История развития програмирования

Ранние этапы развития програмирования, история.

Можно сказать, что первые языки програмирования возникали еще до появления современных электронных вычислительных машин: уже в XIX веке были изобретены устройства, которые можно с долей условности назвать программируемыми — к примеру, музыкальная шкатулка (и позднее механическое пианино) посредством металлического цилиндра и Жаккардовый ткацкий станок (1804) посредством картонных карт.

Для управления ими использовались наборы инструкций, которые в рамках современной классификации можно считать прототипами предметно-ориентированных языков программирования. Значимым можно считать «язык», на котором леди Ада Августа (графиня Лавлейс) в 1842 году написала программу для вычисления чисел Бернулли для аналитической машины Чарльза Бэббиджа, ставшей бы, в случае реализации, первым компьютером в мире, хотя и механическим — с паровым двигателем.

В 1930—1940 годах А. Чёрч, А. Тьюринг, А. Марков разработали математические абстракции (лямбда-исчисление, машину Тьюринга, нормальные алгоритмы соответственно) — для формализации алгоритмов.

В это же время, в 1940-е годы, появились электрические цифровые компьютеры и был разработан язык, который можно считать первым высокоуровневым языком программирования для ЭВМ — «Plankalkül», созданный немецким инженером К. Цузе в период с 1943 по 1945 годы.

Программисты ЭВМ начала 1950-х годов, в особенности таких, как UNIVAC и IBM 701, при создании программ пользовались непосредственно машинным кодом, запись программы на котором состояла из единиц и нулей и который принято считать языком программирования первого поколения (при этом разные машины разных производителей использовали различные коды, что требовало переписывать программу при переходе на другую ЭВМ).

Первым практически реализованным языком стал в 1949 году так называемый «Краткий код», в котором операции и переменные кодировались двухсимвольными сочетаниями. Он был разработан в компании Eckert–Mauchly Computer Corporation, выпускавшей UNIVAC-и, созданной одним из сотрудников Тьюринга, Джоном Мокли. Мокли поручил своим сотрудникам разработать транслятор математических формул, однако для 1940-х годов эта цель была слишком амбициозна. Краткий код был реализован с помощью интерпретатора.

Вскоре на смену такому методу программирования пришло применение языков второго поколения, также ограниченных спецификациями конкретных машин, но более простых для использования человеком за счёт использования мнемоник (символьных обозначений машинных команд) и возможности сопоставления имён адресам в машинной памяти. Они традиционно известны под наименованием языков ассемблера и автокодов. Однако при использовании ассемблера становился необходимым процесс перевода программы на язык машинных кодов перед её выполнением, для чего были разработаны специальные программы, также получившие название ассемблеров. Сохранялись и проблемы с переносимостью программы с ЭВМ одной архитектуры на другую, и необходимость для программиста при решении задачи мыслить терминами «низкого уровня» — ячейка, адрес, команда. Позднее языки второго поколения были усовершенствованы: в них появилась поддержка макрокоманд.

С середины 1950-х начали появляться языки третьего поколения, такие как Фортран, Лисп и Кобол[6]. Языки программирования этого типа более абстрактны (их ещё называют «языками высокого уровня») и универсальны, не имеют жесткой зависимости от конкретной аппаратной платформы и используемых на ней машинных команд. Программа на языке высокого уровня может исполняться (по крайней мере, в теории, на практике обычно имеется ряд специфических версий или диалектов реализации языка) на любой ЭВМ, на которой для этого языка имеется транслятор (инструмент, переводящий программу на язык машины, после чего она может быть выполнена процессором).

Обновленные версии перечисленных языков до сих пор имеют хождение в разработке программного обеспечения, и каждый из них оказал определённое влияние на последующее развитие языков программирования. Тогда же, в конце 1950-х годов, появился Алгол, также послуживший основой для ряда дальнейших разработок в этой сфере. Необходимо заметить, что на формат и применение ранних языков программирования в значительной степени влияли интерфейсные ограничения.

Совершенствование

В период 1960-х — 1970-х годов были разработаны основные парадигмы языков программирования, используемые в настоящее время, хотя во многих аспектах этот процесс представлял собой лишь улучшение идей и концепций, заложенных ещё в первых языках третьего поколения.

• Язык APL оказал влияние на функциональное программирование и стал первым языком, поддерживавшим обработку массивов.

• Язык ПЛ/1 (NPL) был разработан в 1960-х годах как объединение лучших черт Фортрана и Кобола.

• Язык Snobol, разработанный и совершенствуемый в течение 1960-х годов, ориентированный на обработку текстов, ввёл в число базовых операций языков программирования сопоставление с образцом.

• Язык Симула, появившийся примерно в это же время, впервые включал поддержку объектно-ориентированного программирования. В середине 1970-х группа специалистов представила язык Smalltalk, который был уже всецело объектно-ориентированным.

• В период с 1969 по 1973 годы велась разработка языка Си, популярного и по сей день и ставшего основой для множества последующих языков, например, столь популярных, как C++ и Java.

• В 1972 году был создан Пролог — наиболее известный (хотя и не первый, и далеко не единственный) язык логического программирования.

• В 1973 году в языке ML была реализована расширенная система полиморфной типизации, положившая начало типизированным языкам функционального программирования.

Каждый из этих языков породил по семейству потомков, и большинство современных языков программирования в конечном счёте основано на одном из них.

Кроме того, в 1960—1970-х годах активно велись споры о необходимости поддержки структурного программирования в тех или иных языках. В частности, голландский специалист Э. Дейкстра выступал в печати с предложениями о полном отказе от использования инструкций GOTO во всех высокоуровневых языках. Развивались также приёмы, направленные на сокращение объёма программ и повышение продуктивности работы программиста и пользователя.

Объединение и развитие

В 1980-е годы наступил период, который можно условно назвать временем консолидации. Язык C++ объединил в себе черты объектно-ориентированного и системного программирования, правительство США стандартизирован язык Ада, производный от Паскаля и предназначенный для использования в бортовых системах управления военными объектами, в Японии и других странах мира осуществлялись значительные инвестиции в изучение перспектив так называемых языков пятого поколения, которые включали бы в себя конструкции логического программирования. Сообщество функциональных языков приняло в качестве стандарта ML и Лисп. В целом этот период характеризовался скорее опорой на заложенный в предыдущем десятилетии фундамент, нежели разработкой новых парадигм.

Важной тенденцией, которая наблюдалась в разработке языков программирования для крупномасштабных систем, было сосредоточение на применении модулей — объёмных единиц организации кода. Хотя некоторые языки, такие, как ПЛ/1, уже поддерживали соответствующую функциональность, модульная система нашла своё отражение и применение также и в языках Модула-2, Оберон, Ада и ML. Часто модульные системы объединялись с конструкциями обобщённого программирования.

Важным направлением работ становятся визуальные (графические) языки программирования, в которых процесс «написания» программы как текста заменяется на процесс «рисования» (конструирования программы в виде диаграммы) на экране ЭВМ. Визуальные языки обеспечивают наглядность и лучшее восприятие логики программы человеком.

В 1990-х годах в связи с активным развитием Интернета распространение получили языки, позволяющие создавать сценарии для веб-страниц — главным образом Perl, развившийся из скриптового инструмента для Unix-систем, и Java. Возрастала также и популярность технологий виртуализации. Эти изменения, однако, также не представляли собой фундаментальных новаций, являясь скорее совершенствованием уже существовавших парадигм и языков (в последнем случае — главным образом семейства Си).

В настоящее время развитие языков программирования идёт в направлении повышения безопасности и надёжности, создания новых форм модульной организации кода и интеграции с базами данных.

Стандартизация

Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные стандарты. Специальные организации проводят регулярное обновление и публикацию спецификаций и формальных определений соответствующего языка. В рамках таких комитетов продолжается разработка и модернизация языков программирования и решаются вопросы о расширении или поддержке уже существующих и новых языковых конструкций.

Алфавит

Современные языки программирования рассчитаны на использование ASCII, то есть доступность всех графических символов ASCII является необходимым и достаточным условием для записи любых конструкций языка. Управляющие символы ASCII используются ограниченно: допускаются только возврат каретки CR, перевод строки LF и горизонтальная табуляция HT (иногда также вертикальная табуляция VT и переход к следующей странице FF)

Ранние языки, возникшие в эпоху 6-битных символов, использовали более ограниченный набор. Например, алфавит Фортрана включает 49 символов (включая пробел): A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 = + - * / () . , $ ' :

Заметным исключением является язык APL, в котором используется очень много специальных символов.

Использование символов за пределами ASCII (например, символов KOI8-R или символов Юникода) зависит от реализации: иногда они разрешаются только в комментариях и символьных/строковых константах, а иногда и в идентификаторах. В СССР существовали языки, где все ключевые слова писались русскими буквами, но большой популярности>>> подобные языки не завоевали (исключение составляет Встроенный язык программирования 1С:Предприятие).

Расширение набора используемых символов сдерживается тем, что многие проекты по разработке программного обеспечения являются международными. Очень сложно было бы работать с кодом, где имена одних переменных записаны русскими буквами, других — арабскими, а третьих — китайскими иероглифами. Вместе с тем, для работы с текстовыми данными языки программирования нового поколения (Delphi 2006, C#, Java) поддерживают Unicode.

Грамматика

Контекстно-свободная грамматика

• Контекстно-зависимая грамматика

• регулярный язык

  • регулярные выражения

• Грамматика с фразовой структурой

• LL(n)

• LALR(1)

• Yacc

• ANTLR

• Parsec

• AST

• Дерево разбора[en]

• Абстрактный синтаксис первого порядка[en]

• Абстрактный синтаксис высшего порядка[en]

Семантика

Основная статья: Семантика (программирование)

Существует несколько подходов к определению семантики языков программирования. Основных три: операционная, аксиоматическая и денотационная.

• При описании семантики в рамках операционного подхода обычно исполнение конструкций языка программирования интерпретируется с помощью некоторой воображаемой (абстрактной) ЭВМ.

• Аксиоматическая семантика описывает последствия выполнения конструкций языка с помощью языка логики и задания пред- и постусловий.

• Денотационная семантика оперирует понятиями, типичными для математики — множества, соответствия, а также суждения, утверждения и др.

Классификация

Не существует общепринятой систематической таксономии языков программирования. Есть множество черт, согласно которым можно производить классификацию языков, причём одни из них однозначно проводят разделы между языками на основе технических свойств, другие основываются на доминирующих признаках, имеют исключения и более условны, а третьи полностью субъективны и нередко сопровождаются заблуждениями, но на практике весьма распространены.

Конкретный язык программирования в подавляющем большинстве случаев имеет более одного языка-предка. Многие языки создаются как сочетание элементов различных языков. В одних случаях такое сочетание проходит математический анализ на предмет непротиворечивости (см., например, Определение Standard ML), в других — язык формируется исходя из практических потребностей, для решения актуальных проблем с целью получения коммерческого успеха, но при этом без соблюдения математической строгости и с включением в язык взаимоисключающих идей (как в случае C++).

Языки низкого и высокого уровня

Обычно под «уровнем языка» понимается:

• степень отличия семантики языка от машинного кода целевой архитектуры процессора — другими словами, наименьший масштаб преобразований, которые должен претерпеть код программы перед тем, как он сможет исполняться (зачастую с существенной потерей эффективности)

• степень, в которой семантика языка учитывает особенности мышления человека, нежели машины — то есть уровень языка тем «ниже», чем он «ближе к машине», и тем «выше», чем он «ближе к человеку».

Эта двойственность появилась в 1950-е годы, при создании языков Планкалкюль и Фортран. При их разработке ставились прямые намерения обеспечить более краткую запись часто встречающихся конструкций (например, арифметических выражений), чем требовали процессоры того времени. В этих языках вводился новый слой абстракции и предполагались преобразования программ в машинный язык, поэтому их назвали языками «высокого уровня», то есть надстройкой, надслоением над языком машины. Однако вскоре стало ясно, что эти определения вовсе не обязательно идут бок о бок. Так, история знает случаи, когда язык, традиционно считающийся «высокоуровневым», реализовывался аппаратно (см. Лисп-машина, Java Optimized Processor[en]), или когда язык, являющийся «низкоуровневым» на одной платформе, компилировался как «высокоуровневый» на другой (таким образом программы на CISC-ассемблере VAX использовались на RISC-машинах DEC Alpha — см. VAX Macro[en]). Таким образом, понятие уровня языка является не строго формальным, а скорее условным.

К языкам низкого уровня относят, в первую очередь, машинные языки (или, на общеупотребимым жаргоне — машинные коды), то есть языки, реализованные непосредственно на аппаратном уровне. Их относят к первому поколению языков программирования[en]. Вскоре после них появились языки второго поколения[en] — так называемые «языки ассемблера». В простейшем случае они реализуют мнемонику над машинным языком для записи команд и их параметров (в частности, адресов в памяти). Кроме того, многие языки ассемблера включают и весьма развитый макроязык. Языки первого и второго поколения позволяют точно контролировать, как требуемая функциональность будет исполняться на данном процессоре с учётом особенностей его архитектуры. С одной стороны, это обеспечивает высокое быстродействие и компактность программ, но с другой, для переноса программы на другую аппаратную платформу её нужно перекодировать (а часто из-за различий архитектуры процессоров — и перепроектировать) с нуля. Большинство языков ассемблера являются бестиповыми, но существуют и типизированные языки ассемблера[en], нацеленные на обеспечение минимальной безопасности>>> низкоуровневых программ.

К1970-м годам сложность программ выросла настолько, что превысила способность программистов управляться с ними, и это привело к огромным убыткам и застою в развитии информационных технологий. Ответом на эту проблему стало появление массы языков высокого уровня, предлагающих самые разные способы управления сложностью (подробнее см. парадигма программирования и языки для программирования в мелком и крупном масштабе). Программы на языках «высокого уровня» гораздо легче модифицируются и совсем легко переносятся с компьютера на компьютер. На практике, наибольшее распространение получили языки третьего поколения, которые лишь претендуют на звание «высокоуровневых», но реально предоставляют лишь те «высокоуровневые» конструкции, что находят однозначное соответствие инструкциям в машине фон Неймана.

К языкам четвертого поколения относят языки высшего порядка>>>. Иногда выделяется категория языков пятого поколения, но она не является общепринятой — чаще используется термин «язык сверхвысокого уровня» (англ. very high level language). Это языки, реализация которых включает существенную алгоритмическую составляющую (то есть когда интерпретация небольшого исходного кода требует весьма сложных вычислений). Чаще всего так называют логические языки, про которые также говорят, что это просто языки четвертого поколения, дополненные базой знаний. Кроме того, к «языкам сверхвысокого уровня» относят визуальные языки и языки, основанные на подмножестве естественного языка (например, так называемой «деловой прозы»).

Важной категорией являются предметно-ориентированные языки (англ. DSL — Domain Specific Language). Отнесение языка к этой категории является весьма условным и зачастую спорным; на практике этот термин могут применять к представителям и третьего, и четвёртого, и пятого поколений языков. Порой так даже классифицируют язык Си, который можно отнести к поколению «2,5». Он изначально позиционировался как «высокоуровневый ассемблер»; его также часто называют «языком среднего уровня». Он позволяет в значительной степени контролировать способ реализации алгоритма с учетом свойств, типичных для весьма большого числа аппаратных архитектур. Однако есть платформы, под которые реализации Си (даже в нестандартном виде) отсутствуют по причине принципиальной невозможности или нецелесообразности их создания. Со временем появились и другие языки среднего уровня, например, LLVM, C--.

Первые три поколения языков формируют императивную парадигму программирования, а последующие — декларативную. Термин «императив» означает «приказной порядок», то есть программирование посредством пошагового инструктирования машины, или детального указания уже придуманного программистом способа реализации технического задания. Термин «декларатив» означает «описание», то есть программирование посредством предоставления формализации технического задания в виде, пригодном для автоматических преобразований[en], с предоставлением свободы выбора транслятору языка. Императивные языки нацелены на описание того, как получить результат, тогда как языки более высокого уровня нацелены на описание того, что требуется в результате. Поэтому первые называют как-языками (или языками, ориентированными на машину), а вторые — что-языками (или языками, ориентированными на человека). Для множества задач полностью автоматическое порождение по-настоящему эффективной реализации алгоритмически неразрешима, так что на практике даже на что-языках нередко используются определённые алгоритмические ухищрения. Однако существуют методы получения эффективных реализаций из основанных на определении (реализаций «в лоб») — такие как изобретённая в СССР суперкомпиляция.

 В большинстве случаев языки высокого уровня порождают машинный код большего размера и исполняются медленнее. Однако некоторые языки высокого уровня для алгоритмически и структурно сложных программ могут давать заметное преимущество в эффективности, уступая низкоуровневым лишь на небольших и простых программах (подробнее см. эффективность языков). Иначе говоря, потенциальная эффективность языка меняется с повышением его «уровня» нелинейно и вообще неоднозначно. Однако скорость разработки и трудоёмкость модификации, устойчивость и другие показатели качества в сложных системах оказываются гораздо важнее предельно возможной скорости исполнения — они обеспечивают различие между программой, что работает, и той, что нет — так что экономически более целесообразна эволюция аппаратного обеспечения (исполнение большего числа инструкций в единицу времени) и методов оптимизирующей компиляции (более того, последние десятилетия эволюция аппаратного обеспечения движется в направлении поддержки методов оптимизирующей компиляции для языков высокого уровня). К примеру, автоматическая сборка мусора, присутствующая в большинстве высокоуровневых языков программирования, считается одним из важнейших улучшений, благотворно повлиявших на скорость разработки.

Поэтому в наши дни языки низкого уровня используются только в задачах системного программирования. Распространено мнение, что в задачах, где необходим точный контроль за ресурсами, язык сам должен требовать как можно меньше преобразований, иначе все усилия программиста окажутся напрасными. В действительности есть примеры, опровергающие это. Так, язык BitC является представителем четвёртого поколения (функциональной парадигмы программирования), но целиком и полностью ориентирован именно на системное программирование и уверенно конкурирует по скорости с Си. То есть, это «высокоуровневый язык», предназначенный для «низкоуровневого программирования». Языки третьего поколения C# и Limbo разрабатывались для использования одновременно как в системном программировании (с целью повышения отказоустойчивости операционной системы), так и в прикладном — это обеспечивает единство платформы, что сокращает потери при трансляции.

Безопасные и небезопасные языки

Современные компьютеры представляют сложные данные реального мира в виде чисел в памяти компьютера. Это вводит в дисциплину программирования риск человеческого фактора, в том числе вероятность ошибок доступа к памяти. Поэтому многие языки программирования сопровождаются средством контроля смысла операций над двоичными данными на основе сопровождающей их логической информации — системой типов. Однако существуют и бестиповые языки, например, Forth.

Системы типов языков делятся на динамические (потомки Lisp, Smalltalk, APL) и статические, а последние, в свою очередь, делятся на неполиморфные (потомки Алгола и BCPL) и полиморфные (потомки ML). Кроме того, они делятся на явные (англ. explicit) и неявные (англ. implicit) — другими словами, требующие манифестной[en] декларации типов для объектов в программе или статически выводящие их самостоятельно.

Системы типов бывают сильные и слабые. Сильная система типов назначает тип для всякого выражения раз и навсегда (когда бы конкретно это ни происходило — в динамике или в статике), а слабая позволяет впоследствии переназначать типы. Сильная типизация порой ошибочно отождествляется со статической.

В общем и целом, язык называется безопасным, если программы на нём, которые могут быть приняты компилятором как правильно построенные, в динамике никогда не выйдут за рамки допустимого поведения. Это не значит, что такие программы не содержат ошибок вообще. Термин «хорошее поведение программы» (англ. good behavior) означает, что даже если программа содержит некий баг (в частности, логическую ошибку), то она тем не менее не способна нарушить целостность данных и обрушиться (англ. crash). Хотя термины неформальны, безопасность некоторых языков (например, Standard ML) математически доказуема. Безопасность других (например, Ada) была обеспечена ad hoc-образом, без обеспечения концептуальной целостности, что может обернуться катастрофами, если положиться на них в ответственных задачах (см. концептуальная целостность языков). Неформальная терминология была популяризована Робином Милнером, одним из авторов теории формальной верификации и собственно языка Standard ML.

Степень контроля ошибок и реакция языка на них могут различаться. Простейшие системы типов запрещают, к примеру, вычитать строку из целого числа. Однако целыми числами могут представляться и миллиметры, и дюймы, но было бы логической ошибкой вычитать дюймы из миллиметров. Развитые системы типов позволяют (а наиболее развитые — принуждают) внедрять в программу такую логическую информацию. Для ЭВМ она является избыточной и полностью удаляется при порождении машинного кода тем или иным образом>>>. В частности, Standard ML не допускает над данными никаких операций, кроме тех, что разрешены явно и формализованы; однако программы на нём всё же могут завершаться порождением необработанного исключения (например, при попытке деления на ноль). Его потомок, MLPolyR гарантирует также и отсутствие необработанных исключений. Такие языки называются «типобезопасными». Java и C# менее строги и контролируют лишь утечки памяти, поэтому в их контексте чаще используют более узкий термин «безопасность типов в отношении доступа к памяти» (англ. memory type safety) или (чаще) просто «безопасность доступа к памяти». Сильно динамически типизируемые языки отслеживают поведение программ в динамике (что влечёт снижение быстродействия) и реагируют на ошибки порождением исключения. Все эти языки ориентированы на практичность, предоставляя оптимальный компромисс между пресечением серьёзных сбоев и высокой скоростью разработки программ. Но существуют и языки, предназначенные для написания программ, которые верны по построению, то есть обеспечивают гарантию того, что исполнимая программа по структуре и поведению будет тождественна её спецификации (см. параметричность[en], зависимый тип). Как следствие, программы на таких языках часто называют «исполнимыми спецификациями» (см. Соответствие Карри — Говарда). Трудоёмкость разработки на таких языках возрастает на порядки, кроме того, они требуют очень высокой квалификации разработчика, поэтому они используются только в формальной верификации. Примерами таких языков служат Agda, Coq.

Языки Си и его потомок C++ являются небезопасными. В программах на них обширно встречаются ситуации ослабления типизации (приведение типов) и прямого её нарушения (каламбур типизации), так что ошибки доступа к памяти являются в них статистической нормой (но крах программы наступает далеко не сразу, что затрудняет поиск места ошибки в коде). Самые мощные системы статического анализа для них (такие, как PVS-Studio) способны обнаруживать не более 70 — 80 % ошибок, но их использование обходится очень дорого в денежном смысле. Достоверно же гарантировать безотказность программ на этих языках невозможно, не прибегая к формальной верификации, что не только ещё дороже, но и требует специальных знаний. У Си есть и безопасные потомки, такие как Cyclone.

Язык Forth не претендует на звание «безопасного», но тем не менее на практике существование программ, способных повредить данные, почти исключено, так как содержащая потенциально опасную ошибку программа аварийно завершается на первом же тестовом запуске, принуждая к коррекции исходного кода. В сообществе Erlang принят подход «let it crash» (с англ. — «дай ей обрушиться»), также нацеленный на раннее выявление ошибок.

Компилируемые, интерпретируемые и встраиваемые языки

Можно выделить три принципиально разных способа реализации языков программирования: компиляция, интерпретация и встраивание. Распространено заблуждение, согласно которому способ реализации является присущим конкретному языку свойством. В действительности, это деление до определённой степени условно. В ряде случаев язык имеет формальную семантику, ориентированную на интерпретацию, но все или почти все его действительные реализации являются компиляторами, порой весьма эффективно оптимизирующими (примерами могут служить языки семейства ML, такие как Standard ML, Haskell). Есть языки, размывающие границы между интерпретацией и компиляцией — например, Forth.

Компиляция означает, что исходный код программы сперва преобразуется в целевой (машинный) код специальной программой, называемой компилятором — в результате получается исполняемый модуль, который уже может быть запущен на исполнение как отдельная программа. Интерпретация же означает, что исходный код выполняется непосредственно, команда за командой (иногда — с минимальной подготовкой, буквально после разбора исходного кода в AST),— так что программа просто не может быть запущена без наличия интерпретатора. Встраивание языка можно философски рассматривать как «реализацию без трансляции» — в том смысле, что такой язык является синтаксическим и семантическим подмножеством некого другого языка, без которого он не существует. Говоря же более точно, встраиваемые языки добавляют к сказанному ещё четыре способа реализации.

