обычно они генерируют менее эффективный машинный код, чем языки более низкого уровня.

По модели исполнения

ЯП может быть компилируемым, транс-компилируемым или интерпретируемым.

Интерпретируемые языки исполняются непосредственно, без этапа компиляции. Программа, называемая интерпретатором, читает каждое выражение, определяет сообразное действие, и совершает его. Гибридный вариант может генерировать машинный код “на лету” и исполнять его.

Интерпретируемые языки: PHP, Perl, Bash, Python, JavaScript, Haskell

Компилируемый язык компилируется, т.е. переводится в исполнимую форму до выполнения.

Компиляция может производиться непосредственно в машинный код, или в какое-либо промежуточное представление (байт-код), которое потом интерпретируется виртуальной машиной.

Компилируемые языки (машинный код): ASM, С, С++, Algol, Fortran Компилируемые языки (байт-код): Python, Java

Транс-компилируемые языки – это языки, которые сперва переводятся в язык более низкого уровня, который в свою очередь уже может быть скомпилирован. Частой целью для транс-компилируемых языков является C, который, в свою очередь, часто является транс-компилируемым в ассемблер.

Транс-компилируемые языки: C, C++, Haskell, Fortran

Линии сильно размыты, поскольку существуют компиляторы для традиционно интерпретируемых языков, и, напротив, интерпретаторы для традиционно компилируемых.

Классификация по “поколению”

Поколение – несколько условная характеристика, которая в значительной мере связана с историей появления современных языков программирования.

Языки первого поколения: 1GL – это машинные языки. Исторически, программы на этих языках вводились при помощи переключателей на передней панели ЭВМ, либо “писались” на перфокартах и позже перфолентах. Программа на 1GL состоит из 0 и 1 и сильно привязана к конкретному железу, на котором она должна исполняться.
Языки второго поколения: Это общая категория для различных языков языков ассемблера. С одной стороны, код языков 2GL может читать человек, и он должен быть конвертирован в машино-читаемую форму (этот процесс называется ассемблированием, или сборкой). С другой стороны, этот язык специфичен к процессору и прочему аппаратному окружению.
Языки третьего поколения: Более абстрактные, чем 2GL, это языки, которые перекладывают заботу о непринципиальных деталях с плеч программиста на плечи компьютера. Fortran, ALGOL и COBOL являются первыми 2GL. C, C++, Java, BASIC и Pascal так же могут быть отнесены к 3GL, хотя в общем 3GL подразумевает только структурную парадигму (в то время как C++, Java работают в том числе в ООП)
Языки четвертого поколения: Определение несколько расплывчато, однако в целом сводится к еще более высокому уровню абстракции, чем 3GL. Однако, подобный уровень абстракции часто требует сужения области применения. Так, например, FoxPro, LabView G, SQL, Simulink являются 4GL, однако находят применение в узкой специфической области. Некоторые исследователи считают, что 4GL являются подмножеством DSL (domain specific language, язык, специфичный к области).
Языки пятого поколения: В конце 80-х – начале 90-х была попытка разработать класс языков, которые “пишут программы сами”. По идее, программист должен был описывать как программа должна себя вести, а остальное должен был делать компьютер. К примерам можно отнести Prolog, OPS5, Mercury. К добру или худу, но эта затея провалилась, поскольку создание эффективного алгоритма для решения конкретной проблемы – само по себе весьма нетривиальная задача, и часто для ее решения требуются человеческая смекалка и интуиция.

21. Языки программирования. Классификация ЯП