Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

§ 3.1] КЛАССИФИКАЦИЯ И ЭВОЛЮЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 181

Компьютерные сети начали развиваться ис-

подволь с начала 70-х годов, но именно в

90-е годы скорость их распространения пре-

высила некоторый критический порог. Про-

изошло то, что специалисты предсказывали давно: вычислительная

техника и техника связи, слившись воедино как две половинки атомно-

го заряда, привели к подлинному информационному взрыву. Миллионы

компьютеров, разбросанных по всему свету, оказались связанными

всемирной паутиной интернета. Гигантские объемы научной, культур-

ной и всякой другой информации сделались доступными любому рядо-

вому пользователю, оказались, по меткому выражению Билла Гейтса

«на кончиках пальцев».

Появление «сети сетей» – интернета – вызвало рождение целой от-

расли нематериального производства – сетевого бизнеса. Тысячи фирм

делают деньги «из воздуха», занимаясь предоставлением доступа в ин-

тернет (Internet providing) и предоставляя различные услуги по органи-

зации электронной почты, публикации и поиску информации в сети,

размещению рекламы, электронной торговле и т.д. Годовой оборот та-

ких гигантов сетевой индустрии, как America On Line (AOL), Yahoo,

Amazon измеряется миллиардами долларов, и это только начало.

Развитие сетевых технологий потребовало разработки соответст-

вующего слоя общего программного обеспечения. Историю и совре-

менное состояние компьютерных сетей, а также их программного обес-

печения мы будем рассматривать в главе 4, а сейчас несколько слов

скажем еще об одном важном достижении, которое в 90-х годах пере-

шло из разряда экспериментальных в общедоступные. Речь идет о

мультимедиа-технологиях. Буквальный перевод слова multimedia –

«многие среды». Имеются в виду типы объектов, с которыми имеет де-

ло компьютер. В прежние времена вариантов было немного: стандарт-

ный компьютер вводил, обрабатывал и выводил только строки симво-

лов или неподвижные картинки, на большее не хватало ни мощности

процессора, ни объема памяти, ни возможностей устройств вввода-

вывода. Однако в последние годы эти характеристики достигли такого

состояния, что появилась возможность существенно расширить класс

обрабатываемых объектов.

Прежде всего компьютер перестал быть глухонемым, примитивные

пищалки уступили место современным звуковым картам, которые

представляют собой, по-существу, специализированные компьютеры с

собственными микропроцессорами, предназначенными для обработки

90-е годы:

компьютерные сети

и мультимедиа

182 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

звуковых сигналов. Разработка таких устройств потребовала глубоких

теоретических исследований в области акустики и физиологии слухово-

го восприятия, в результате были разработаны способы представления

звуковой информации и стандарты на аудиофайлы, которые позволили

практически без потери качества хранить, обрабатывать и воспроизво-

дить музыкальные записи большой длительности.

Еще большие успехи были достигнуты в части обработки движу-

щихся изображений. Проблема здесь в том, что простое воспроизведе-

ние каждого кадра «по точкам» порождает такой объем данных, с кото-

рым даже современные процессоры не могут справиться в режиме ре-

ального времени. Лишь в середине 90-х годов совместными усилиями

математиков, программистов и инженеров-разработчиков видеокарт

были созданы методы сжатия и представления изображений, позволив-

шие уменьшить объем вычислений в тысячи раз и сделать видео дос-

тупным среднему персональному компьютеру. Тотчас же на прилавки

магазинов хлынул поток видеоигр, других развлекательных и обучаю-

щих программ, которые в полной мере использовали новые возможно-

сти компьютера.

Новый импульс развитию мультимедиа дал интернет. В мировой

паутине образовалось множество узлов с архивами музыкальных про-

изведений, видеороликов. Появились технологии потокового аудио,

когда радиостанции переводят свои передачи в цифровую форму и по-

сылают через сеть всем желающим. Любители экзотики могут восполь-

зоваться услугами «живого видео»: в самых живописных местах плане-

ты установлены видеокамеры, которые непрерывно передают в Сеть

пейзаж с видом на гору Фудзияма, панораму Елисейских полей в Пари-

же или внутренний вид аквариума с плавающими рыбками. В результа-

те многие люди стали покупать домашние компьютеры совсем не для

вычислений, а для доступа к различным мультимедийным информаци-

онным ресурсам. Объективно происходит процесс слияния электрон-

ных средств массовой информации – радио и телевидения – с мировой

компьютерной сетью в единую информационную супермагистраль. Ду-

мается, это произойдет совсем скоро – в первые десятилетия нового

XXI века.

