Современные языки программирования

Внешне-языковые средства. Применяются в случаях, если простых средств вроде шаблонов недостаточно. Язык генератора составляется так, чтобы автоматически или с минимальными усилиями со стороны программиста реализовывать правила парадигмы или необходимые специальные функции. Фактически, это – более высокоуровневый язык программирования, а генератор – не что иное, как транслятор. Генераторы пишутся, как правило, для создания специализированных программ, в которых очень значительная часть стереотипна, либо для реализации сложных парадигм.[6]

 

Основные парадигмы и подходы  к решению задач в современных языках программирования представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Парадигмы и подходы  языков программирования [2]

Язык программирования	Парадигмы программирования	Основные подходы программирования
Java	императивная структурная	объектно-ориентированный
C	императивная	процедурный
C++	мультипарадигмальный  метапрограммирование	процедурный объектно-ориентированный
PHP	мультипарадигмальный	процедурный объектно-ориентированный
C#	мультипарадигмальный  императивная	процедурный объектно-ориентированный
Python	императивная декларативная структурная	процедурный функциональный объектно-ориентированный
Visual Basic	императивная структурная	процедурный объектно-ориентированный
Objective C	мультипарадигмальный	процедурный объектно-ориентированный
Perl	мультипарадигмальный  декларативная	функциональный объектно-ориентированный
Delphi	императивная структурная	процедурный объектно-ориентированный

 

Современные языки программирования не ограничиваются какой-то одной парадигмой, а используют их несколько или  даже являются мультипарадигмальными. Это обусловлено стремлением разработчиков расширить области применения языка, сделать его языком общего назначения, а не ориентированным на решение узкого круга задач.

Использование почти всеми языками  объектно-ориентированного подхода наряду с «классическим» процедурным, обусловлено возрастающей сложностью современных задач. Создание больших распределенных систем просто не мыслимо без создания структурной модели, а работа с объектами, в любых их проявлениях, значительно облегчает разработку и отладку таких систем.

 

3. Трансляторы

 

Поскольку текст, записанный на языке  программирования, непонятен компьютеру, то требуется перевести его на машинный код. Такой перевод программы  с языка программирования на язык машинных кодов называется трансляцией, а выполняется она специальными программами – трансляторами.

Транслятор – обслуживающая программа, преобразующая исходную программу, предоставленную на входном языке программирования, в рабочую программу, представленную на объектном языке.

В настоящее время трансляторы  разделяются на две основные группы: компиляторы и интерпретаторы.

3.1 Компилятор

 

Компилятор – это обслуживающая программа, выполняющая трансляцию на машинный язык программы, записанной на исходном языке программирования. Компилятор обеспечивает преобразование программы с одного языка на другой (чаще всего, в язык конкретного компьютера). Вместе с тем, команды исходного языка значительно отличаются по организации и мощности от команд машинного языка. Существуют языки, в которых одна команда исходного языка транслируется в 7–10 машинных команд. Однако есть и такие языки, в которых каждой команде может соответствовать 100 и более машинных команд. Кроме того, в исходных языках достаточно часто используется строгая типизация данных, осуществляемая через их предварительное описание. Программирование может опираться не на кодирование алгоритма, а на тщательное обдумывание структур данных или классов. Процесс трансляции с таких языков обычно называется компиляцией, а исходные языки обычно относятся к языкам программирования высокого уровня (или высокоуровневым языкам).[7]

3.2 Интерпретатор

 

Интерпретатор – программа или устройство, осуществляющее пооператорную трансляцию и выполнение исходной программы. Интерпретатор не порождает на выходе программу на машинном языке. Распознав команду исходного языка, он тут же выполняет ее.

Простой интерпретатор – анализирует и тут же выполняет (собственно интерпретация) программу покомандно (или построчно), по мере поступления исходного кода на вход интерпретатора. Достоинством такого подхода является мгновенная реакция. Недостаток – такой интерпретатор обнаруживает ошибки в тексте программы только при попытке выполнения команды (или строки) с ошибкой.

Интерпретатор компилирующего типа – это система из компилятора, переводящего исходный код программы в промежуточное представление, например, в байт-код или p-код, и собственно интерпретатора, который выполняет полученный промежуточный код (так называемая виртуальная машина). Достоинством таких систем является бо́льшее быстродействие выполнения программ (за счёт выноса анализа исходного кода в отдельный, разовый проход, и минимизации этого анализа в интерпретаторе). Недостатки – большее требование к ресурсам и требование на корректность исходного кода.[7]

 

Достоинства интерпретаторов:

– Бо́льшая переносимость интерпретируемых программ – программа будет работать на любой платформе, на которой есть соответствующий интерпретатор.

– Как правило, более совершенные  и наглядные средства диагностики  ошибок в исходных кодах.

– Упрощение отладки исходных кодов  программ. Интерпретатор позволяет начать обработку данных после написания даже одной команды.

– Меньшие размеры кода по сравнению с машинным кодом, полученным после обычных компиляторов.

 

Недостатки интерпретаторов:

– Интерпретируемая программа не может выполняться отдельно без  программы–интерпретатора. Сам интерпретатор при этом может быть не очень компактным.

– Интерпретируемая программа выполняется  медленнее, поскольку промежуточный  анализ исходного кода и планирование его выполнения требуют дополнительного  времени в сравнении с непосредственным исполнением машинного кода, в который мог бы быть скомпилирован исходный код.

– Практически отсутствует оптимизация  кода, что приводит к дополнительным потерям в скорости работы интерпретируемых программ.

