История возникновения программирования. Основные принципы и подходы при создании языков программирования

С появлением цифровых программно-управляемых машин родилась новая область прикладной математики - программирование. Как область науки и профессия она возникла в 1950-х гг. Первоначально программы составлялись вручную на машинных языках (в машинных кодах). Программы были громоздки, их отладка -- очень трудоемка. Для упрощения приемов и методов составления и отладки программ были созданы мнемокоды, по структуре близкие к машинному языку и использующие символьную адресацию. Ассемблеры переводили программу, записанную в мнемокоде, на машинный язык и, расширенные макрокомандами, используются и в настоящее время. Далее были созданы автокоды, которые можно применять на различных машинах, и позволившие обмениваться программами. Автокод - набор псевдокоманд для решения специализированных задач, например, научных или инженерных. Для таких задач имеется развитая библиотека стандартных программ.

До конца 1950-х гг. ЭВМ основным элементом конструкции были электронные лампы (1-е поколение). В этот период развитие идеологии и техники программирования шло за счет достижений американских ученых Дж. фон Неймана, сформулировавшего основные принципы построения ЭВМ, и Дж. Бэкуса, под руководством которого в 1954 г. был создан Fortran (Formula Translation) - первый язык программирования высокого уровня, используемый до настоящего времени в разных модификациях. Так, в 1965 г. в Дартмутском колледже Д. Кэмэни и Т. Куртцем была разработана упрощенная версия Фортрана - Basic. В 1966 г. комиссия при Американской ассоциации стандартов (ASA) разработала два стандарта языка: Фортран и Базисный Фортран. Используются также дальнейшие модификации языка (например, 1970, 1990 гг.).

Достижения в области электроники и микроэлектроники позволили заменить элементную базу ЭВМ на более совершенную. В конце 1950-х гг. громоздкие электронные лампы заменяют полупроводниками (миниатюрными транзисторами). Появляются ЭВМ II поколения; затем примерно через 10 лет - ЭВМ III поколения на интегральных схемах; еще через 10 лет - ЭВМ IV поколения на больших интегральных схемах (БИС). В Японии в 1990-х гг. реализованы проекты ЭВМ V поколения, в которых использованы достижения в области искусственного интеллекта и биоэлектроники. Если объем оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) одной из лучших отечественных машин 1960-х гг. М-20, созданной под руководством С. А. Лебедева в 1958 г., имел 4096 слов (8 Кбайт) и быстродействие 20 тыс. операций в секунду, то современные персональные компьютеры характеризуются ОЗУ в десятки Мбайт и быстродействием в сотни миллионов операций в секунду, что позволяет решать сложнейшие задачи.

В 1953 г. А. А. Ляпуновым был предложен операторный метод программирования, который заключался в автоматизации программирования, а алгоритм решения задачи представлялся в виде совокупности операторов, образующих логическую схему задачи. Схемы позволяли расчленить громоздкий процесс составления программы, части которой составлялись по формальным правилам, а затем объединялись в целое. Для проверки идей операторного метода в СССР в 1954 г. была разработана первая программирующая программа ПП-1, а в 1955 г. более совершенная - ПП-2. В 1956 г. разработана ПП БЭСМ, в 1957 г. - ППСВ, в 1958 г. - для машины «Стрела».

В США в 1954 г. стал применяться алгебраический подход, совпадающий, по существу, с операторным методом. В 1956 г. корпорацией IBM разработана универсальная ПП Фортран для автоматического программирования на ЭВМ IBM/704.

В этот период по мере накопления опыта и теоретического осмысления совершенствовались языки программирования. В 1958--1960 гг. в Европе был создан ALGOL, который породил целую серию алголоподобных языков: Algol W, (1967), Algol 68, Pascal (Н. Вирт, 1970 г.), С (Д. Ритчи и Б. Керниган, 1972 г.), Ada (под руководством Ж. Ишбиа, 1979 г.), C++ (1983).  
В 1961-1962 гг. Дж. Маккарти в Массачусетском технологическом институте был создан язык функционального программирования Lisp, открывший в программировании одно из альтернативных направлений, предложенных Дж. фон Нейманом.

На начало 1970-х гг. существовало более 700 языков высокого уровня и около 300 трансляторов для автоматизации программирования.