Естественный для языка способ реализации определяется временем связывания программных элементов с их характеристиками. В частности, в языках со статической типизацией переменные и другие объекты программы связываются с типом данных на этапе компиляции, а в случае типизации динамической — на этапе выполнения, как правило — в произвольной точке программы. Некоторые свойства элементов языка, такие как значение арифметических операторов или управляющих ключевых слов, могут быть связаны уже на этапе определения языка. В других языках возможно их переназначение (см. связывание имён[en]). Раннее связывание обычно означает бо́льшую эффективность программы, в то время как позднее — большую гибкость, ценой которого является меньшая скорость и/или усложнение соответствующего этапа. Однако, даже из, казалось бы, очевидных случаев есть исключения — например, интенсиональный полиморфизм откладывает обработку статической типизации до этапа выполнения, но не замедляя, а повышая общее быстродействие (по крайней мере, в теории).

Для любого традиционно компилируемого языка (такого как Паскаль) можно написать интерпретатор. Но многие интерпретируемые языки предоставляют некоторые дополнительные возможности, такие как динамическая генерация кода (см. eval[en]), так что их компиляция должна быть динамической (см. динамическая компиляция). Таким образом, составной термин «язык + способ его реализации» в ряде случаев оказывается уместен. Кроме того, большинство современных «чистых» интерпретаторов не исполняют конструкции языка непосредственно, а компилируют их в некоторое высокоуровневое промежуточное представление (например, с разыменованием переменных и раскрытием макрокоманд). Большинство традиционно интерпретируемых или компилируемых языков могут реализовываться как встраиваемые, хотя метаязыков, которые были бы способны охватить другие языки как своё подмножество, не так много (наиболее ярким представителем является Lisp).

Как правило, скомпилированные программы выполняются быстрее и не требуют для выполнения дополнительных программ, так как уже переведены на машинный язык. Вместе с тем, при каждом изменении текста программы требуется её перекомпиляция, что замедляет процесс разработки. Кроме того, скомпилированная программа может выполняться только на том же типе компьютеров и, как правило, под той же операционной системой, на которую был рассчитан компилятор. Чтобы создать исполняемый файл для машины другого типа, требуется новая компиляция. Интерпретируемые языки позволяют запускать программы сразу же после изменения, причём на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий, а гомоикони́чные — и вовсе динамически перемещать программу между разными машинами без прерывания её работы (наиболее общий случай сериализации), позволяя разрабатывать системы непрерывной доступности[en] (см. тж. системы высокой доступности). Портируемость интерпретируемой программы определяется только наличием реализаций интерпретаторов под те или иные аппаратные платформы. Ценой всего этого становятся заметные потери быстродействия; кроме того, если программа содержит фатальную ошибку, то об этом не будет известно, пока интерпретатор не дойдёт до её места в коде (в отличие от статически типа безопасных языков>>>).

Некоторые языки, например, Java и C#, находятся между компилируемыми и интерпретируемыми. А именно, программа компилируется не в машинный язык, а в машинно-независимый код низкого уровня, байт-код. Далее байт-код выполняется виртуальной машиной. Для выполнения байт-кода обычно используется интерпретация, хотя отдельные его части для ускорения работы программы могут быть транслированы в машинный код непосредственно во время выполнения программы по технологии компиляции «на лету» (Just-in-time compilation, JIT). Для Java байт-код исполняется виртуальной машиной Java (Java Virtual Machine, JVM), для C# — Common Language Runtime. Подобный подход в некотором смысле позволяет использовать плюсы как интерпретаторов, так и компиляторов.

