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

Подождите немного. Документ загружается.

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 201

Джорджа Рэдина (Radin, George), в который, кроме специалистов IBM,

входили ведущие программисты из фирм Lockheed, Standard Oil и др.

Комитет регулярно собирался на совещания в отелях Лос-Анджелеса и

Нью-Йорка.

К марту 1964 года была готова спецификация нового суперязыка,

названного «скромно» PL/1 (Programming Language One). В отличие от

Алгола-68, который глубоко и долго прорабатывался теоретически,

PL/1 создавался в спешке и был логически очень рыхлым, представляя

собой механическую смесь идей из многих языков. Критики сравнивали

его с елкой со множеством украшений или с перочинным ножом в сто

лезвий. Вместе с тем в языке было немало чисто практических находок

на инженерном уровне, например указатели, макроопределения, меха-

низм обработки исключительных ситуаций и др., что позволяло писать

эффективные программы на низком уровне. Позже, при создании ком-

пилятора, который делался в лаборатории IBM в Великобритании, язык

был существенно упрощен и отредактирован.

Для того чтобы получить представление о синтаксисе PL/1, приве-

дем пример простейшей программы, решающей квадратное уравнение

+ Bx + C = 0. Значения A, B, C считываются с перфокарт (в эпоху

PL/1 это было типичное устройство ввода), а комплексные корни X1 +

+ i Y1 и X2 + i Y2 выдаются на печать.

EXAMPLE: PROCEDURE OPTIONS (MAIN);

ON ENDFILE (SYSIN) GO TO ENDING;

P1:GET LIST (A, B, C);

D = B*B — 4*A*C;

E = —B/(A+A);

IF D<0 THEN DO;

X1, X2 = E;

Y1 = SQRT(—D)/(A+A);

END;

ELSE DO;

R = SQRT(D)/(A+A);

X1 = E+R;

X2 = E — R;

Y1 = 0;

END;

Y2 = —Y1;

PUT LIST (X1, Y1, X2, Y2);

202 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

GO TO P1;

ENDING:;

END EXAMPLE;

В синтаксисе заметно влияние Фортрана и Алгола, что же касается

объявления структур, то они явно заимствованы из Кобола:

DECLARE 1 DATE,

2 MONTH CHAR(2),

2 DAY CHAR(2),

2 YEAR CHAR(2);

Несмотря на теоретическое несовершенство, язык PL/1 сыграл ис-

ключительно важную роль в практике программирования для машин

класса IBM 360/370. В СССР в эпоху АСУ (70–80-е годы) он был ос-

новным языком программирования экономических и научно-техничес-

ких задач на ЕС ЭВМ, а также стандартным языком для обучения про-

граммистов. К тому же имеющиеся в PL/1 механизмы низкоуровневого

программирования (указатели, средства связи с вычислительной сре-

дой) позволяли писать весьма эффективные программы. Однако после

появления персональных компьютеров популярность языка резко упа-

ла. Первые поколения микрокомпьютеров были слишком слабыми для

реализации компилятора с PL/1, а когда компьютеры стали достаточно

мощными, было уже поздно – нишу PL/1 заняли Паскаль и Си.

Одним из специализированных расширений

Алгола-60 был язык Simula, разработанный в

1964 году в Норвегии под руководством Дала

(Dahl, Ole-Johan; 1931–2002) и Нигарда

(Nygaard, Kristen; 1926–2002). Этот язык предназначался для записи

алгоритмов моделирования динамических процессов (SIMULAtion-

моделирование) и приобрел очень большую популярность среди спе-

циалистов, вплоть до наших дней он является живым языком имитаци-

онного моделирования. Однако историческое значение Simula выходит

далеко за рамки специализированного применения, так как в нем впер-

вые появилось революционное для программирования понятие объекта.

В языке Simula объекты были еще специализированными, а в новой

версии языка Simula-67 понятие объекта было обобщено и ему придан

универсальный характер.

Идея объекта далеко не сразу завоевала компьютерный мир. Пер-

вым масштабным проектом, воплотившим принцип объектно-

Simula и Smalltalk –

революция в

программировании

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 203

ориентированного программирования,

был проект Alto, реализованный в

1973 году под руководством Алана

Кея в Xerox PARC, о котором мы го-

ворили во второй главе. Программ-

ную часть проекта Alto составили

язык и система программирования

Smalltalk – «разговорчик», развиваю-

щие принципы Simula-67 и коренным

образом отличающиеся от всего, что

было ранее.

