Классификация языков программирования. Языки программирования высокого и низкого уровня: какие из них вам следует изучать

Конструкция языков программирования

Назначение языков программирования

Языки программирования

Языки программирования предназначены для связи человека с микропроцессорной системой. Эта связь заключается в передаче от человека в систему набор команд (инструкций), которые необходимо выполнить. Упорядоченный набор таких команд называется программа .

Т.о. языки программирования предназначены для написания компьютерных программ, содержащих инструкции по выполнению определённого процесса и организации управления какими-либо устройствами.

Языки программирования рассчитаны на использование ASCII , т. е. доступность всех графических символов ASCII является необходимым и достаточным условием для записи любых конструкций языка.

Программу на языке записывают в текстовом редакторе. Т.к. процессор понимает только цифровой двоичный код, написанные команды преобразуются в машинный код с помощью программы – переводчика, называемого транслятор. Различают два вида трансляторов:

1) интерпретаторы – обрабатывают текст непосредственно во время написания программы, т.е. каждую строку по отдельности;

2) компиляторы – преобразуют весь текст программы одновременно.

Работа программы состоит в обработке данных – констант и переменных . Действия над константами и переменными определяют операторы. Оператор являетсяинструкцией языка.

Программа представляет собой последовательность операторов, записанных друг за другом. По своей структуре программы могут быть линейными, циклическими и ветвящимися.

Различают уровни (по отношению к естественному, человеческому) языков программирования:

Низкого уровня – машинные языки;

Языки ассемблера – близки к машинному;

Языки высокого уровня – приближены к человеку.

Пользование машинным языком , единственно понятным микропроцессору, вызывает трудности, связанные с необходимостью записи громоздких, трудно запоминаемых двоичных кодовых комбина­ций, со слож­ностью поиска ошибок в составленной программе, представляющую собой последовательность цифровых кодов, с трудностью внесения изменений в составленную программу.

Наряду с указанными недостатками язык кодовых комбинаций имеет и достоинства. Программа на этом языке оказывается наиболее эффективной, она занимает минимальный объем памяти и быстрее ис­полняется.

Пример: Для представления машинного языка используем DOS программу DEBUG - специальная программа, входящая в состав утилит MS-DOS, для ввода и пошагового выполнения программ, написанных на машинном языке или с помощью команд ассемблера (рис. 3.16).

Рисунок 3.16 – Просмотр содержимого ячеек памяти в окне программы DEBUG

Какие бывают языки программирования? Что за концепции в них заложены? Как они развивались? В данной статье рассмотрим виды языков программирования основываясь на так называемых уровнях - от машинных кодов (низкий уровень, приближённый к компьютерному "железу") до таких языков, как Java или С# (высокий уровень). Чем меньше преобразований пройдёт текстовый листинг программы по пути превращения в набор нулей и единичек – тем ниже уровень. Далее мы рассмотрим:

1. Языки низкого уровня (машинные коды и ассемблер)
2. Средний уровень (C, Фортран ….)
3. Высокий уровень (C++, Java, Python, Ruby, JavaScript ...)

Уровень также характеризует насколько подробно нужно детализировать листинг будущей программы для воплощения реализации. Насколько этот процесс прост для человека. Не стоит считать уровень языка однозначным показателем его возможностей. Язык программирования – это инструмент, который эффективен в одной области и менее полезен в других. И столяр, и плотник работают с деревом. У первого основной инструмент – набор стамесок, у второго – топор. Однако резной шкаф изящнее сделает столяр, а дом быстрее поставит плотник. Хотя каждый и способен выполнить работу другого, но сделает это гораздо менее эффективно. Различные данные в компьютере представлены в виде наборов нулей и единиц. Управляющие команды для её обработки – те же данные, содержащие внутри себя инструкции, которые определяют местоположение необходимой информации и способ модификации.

Машинные языки (Самый низкий уровень)

Нам придётся совершить краткий визит из Software области в Hardware. Рассмотрим в упрощенном виде. Процессор – основной «мозг» компьютера. Материнская плата, на которой он установлен, содержит контроллеры, служащие для взаимодействия с прочими устройствами через шины (каналы данных для связи).

