С.Бобровский, О Фортране и других языках программирования

51

Глава 2 • Языки программирования — прошлое и будущее

С. .Бобровский.

«Программная инженерия»

С.Петербург, изд-во «Питер», 2003.

Глава 2

Языки программирования: прошлое и будущее

От двоичного кодирования к системам автоматической генерации кода

Языки программирования по своим возможностям и времени создания принято делить на несколько поколений (Generation Language, GL). Каждое следующее поколение качественно отличается от предыдущего по функциональной мощности. На сегодняшний день насчитывают пять поколений языков программирования.

В первое поколение (1GL) входят языки, созданные в 40-50-е годы, когда компьютеры только появились на свет. В то время программы писались в машинных кодах, то есть каждая компьютерная команда вместе с ее операндами вводилась в ЭВМ в двоичном виде. Это требовало огромных усилий по вводу цифровых текстов и приводило к множе­ству трудноуловимых ошибок. Конечно, ни о каких мало-мальски боль­ших проектах речи идти не могло. Ситуация качественно изменилась в середине 50-х годов, когда был написан первый ассемблер. Это само по себе можно считать подвигом, учитывая довольно сложную логику программы. Хотя этот ассемблер был в сегодняшнем понимании непол­ноценным, он позволял задавать названия команд в символическом виде и указывать числа не только в двоичном, но и в десятичном или шестнадцатеричном формате, что существенно облегчило работу про­граммистов.

Языки первого поколения продолжают использовать и сегодня, хотя в значительно меньшем объеме. Чаще всего программы в машинных кодах ориентированы на новые микропроцессоры, для которых еще не разработаны компиляторы, поддерживающие требуемый набор команд.

Расцвет второго поколения языков программирования (2GL) пришелся на конец 50-х — начало 60-х годов. Был создан символический ассемб­лер, позволявший писать программы без привязки к конкретным адре­сам памяти. В него было введено понятие переменной, и он, по сути, стал первым настоящим (хотя и машинно-ориентированным) языком программирования со своим компилятором. Скорость создания и эффективность работы программ резко возросли. Ассемблеры активно применяются и в настоящее время, как правило, для создания про­грамм, максимально использующих возможности аппаратуры: различ­ных драйверов, модулей стыковки с нестандартным оборудованием и других. В некоторых областях, например, в машинной графике, на ассемблере пишут библиотеки, эффективно реализующие стандартные алгоритмы обработки изображений. Кроме того, среди программистов просто есть немало людей, предпочитающих использовать ассемблер в своей работе. Как правило, это специалисты, хорошо разбирающиеся в электронике и схемотехнике.

Третье поколение языков программирования (3GL) принято относить к 60-м годам. В это время родились языки, которые называют универ­сальными языками высокого уровня — с их помощью можно решать задачи из любых областей. Это общеизвестные Фортран, Кобол, Алгол и другие. Такие качества новых языков, как относительная простота, независимость от конкретного компьютера и возможность использова­ния мощных синтаксических конструкций позволили резко повысить производительность труда программистов. Кроме того, понятная боль­шинству пользователей процедурная идеология этих языков позволила привлечь к написанию небольших программ (как правило, расчетного или учетного характера) большое количество специалистов из неком­пьютерных областей.

Подавляющее большинство языков 3GL успешно применяется и сегодня. Современные компиляторы с интегрированными средами разработки предоставляют очень удобные средства поддержки процесса создания программ, легко осваиваемые студентами первых курсов компьютер­ных специальностей. Благодаря этому простые в освоении языки треть­его поколения используются для разработки программ абсолютным большинством людей, зарабатывающих на жизнь программированием. Практически все современные коммерческие продукты, рассчитанные на массовый рынок, написаны на языках третьего поколения.

С начала 70-х годов по настоящее время тянется период языков чет­вертого поколения (4GL). После первых восторгов по поводу безгранич­ных способностей ЭВМ возможности существующих языков програм­мирования стали более понятными. Несмотря на рождение новых технологий (объектно-ориентированное программирование, визуаль­ное программирование, CASE-методологии, системный анализ), про­цесс создания больших программных комплексов оставался очень тру­доемкой задачей. Для реализации крупных проектов требовался более цельный подход к решаемым задачам, чем предлагали имевшиеся сред­ства разработки. Языки 4GL частично снимали эту проблему. Цель их создания — в первую очередь увеличение скорости разработки проек­тов, снижение числа ошибок и повышение общей надежности работы больших программных комплексов, возможность быстрого и легкого внесения изменений в готовые проекты, упрощение самих языков для конечного пользователя, активное внедрение технологий визуальной разработки и так далее. Все средства разработки четвертого поколения имеют мощные интегрированные оболочки и обладают простым и удоб­ным пользовательским интерфейсом. Они чаще всего используются для проектирования баз данных и работы с ними (встроенные языки СУБД), что объясняется возможностью формализации всех понятий, используемых при построении реляционных баз данных. Языки 4GL активно применяются в специализированных областях, где высоких результатов можно добиться, используя не универсальные, а проблем­но-ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваются мощные примитивы, позволяющие одним оператором описать такую функциональность, для реализации которой на языках младших поко­лений требуются тысячи строк кода.