1.3 Языки процедурного  программирования

Процедурное или императивное (от лат. imperativus —повелительный) программирование есть отражение фон Неймановской архитектуры компьютера. Программа, написанная на этом языке, представляет собой последовательность команд, определяющих алгоритм решения задачи. Основной командой является команда присвоения, предназначенная для определения и изменения содержимого памяти компьютера. Фундаментальная идея процедурного программирования — использование памяти компьютера для хранения данных. Функционирование программы сводится к последовательному выполнению команд с целью преобразования исходного состояния памяти, т.е. программа производит пошаговое преобразование содержимого памяти, изменяя его от исходного состояния к результирующему.

Одним из первых процедурных языков программирования высокого уровня стал Фортран, созданный в начале 50-х гг. в США фирмой IBM. Первая публикация о нем появилась в 
1954 г. Основное назначение языка — программирование научно-технических задач. Объектами языка являются целые и вещественные числа и числовые переменные. Выражения в нем формируются с помощью четырех арифметических действий: возведения в степень, логических операций И, ИЛИ, НЕ, операций отношения и круглых скобок. Основные операторы Фортрана — ввод, вывод, присваивание, условный и безусловный переход, цикл, вызов подпрограмм. 
Долгие годы он был одним из самых распространенных языков в мире. За это время накоплена огромная библиотека программ, написанных на Фортране. И сейчас ведутся работы над очередным 
стандартом Фортрана. В 2000 г. была реализована версия Фортран F2k, имеется стандартная версия HPF (High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров. Многие средства Фортрана использованы в языках PL-1 и Бейсик.

Кобол (OOmmon Zfusiness Oriented language — общепринятый деловой язык) — язык программирования, ориентированный на решение задач обработки данных. Широко используется для решения учетно-экономических и управленческих задач. Разработан в США в 1958—1960 гг. Программа на Коболе имеет вид ряда предложений на английском языке и напоминает обычный текст. Группы последовательно записанных операторов объединяются в предложения, предложения — в параграфы, параграфы — в секции. Программист присваивает параграфам и секциям имена (метки), что облегчает непосредственное обращение к нужному участку программы. В СССР был принят русский вариант языка. В Коболе были реализованы мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано много приложений, некоторые из них активно эксплуатируются и сейчас. 
Достаточно сказать, что одной из высокооплачиваемых категорией граждан в США являются программисты на Коболе.

Алгол (А1ХЮхШт\с Zanguage) разработан группой зарубежных специалистов в 1960 г., явился результатом международного сотрудничества конца 50-х гг. (Алгол-60). Алгол предназначался для записи алгоритмов, построенных в виде последовательности процедур, применяемых при решении поставленных задач. Специалисты-практики воспринимали этот язык неоднозначно, но тем не менее он как признанный международный язык сыграл большую роль в становлении основных понятий программирования и для обучения программистов. В нем впервые введены понятия «блочная структура программы», «динамическое распределение памяти». Внутри блока в Алголе можно вводить локальные обозначения, которые не зависят от остальной части программы. Несмотря на свое интернациональное происхождение, Алгол-60 получил меньшее распространение, чем 
Фортран. Например, не на всех зарубежных ЭВМ имелись трансляторы с Алгола-60. В 1968 г. в результате дальнейшего развития и усовершенствования Алгола-60 была создана версия Алгол-68. Это многоцелевой универсальный расширенный язык программирования. 
Последнее свойство позволяло с помощью одной и той же программы транслятора осуществлять трансляцию с различных расширенных версий языка без дополнительных затрат на приспособление этого языка к различным категориям пользователей, на получение проблемно-ориентированных диалектов языка. По своим возможностям Алгол-68 и сегодня опережает многие языки программирования, однако из-за отсутствия эффективных компьютеров для него не удалось своевременно создать хорошие компиляторы. В нашей стране в те годы под руководством академика Андрея Петровича Ершова был создан транслятор Альфа, который представлял достаточно удачную русифицированную версию Алгола.

В середине 60-х гг. сотрудники математического факультета Дартмутского колледжа Томас Курц и Джон Кемени создали специализированный язык программирования, который состоял из простых 
английских слов. Новый язык назвали универсальным символическим кодом для начинающих или сокращенно BASIC (Бейсик). 1964 г. считают годом рождения этого языка. Он получил самое широкое распространение при работе на персональных компьютерах в режиме интерактивного диалога. Популярность Бейсика объясняется как простотой его освоения, так и наличием достаточно мощных универсальных средств, пригодных 
для решения научных, технических и экономических задач, а также задач бытового характера, игровых и т.д. Согласно концепциям, заложенным в Бейсике, в нем широко распространены различные правила умолчания, что считается плохим тоном в большинстве языков программирования подобного типа. Возникло множество версий языка, зачастую мало совместимых друг с другом. Однако, зная одну из версий, можно без особого труда освоить любую другую. Бейсик активно поглощает многие концепции и новинки из других языков. 
Первоначально интерактивный режим осуществлялся с использованием интерпретатора, в настоящее время для этого языка имеются также и компиляторы.