Некоторые работают с большой скоростью (красные стрелки): процессор черпает из памяти команды и манипулирует данными, видеокарта – особенно в 3D играх, потребляет огромные объёмы текстур, фигур, координат пикселей и прочих объектов для построения изображения на экране монитора. Другим (в силу ограничения скорости обмена информацией) столь высокие показатели и не нужны. Разнообразные внутренние и внешние устройства подключены на схеме зелёными стрелками.

Внутренний мир процессора

Все команды процессора поступают из памяти на выполнение в двоичном виде. Формат, количество, подмножество инструкций зависят от его архитектуры. Большинство из них несовместимо друг с другом и следуют разным идеологиям. А также вид команды сильно зависит от режима (8/16/32… разрядность) и источника данных (память, регистр, стек…), с которыми работает процессор. Одно и то же действие может быть представлено различными инструкциями. Процессор имеет команды сложения двух операндов (ADD X,Y) и прибавления единицы к указанному (INC X). Добавление тройки к операнду можно выполнить как ADD X,3 или троекратно вызвав INC X. И, в отношении разных процессоров, нельзя предсказать какой из этих способов будет оптимальным по скорости или объёму занимаемой памяти. Для удобства двоичную информацию записывают в 16-ричном виде. Рассмотрим часть привычной программы (язык C, синтаксис которого сходный с Java) int func () { int i = getData ("7" ) ; return ++ i; . . . } Код, реализующий те же действия в виде последовательности инструкций для процессора: ... 48 83 ec 08 bf bc 05 20 00 31 c0 e8 e8 fe ff ff 48 83 c4 08 83 c0 01 ... Вот так, собственно и выглядит низкоуровневый язык программирования для процессора intel. Фрагмент, вызывающий метод с аргументом и возвращающий увеличенный на единицу результат. Это и есть машинный язык (код), который передается непосредственно сразу, без преобразований, на исполнение процессору. Плюсы:

• Мы полностью хозяева положения, имеем самые широкие возможности использования процессора и аппаратуры компьютера.
• Для нас доступны все варианты организации и оптимизации кода.

Минусы:

• Необходимо обладать обширными знаниями по функционированию процессоров и учитывать большое количество аппаратных факторов при выполнении кода.
• Создание программ чуть более сложных чем приведенный пример приводит к резким увеличениям затрат времени по написанию кода и его отладку.
• Платформозависимость: программа, созданная для одного процессора, как правило, не будет функционировать на других. Возможно, и для данного процессора, в остальных режимах его работы, потребуется редактирование кода.

Машинные коды широко использовались на заре появления компьютеров, других способов программирования в эпоху пионеров ЭВМ не было. В данное время ими изредка пользуются инженера в области микроэлектроники при разработке или низкоуровневом тестировании процессоров.

Язык ассемблера (низкий уровень)

В отличие от компьютера мы с вами лучше воспринимаем информацию в текстовом/смысловом, а не цифровом виде. Вы с легкостью назовете полсотни имён контактов в вашем смартфоне, но вряд ли сможете наизусть написать соответствующие им номера телефонов. Аналогично и с программированием. На лестнице типов мы поднимемся выше, сделав три основных шага:

• Сопоставим группам цифровых инструкций процессора, выполняющих соответствующие действия, одну символьную команду.
• Выделим аргументы инструкций процессора отдельно.
• Введем возможность именовать области памяти, переменные, местоположение отдельных команд.

Сравним фрагменты прошлой программы в машинных кодах (по центру) и на языке ассемблера (справа): 2004 b0 48 83 ec 08 sub $0x8 , % rsp 2004 b4 bf bc 05 20 00 mov $0x2005bc , % edi 2004 b9 31 c0 xor % eax, % eax 2004 bb e8 e8 fe ff ff callq getData 2004 c0 48 83 c4 08 add $0x8 , % rsp 2004 c4 83 c0 01 add $0x1 , % eax Как видим, процесс написания программы упростился: нет необходимости пользоваться справочниками формирования цифровых значений команд, рассчитывать длины переходов, распределение данных в памяти по её ячейкам и иные особенности процессора. Мы описываем нужное действие из набора символьных команд и необходимых для логики из выполнения аргументов, а далее программа-транслятор переводит текстовый файл на понятный процессору набор нулей и единиц. Плюсы:

• Процесс написания и модификации кода упростился.
• Сохранился контроль ко всем ресурсам аппаратуры.
• Относительно легче переносить программу на другие платформы, но требуется их модификация в зависимости от аппаратной совместимости.

Минусы:

• Ассемблер относится к низкоуровневым языкам программирования. Создание даже небольших участков кода затруднено. К тому же также необходимо учитывать специфику работы аппаратуры.
• Платформозависимость.

Самый популярный демонстрационный Java пример: public static void main (String args) { System. out. println ("Hello World!" ) ; } будет выглядеть (NASM синтаксис, с использованием Windows API и kernel32.lib) следующим образом: global _main extern _GetStdHandle@4 extern _WriteFile@20 extern _ExitProcess@4 section . text _main: ; DWORD bytes; mov ebp, esp sub esp, 4 ; hStdOut = GetstdHandle ( STD_OUTPUT_HANDLE) push - 11 call _GetStdHandle@4 mov ebx, eax ; WriteFile ( hstdOut, message, length (message) , & bytes, 0 ) ; push 0 lea eax, [ ebp- 4 ] push eax push (message_end - message) push message push ebx call _WriteFile@20 ; ExitProcess (0 ) push 0 call _ExitProcess@4 ; never here hlt message: db "Hello, World" , 10 message_end: Как и машинные коды, ассемблер чаще используется инженерами и системными программистами. На нём пишут аппаратно-зависимые части ядра операционных систем, критические по времени или особенностям реализации драйвера различных периферийных устройств. Но в последнее время к нему прибегают всё реже и реже, так как его применение сильно сужает переносимость программ на другие платформы. Иногда используют процесс дизассемблирования – создают ассемблерный листинг программы из цифровых кодов для разбора логики выполнения небольших фрагментов. В редких случаях, если первоначальный высокоуровневый код недоступен: анализ вирусов для борьбы с ними или потере исходного текста. Язык ассемблера причисляют к первому/второму поколению (мы не будем рассматривать отдельно псевдокоды до возникновения ассемблера и их отличие от символьных команд). Хотелось бы выделить использование ассемблера в Demo Scene (демо-сцена): сплав искусства, математики и низкоуровневого кодирования, воплощающие художественные замыслы своих создателей в виде программ, генерирующих видеоклипы при ограничениях в ресурсах. Часто общий размер файла программы и данных не должен превышать 256 байт (также популярен и формат в 4/64 килобайта). Вот пример 4 Кб программы:

Языки группы C/Фортран (средний/высокий уровень)

С развитием возможностей вычислительной техники объём функциональности и сроки реализации кода на ассемблере уже не устраивали. Затраты для написания, тестирования и сопровождения программ росли на порядок быстрее их возможностей. Необходимо было снизить требования от программиста в плане знаний функционирования аппаратуры, дать ему инструмент, позволяющий писать на языках, приближенных к человеческой логике. Перейти к новому уровню типов языков программирования. Предоставить возможность разбивать на разнообразные модули с дальнейшим последовательным вызовом (парадигма процедурного программирования), предоставить различные типы данных с возможностью их конструирования и т. п. Дополнительно эти меры привнесли улучшенную переносимость кода на другие платформы, более комфортную организацию командной работы. Одним из первых языков, поддерживающий всё вышеперечисленное был разработанный в 50-е годы прошлого века Фортран . Возможность создавать в текстовом виде с описанием логики выполнения используя циклы, ветвления, подпрограммы и оперируя массивами и представляя данные в виде вещественных, целых и комплексных чисел приводила инженеров и учёных в восторг. За короткое время были созданы научные «фреймворки» и библиотеки. Всё это и стало следствием того, что Фортран и поныне имеет актуальность, пусть и в узкой научной среде, и развивается, так как багаж наработок очень велик, одна только библиотека IMSL активно развивается с 1970 (!) года, много ли вспомните подобных актуальных software-старожилов? Другая ветка развития языков этого уровня – C . Если Фортран стал инструментом учёных, то C создавался в помощь программистам, создающим прикладное ПО: операционные системы, драйвера и т. д. Язык позволяет вручную управлять распределением памяти, даёт прямой доступ к аппаратным ресурсам. C-программистам приходится контролировать низкоуровневые сущности, поэтому многие придерживаются мнения, что язык C – усовершенствованный ассемблер и его часто называют языком «среднего» уровня. Привнеся в ассемблер типизацию данных, элементы процедурного и модульного программирования язык C и сегодня является одним из основных для системного программирования, чему также способствует и бурное развитие микроэлектроники в последнее время. Всевозможные гаджеты, контроллеры, сетевые и прочие устройства нуждаются в драйверах, реализации протоколов для совместной работы и прочем относительно низкоуровневом ПО для реализации взаимодействия с аппаратурой. Все вышеперечисленное способствует востребованности языка и в настоящее время. Объектно-ориентированные и функциональные принципы получили дальнейшее развитие в виде C++, C#, Java, взяв многое от синтаксиса C. Плюсы:

• Упрощение процесса создания кода: введение типов, разбивка на модули, сокращение листинга программ.
• Прозрачная логика заложенного алгоритма вследствие ухода от машинных кодов к более понятным для человека командам в семантически описательном стиле.
• Переносимость. Стало достаточно перекомпилировать текст программы для выполнения на другой платформе (возможно, с небольшой модификацией).
• Скорость откомпилированных программ.

Минусы:

• Отсутствие автоматического управления памятью и необходимость постоянного её контроля.
• Отсутствие реализации концепций объектно-ориентированного и функционального программирования.

Развитие языков высокого уровня

Высокоуровневые языки программирования, в плане создания ПО, стали всё по большей части удаляться от машинных кодов и реализовывать различные, помимо процедурного, парадигм программирования. К ним относят также и реализацию объектно-ориентированных принципов. C++, Java, Python, JavaScript, Ruby… – спектр языков данного типа наиболее популярен и востребован сегодня. Они предоставляют больше возможностей для реализации разнообразного ПО и нельзя однозначно определить «специализацию» каждого из них. Но популярность применения в соответствующих областях обусловлена библиотеками/фреймворками для работы с ними, например: JavaScript – Frontend. Язык был разработан для взаимодействия клиентского веб-браузера с пользователем и удалённым сервером. Наиболее популярные библиотеки: Angular, React и VUE. В данное время относительно активно употребляется и на web и т. п. серверах (backend), особенно популярен Node.js. Ruby – Backend. Применяется для создания скриптов (служебных сервисных файлов) и на web серверах. Основной фреймворк - Ruby On Rails. Python – научная и инженерная сфера (помимо веб-области). Является альтернативой стандартным вычислительным и математическим пакетам (Mathematica, Octave, MatLab…), но имеет привычную семантику языка и большое число библиотек. Имеет много поклонников в области систем машинного обучения, статистики и искусственного интеллекта. Из часто используемых библиотек необходимо упомянуть django, numpy, pandas, tensorflow. С++ – Универсал, эволюционное развитие языка C. Предоставляет возможности функционального и объектно-ориентированного программирования и не потеряв при этом способность низкоуровневого взаимодействия с аппаратным обеспечением. За счёт чего реализуется производительность и гибкость при создании ПО, но и цена соответствует: высокий порог вхождения за счёт сложной спецификации языка, необходимости самостоятельного контроля за ресурсами при выполнении программы. Многие однопользовательское и системное ПО написано с его применением: модули операционных систем (Windows, Symbian…), игры, редакторы (Adobe Photoshop, Autodesk Maya…), базы данных (MSSQL, Oracle…), проигрыватели (WinAmp…) и т. д. Следует отметить, что современное ПО является сложным продуктом, в разработке которого используется сразу несколько языков программирования и расставлять степень участия каждого из них в общий результат бывает весьма затруднительно.

Дальнейший прогресс

В последнее время набирает популярность и иной вид программирования - функциональное (дальнейшее развитие уровня языка) . Здесь уже другой вид абстракции для вычислений – функции, которые берут в качестве аргументов набор функций и возвращают другую. Роль переменных играют те же функции (привычные нам переменные – просто константные выражения, аналогичные final перед объявлением типа в Java). Собственно функция замкнута в своей области видимости, результат её работы зависит только от переданных аргументов. Отсюда вытекают два замечательных свойства:

• Для тестирования нам необходимы только аргументы функций (результат работы не зависит от внешних переменных и т. п.).
• Программа в функциональном стиле чудесным образом готова к параллельной работе: последовательные вызовы функций можно пускать в соседних потоках (так как на них не действуют внешние факторы) и им не нужны блокировки (то есть, проблемы синхронизации отсутствуют). Хороший стимул уделить время этой теме, учитывая повальное распространение многоядерных процессоров.

Однако и порог вхождения выше, чем для ООП: для эффективного кода необходимо строить программу, описывая в виде функций алгоритм выполнения. Но также для чистого функционального стиля неплохо бы знать азы логики и теории категорий. Наиболее популярные – Haskell, Scala, F#. Но не бойтесь, в Java (как и в других современных языках третьего поколения) появились элементы функционального программирования и их возможно комбинировать вместе с ООП. Более подробно вы познакомитесь со всеми этими подробностями на онлайн-стажировке JavaRush. Область логического программирования (следующий уровень языков) пока не нашла широкого практического применения в силу малой востребованности. Построение программ требует знание основ дискретной математики, логики предикатов, средств ограничений и других разделов математической логики. Наиболее популярный активный язык – Prolog.

Заключение

В настоящее время самые распространённые – языки ООП. Java, с момента возникновения, всегда находится в топе, обычно в тройке, востребованных языков. Помимо ООП, содержит элементы функционального программирования, и вы можете комбинировать разные стили составления ваших программ. Спектр применения Java весьма широк – это бизнес задачи, реализация веб-серверов (backend), основной язык создания Android-приложений, кроссплатформенные среды программирования и рабочих мест (IDE/АРМ) и моделирования и многое другое. Особенно сильны позиции Java в Enterprise секторе – области корпоративного программного обеспечения, которая требует качественный и долгоживущий код, реализацию самых сложных бизнес-логик.

2 года назад я написал статью о классификации знаний в области программирования. Это было на волне интереса и моей активной деятельности по самообразованию в компьютерных науках. Написал статью и забыл о ней. Публиковать на Хабре не собирался. В конце концов, она базируется на моем личном опыте и знаних, которые могут оказаться весьма субъективны.

Недавно, на фоне постоянно поступающих вопросов «как научиться программированию?», я вспомнил про этот материал и перечитал его. Прошло уже 2 года, пополнился опыт, добавились знания, изменились взгляды. Но эта статья для меня не утратила актуальности, и я не нашел почти ничего, что хотел бы в ней изменить. Мне показалось, что она все же достойна публикации. И, возможно, кому-то она поможет в собственном профессиональном развитии.

Но прежде, чем «запустить» материал, еще небольшое отступление. О том, почему вообще я все это писал. Дело в том, что у нас в странах бывшего СССР с образованием в области IT очень туго. С одной стороны нет программ обучения, которые подготовят специалистов на должном уровне (наверное, за очень редкими исключениями, которые можно отнести к погрешности). С другой стороны, из-за широких возможностей самообразования, программисты и не спешат учиться в ВУЗах - все стремятся начать практиковать как можно раньше. Часто изучается только одно направление (например PHP+Mysql - самое популярное) и в бой. Причем, на этом все заканчивается. В итоге у нас огромное количество программистов, которые и базовых вещей не знают. Отсюда вытекают проблемы с качеством кода, и с эффекивностью алгоритмов, с велосипедированием.

