Пратт Т. Языки программирования. Разработка и реализация
Подождите немного. Документ загружается.
34 Глава 1. Проблемы разработки языка
ления одной программой часто используется другая (например, для регулярного
резервного копирования файлов в полночь, ежечасной синхронизации времени,
автоматического ответа на электронные письма во время отпуска, автоматического
тестирования программы после ее успешной компиляции и т. д.). Такие операции
называются процессами. В настоящее время имеется значительный интерес к раз
работке таких языков, в которых можно определять подобные процессы и после
успешной трансляции автоматически запускать на выполнение.
В системе UNIX командный язык пользователя называется командным интер
претатором, или оболочкой shell, а программы называются сценариями shell. Эти
сценарии активизируются при условии выполнения некоторых допустимых усло
вий. Кроме того, появилось множество других языков сценариев (например, для
тех же целей можно использовать Perl или TCL).
Новые парадигмы программирования. Постоянно появляются и изучаются
новые модели приложений. В области исследования теории типов в языках про
граммирования используется язык ML. Хотя промышленное применение этого
языка не слишком значительно, его популярность постоянно растет. Другой важ
ный язык — Smalltalk. Хотя он также не получил широкого использования в ком
мерческой области, он оказал глубокое воздействие на идеологию языков. Многие
из объектноориентированных свойств языков C++ и Ada заимствованы из Small
talk.
Специализированные языки, предназначенные для решения задач в различных
прикладных областях, являются неиссякаемым источником новых исследований
и разработок. По мере углубления наших знаний о методах компиляции и спосо
бах построения сложных систем постоянно открываются новые области примене
ния языков программирования и возникает необходимость создания новых язы
ков именно для этих областей.
1.3. Роль языков программирования
Изначально языки программирования разрабатывались таким образом, чтобы обес
печить наиболее эффективное выполнение программ. Компьютеры, стоившие мил
лионы долларов, определяли главную часть расходов, тогда как оплата работы про
граммистов, зарабатывавших примерно $10 000 в год, составляла всего лишь малую
их часть. Программа, созданная с помощью любого языка высокого уровня, долж
на была выполняться по крайней мере так же эффективно, как и программа, напи
санная на языке ассемблер, где кодирование осуществлялось вручную. Джон Бэ
кус, в конце 50х гг. создавший для IBM язык FORTRAN, десятью годами позже
говорил так [54]:
«Честно говоря, у нас не было даже отдаленного представления о том, как эта
штука [язык и компилятор FORTRAN] будет работать… Поскольку большинство
людей в то время совершенно не верили в возможность создания подобной вещи,
мы просто делали упор на оптимизацию объектной программы и времени выпол
нения. Считалось, что машинные коды программ, созданные транслятором, будут
совершенно неэффективны и их невозможно будет использовать для большинства
приложений.
35
Мы совершенно не ожидали получить в результате систему, абсолютно незави
симую от конкретной машины, на которой программа в конечном счете должна
выполняться. Оказалось, что это на самом деле очень ценное свойство, но понача
лу мы об этом действительно не думали.
Мы никак не организовывали нашу деятельность. Каждую часть программы
писали одиндва человека, которые, за очень небольшим исключением, были ис
тинными мастерами своего дела, и все вырастало в большой неразберихе… [Когда
FORTRAN уже начал распространяться] мы столкнулись с тем фактом, что не все
из 25 000 его инструкций правильно работают и что возникают проблемы, кото
рые можно выявить только после длительного использования».
К середине 60х гг. (к этому времени и относится приведенное выше высказы
вание), после появления языков FORTRAN, COBOL, LISP и ALGOL, Бэкус уже
понимал, что программирование изменилось. Машины становились дешевле, за
траты на программирование, наоборот, росли, появилась реальная необходимость
переносить программы с одной машины на другую, а поддержка конечного продук
та требовала значительных компьютерных ресурсов. В связи с этим поменялись тре
бования, которым должен был удовлетворять создаваемый язык программирования.