Языки первого и высшего порядка

Математическая логика классифицируется по порядку — см. логика первого порядка и логика высшего порядка. Эта терминология естественным образом наследуется информатикой, образуя семантики, соответственно, первого и высшего порядка. Языки первого порядка (например, потомки Алгола, такие как Basic или классический Pascal Вирта) позволяют определять только зависимости первого порядка между величинами. Например, значение square x зависит от значения x. Такие зависимости называются функциями. Языки высшего порядка позволяют определять зависимости между зависимостями. Например, значение map f x зависит от значений f и x, где значение f само выражает абстрактную зависимость (другими словами, параметр f варьируется над множеством функций определенной сигнатуры). Такие зависимости называются функциями высшего порядка. При этом в большинстве случаев говорят, что такой язык рассматривает зависимости (функции) как объекты первого класса, иначе говоря, допускает функции первого класса (некоторые языки, например Си, не поддерживают первоклассные функции, но предоставляют ограниченные возможности строить функции высшего порядка). Эти термины ввёл Кристофер Стрэчи. К языкам высшего порядка относятся почти все функциональные языки (исключения очень редки; примером функционального языка первого порядка долгое время являлся SISAL, но в 2018 году в него была добавлена поддержка первоклассных функций). С развитием систем типов различение порядков распространилось и на типы (см. конструктор типов).

Выразительность

Языки первого порядка позволяют воплощать в виде кода алгоритмы, но не архитектуру программ. По мнению Стрэчи, это ограничение унаследовано языком Алгол (а от него другими языками) из классической математики, где используются только константные операции и функции, однозначно распознаваемые вне контекста, и отсутствует систематическая нотация для произвольной работы с функциями (в качестве такой нотации в 1930-х годах было построено лямбда-исчисление, которое позже легло в основу языков высшего порядка). Схемы взаимодействия компонентов (процедур, функций, объектов, процессов и др.) для программ на языках первого порядка могут существовать лишь на условном уровне, вне самих программ. Со временем были обнаружены многократно повторяющиеся однотипные схемы такого рода, в результате чего вокруг них выстроилась самостоятельная методология — шаблоны проектирования. Языки высшего порядка позволяют воплощать такие схемы в виде исполняемого кода, пригодного для многократного использования (функций, предназначенных для преобразования и композиции других функций — см., например, конверторы и сканеры в SML). В результате, решения, которые на языках первого порядка могут быть представлены фрагментами программ (порой довольно сложными и громоздкими), на языках высшего порядка могут сокращаться до одной команды или вообще использования элемента семантики самого языка, не имеющего синтаксического выражения. Например, шаблон «Команда», часто применяемый в языках первого порядка, эквивалентен непосредственно самому понятию функции первого класса. То же распространяется и на более высокие слои языков — типизацию (см. полиморфизм в высших рода́х) и типизацию типизации (см. полиморфизм родо́в).

Cказанное преимущественно относится к языкам, семантика которых основана на лямбда-исчислении (потомки Lisp, ML). Однако некоторые языки иной природы также предоставляют возможность программирования высшего порядка[en]. Примерами служат стековые языки (Forth) и определенная разновидность объектно-ориентированных языков (Smalltalk, CLOS, см. сообщение высшего порядка).

Изучение

Введя терминологию «сущностей первого и второго класса», Стрэчи тут же акцентировал внимание на том, что из личного опыта и обсуждений со множеством людей он убедился, что невероятно тяжело перестать думать о функциях как об объектах второго класса. То есть порядок языка имеет ярко выраженное психологическое влияние (см. гипотеза Сепира — Уорфа). Владение языками более высокого уровня поможет программисту думать в терминах более высокоуровневых абстракций.

Низкоуровневые же языки могут навязывать обратное, в связи с чем широко известно следующее высказывание:

Практически невозможно обучить хорошему программированию студентов, имевших опыт работы с Бейсиком: как потенциальные программисты они ментально исковерканы без надежды на восстановление.

— Эдсгер Дейкстра

Это значит, что само по себе использование языка высшего порядка не означает автоматически изменение архитектуры и повышение коэффициента повторного использования (см. серебряной пули нет) — определяющим фактором является умение конкретного разработчика применять соответствующие идиомы.

Понятие возможностей и ограничений высокоуровневых конструкций, базовых принципов их реализации не только дают программисту возможность наиболее эффективно использовать изученный им язык, но и позволят создавать и использовать аналогичные механизмы в случае разработки на языке, где они не реализованы.

Разработчику, владеющему бо́льшим спектром языков программирования, будет проще выбрать среди них инструмент, наиболее подходящий для решения стоящей перед ним задачи, изучить, в случае необходимости, новый язык или реализовать предметно-ориентированный язык, к которым, к примеру, можно отнести интерфейс командной строки достаточно сложной программы.