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”

Чёткой 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 OCaml.

Надо заметить, что многие явно типизированные языки умеют выводить типы в некоторых случаях (например, auto в С++11), поэтому чёткую 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. Дают сильные гарантии типобезопасности, но код может становиться крайне многословным.

В целом, чёткую грань провести оказывается опять-таки 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, написанные на них программы потенциально менее производительны (абстракция не бесплатна).

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

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

Транс-компилируемые языки – это языки, которые для компиляции или выполнения транслируются в другой язык. Частой целью для транс-компилируемых языков является C. Также последнее время популярной целью является JavaScript (как единственный язык, исполняемый в браузере).

Транс-компилируемые языки: C++ (исторически, в C), Haskell (исторически, в С), Fortran (иногда, в С), Fay (в JavaScript)

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. Хотя эти языки остаются интересными с теоретической точки зрения, широкого практического применения они не нашли.

Парадигмы программирования

Определение

Вообще строгого определения нет, но по сути “парадигма программирования” определяет стиль написания исходного кода программ.

В некоторой степени “стиль” диктует так же способ формализации алгоритмов.

Императивное программирование

Императивное программирование характеризуется в основном:

• в исходном коде программы записываются инструкции (команды);
• инструкции должны выполняться последовательно;
• каждая инструкция может изменять некое глобальное “состояние” программы

При императивном подходе к составлению кода (в отличие от функционального подхода, относящегося к декларативной парадигме) широко используется присваивание. Наличие операторов присваивания увеличивает сложность модели вычислений и делает императивные программы подверженными специфическим ошибкам, не встречающимся при функциональном подходе.

Практически всё аппаратное обеспечение в основе своей императивное.

Неструктурное программирование

Характерно для наиболее ранних языков программирования.

В основном характеризуется:

• строки как правило нумеруются
• из любого места программы возможен переход к любой строке

Характерной особенностью неструктурного программирования является сложность реализации рекурсии.

Структурное программирование

В отличие от неструктурного программирования, характеризуется:

• ограниченным использованием условных и безусловных переходов
• широким использованием подпрограмм и прочих управляющих структур (циклов, ветвлений, и т.п.)
• блочной структурой

Концепция структурного программирования основана на теореме Бёма-Якопини:

Любая вычислимая функция может быть представлена комбинацией трёх управляющих структур:

• Последовательности
• Ветвления
• Итерации

Последовательность – это выполнение сначала одной подпрограммы, затем другой.

Ветвление – это выполнение либо одной, либо другой подпрограммы в зависимости от значения некого булева (логического) выражения.

Итерация – это многократное выполнение подпрограммы пока некое булево выражение истинно.

Процедурное программирование

Процедурное программирование можно рассматривать как небольшую вариацию на тему структурного программирования, основанную на концепции вызова процедуры.

Основная идея заключается в том, чтобы сделать подпрограммы более модульными за счёт:

• локальных переменных
• относительно простой рекурсии

Оба этих пункта реализуются за счёт использования стека вызовов.

Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированное программирование основано на концепции “объекта”.

Объекты могут содержать данные (поля, свойства, аттрибуты) и поведение (код, процедуры, методы).

Наиболее популярной формой ООП является ООП на основе классов. В данном подходе, все объекты являются экземплярами классов, и классы определяют так же тип объектов.

Одной из альтернатив является прототипное наследование. Прототипное наследование не использует классов. Вместо этого, одни объекты могут быть объявлены “прототипами” других объектов – при этом методы и поля прототипа становятся доступны как методы и поля нового объекта (если, конечно, новый объект их не переопределяет)

Декларативное программирование

Декларативное программирование — это парадигма программирования, в которой задаётся спецификация решения задачи, то есть описывается, что представляет собой проблема и ожидаемый результат. Противоположностью декларативного является императивное программирование, описывающее на том или ином уровне детализации, как решить задачу и представить результат.

Как следствие, декларативные программы не используют понятия состояния, то есть не содержат переменных и операторов присваивания.

К подвидам декларативного программирования также зачастую относят функциональное и логическое программирование — несмотря на то, что программы на таких языках нередко содержат алгоритмические составляющие.

“Чисто декларативные” компьютерные языки зачастую не полны по Тьюрингу — примерами служат SQL и HTML — так как теоретически не всегда возможно порождение исполняемого кода по декларативному описанию. Это иногда приводит к спорам о корректности термина “декларативное программирование”.

Функциональное программирование

Основные концепции:

• отсутствие неявных побочных эффектов
• ссылочная прозрачность
• отсутствие неявного состояния
• данные и функции – это концептуально одно и то же

Основано на лямбда-исчислении

Аппликативное

Аппликативное программирование — один из видов декларативного программирования, в котором написание программы состоит в систематическом осуществлении применения одного объекта к другому. Результатом такого применения вновь является объект, который может участвовать в применениях как в роли функции, так и в роли аргумента и так далее. Это делает запись программы математически ясной. Тот факт, что функция обозначается выражением, свидетельствует о возможности использования значений-функций — функциональных объектов — на равных правах с прочими объектами, которые можно передавать как аргументы, либо возвращать как результат вычисления других функций.

Комбинаторное

Комбинаторное программирование (англ. function-level programming) — парадигма программирования, использующая принципы комбинаторной логики.

Является особой разновидностью функционального программирования, но, в отличие от основного его направления, комбинаторное программирование не использует λ-абстракцию.

На практике это выливается в отсутствие “переменных”, содержащих данные.

Логическое программирование

Логическое программирование — парадигма программирования, основанная на автоматическом доказательстве теорем, а также раздел дискретной математики, изучающий принципы логического вывода информации на основе заданных фактов и правил вывода. Логическое программирование основано на теории и аппарате математической логики с использованием математических принципов резолюций.

Самым известным языком логического программирования является Prolog.