Вместо обеспечения эффективной работы скомпилированной программы на доро
гом компьютере перед языками высокого уровня возникла другая задача — упрос
тить создание корректных программ для решения задач в конкретных областях.
Технология создания компиляторов была сформирована в 60е и 70е гг. (см.
главу 3), и развитие языковых технологий сконцентрировалось на решении спе
цифичных задач в конкретных областях. В научном программировании в основ
ном использовался FORTRAN, деловые приложения писались на языке COBOL,
в военной сфере применялся JOVIAL, программы искусственного интеллекта пи
сались на LISP, встроенные военные приложения использовали Ada.
Как и естественные языки, языки программирования развиваются и в конце
концов выходят из употребления, умирают. Так, язык ALGOL использовался в
60е, затем его сменил Pascal, который, в свою очередь, вытесняется языками C++
и Java. В области деловых приложений уменьшается роль языка COBOL, его так
же заменяет C++. В 60е гг. активно применялись языки APL, PL/1 и SNOBOL4, а в
70е — Pascal, в настоящее же время они практически исчезли.
Те старые языки, которые применяются и в настоящее время, постоянно пере
сматриваются, чтобы соответствовать изменениям в других областях компьютер
ных технологий. Более новые языки, такие как C++, Java и ML, созданы на основе
опыта, накопленного в процессе использования этих и сотен других более старых
языков. На принципы конструирования новых языков влияют следующие факторы:
1. Возможности компьютеров. Компьютеры эволюционировали от огромных,
медленных и дорогих ламповых машин 50х гг. до современных суперком
пьютеров и микрокомпьютеров. В то же время между аппаратной частью
компьютера и языком программирования появилось промежуточное звено,
представляющее собой программное обеспечение операционных систем. Эти
факторы оказали влияние как на структуру языков, так и на стоимость ис
пользования тех или иных языковых возможностей.
2. Области применения. В 50е гг. компьютеры использовались лишь в воен
ной отрасли, науке, деловом мире и промышленности, где высокая стоимость
1.3. Роль языков программирования
36 Глава 1. Проблемы разработки языка
была обоснованной. В настоящее же время их применение распространилось
на область компьютерных игр, программ для персональных компьютеров,
Интернета и вообще на приложения во всех областях человеческой деятель
ности. Требования, специфические для этих новых областей применения,
влияют как на конструирование новых языков, так и на пересмотр и расши
рения старых языков.
3. Методы программирования. Структурное строение языка отражает изменяю
щееся с течением времени наше представление о том, что является хорошим
методом написания большой и сложной программы, а также отражает изме
няющуюся со временем среду, в которой осуществляется программирование.
4. Методы реализации. Усовершенствование методов реализации отражается
на выборе тех новых свойств, которые добавляются во вновь разрабатывае
мые языки.
5. Теоретические исследования. Исследование концептуальных основ разработ
ки и реализации языка с помощью формальных математических методов
углубляет понимание сильных и слабых сторон конкретного языка, что от
ражается на добавлении тех или иных свойств при создании новых языков.
6. Стандартизация. Необходимость в стандартных языках, которые могут быть
легко реализованы в различных компьютерных системах (что позволяет
переносить программы с одного компьютера на другой), сильно влияет на
эволюцию принципов разработки языков программирования.
В табл. 1.2 кратко описаны факторы, оказавшие наиболее важное влияние на
развитие языков программирования во второй половине XX столетия.
Таблица 1.2. Факторы, повлиявшие на развитие языков программирования
Годы Факторы и новые технологии
1951–1955 Аппаратная часть: компьютеры на электронных лампах; память с ртутной
линией задержки.
Методы: языки ассемблера; основные концепции; подпрограммы;
структуры данных.
Языки: экспериментальное использование компиляторов выражений
1956–1960 Аппаратная часть: запоминающие устройства на магнитных лентах;
память на сердечниках; схемы на транзисторах.
Методы: ранние технологии компилирования; НФБграмматики;
оптимизация кода; интерпретаторы; методы динамического распределения
памяти и обработка списков.
Языки: FORTRAN, ALGOL 58, ALGOL 60, LISP
1961–1965 Аппаратная часть: семейства совместимых архитектур, запоминающие
устройства на магнитных дисках.
Методы: мультипрограммные операционные системы; синтаксические
компиляторы.
Языки: COBOL, ALGOL 60 (новая версия), SNOBOL, JOVIAL
1966–1970 Аппаратная часть: увеличение размера и быстродействия при уменьшении
стоимости; микропрограммирование; интегральные схемы.
Методы: системы с разделением времени; оптимизирующие компиляторы;
системы написания трансляторов.
Языки: APL, FORTRAN 66, COBOL 65, ALGOL 68, SNOBOL4, BASIC, PL/1,
SIMULA 67, ALGOLW
37
Годы Факторы и новые технологии
1971–1975 Аппаратная часть: миникомпьютеры; запоминающие устройства
небольшой емкости; полупроводниковая память.
Методы: верификация программ; структурное программирование;
технологии программирования.
Языки: Pascal, COBOL 74, PL/1 (стандарт), C, Scheme, Prolog
1976–1980 Аппаратная часть: микрокомпьютеры; запоминающие устройства большой
емкости; распределенные вычисления.
Методы: абстракция данных; формальная семантика; технологии
программирования: параллельная, встроенная и в режиме реального
времени.
Языки: Smalltalk, Ada, FORTRAN 77, ML
1981–1985 Аппаратная часть: персональные компьютеры; рабочие станции;
видеоигры; локальные вычислительные сети; ARPANET.
Методы: объектноориентированное программирование; интерактивные
среды разработки; синтаксические редакторы.
Языки: Turbo Pascal, Smalltalk80, Prolog, Ada 83, Postscript
1986–1990 Аппаратная часть: эра микрокомпьютеров, автоматизированное рабочее
место (АРМ) проектировщика, архитектуры RISC, Интернет.
Методы: клиентсерверные вычисления.
Языки: FORTRAN 90, C++, SML (Standart ML)
1991–1995 Аппаратная часть: очень быстрые и недорогие рабочие станции
и микрокомпьютеры; архитектура с массовым параллелизмом; звук, видео,
факс, мультимедиа.
Методы: открытые системы, среды разработки.
Языки: Ada 95, языки создания процессов (TCL, Perl), HTML
1996–2000 Аппаратная часть: компьютеры — дешевые приспособления;
персональный электронный помощник; Всемирная паутина WWW; домашние
кабельные сети; большой объем дисковой памяти (гигабайты).
Методы: электронная коммерция.
Языки: Java, Javascript, XML
1.3.1. Какой язык следует считать хорошим?
Механизмы разработки языка высокого уровня должны постоянно совершенство
ваться. Каждый язык, описанный в данной книге, имеет свои недостатки, но тем не
менее все они относительно удачны по сравнению с сотнями других языков, кото
рые были разработаны, реализованы, использовались какоето время, а потом были
преданы забвению.
Некоторые причины успеха или неуспеха языка могут быть внешними по от
ношению к самому языку. Так, использование языков COBOL или Ada в Соеди
ненных Штатах для разработки приложений в некоторых предметных областях
было регламентировано указом правительства. Аналогично часть успеха языка
FORTRAN можно отнести к его большой поддержке различными производителя
ми вычислительной техники, которые тратили много усилий на его изящные реа
лизации и подробные описания. Часть успеха SNOBOL4 в 70е гг. можно припи
сать превосходному описанию этого языка, сделанному Грисволдом [46]. Широкое
распространение таких языков, как LISP и Pascal объясняется как их использова
нием в качестве объектов теоретического изучения студентами, специализировав
1.3. Роль языков программирования
38 Глава 1. Проблемы разработки языка
шимися в области разработки языков программирования, так и реальной практи
ческой значимостью этих языков.
Свойства хорошего языка
Несмотря на большое влияние некоторых из перечисленных внешних причин, в кон
це концов, именно программисты иногда, может быть, косвенно, решают, каким
языкам жить, а каким нет. Существует множество причин, по которым програм
мисты предпочитают тот или иной язык. Рассмотрим некоторые из них.