В начале 60-х гг. каждый из существующих языков программирования был ориентирован на разные классы задач, но в той или иной мере привязан к конкретной архитектуре ЭВМ. Были предприняты попытки преодолеть этот недостаток путем создания универсального языка программирования. ПЛ /1 (PL /1 — Programming language One) — первый многоцелевой универсальный язык, разработан в США фирмой IBM в 1963—1966 гг. Это один из наиболее распространенных универсальных языков, он хорошо приспособлен для решения задач в области вычислительной техники: исследования и планирования вычислительных процессов, моделирования, решения логических задач и исследования логических схем, разработки систем математического обеспечения. При разработке PL/1 были широко использованы основные понятия и средства языков Фортран, Алгол-60, Кобол. PL/1 — богатый и гибкий язык, дает возможность производить вставки, исправлять текст программы в процессе ее отладки. Язык получил широкое распространение, трансляторы с него имеются для многих типов компьютеров. Компания IBM и сегодня продолжает поддерживать этот язык.

Паскаль (Pascal) является одним из наиболее популярных процедурных языков программирования, особенно для персональных компьютеров. Созданный как учебный язык программирования в 
1968—1971 гг. Никлаусом Виртом в Высшей технической школе (ЕТН) в Цюрихе (Швейцария), он был назван в честь французского математика и философа Блеза Паскаля (1623—1662). Задачей Н. Вирта было создание языка, базирующегося на простом синтаксисе и небольшом количестве базовых конструкций, переводимого в машинный код простым компилятором.

В основе языковой концепции Паскаля лежит системный подход, предполагающий переход от общей задачи к частным (более простым и меньшим по объему). К основным принципам Паскаля 
следует отнести:

• Структурное программирование. Его методология основана на использовании подпрограмм и независимых структур данных, объединяющих связанные между собой совокупности данных. 
  Подпрограммы позволяют заменять в тексте программ упорядоченные блоки команд, отчего программный код становится более компактным. Структурный подход обеспечивает создание 
  более понятных и легко читаемых программ, упрощает их тестирование и отладку.
• Программирование сверху вниз, когда задача делится на простые, самостоятельно решаемые подзадачи. Затем на основе решенных подзадач выстраивается решение исходной задачи полностью —сверху вниз.

В основу разработки языка Паскаль был положен Алгол-60, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его для создания 
крупных проектов, например, программ-трансляторов. Паскаль реализован для всех типов компьютеров, в настоящее время используется во многих учебных заведениях для обучения программированию, а также для создания больших реальных проектов.

Период с конца 60-х до начала 80-х гг. характеризуется бурным ростом числа различных языков программирования, сопровождавшим, как это ни парадоксально, кризис программного обеспечения. Этот кризис особенно остро переживало военное ведомство США. В январе 1975 г. Пентагон решил навести порядок среди бесчисленного множества трансляторов и создал комитет для разработки одного универсального языка. На конкурсной основе комитет рассмотрел сотни 
проектов и выяснил, что ни один из существующих языков не может удовлетворить их требованиям, для окончательного рассмотрения было оставлено два проекта. В мае 1979 г. был объявлен победитель — группа ученых во главе с Жаном Ихбиа. Победивший язык назвали АДА, в честь Ады Лавлейс, дочери великого поэта Байрона. Она в юности была увлечена идеями Чарльза Бэббиджа и помогала ему составлять описание машины, а в начале 40-х гг. XIX в. разработала первую в мире программу для вычислительной машины. Язык АДА — прямой наследник Паскаля. Он предназначен для создания и длительного сопровождения больших программных систем, управления процессами в реальном масштабе времени. В языке четко выражена модульность его конструкций, причем обеспечивается удобство организации разнообразных связей между модулями. Важным его достоинством является возможность параллельного программирования ветвей программы, которые затем могут реализоваться на многопроцессорных компьютерах. Язык АДА сложен для изучения.