Понятие «Язык программирования»

Сегодня практически все программы создаются с помощью язы­ков программирования. Теоретически программу можно написать и на естественном языке (говорят: программирование на метаязыке), но из-за неоднозначности естественного языка автоматически пере­вести такую программу в машинный код пока невозможно.

Языки программирования — это формальные искусственные язы­ки. Как и естественные языки, они имеют алфавит, словарньш'запас, грамматику и синтаксис, а также семантику. '

Алфавит - разрешенный к использованию набор символов, с помощью которого могут быть образованы слова и величины данного языка.

Синтаксис - система правил, определяющих допустимые конст­рукции языка программирования из букв алфавита.

Семантика — система правил однозначного толкования каждой языковой конструкции, позволяющих производить процесс обработ­ки даннх.

Взаимодействие синтаксических и семантических правил опре­деляет основные понятия языка, такие как операторы, идентифика­торы, константы, переменные, функции, процедуры и т.д. В отличие от естественных, язык программирования имеет ограниченный запас слов (операторов) и строгие правила их написания, а правила грам­матики и семантики, как и для любого формального языка, явно однозначно и четко сформулированы.

Языки программирования, ориентированные на команды про­цессора и учитывающие его особенности, называют языками низко­го уровня. «Низкий уровень» не означает неразвитый, имеется в виду, что операторы этого языка близки к машинному коду и ориентиро­ваны на конкретные команды процессора.

Языком самого низкого уровня является ассемблер. Программа, написанная на нем, представляет последовательность команд машин­ных кодов, но записанных с помощью символьных мнемоник. С по­мощью языков низкого уровня создаются компактные оптимальные

319программы, так как программист получает доступ ко всем возмож­ностям процессора. С другой стороны, при этом требуется хорошо понимать устройство компьютера, а использование такой програм­мы на компьютере с процессором другого типа невозможно. Такие языки программирования используются для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнее компактность, быстро­действие, прямой доступ к аппаратным ресурсам.

Языки программирования, имитирующие естественные, облада­ющие укрупненными командами, ориентированные «на человека», называют языками высокого уровня. Чем выше уровень языка, тем ближе структуры данных и конструкции, использующиеся в програм­ме, к понятиям исходной задачи. Особенности конкретных компь­ютерных архитектур в них не учитываются, поэтому исходные тек­сты программ легко переносимы на другие платформы, имеющие трансляторы этого языка. Разрабатывать программы на языках вы­сокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, число ошибок, допускаемых в процессе программирования, намного меньше. В настоящее время насчитывается несколько сотен таких языков (без учета их диалектов).

Таким образом, языки программирования высокого уровня, ори­ентированные на решение больших содержательных прикладных за­дач, являются аппаратно-независимыми и требуют использования соответствующих программ-переводчиков для преобразования текста программы в машинный код, который в итоге и обрабатывается про­цессором.

Компиляторы и интерпретаторы

С помощью языка программирования создается текст програм­мы, описывающий разработанный алгоритм. Чтобы программа была выполнена, надо либо весь ее текст перевести в машинный код (это действие и выполняет программа — компилятор) и затем передать на исполнение процессору, либо сразу выполнять команды языка, пе­реводя на машинный язык и исполняя каждую команду поочередно (этим занимаются программы — интерпретаторы).

Интерпретатор функционирует следующим образом: берет очередной оператор языка из текста программы, анализирует его струк­туру и затем сразу исполняет. После успешного выполнения текущей команды интерпретатор переходит к анализу и исполнению следую­щей. Если один и тот же оператор в программе выполняется несколь­ко раз, интерпретатор всякий раз воспринимает его так, будто встре­тил впервые. Поэтому программы, в которых требуется произвести большой объем повторяющихся вычислений, будут работать медлен­но. Для выполнения программы на другом компьютере также необ­ходимо установить интерпретатор, так как без него программа пред­ставляет собой набор слов и работать не может.

Компиляторы полностью обрабатывают весь текст программы (его называют исходным кодом или source code). Они осуществляют поиск синтаксических ошибок, выполняют семантический аналиЪ и только затем, если текст программы в точности соответствует пра­вилам языка, его автоматически переводят (транслируют) на машин­ный язык (говорят: генерируют объектный код или object code). Не­редко при этом выполняется оптимизация с помощью набора методов, позволяющих повысить быстродействие программы. Сгене­рированный объектный код обрабатывается специальной программой - сборщиком или редактором связей, который производит связыва­ние объектного и машинного кодов. Текст программы преобразует­ся в готовый к исполнению ЕХЕ-файл (исполнимый код), его можно сохранить в памяти компьютера или на диске. Этот файл имеет са­мостоятельное значение и может работать под управлением опера­ционной системы. Его можно перенести на другие компьютеры с процессором, поддерживающим соответствующий машинный код.

Основной недостаток компиляторов — трудоемкость трансляции языков программирования, ориентированных на обработку данных сложной структуры, заранее неизвестной или динамически меняю­щейся во время работы программы. Для таких программ в машин­ный код вводятся дополнительные проверки и анализ наличия ре­сурсов операционной системы, средства динамического захвата и освобождения памяти компьютера, что на уровне статически задан­ных машинных инструкций осуществить достаточно сложно, а для некоторых задач практически невозможно.

С помощью интерпретатора, наоборот, для исследования содер­жимого памяти допустимо в любой момент прервать работу програм­мы, организовать диалог с пользователем, выполнить любые слож-

II Информатика

321ные преобразования данных и при этом постоянно контролировать программно-аппаратную среду, что и обеспечивает высокую надеж­ность работы программы. Интерпретатор при выполнении каждой команды подвергает проверке и анализу необходимые ресурсы опе­рационной системы, при возникающих проблемах выдает сообщения

об ошибках.

В реальных системах программирования смешаны технологии компиляции и интерпретации. В процессе отладки программу мож­но выполнять по шагам (трассировать), а результирующий код не обязательно будет машинным, он может быть, например, аппарат-но-независимым промежуточным кодом абстрактного процессора, который в дальнейшем будет транслироваться в различных компью­терных архитектурах с помощью интерпретатора или компилятора в соответствующий машинный код.

Системы программирования

Процесс создания программы включает:

• Составление исходного кода программы (рис. 6.21) на языке про­граммирования.

• Этап трансляции, необходимый для создания объектного кода

программы.

• Построение загрузочного модуля, готового к исполнению.

Все перечисленные выше действия требуют наличия специаль­ных программных средств.

Исходны!П| Трансляция Ц рбГектный Ц Редактор II Загрузочный

^' """ Ч ~ II МОДУЛЬ

Код

Код

связей

модуль

Рис. 6.21. Процесс создания программы, готовой к исполнению Совокупность этих программных средств входит в состав систе­мы программирования:

• Текстовый редактор (необходимый для создания и редактирова­ния исходного кода программы на языке программирования).

• Компилятор.

• Редактор связей.

• Отладчик.

• Библиотеки функций.

• Справочная система.