1. Ясность, простота и единообразие понятий языка. Язык программирова
ния обеспечивает как систему понятий для обдумывания алгоритмов, так и
средства выражения этих алгоритмов. Язык должен стать помощником про
граммиста задолго до стадии реального кодирования. Он должен предоста
вить ясный, простой и единообразный набор понятий, которые могут быть
использованы в качестве базисных элементов при разработке алгоритма.
С этой целью желательно иметь минимальное количество различных поня
тий с как можно более простыми и систематизированными правилами их
комбинирования. Это свойство мы называем концептуальной целостностью.
Синтаксис языка влияет на удобство и простоту написания и тестирования
программы, а в дальнейшем способствует ее пониманию и модификации.
Центральным моментом здесь является удобочитаемость программы. Слиш
ком лаконичный синтаксис может оказаться удобным при написании про
грамм (особенно для опытного программиста), однако, когда такую программу
нужно модифицировать, в ней оказывается нелегко разобраться. Програм
мы на APL обычно настолько непонятны, что даже их разработчики спустя
несколько месяцев после завершения работы затрудняются их расшифро
вать. Многие языки содержат такие синтаксические конструкции, которые
сами подталкивают к неправильному восприятию программ, поскольку два
почти одинаковых оператора на самом деле имеют кардинально различные
значения. Например, появление пробела в операторе языка SNOBOL4 может
полностью изменить его смысл. Хороший язык характеризуется тем, что кон
струкции, обозначающие различные понятия, должны и выглядеть совершенно
поразному, то есть семантические отличия должны отражаться в синтак
сисе.
2. Ортогональность. Термин «ортогональность» означает, что любые возмож
ные комбинации различных языковых конструкций будут осмысленными.
Например, предположим, что язык позволяет задать выражение, которое
вычисляет численное значение, а также задать условный оператор, в кото
ром вычисляется выражение, с единственной целью — получить булево зна
чение èñòèíà или ëîæü. Эти две языковые конструкции (выражение и услов
ный оператор) ортогональны, если любое выражение можно использовать
(и вычислять) внутри условного оператора.
Когда конструкции языка ортогональны, язык легче выучить и на нем легче
писать программы, поскольку в нем меньше исключений и специальных слу
чаев, требующих запоминания. Отрицательной стороной ортогональности
является то, что программа никогда не будет выдавать ошибки при компи
39
ляции, даже если она содержит комбинацию возможностей, которые логи
чески не согласованы или крайне неэффективны при выполнении.
3. Естественность для приложений. Язык должен иметь такой синтаксис, ко
торый при правильном использовании позволяет отражать в самой струк
туре программы лежащие в основе реализуемого ею алгоритма логические
структуры. В идеале должна существовать возможность прямого перевода
эскиза такой программы в подходящие программные операторы, отражаю
щие структуру алгоритма. Последовательный, параллельный, логический и
другие алгоритмы имеют различные естественные структуры, которые пред
ставлены в программах, написанных на языках, предназначенных для реа
лизации этих алгоритмов. Язык должен предоставлять соответствующие
решаемой задаче структуры данных, операции, структуры управления и ес
тественный синтаксис. Одной из важнейших причин распространения того
или иного языка является его естественность. Язык, соответствующий оп
ределенному классу приложений, может сильно облегчить создание отдель
ных программ в этой области. В качестве примера языков с очевидной на
правленностью на решение конкретных классов задач можно привести Prolog
с уклоном в сторону дедукции и C++, предназначенный для объектноори
ентированных разработок.
4. Поддержка абстракций. Даже в наиболее естественном для данной предмет
ной области языке программирования остается некоторый существенный
пробел. Это пробел между абстрактными структурами данных и операция
ми, которые характеризуют решение задачи, и конкретными базовыми струк
турами данных и операциями, встроенными в язык. Например, язык C вполне
может подойти для составления расписания занятий в университете, хотя в
нем напрямую не существует естественных для этого приложения абстракт
ных структур данных, таких как студент, курс лекций, преподаватель, ауди
тория, и таких абстрактных операций, как определить студента в группу и
назначить аудиторию для группы. Важной частью работы программиста
является разработка конкретных абстракций для решения задачи и их по
следующая реализация с использованием базовых возможностей реального
языка программирования. В идеале, язык должен позволять определять
структуры данных, типы данных и операции и поддерживать их как самодо
статочные абстракции. В этом случае программист сможет использовать их
в других частях программы, зная только их абстрактные свойства и не вни
кая в их фактическую реализацию. Как Ada, так и C++ были разработаны
именно по причине отсутствия этой возможности в более ранних языках,
таких как Pascal и C соответственно.
5. Удобство верификации программы. Основным требованием является надеж
ность программы, написанной на том или ином языке. Существует множе
ство технологий для проверки правильности выполнения программой своих
функций. Правильность программы можно доказать с помощью формальных
методов верификации (см. раздел 4.2), проверкой без выполнения (путем
чтения текста программы и исправления ошибок), также она может быть
протестирована путем ее выполнения с тестовыми входными данными и
1.3. Роль языков программирования
40 Глава 1. Проблемы разработки языка
проверкой выходных результатов в соответствии с ее спецификацией и т. д.
Для проверки больших программ обычно используется некая комбинация
всех этих методов. Даже если язык обеспечивает на первый взгляд много
возможностей для облегчения программирования, но проверка написанных
на нем программ затруднительна, он менее надежен, чем язык, поддержива
ющий и упрощающий проверку программы. Основной фактор, влияющий
на упрощение проверки программы, — простота семантики и синтаксических
структур.
6. Среда программирования. Наличие в языке программирования технически
развитых конструкций и структур (выражений, структур управления, ти
пов данных и структур данных) — это только один аспект, влияющий на
широту его использования. Наличие подходящей среды программирования
может сделать технически слабый язык более легким в применении, нежели
сильный язык при незначительной внешней поддержке. Можно составить
длинный список разнообразных определяющих факторов, которым должна
удовлетворять среда программирования, но возглавляет его, несомненно, тре
бование наличия в ней надежной, эффективной и хорошо документирован
ной реализации языка программирования. Специализированные текстовые
редакторы и тестирующие пакеты, которые отражают специфику языка и
работы с ним, могут сильно ускорить написание и тестирование программ.
Средства для поддержки и модификации нескольких версий программы мо
гут облегчить разработку больших программ. Из языков, описанных в дан
ной книге, только Smalltalk был специально разработан под конкретную среду
программирования, состоящую из окон, меню, возможностей ввода данных
с помощью мыши и набора средств, позволяющих оперировать с програм
мой, написанной на Smalltalk.
7. Переносимость программ. Одним из важных критериев для многих про
граммных проектов является переносимость разработанных программ с ком
пьютера, на котором они были написаны, на другие компьютерные системы.
Удобным средством создания переносимых программ являются широкодо
ступные языки, определение которых не зависит от возможностей различ
ных машин. Такие языки, как Ada, FORTRAN, C и Pascal имеют стандарт
ные определения, позволяющие реализовывать переносимые приложения.
Другие языки (например, ML) происходят от единственной централизован
ной реализации (singlesource implementation), позволяя разработчику язы
ка осуществлять некоторый контроль над свойствами, определяющими его
переносимость.
8. Стоимость использования. Коварный критерий стоимости был оставлен на
последок. Стоимость использования, конечно, является существенным ком
понентом оценки языка программирования и складывается из нескольких
составляющих:
Ê Стоимость выполнения программы. На заре компьютерных вычислений
стоимость связывалась в основном только с выполнением программы.
Большое значение имели исследования по разработке оптимизирующих
компиляторов, эффективного использования регистров и механизмов
41
эффективного выполнения программ. Хотя стоимость выполнения про
граммы учитывается и в процессе разработки языка, но в первую очередь
она важна для больших производственных программ, которые многократ
но выполняются. Однако на сегодняшний день для большинства прило
жений вопрос скорости выполнения не является первостепенным. Если
речь идет об улучшении диагностики или упрощении контроля в про
цессе разработки и сопровождения программы, то при использовании
настольных компьютеров, выполняющих много миллионов операций в се
кунду и большую часть времени находящихся в режиме ожидания, уве
личение времени выполнения на 10 или 20 % является допустимым.