Проблема стандартизации на компьютерном

рынке является принципиальной, сейчас самое

время сказать о ней несколько слов. Только в

далеком прошлом программы были абсолютно

Замечание

о промышленных

стандартах

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 183

автономны и загружались в чистую память. Любая современная про-

грамма функционирует в среде других программ, обменивается с ними

данными и передачами управления. Поэтому для каждой технологии

существует множество условий, соглашений, рекомендаций, обеспечи-

вающих такое взаимодействие.

Некоторые наиболее важные соглашения оформлены юридически

как международные и национальные стандарты. К ним относятся, на-

пример, стандарты ISO – International Standard Organization, ITU – Inter-

national Telecommunication Union, ANSI – American National Standard

Institute (США), государственные стандарты России и СНГ (ГОСТ) и

др. Такими стандартами закреплены международные кодировки симво-

лов, описания наиболее употребительных языков программирования,

форматы и процедуры обмена данными в сетях и т.д.

Другие рекомендации не носят обязательного характера, но дейст-

вуют как промышленные стандарты de facto, то есть признаются произ-

водителями добровольно под страхом потерять свое место на рынке,

если их продукция не будет вписываться в общепринятые нормы. Есте-

ственно, каждая фирма хочет, чтобы ее технические решения стали об-

щепризнанными, тем самым она выигрывает время и отрывается от

конкурентов. Однако навязать свои мнения рынку не так-то просто, это

удается только монополистам, да и то не всегда (вспомним, как фирма

IBM пошла против течения, предложив нестандартные решения в ком-

пьютерах PS/2, и что из этого вышло). Поэтому на современном ком-

пьютерном рынке идет непрекращающаяся война промышленных стан-

дартов: возникают коалиции одних фирм против других, недавние про-

тивники превращаются в союзников и наоборот; акулы рынка за басно-

словные деньги скупают мелкие фирмы, предложившие перспективные

решения.

§ 3.2. Языки и системы программирования

В этом параграфе мы более подробно познакомимся с историей соз-

дания и основными концепциями наиболее известных высокоуровне-

вых языков программирования.

Первая попытка осмыслить эту проблему была

предпринята гениальным Конрадом Цузе, когда он,

работая в одиночку в разрушенной послевоенной Германии, придумал

Предыстория

184 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

язык Plancalcul. Не рассчитывая увидеть свой язык реализованным, Цу-

зе писал: «Plancalcul родился исключительно как результат теоретиче-

ской работы, без всякой связи с

тем, появятся или нет в обозри-

мом будущем машины, подхо-

дящие к программам на

Plancalcul». Тем не менее Цузе

написал множество фрагментов

программ на языке, причем не

только вычислительных, но и

чисто логических, включая про-

грамму игры в шахматы. К сожа-

лению, это достижение немецко-

го ученого, как и другие его ра-

боты, остались незамеченными и

невостребованными. Только в

1972 году работа Цузе с описа-

нием языка была издана цели-

ком. Эта публикация заставила

специалистов задуматься над

тем, какое влияние мог бы ока-

зать Plancalcul на развитие язы-

ков программирования, будь он

широко известен раньше.

Исключительно важную роль

в становлении теории программирования на ранней ее стадии сыграл

патриарх отечественной кибернетики

А.А. Ляпунов. Он предложил фор-

мальную запись программы в виде

операторной схемы и прочитал в

1952/53 учебном году в стенах МГУ

первый в СССР курс программирова-

ния. На основе операторной схемы

М.Р. Шура-Бура и ученик Ляпунова

А.П. Ершов в 1954–1956 годах созда-

ли первые компиляторы (они называ-

лись тогда программирующими про-

граммами) для ЭВМ БЭСМ и

«Стрела».

М.Р. Шура-Бура (слева)

и А.П. Ершов

Фрагмент рукописи Цузе

с шахматной программой

на языке Plancalcul

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 185

Как уже отмечалось, пик интереса к языкам и системам автоматиза-

ции программирования приходится на 1960-е годы, за это и последую-

щие десятилетия их было придумано несколько сот или даже тысяч.

Подобно живым языкам человеческого общения, искусственные языки

программирования находятся друг с другом в родственной связи, они

рождаются от некоторых предков, развиваются и умирают.

На рисунке изображена схема эволюции избранных языков про-

граммирования в виде генеалогического дерева, развернутого во време-

ни. По оси абсцисс отложены годы, каждая горизонтальная линия соот-

ветствует истории возникновения и развития некоторого языка, а

стрелками показаны идейные связи. В следующих коротких историях

эта схема раскрывается более детально. Кстати, о написании названий

языков. В литературе встречаются самые различные варианты – и ма-

1960 1970 1980 1990 2000

Cobol

Fortran Fortran-77

Basic

Visual Basic

lgol-68

ltair-Basic

Fortran-IV

Cobol-85

IMS dBASE FoxPro

Visual FoxPro

Visual Basic

Fortran

Cobol

SQL

Pascal

lgol-60

PL/1

Turbo

Pascal

Object Pascal

Pascal

Simula Simula-67

Smalltalk

C C++

Java

Visual C++

Lisp

Prolog

Lisp

Prolog

Delphi

Visual C++

Modula

Visual

FoxPro

Simula

Logo

Генеалогическое дерево языков программирования высокого уровня

186 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

ленькими буквами, и большими, и латиницей, и кириллицей. После

оживленной дискуссии признано правильным написание их как имен

собственных – строчными буквами с заглавной.

Прародителем всех языков

программирования является

Fortran – FORmula TRANslator.

Судя по самому названию, он первоначально

предназначался для программировании чисто

вычислительных задач. Язык был разработан в

фирме IBM по руководством Джона Бэкуса

(Backus, John; р. 1924). Идея появилась в

1954 году, а первая реализация компилятора для

IBM 704 выполнена в 1957 году. Компилятор

поставлялся бесплатно вместе с ЭВМ, это обу-

словило его высокую популярность в научных

кругах, занятых математическими расчетами. Впоследствии язык по-

стоянно совершенствовался и дополнялся. В течение двух последую-

щих лет появились версии Fortran-II и III, в 1962 году – популярная вер-

сия Fortran-IV, в 1977 году – не менее известная Fortran-77 и т.д.

Вот фрагмент простейшей программы на Фортране, дающий пред-

ставление о его синтаксисе:

C MAIN PROGRAM

101 FORMAT(208)

102 FORMAT(//’N=’,15, 5X, ’R=’, 15

1//6X, ’M’, 5X, PROB)

103 FORMAT(18, F14.10)

201 READ(1,101) N, IR

WRITE(3,102) N, IR

IF(N) 202, 202, 203

202 STOP

203 IF(IR) 202, 202, 204

204 M=O

P=COMBF(N,M)*COMBF(IR-1,N-M-1)

1/COMBF(N+IR-1,IR)...

Бросаются в глаза фиксированный формат записи программы, от-

сутствие описаний переменных, цифровые метки операторов, зато с

Автор языка Fortran

Джон Бэкус (р. 1924)

Бессмертный

Fortran

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 187

самого начала в язык заложены средства форматного ввода-вывода, за-

тем появились комплексные числа и т.п. Эти качества помогли впо-

следствии Фортрану выстоять в схватке с Алголом. Компиляторы с

Фортрана имеются на всех аппаратно-программных платформах, это –

любимый язык физиков и инженеров. За долгие годы на языке накопле-

ны богатейшие библиотеки научных подпрограмм, которые просто не-

возможно быстро переписать на более современные языки. Поэтому,

несмотря на критику по поводу своей старомодности, Fortran благопо-

лучно входит в XXI век, и слухи о его близкой кончине, похоже, весьма

преувеличены.

Название этого всем известного языка истолко-

вывается двояко. С одной стороны, оно являет-

ся сокращением целой фразы «Beginners All-

purpuse Symbolic Instruction Code» – символический многоцелевой код

для начинающих, с другой – намекает на некоторую простоту и началь-

ность. Basic – прямой потомок Фортрана и тоже долгожитель в семье

языков программирования.

Первый вариант языка был создан в 1964 году в Дармутском кол-

ледже (Darmouth College), г. Ганновер (Hanover), штат Нью-Хэмпшир,

США. Это небольшое гуманитарное учебное заведение прославилось на

весь мир как родина Бэйсика благодаря двум молодым талантливым

преподавателям математики: Джону Кемени (Kemeny, John; 1926–1993),

венгерскому эмигранту, который в свое время стажировался у фон

Неймана в Лос-Аламосе во время работы над атомной бомбой, и Тома-

Basic – язык

для начинающих

Дармутский колледж – родина Бэйсика

188 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

су Курцу (Kurtz, Thomas; р. 1928), работавше-

му после войны ассистентом у Эйнштейна.

Кемени и Курц предложили ввести в про-

грамму всех специальностей курс программи-

рования, но так как своего вычислительного

центра в колледже не было, то им приходи-

лось вести практические занятия в очень не-

удобном режиме. Учащиеся писали свои про-

граммы на Фортране на бумажках, преподава-

тели отвозили их на вычислительный центр

(ближайший ВЦ располагался в 215 км в Бос-

тоне в Массачусетсском технологическом ин-

ституте ), там ждали день-два, пока програм-

мы отперфорируют на карты и прогонят через

машину IBM-704, а затем везли распечатки

результатов назад.