Известные языки (Фортран, Ал-

гол, Кобол, PL/1 и др.) основывались

на концепции «данные – процедуры»,

то есть были процедурно-ориентиро-

ванными. Smalltalk был первым язы-

ком, основанным на концепции «объ-

екты – сообщения», то есть объектно-ориентированным. С точки зрения

языка компьютер представляет собой среду, населенную объектами,

которые посылают друг другу сообщения. Каждый объект – это как бы

микроскопический компьютер со своей памятью (переменные объекта)

и своей системой команд (методы объекта).

Для общения с пользователем в системе были впервые применены

особые графические объекты – окна, а для управления ими использо-

вался придуманный Дугласом Энгельбартом в 1964 году манипулятор

«мышь». Язык шлифовался в течение нескольких лет, в 1980 году поя-

вилась версия Smalltalk/V, которая и на сегодняшний день является не-

досягаемым абсолютным идеалом объектного программирования.

Для знакомства с внешним видом Smalltalk приведем пример про-

граммы, которая вводит, сортирует по возрастанию и выводит массив

из 5 чисел:

|a|

a := Array new: 5.

1 to: 5 do: [:i | a at: i put:

(Prompter prompt: ’Введите элемент массива’)

asNumber].

a := a asSortedCollection.

a do: [:i | Transcript putAll: i printString].

За разрабртку языка

Simula Кристен Нигард

(1926–2002), на снимке слева,

и Оле-Йохан Дал (1931–2002)

были удостоены высшей награды

компьютерного сообщества –

медали Тьюринга

204 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

Проект Smalltalk был прорывом в будущее, опередившим свое вре-

мя на 10–20 лет. Хотя фирма не сумела извлечь из него коммерческую

выгоду, могучие идеи проекта имели далекие последствия. После посе-

щения руководством Apple в 1979 году центра PARC в мир ПК были

вброшены принципы графического оконного интерфейса, а идеи объ-

ектности стали завоевывать все современные языки программирования.

В 1980 году появился «Си с объектами», позднее переименованный в

C++; начиная с версии 5.5 объекты вошли в Паскаль; объектным стал

Visual Basic; в 1995 году со скоростью эпидемии распространился 100%

объектный Java и т.д.

Вместе с тем возможности оригинального Smalltalk до конца не ис-

черпаны. Удивительная стройность, логичность, изящность этой систе-

мы программирования, как нам представляется, еще долго будут слу-

жить источником идей для других систем. На Smalltalk обратила вни-

мание фирма IBM, она включила его в список базовых языков про-

граммирования.

Язык С (по-русски Си) был создан Деннисом

Ричи (Ritchie, Dennis M.; р. 1941) в 1973 году в

Bell Labs в ходе разработки операционной сис-

темы UNIX, о которой мы будем говорить в следующем параграфе.

Обычно для того, чтобы добиться максимальной эффективности, ядро

ОС писали на языке ассемблера. За это приходилось платить узкой спе-

циализированностью: при переходе на новый тип

процессора программы переписывались полно-

стью. Авторы UNIX задумали ее как переносимую

систему и решили написать ядро в основном на

языке высокого уровня. Си прекрасно справился с

этой задачей, на нем написано около 90% кода

UNIX. Секрет в том, что, будучи в целом языком

высокого уровня, Си через указатели и средства

связи с ОС позволяет очень гибко управлять про-

цессом компиляции и исполнения программ. Эти

качества, а также компактность сделали Си люби-

мым языком программирования для системных

программистов.

Поскольку UNIX была некоммерческой системой, язык Си вместе с

ней разошелся по всем университетам мира. Исходная версия языка

Автор языка Си

Деннис Ричи

(р. 1941)

С – язык для

профессионалов

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 205

была реализована на мини-ЭВМ PDP-11, однако впоследствии компи-

ляторы появились практически для всех аппаратных платформ.

Язык Си отличает очень лаконичный синтаксис. Вот как выглядит,

например, известная нам программа сортировки пяти чисел:

float A[5];

for(int i=0;i<5;i++)scanf("%f",&A[i]);

i=0;

while(i<4){

if(A[i]<=A[i+1])i++;

else{

z=A[i];

A[i]=A[i+1];

A[i+1]:=z;

i=0;

}

};

for(i=0;i<5;i++)printf("%f\n",A[i]);

«Чистый» Си до сих пор очень широко используется системными

программистами для создания приложений, сравнимых по эффективно-

сти с программами, реализованными на языке Ассемблера, однако ис-

тинную славу этому изящному и компактному языку принесли его объ-

ектно-ориентированные потомки C++, Java и C#.

В начале 80-х годов другой сотрудник Bell Labs Бьярн Страуструп

(Stroustrup, Bjarne; р. 1950) на основе синтаксиса Си разработал универ-

сальный объектно-ориентированный язык программирования C++. Он

Бьярн Страуструп (р. 1950) ввел в язык С объекты и превратил его в С++

206 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

является надмножеством (расширением) языка Си, поэтому программы,

написанные на Си, могут обрабатываться компиляторами C++. Новый

язык приобрел широкую популярность из-за своей мощи, компактности

и универсальности. В нем реализованы все самые смелые идеи объект-

ного программирования, например множественное наследие. Как вся-

кий объектный язык, С++ является неограниченно расширяемым. В нем

можно описывать новые классы объектов и операции над ними, тем

самым создается потенциальная возможность в рамках единого синтак-

сиса и единой технологической среды иметь множество специализиро-

ванных языков программирования (вот она, реализованная мечта разра-

ботчиков Алгола-68!). Язык широко используется на практике, для него

несколькими фирмами, в том числе Borland, предлагаются прекрасные

технологические среды, созданы библиотеки стандартных классов для

самых различных областей применения. К концу XX века С++ стал

стандартным языком профессионального программирования.

В самом начале нового XXI века появился еще один преемник С

под названием C# (читается «си шарп»; музыкальный знак диеза наме-

кает на повышение возможностей базового языка). Он был предложен

фирмой Microsoft как оружие в конкурентной борьбе против победного

шествия языка Java, о котором мы будем говорить далее. По словам

разработчиков, С# вобрал в себя все лучшее из таких популярных язы-

ков, как Си++, Visual Basic, Java и Object Pascal. Он обеспечивает быст-

рую разработку, в то же время позволяет писать эффективный код. Бо-

лее того, фирма заявила, что C# – первый язык, в котором реализована

принципиально новая концепция компонентного программирования, в

которой программной единицей становится не объект, а компонент,

представляющий собой готовое приложение, распространяемое по ком-

пьютерной сети. Вопрос о том, действительно ли компонентное про-

граммирование представляет собой смену парадигмы, или это – некото-

рая эволюция ставшего уже традиционным объектного программирова-

ния, на сегодняшний день является дискуссионным. Ответ на него даст

время.

Начиная с конца 1995 года весь компьютерный

мир был захлестнут лавиной рекламных сообще-

ний, серьезных публикаций и просто слухов во-

круг модной новинки – языка программирования Java («Джава»-кофе),

предложенного компанией Sun Microsystems. Согласно уверениям раз-

работчиков, через несколько лет Java должна была вытеснить все суще-

Java –

дитя интернета

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 207

ствующие языки программирования на всех типах компьютеров – от

встроенных в бытовые приборы микропроцессоров до суперсистем.

Прошло несколько лет, пыль улеглась, теперь можно спокойно об-

судить феномен Java, его достоинства и недостатки.

Язык Java возник в ходе реализации проекта Oak («Дуб»), целью

которого было создание системы программирования бытовых микро-

процессорных устройств. После того как эта идея потерпела неудачу,

руководитель разработки Джеймс Гослинг (Gosling, James) предложил

использовать имеющийся задел, переориентировав его на интернет. Ко-

гда на смену статичным Web-страницам пришли разнообразные прило-

жения – от прыгающих фигурок до серьезных и ответственных клиент-

ских программ электронной торговли, встал вопрос о выборе языка для

сетевого программирования. Требования изначально были очень высо-

кими: язык должен быть аппаратно независимым, так как в сеть вклю-

чены самые разнообразные компьютеры; безопасным, чтобы загружае-

мые по сети программы не могли выступить в качестве троянского коня

для хакеров; компактным и эффективным, не предъявляющим чрезмер-

ных требований к аппаратуре; универсальным и т.п.

Язык Java в значительной степени удовлетворяет всем эти требова-

ниям. В качестве прототипа разработчики использовали C++, сохрани-

ли его синтаксис и объектность, но очистили от

излишних сложностей и опасных с точки зрения

безопасности возможностей, таких, как множе-

ственное наследие и указатели.

Достаточно одного взгляда, чтобы увидеть сходство программ на

С++ и Java, однако текст Java немыслим без описаний классов, он более

чист с точки зрения объектности. Вот как выглядит на Java программа

вычисления среднего арифметического массива чисел:

Под руководством Джеймса Гослинга на базе проекта Oak

был разработан язык Java

208 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

class test

{

int i, n;

float s;

float x[n];

public static void main( String args[] )

{

n = 10;

s = 0;

for( i=1; i<=n; i++)

{

s = s + x[i-1];

s = s / n;

}

Сетевые программы на Java, называемые апплетами, то есть «при-

ложеньецами», выполняются в два этапа. Сначала исходный текст ком-

пилятором переводится на промежуточный аппаратно-независимый

язык. В таком виде полуфабрикат программы (байт-код) хранится на

интернет-сервере, откуда по запросу клиента пересылается ему по сети.

Internet

Виртуальная

Java-машина

JVM

Байт-код

Компилятор

Исходный

текст на

Java

Web-браузер

Сервер

Клиент

Java-технология

§ 3.2] ЯЗЫКИ И СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 209

У клиента байт-код исполняется специальным интерпретатором, назы-

ваемым

виртуальной Java-машиной, он встроен во все современные

браузеры. Предполагается, что в перспективе Java-машины будут

иметься во всех устройствах, подключаемых ко всемирной сети, – сете-

вых терминалах, сотовых телефонах, разнообразных бытовых прибо-

рах. Тогда эти устройства смогут взаимодействовать друг с другом и

обеспечивать высокий уровень сервиса.

В настоящее время технология Java еще не совсем устоялась, идут

споры о едином стандарте, при этом противоречия доходят до уровня

судебного разбирательства. В течение нескольких лет тянулся судеб-

ный спор между корпорацией Microsoft, попытавшейся «улучшить»

язык применительно к своему браузеру Internet Explorer, и фирмой Sun,

отстаивающей свои права на «чистый» Java. Microsoft этот спор проиг-

рала, однако с поражением не смирилась и в качестве ответного хода

выступила в 2000 году с инициативой .NET (читается «дот нет»). Ко-

нечная цель этой инициативы такая же, как у технологии Java – обеспе-

чить единую среду для компонентного сетевого программирования,

когда готовые модули (компоненты), реализованные в различных мес-

тах, могут загружаться по сети и исполняться на различных аппаратных

платформах. При этом .NET идет дальше: предполагается возможность

использования не единственного языка Java, а многих, в частности раз-

работанного и активно продвигаемого Microsoft перспективного языка

C#, а вместо медленной интерпретации компонента виртуальной Java-

машиной предлагается его быстрая и оптимизированная к условиям

конкретного компьютера компиляция в момент загрузки (Just-In-Time).

По-видимому, в ближайшие годы нам предстоит стать свидетелями

«битвы гигантов» на поле технологий сетевого программирования. Кто

бы в ней не победил, в конечном счете в выигрыше окажутся програм-

мисты, получающие инструмент удобной, быстрой и надежной разра-

ботки своих приложений.

Lisp (LISt Processing – обработка списков) –

еще один долгожитель, наряду с Фортраном и

Коболом, в семье языков программирования.

Язык создан в 1960 году Джоном Маккарти

(McCarthy, John; р. 1927) в Массачусетсском

технологическом институте на теоретическом фундаменте так называе-

мого лямбда-исчисления, предложенного еще в 1930 году известным

американским логиком Алонзо Черчем (Church, Alonzo).

Долгожитель Lisp

– инструмент

функционального

программирования

210 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ [ГЛАВА 3

Как следует из названия, обраба-

тываемым объектом в языке является

список, а программа на Лиспе – по-

следовательность вызовов функций;

нет ничего, кроме вызовов функций.

Поэтому программирование на таком

языке называется функциональным.

Вызов функции – это список вида

(<имя-функции> <аргумент-1>

<аргумент-2>...<аргумент-n>)

В Лиспе очень широко используется рекурсия, в целом это – неве-

роятно элегантный с математической точки зрения язык, его совершен-

ствовать почти невозможно, однако программа на нем имеет необыч-

ный внешний вид из-за большого количества скобок. Вот, например,

как выглядит простейшая программа вычисления среднего

арифметического чисел 8, 5, 13, 11, 10:

(setq L `(8 5 13 11 10))

(defun sum (L)

(cond ((null L) '0)

(t (add (car L) (sum (cdr L))))

)

(div (sum L) '5)

В первой строке создается список L из пяти элементов, штрихи обо-

значают константы, в данном случае выражение в скобках есть сам спи-

сок и его не нужно интерпретировать как вызов функции.

Затем задается рекурсивное определение новой функции суммирова-

ния элементов списка

(sum L) через примитивные функции:

cond – условная функция, проверяющая с помощью функции null

пустоту списка;

add – суммирование аргументов;

car – извлечение первого элемента из списка;

cdr – извлечение остатка списка (без первого элемента).

Последняя строка вызывает примитивную функцию деления, при-

чем в качестве делимого выступает результат вызова функции сумми-

рования (sum L).

Джон Маккарти (р. 1927)

и А.П. Ершов