Ê Стоимость трансляции программы. Когда такие языки, как FORTRAN
или C используются в процессе обучения, первостепенным может ока
заться вопрос эффективной трансляции (компиляции), а не эффектив
ного выполнения. Как правило, в процессе отладки студенческие про
граммы многократно транслируются, а выполняются всего несколько раз.
В этом случае важнее иметь быстрый и эффективный компилятор, а не
компилятор, создающий эффективный код.
Ê Стоимость создания, тестирования и использования программы. Этот
аспект стоимости может быть проиллюстрирован на примере языков
Smalltalk и Perl. Для определенного класса задач решение может быть
разработано, закодировано, протестировано, изменено и использовано с
минимальными затратами времени и сил программиста. Smalltalk и Perl
являются примерами эффективных в смысле стоимости языков програм
мирования. И это объясняется тем, что в них минимизировано общее
время и объем усилий, требующихся программисту на решение на ком
пьютере какойлибо задачи, даже если время выполнения программы мо
жет быть больше, чем для других языков.
Ê Стоимость сопровождения программы. Многочисленные исследования
показали, что самую большую часть стоимости программы, используемой
в течение нескольких лет, составляет не стоимость начального создания,
кодирования и тестирования программы, а стоимость полного жизненного
цикла программы, куда входит стоимость как разработки, так и сопро
вождения программы. Поддержка включает в себя и исправление оши
бок, выявленных уже после того, как программа отдана в эксплуатацию,
и изменения, которые необходимо внести в программу в связи с обновле
нием аппаратной части или операционной системы, и усовершенствова
ние и расширение возможностей программы для удовлетворения новых
потребностей. Язык, который позволяет без особых проблем вносить
многочисленные изменения и исправления в программу и создавать раз
личные расширения (причем разными программистами и в течение мно
гих лет), окажется в конечном счете более выгодным, чем любой другой.
Синтаксис и семантика
Синтаксис языка программирования определяет то, как выглядит программа на
этом языке. Определить синтаксические правила — значит объяснить, как пишут
1.3. Роль языков программирования
42 Глава 1. Проблемы разработки языка
ся операторы, объявления и другие языковые конструкции. Семантика языка про
граммирования определяет смысловые значения различных синтаксических кон
струкций. Например, чтобы в языке C задать вектор V из десяти целочисленных
элементов, необходимо написать следующее объявление:
int V[10];
В языке же Pascal то же самое будет выглядеть подругому:
V: array[0..9] of integer;
Как видно, их синтаксис сильно различается, хотя во время выполнения про
граммы создаются одинаковые объекты данных. Чтобы понять смысл этих объяв
лений, необходимо знать семантику объявлений массивов в языках C и Pascal. То
есть вы должны знать, что если поместить подобное объявление в начало подпро
граммы, то при каждом ее вызове будет создаваться вектор, содержащий указан
ное число элементов, а по завершении программы он будет уничтожаться. Во вре
мя выполнения подпрограммы на вектор можно ссылаться по имени V. В обоих
примерах элементами вектора V будут V
0
, …, V
9
.
Однако, если вы объявляете объект V как список в языке LISP, необходимо знать,
что размер его может быть произвольным и определяется непосредственно в мо
мент создания. Более того, объект может быть создан в любой момент во время
выполнения программы и на первый элемент можно ссылаться одним из следую
щих способов: (car V) или (head V).
В руководствах по языкам программирования и в справочниках принято стро
ить описание языка на основе его синтаксических конструкций. Как правило, сна
чала приводится синтаксис некоторой языковой конструкции, например конкрет
ного оператора или объявления, а затем поясняется семантика этой конструкции,
то есть описывается ее смысл. В главе 3 приведена система обозначений НФБ,
которая является в настоящее время основной системой обозначений, используе
мой для описания синтаксиса языка программирования.
В этой книге мы придерживаемся другого способа описания; он основан на
структурах, связанных с выполнением программы. Иногда такие структуры дан
ных и операции непосредственно связаны с конкретными синтаксическими кон
струкциями, но чаще эта связь является более опосредованной. Например, выпол
няемая программа на языке C может использовать вектор V, где V имеет структуру,
определенную приведенным выше объявлением. Однако скомпилированная про
грамма может иметь другие структуры данных, такие как центральный стек, со
держащий активационные записи подпрограмм, которые напрямую не связаны с
синтаксисом программы.
Эти скрытые структуры так же важны для понимания языка, как и видимые
структуры, напрямую соответствующие тому, что программист написал в програм
ме. Именно поэтому в данной книге рассмотрение элементов языка организовано
вокруг выполняемых структур, а не синтаксических элементов. Конкретный эле
мент, создаваемый во время выполнения программы, может не иметь синтакси
ческого представления в программе, может быть представлен напрямую единствен
ным синтаксическим элементом, может выражаться через несколько различных
синтаксических элементов, которые собираются транслятором воедино для созда
ния одного элемента виртуального компьютера.
43
1.3.2. Парадигмы языка
Когда собираются приверженцы различных языков, разговор обычно принимает
форму политического митинга. Жаркая дискуссия об эффективности объявления
массивов в C++ по сравнению с Java или о преимуществе интерпретации программ
перед их компиляцией здесь обеспечена. Хотя, по правде говоря, способ объявле
ния массивов и вопросы трансляции слабо связаны с различиями, которые суще
ствуют между этими языками. Всегда имеются незначительные синтаксические
отличия, которые просто отражают индивидуальные склонности разработчиков
языков и которые практически не влияют на программы, написанные на этих язы
ках. Чтобы понять, как устроен язык, необходимо заглянуть глубже.
Существуют четыре основные вычислительные модели, которые описывают
большинство сегодняшних методов программирования: императивная, апплика
тивная, основанная на системе правил и объектноориентированная. Далее мы при
водим краткое описание каждой модели.
Императивные языки. Императивные, или процедурные, языки — это управля
емые командами или операторноориентированные языки программирования. Ос
новной концепцией является состояние машины — множество всех значений всех
ячеек памяти компьютера. Программа состоит из последовательности операторов,
выполнение каждого из которых влечет за собой изменение значения в одной или
нескольких ячейках памяти, то есть переход машины в новое состояние. В целом
синтаксис такого языка имеет вид:
îïåðàòîð
1
;
îïåðàòîð
2
;
…
Рис. 1.1, a отображает этот процесс. Представим, что память состоит из набора
шариков в коробочках, а выполнение оператора (например, сложение двух пере
менных для получения значения третьей) может быть представлено как обращение
к ячейке памяти (коробочке), комбинирование тем или иным способом значений
(шариков) и сохранение результата (нового шарика) в новой ячейке. Разработка
программы состоит в построении последовательных состояний машины, необхо
димых для достижения результата. Обычно при первом знакомстве с концепция
ми программирования люди сталкиваются именно с этой моделью, и многие широко
распространенные языки поддерживают именно ее (например, C, C++, FORTRAN,
ALGOL, PL/1, Pascal, Ada, Smalltalk и COBOL). Эта модель вытекает из особен
ностей аппаратной части стандартного компьютера, выполняющей инструкции (ко
манды) последовательно. Неудивительно, что большинство традиционных язы
ков следуют именно этой модели.
Аппликативные языки. Другим взглядом на вычисления, производимые с по
мощью языка программирования, является рассмотрение функции, которую вы
полняет программа, а не отслеживание изменяемых состояний машины во время
выполнения программы, оператор за оператором. Мы можем достичь этого, сосре
доточив внимание на ожидаемом результате, а не на имеющихся в нашем распоря
жении данных. Другими словами, вместо того чтобы рассматривать последователь
ность состояний, через которые должна пройти машина для получения ответа,
вопрос следует поставить подругому: какую функцию необходимо применить к на
чальному состоянию машины (путем выбора начального набора переменных и ком
1.3. Роль языков программирования