 

Виды трансляторов современных языков программирования представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Трансляторы современных  языков программирования [2]

Язык программирования	Транслятор
Java	компиляция в байт-код интерпретатор
C	компилятор
C++	компилятор
PHP	компиляция в байт-код интерпретатор
C#	компиляция в MSIL-код интерпретатор
Python	компиляция в байт-код интерпретатор
Visual Basic	компиляция в MSIL-код интерпретатор, компилятор
Objective C	компилятор
Perl	компиляция в байт-код интерпретатор
Delphi	компилятор

 

Современные языки программирования используют в равной степени компиляцию и интерпретацию.

Широкое использование компиляторов обусловлено большой скоростью  работы программ, а также возможность  использовать полностью все возможности  конкретных платформ и создание «машинно-зависимых» участков кода и программ.

Использование интерпретации, напротив, позволяет оградить программиста от особенностей конкретных платформ, что  наиболее востребовано в связи с  развитием Интернет–технологий.

Среди интерпретируемых языков используются в основном интерпретаторы компилирующего типа, что обусловлено значительным увеличением скорости работы программ в сравнении с простыми интерпретаторами. При разработке больших и сложных приложений такое увеличение скорости может быть очень существенным.

 

4. Типизация данных

 

Тип – относительно устойчивая и независимая совокупность элементов, которую можно выделить во всём рассматриваемом множестве.

Математически тип может быть определён  двумя способами:

• Множеством всех значений, принадлежащим типу.
• Предикатной функцией, определяющей принадлежность объекта к данному типу.

Тип данных – фундаментальное понятие теории программирования. Тип данных определяет множество значений, набор операций, которые можно применять к таким значениям и, возможно, способ реализации хранения значений и выполнения операций. Любые данные, которыми оперируют программы, относятся к определённым типам.

Типы данных различаются уже на нижних уровнях системы. Так, например, даже в Ассемблере х86 различаются типы «целое число» и «вещественное число». Это объясняется тем, что для чисел рассматриваемых типов отводятся различные объёмы памяти, используются различные регистры микропроцессора, а для операций с ними применяются различные команды Ассемблера и различные ядра микропроцессора.

В языках программирования типы данных не всегда строго соответствуют подобным математическим типам. Например, тип “целое число” большинства языков программирования не соответствует принятому в математике типу “целое число”, так как в математике указанный тип не имеет ограничений ни сверху, ни снизу, а в языках программирования эти ограничения есть. Как правило, в языках и системах имеется множество целых типов, отличающихся допустимым диапазоном значений (определяемым объёмом занимаемой памяти).[1]

 

 

 

Наиболее часто используемые типы данных:

Простые:

• Перечислимый тип. Хранит значения прямо указанные в его описании.
• Целочисленный тип. Целое число со знаком и без знака.
• Вещественный тип. Вещественное число с запятой и с плавающей точкой.
• Символьный тип. Хранит один символ в различных кодировках.
• Множество. Совпадает с обычным математическим понятием множества.
• Логический тип. Принимает два значения ложь = 0 и истина = 1.
• Указатель. Хранит адрес в памяти, указывающий на какую–либо информацию, как правило – указатель на переменную.

Составные (сложные):

• Массив. Хранит индексированный набор элементов одного типа.
• Строковый тип. Хранит строку символов.
• Запись (структура). Набор различных элементов (полей), хранимый как единое целое.
• Файловый тип. Хранит только однотипные значения, доступ к которым осуществляется только последовательно.
• Класс, метакласс, интерфейс. Абстрактные типы данных в объектно–ориентированном программировании (ООП).

Как уже отмечалось ранее, любой  тип данных в языках программирования определяет не только множество собственных значений, но и набор операций, способы хранения и присваивания значений. Типы переменных и параметров должны совпадать с присваиваемыми им значениями или вызываемыми для них функциями. Для обеспечения совместимости типов переменных и их значений в языках программирования существует контроль типов (типизация) – это процесс проверки и накладывания ограничений на использование типов.

Существует два вида контроля типов:

• Статическая типизация – при которой переменная, параметр подпрограммы, возвращаемое значение функции связывается с типом в момент объявления и тип не может быть изменён позже. Переменная или параметр будут принимать, а функция возвращать значения только этого типа.
• Динамическая типизация – при которой переменная связывается с типом в момент присваивания значения, а не в момент объявления переменной. Таким образом, в различных участках программы одна и та же переменная может принимать значения разных типов.

Определение соответствия типов тоже является важным моментом, для этого используется следующие два подхода:

• Строгая типизация – совместимость типов автоматически контролируется транслятором, она должна быть явно указана (наследована) при определении типа или определяется структурой самого типа (типами элементов, из которых построен составной тип).
• Слабая типизация – совместимость типов никак транслятором не контролируется. В языках со слабой типизацией обычно используется подход под названием «утиная типизация» – когда совместимость определяется и реализуется общим интерфейсом доступа к данным типа.

На сегодняшний день не существует единого мнения о том, какой вид  типизации лучше. Рассмотрим основные достоинства и недостатки каждого  вида контроля типа.[1]

4.1 Динамическая типизация.

 

Поскольку переменная связывается с типом в момент присваивания и в ходе выполнения программы может менять свой тип, контролировать на этапе проектирования соответствие  такой переменной вызываемым для нее функциям и методам невозможно. Поэтому транслятор встраивает в программу операции связанные с динамической проверкой типа. Отсюда вытекают явные недостатки динамической типизации: