Язык программирования

Прообразы языков появились до электронных ЭВМ: уже в XIX веке программируемые устройства (музыкальные шкатулки, Жаккардовый ткацкий станок, 1804) управлялись наборами инструкций, а в 1843 году Ада Лавлейс написала для машины Бэббиджа программу вычисления чисел Бернулли. В 1930—1940-х годах А. Чёрч, А. Тьюринг и А. Марков предложили абстракции для формализации алгоритмов — лямбда-исчисление, машину Тьюринга и нормальные алгоритмы; тогда же (1943—1945) К. Цузе создал «Plankalkül», считающийся первым высокоуровневым языком.

В начале 1950-х программисты UNIVAC и IBM 701 работали в машинном коде (первое поколение). Первым практически реализованным языком стал в 1949 году «Краткий код», работавший через интерпретатор. Им на смену пришли языки второго поколения — ассемблеры и автокоды с мнемониками вместо адресов, но всё ещё привязанные к архитектуре.

С середины 1950-х появились языки третьего поколения — Фортран, Лисп, Кобол — и в конце десятилетия Алгол. Эти «языки высокого уровня» универсальны, не зависят жёстко от системы команд и исполняются на любой ЭВМ с транслятором; их обновлённые версии используются доныне.

В 1960—1970-х годах сложились основные парадигмы — во многом как развитие языков третьего поколения:

• APL повлиял на функциональное программирование и первым поддержал обработку массивов;
• ПЛ/1 объединил черты Фортрана и Кобола;
• Snobol ввёл в базовые операции сопоставление с образцом;
• Симула впервые поддержала объектно-ориентированное программирование, а Smalltalk (середина 1970-х) стал всецело объектно-ориентированным;
• в 1969—1973 годах разрабатывался Си, ставший основой для C++, Java и других языков;
• в 1972 году создан Пролог — один из наиболее известных языков логического программирования;
• в 1973 году ML реализовал полиморфную типизацию, положив начало типизированным функциональным языкам.

Каждый из них породил семейство потомков. Тогда же велись споры о структурном программировании: Э. Дейкстра предлагал отказаться от GOTO.

1980-е годы стали временем консолидации: C++ объединил объектно-ориентированное и системное программирование, США стандартизировали производный от Паскаля язык Ада, а в Японии исследовали языки пятого поколения. Заметной тенденцией стало сосредоточение на модулях (Модула-2, Оберон, Ада, ML), нередко с обобщённым программированием, а также визуальные языки, получившие в 2010—2020-е годы импульс в образовании и low-code-разработке.

В 1990-х с развитием Интернета распространились языки веб-сценариев (Perl, Java) и виртуализация. В 2000—2020-х годах вошли в широкое употребление C#, Python, JavaScript, Go, Rust, Kotlin и Swift, а развитие сместилось к безопасности, параллелизму, модульности и интеграции с базами данных.

Для многих распространённых языков созданы международные стандарты: комитеты регулярно обновляют спецификации и решают вопросы о расширении конструкций.

Современные языки (C#, Java, Rust, Delphi) используют символы Юникода; исторически, до начала 2000-х, применялась 7-битная ASCII. Использование символов вне 7-битного ASCII зависит от реализации. В СССР и России существуют языки с русскоязычными ключевыми словами — встроенный язык программирования 1С:Предприятие, школьный алгоритмический язык системы КуМир и РАПИРА.

Синтаксис языка обычно задаётся формальной грамматикой, чаще всего близкой к форме Бэкуса — Наура^[2]. Большинство языков описываются контекстно-свободными грамматиками, лексемы — регулярными языками, а отдельные ограничения относят к контекстно-зависимым^[3]. На основе грамматики строится синтаксический анализатор (методы LL(n), LALR(1)^[2]), результатом чего становится Дерево разбора или AST^[2].

Семантика определяет смысл синтаксически корректных конструкций; её описывают тремя подходами^[4]:

• операционный описывает исполнение как шаги абстрактной машины;
• аксиоматический — через логические последствия с пред- и постусловиями;
• денотационный — сопоставлением конструкциям математических объектов.

«Уровень языка» означает степень отличия его семантики от машинного кода целевой архитектуры: язык тем «ниже», чем «ближе к машине». Критерии не всегда совпадают: «высокоуровневые» языки иногда реализуют аппаратно (Лисп-машина), а «низкоуровневый» ассемблер компилируют как «высокоуровневый» (VAX Macro на DEC Alpha), поэтому понятие условно.

К языкам низкого уровня относят машинные языки и ассемблеры: они дают точный контроль и быстродействие, но требуют переписывания при переносе. К 1970-м годам ответом на рост сложности стали языки высокого уровня, легче модифицируемые и переносимые. Наибольшее распространение получили языки третьего поколения, соответствующие машине фон Неймана; к четвёртому относят языки высшего порядка, а пятое (англ. very high level language) — логические языки, визуальные языки и языки на подмножестве естественного. К «языкам среднего уровня» относят Си, LLVM, C--.

Первые три поколения образуют императивную парадигму, последующие — декларативную: императивные языки описывают, как получить результат, декларативные — что требуется, оставляя выбор транслятору. Обычно языки высокого уровня дают код медленнее, но надёжность и скорость разработки важнее предельной скорости, поэтому выгоднее развивать оптимизирующую компиляцию; автоматическая сборка мусора считается важнейшим улучшением скорости разработки.

Представление данных числами в памяти вводит риск ошибок доступа к памяти, поэтому многие языки контролируют смысл операций через систему типов. Системы типов делятся на динамические (потомки Лиспа, Smalltalk) и статические — неполиморфные (потомки Алгола) и полиморфные (потомки ML); а также на сильные и слабые.

Язык называют безопасным, если принятые компилятором программы в динамике не выходят за рамки допустимого поведения. Безопасность одних языков (Standard ML) математически доказуема, а других (Ada) обеспечена ad hoc-образом; терминологию популяризировал Робин Милнер. Есть и языки для программ, верных по построению — Agda, Coq, — но их трудоёмкость растёт на порядки. Си и C++ небезопасны: в них обычны приведение типов и каламбур типизации, а системы статического анализа (PVS-Studio) обнаруживают не более 70—80 % ошибок.

Есть три способа реализации: компиляция, интерпретация и встраивание. Деление условно — язык с семантикой для интерпретации может реализовываться и оптимизирующими компиляторами (ML, Haskell). Компиляция преобразует исходный код в машинный код, давая исполнимый модуль; интерпретация выполняет код непосредственно; встраивание — «реализация без трансляции».

Скомпилированные программы обычно быстрее и автономны, но при изменении требуют перекомпиляции. Интерпретируемые запускаются сразу и на разных платформах ценой быстродействия. Языки вроде Java и C# занимают промежуточное положение: программа компилируется в байт-код, исполняемый виртуальной машиной (JVM, Common Language Runtime) с компиляцией «на лету».

Языки первого порядка (потомки Алгола — Basic, классический Pascal) определяют лишь зависимости первого порядка — функции. Языки высшего порядка определяют функции высшего порядка (map f x зависит от функции f), рассматривая функции как объекты первого класса; термины ввёл Кристофер Стрэчи. К ним относятся почти все функциональные языки.

Языки первого порядка позволяют воплощать алгоритмы, но не архитектуру программ, поэтому схемы взаимодействия компонентов оформились в методологию шаблонов проектирования. Языки высшего порядка воплощают такие схемы в переиспользуемом коде, сокращая громоздкие фрагменты до одной команды. Это касается в основном языков на базе лямбда-исчисления (потомки Лиспа, ML), но программирование высшего порядка дают и стековые (Forth), и часть объектно-ориентированных (Smalltalk, CLOS).

Порядок языка оказывает психологическое влияние: владение высокоуровневыми языками помогает мыслить абстрактнее^[5], а низкоуровневые могут навязывать обратное, с чем связано известное высказывание:

Само по себе использование языка высшего порядка не гарантирует улучшения архитектуры (см. серебряной пули нет) — решает умение применять нужные идиомы. Знание многих языков облегчает выбор инструмента и реализацию предметно-ориентированных языков^[6].

Отнесение языков к парадигмам ведётся по признакам — частью техническим, частью условным. Технически языки делятся на допускающие побочные эффекты и ссылочно-прозрачные; как парадигмы рассматривают и свойства системы типов или гомоиконичность, открывающую метапрограммирование. Многие языки формируют уникальные парадигмы: Лисп воплотил лямбда-исчисление, Smalltalk — объектно-ориентированную, а Forth — конкатенативную.

Более условно языки делятся на поколения: первые два — низкоуровневые, вместе с третьим образуют императивную парадигму, последующие — декларативную. С третьим поколением сложилось структурное и модульное программирование; к четвёртому относят функциональные языки, к пятому — логические. Многие парадигмы — условные методики организации структуры, применимые ко многим языкам, тогда как другие тесно связаны с техническими свойствами (шаблоны C++).

Программы решают задачи разного масштаба, и языки по-разному справляются с ростом сложности. Ключевое качество — абстракция, возможность отделять поведение компонента от способа реализации.

Тестируемость и модифицируемость определяются коэффициентом повторного использования. Параметрически полиморфные и динамические системы типов его повышают: функция длины массива применима к бесконечному множеству типов. Если же в сигнатуре требуется конкретная реализация данных, коэффициент падает: Pascal критиковали за обязательное указание размера массива, а C++ — за различение . и ->. Языки высшего порядка позволяют выделять схемы взаимодействия в функции высшего порядка, а максимум переиспользования достигается при переходе к специально разрабатываемому под задачу языку — переиспользуется язык, а не функция^[7].

Помимо семантики, переиспользование обеспечивает модульная структура — определение интерфейса для каждого фрагмента и сокрытие реализации. Одни языки (Basic, классический Pascal Вирта) рассчитаны лишь на мелкие программы, Си как «высокоуровневый ассемблер» тоже не поддерживает крупный масштаб, а Erlang, Smalltalk, Prolog дают базовыми примитивами сложные концепции (процессы, классы, базы знаний). Standard ML расслаивается на «ядро» и «язык модулей»; Лисп и Forth наращиваются безгранично, за что их называют метаязыками. Самый популярный подход к комплексированию — объектно-ориентированное программирование, хотя достоверных данных о его преимуществе по качеству нет.

Фредерик Брукс^[8] и Ч. Э. Р. Хоар подчёркивают необходимость концептуальной целостности — использования сходных синтаксических и семантических форм во всех частях системы (Хоар предсказывал, что сложность Ады станет причиной катастроф). Алан Кэй отделяет языки-«стиль во плоти» (англ. crystalization of style) от языков-«склеивания возможностей» (англ. agglutination of features)^[9], а Эндрю Аппель^[10] выделяет «языки, наследованные от математики» (англ. mathematically-derived languages).

Такие языки воплощают некое математическое исчисление, адаптированное для практики; они ортогональны, и их выразительность в целом выше. Большинство же языков проектируются исходя из эффективной трансляции в машину Тьюринга и почти не проверяются на безопасность совместного использования элементов, что ведёт к несовместимости реализаций.

Примеры математически обоснованных языков и воплощаемых ими моделей:

• Agda, Idris — интуиционистская теория типов Мартин-Лёфа.
• APL и потомки (J, K) — исчисление массивов.
• Coq (с 2025 года — Rocq) — исчисление индуктивных конструкций.
• Erlang — исчисление процессов (изначально модель акторов, позже ${\displaystyle \pi }$-исчисление).
• Forth — стековая машина и конкатенативный язык программирования.
• Haskell — теория категорий (монады, система типов Хиндли — Милнера).
• Лисп — лямбда-исчисление Чёрча.
  • Scheme — диалект Лиспа с нотацией продолжений.
• ML — типизированное лямбда-исчисление с системой Хиндли — Милнера.
• Prolog — исчисление предикатов.
• Smalltalk — теория множеств.
• SQL — исчисление кортежей (вариант реляционного).
• SGML и потомки (HTML, XML) — нотация деревьев.
• Рефал — «Рефал-машина» Турчина на основе нормального алгоритма Маркова.

Математическое обоснование может гарантировать (или обещать с высокой вероятностью) ряд свойств:

• Повышение стабильности — за счёт доказательства надёжности языка (см. типобезопасность), упрощения верификации (Coq, Agda) либо раннего обнаружения ошибок (Forth, регулярные выражения).
• Потенциально более высокая эффективность: для Scheme и Standard ML есть полнопрограммно-оптимизирующие компиляторы, конкурирующие с Си; одна из самых быстрых СУБД — KDB — написана на K.
• Заранее известный предел роста сложности компонентов, выразимых с сохранением качества^[10]. Языки без математического обоснования (C++, Java, C#) на практике снижают качество по мере усложнения, имея экспоненциальные кривые роста сложности^[11].
• Удобство для человека при решении профильных задач (см. проблемно-ориентированный язык).

• Учебные
• Предметно-специфичные
• Эзотерические
• Визуальные