Однако пользователям, использующим языки 4GL для создания закон­ченных приложений, по-прежнему необходимо кодировать программу вручную, используя обычный последовательный ввод команд. При этом сохраняется главный недостаток языков предыдущих поколений. Все они в значительной степени ориентированы на чуждую человеческому мышлению чисто компьютерную идеологию (работа с памятью, пере­менными, базами данных, последовательностями абстрактных опера­торов и т. п.), что требует от людей хорошего понимания принципов функционирования компьютера и операционных систем. Кроме того, парадигма функционального программирования по-прежнему присут­ствует в языках 4GL во всей полноте, не позволяя перейти при разра­ботке программных систем к более высокому уровню абстракций.

Рождение языков пятого поколения относится к настоящему времени. Довольно неожиданно вокруг самого названия 5GL разгорелись жаркие

споры. Возникло несколько программистских «школ», представители каждой из которых имеют свое мнение о том, какие средства разработки считать языками пятого поколения, а какие — нет. Например, на стра­ницах лондонского журнала SURPRISE (SURueys and PResentations in Information Systems Engineering), выпускаемого при поддержке бри­танских министерств по электронике и вычислительной технике, пуб­ликуются статьи известных специалистов в компьютерной области: профессоров Лондонского научного колледжа, разработчиков популяр­ных английских программ и других. Представители «английского» направления рассматривают средства разработки пятого поколения в более широком аспекте, чем это принято делать в отношении обычных языков программирования. Они считают, что к системам 5GL можно отнести не только новые мощные языки, но и системы создания про­грамм, ориентированные на непрограммиста. Подобные системы отличаются стремлением предоставить конечному пользователю-неспециалисту богатые возможности создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки без знания программи­рования.

Главная идея, которая закладывается в эти системы 5GL, — возмож­ность компьютерного интерактивного или полностью автоматического преобразования инструкций, вводимых в систему наиболее удобными человеку методами в максимально наглядном виде, в текст на универ­сальных языках программирования, описывающий готовую программу. Наличие промежуточного этапа (получение не готового исполняемого модуля, а только исходных текстов, требующих дальнейшей обработки) объясняется низкой эффективностью автоматически генерируемого кода приложений, созданных с использованием подобных систем пятого поколения. Это связано с внутренней сложностью последних и жела­нием создавать независимые от платформы продукты.

Исходные тексты обычно генерируются на языках более низкого уровня (как правило — третьего поколения). Благодаря автоматическому про­цессу генерации текстов программы результирующий код получается хоть и неэффективным, но высоконадежным и не содержащим ошибок. Правда, при этом возникает проблема совместимости с имеющимися на рынке компиляторами. После генерации кода созданного приложения необходимо перевести его в машинное представление. Для этого требуется тесная интеграция с имеющимися коммерческими компиляторами, легкая настройка, ориентированная на пользователя-непрограммиста и соответствие получаемого кода требованиям конкретных средств разработки. В боль­шинстве случаев из-за острой конкурентной борьбы решить проблему совместимости в целом не удается, поэтому системы разработки 5GL ориентируются обычно на определенные версии компиляторов.

В целях обеспечения возможности создания программ, решающих самые разные задачи, разработчики стараются использовать богатый многолетний опыт программной индустрии. Системы пятого поколе­ния имеют открытую архитектуру и нередко поддерживают большое количество продуктов третьих фирм, предоставляя пользователю воз­можность интеграции с готовыми решениями для различных областей. Это могут быть всевозможные визуальные редакторы, генераторы отче­тов, стандартные библиотеки, удобные Мастера (Wizards) быстрого создания типовых приложений, CAS-E-системы, средства интеграции с базами данных и т. п. Чем больше приложений удается объединить в одном пакете, тем большими возможностями он обладает.

В большинстве подобных систем используются усовершенствованные технологии, воплощенные в средствах более низкого уровня. Напри­мер, возможность «мышиного» создания программ без ручного набора текстов, с использованием средства визуального проектирования про­граммного обеспечения, взята из современных систем разработки 4GL. Другое перспективное направление, заимствованное из 4GL, — мето­ды программной инженерии. Различные формальные нотации, поддер­живаемые CAS-E-системами, позволяют с помощью мыши быстро созда­вать заготовки программ и сценарии SQL, описывающие структуру баз данных. Ряд современных языков 5GL создан на основе успешно реали­зованных продуктов 4GL, и граница между этими поколениями сильно размыта. Пока системы разработки пятого поколения только появля­ются на свет, и нередко аббревиатура 5GL используется больше для рек­ламы — дескать, смотрите, мы впереди конкурентов!

Таким образом, определенная часть компьютерных экспертов считает продукты последнего поколения уже не языками, а средствами разра­ботки, прикладными пакетами, не имеющими к процессу создания программ с помощью языков программирования никакого отношения. Проектирование программы происходит в специализированном визу­альном редакторе, а работа с исходными текстами отсутствует.

Однако значительно большая группа специалистов считает, что языки пятого поколения являются именно языками программирования, тре­бующими от разработчика соответствующей квалификации и умения составлять программы вручную. Сторонники этого мнения под язы­ками 5GL понимают специализированные языки, оперирующие не абстрактными переменными, а понятиями своей предметной области, например бухгалтерскими счетами или ферзями и пешками. Это, как правило, узкоспециализированные языки, предоставляющие программисту мощные высокоуровневые возможности обработки информации из конкретной области знаний. К языкам пятого поколения относят также интегрированные с базами знаний и экспертными системами программные комплексы с собственными языками программирования. Типичный пример — созданная в Австралии самообучающаяся ней­ронная сеть LISA со встроенным языком описания фактов, сущностей и взаимосвязей между ними, на торговой марке которой гордо красует­ся « 5GL ».