Поездив туда-сюда, Кемени и Курц с ог-

ромной энергией стали добиваться организа-

ции собственного ВЦ. Им удалось уговорить

Национальный научный фонд предоставить субсидию, а фирму General

Electric – большую скидку на ЭВМ GE-225. Получив компьютеры, они

приступили к реализации давно задуманной двухходовой идеи:

1) разработать простой язык – подмножество Фортрана, доступное

начинающим программистам;

2) создать систему программирования на этом языке, которая по-

зволила бы работать на машине одновременно нескольким пользовате-

лям в режиме диалога. Эту идею Кемени и Курц принесли из МТИ, где

в это время проводились первые эксперименты по системам разделения

времени.

Программа на Бэйсике сохранила общий фортрановский вид с его

цифровыми метками и записью каждого оператора на новой строке,

однако Фортран пришлось основательно подправить для того, чтобы

программы могли выполняться пошагово в режиме интерпретации. В

частности, был введен революционный оператор бесформатного ввода

INPUT. Вот как выглядит на Бэйсике та же программа ввода, сортиров-

ки и печати пяти чисел:

10 dim A(5)

20 for i=1 to 5

Авторы языка Basic.

Стоит Джон Кемени

(1926–1993),

сидит Томас Курц

(р. 1928)

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 189

30 input A(i)

40 next i

50 if i=5 then goto 140

60 if A(i)<=A(i+1) then goto 90

70 i=i+1

80 goto 130

90 z=A(i)

100 A(i)=A(i+1)

110 A(i+1)=z

120 i=1

130 goto 50

140 for i=1 to 5

150 print A(i)

160 next i

Работа над интерпретатором и управляющей программой разделе-

ния времени началась с участием студентов летом 1963 года, а 1 мая

1964 года система заработала. В качестве терминалов к ней были под-

ключены три телетайпа, к осени их число возросло до 20.

Простой и удобный Бэйсик во второй половине 60-х годов был реа-

лизован на нескольких моделях мэйнфреймов и мини-ЭВМ. Благодаря

этому языку многие тысячи молодых людей были приобщены к про-

граммированию. Среди них

оказались и два школьника

из города Сиэтл на северо-

западе США, будущие мил-

лиардеры и отцы-основа-

тели фирмы Microsoft: Билл

Гейтс (Gates, William (Bill);

р. 1955) и Пол Аллен (Allen,

Paul; р. 1954). Увлекшись

компьютерами, друзья по-

жертвовали ради них карье-

рой (Гейтс был отчислен с

юридического факультета

Гарвардского университета,

куда поступил учиться по

настоянию отца-юриста, а Аллен был исключен из Университета штата

Вашингтон) и решили посвятить себя профессиональному программи-

Будущие создатели Microsoft Пол Аллен

(р. 1954) и Билл Гейтс (р. 1955) познакоми-

лись с Бэйсиком, работая в компьютерном

классе школы в Сиэтле (снимок 1968 г.)

190 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

рованию. Прочитав в начале 1975 года статью о компьютере «Altair»,

они тут же позвонили Эдварду Робертсу в город Альбукерке и предло-

жили свои услуги по написанию транслятора с Бэйсика. Поскольку сво-

его компьютера у них не было, то отлаживать программу им пришлось

в режиме эмуляции команд «Altair» на мэйнфрейме. К маю транслятор

был готов и, к удивлению авторов, сразу же заработал на «родной»

машине.

Знания юриспруденции все-таки пригодились Гейтсу. Составлен-

ный им контракт на использование Бэйсика в компьютерах Altair вошел

впоследствии во все учебники по компьютерному праву. Он предусмат-

ривал отчисление 500 долларов за каждый экземпляр проданной про-

граммы. Так родилась фирма Microsoft. Первое время ее штаб-квартира

располагалась в Альбукерке, рядом с фирмой MITS, а уж потом пере-

ехала в родной для Гейтса и Аллена город Сиэтл.

Предельная простота Бэйсика позволила встраивать его в постоян-

ную память самых дешевых микрокомпьютеров, благодаря этому в се-

редине 80-х годов на нем работали миллионы пользователей по всему

миру. Оставаясь неизменно популярным, Бэйсик рос и развивался вме-

На протяжении нескольких десятилетий Visual Basic оставался

фирменным языком компании Microsoft. В начале 1990-х годов

он стал объектным и приобрел средства визуального

проектирования