Но программирование - это полноценная область знаний, которая требует в том числе и инженерной подготовки. Точно так же, как строительство или телекоммуникации. Да, построить дом (особняк) можно своими руками и без образования. А поднять большинство сайтов можно прочитав пару книг по PHP и HTML. Но многоэтажку без специальной подготовки не построишь, как и Гугл не напишешь, не зная основ.

Возможности для самообразования в компьютерных науках сейчас огромны. Единственное, чего не хватает, - это системности подготовки. Как разобраться, что и в какой последовательности изучать? Мне кажется, что этот материал поможет разложить по полочкам области знаний в компьютерных науках и составить для себя программу изучения по книгам. Выбор книг - тема отдельная, в рамки статьи не входит, но это можно обсудить в комментариях.

Поехали.

Меня иногда спрашивают, что нужно выучить, чтобы стать программистом. Вопрос несколько наивный, т.к. нормально ответить на него по-моему невозможно. Т.е. для начала нужно выяснить, каким программистом нужно стать. Да и вообще, программистом ли? Кроме того, на рынке востребованы как высококвалифицированные дорогие специалисты, так и “рабочая сила”. Пакет знаний и опыта первых и вторых отличается в значительной степени.

Но, не смотря на такую расплывчатость вопроса, дать ответ на него все же можно. Можно описать примерный максимум знаний, которые так или иначе относятся к программированию. Собственно, этот максимум обычно и стремятся преподать в ВУЗах на специальностях, в названии которых фигурирует слово “программист”.

Я учился на программиста в колледже, потом в университете. Именно университет немного разложил по полочкам понимание и взаимосвязь дисциплин, относящиеся к так называемым компьютерным наукам. Пусть знания, которые там давали, были недалекими и немного устаревшими, но системный подход у них был сформирован неплохой. Спустя годы практики после окончания обучения я пришел к выводу, что ВУЗовская классификация дисциплин вполне хороша и позволяет ответить на вопрос, что же следует знать любому программисту.

Конечно, знать все невозможно. Да и не нужно. Кроме того, какие-то вопросы нужно знать глубоко, а в других достаточно поверхностного обзорного понимания. По-этому в зависимости от специализации некоторые дисциплины более актуальны, некоторые менее. Но общие базовые знания необходимы почти по всем из них для любого инженера-программиста, от системщика до веб-разработчика.

В предыдущем абзаце я специально ввел термин “инженер-программист”. Как-то получается так, что программист - это не обязательно инженер. Даже из определения Википедии следует, что инженер - это в первую очередь проектировщик. Это тот, кто создает, т.е. проектирует системы. А в практике программирования проектирование нужно не всегда. Иногда достаточно кодирования: используя данный набор технологий, слепить что-то работающее. Типичный пример - стадо корпоративных или маркетинговых сайтов на джумлах, ворпрессах, друпалах и т.д. Это уровень техника, не инженера. Это уровень среднего образования. И работать техником можно даже после окончания курсов какого-либо языка программирования, крепкая теоретическая база там не нужна.

И, возвращаясь к инженерам-программистам, я хочу предложить свой граф дисциплин, которые изучают программисты. Очевидно, что одни дисциплины активно используют знания других, либо вовсе вырастают из других. Соответственно для полного понимания “верхнего” предмета, необходим какой-то уровень понимания нижнего.

Граф состоит из предметов (дисциплин) и разбит на уровни. Самый нижний - Общая база - вообще отношения к компьютерным наукам не имеет. Он приведен только для того, чтобы показать, на чем базируются дисциплины компьютерных наук.

Между дисциплинами существуют 2 вида связей: использование (обычная стрелка) и расширение (контур стрелки). Использование подразумевает необходимость фрагментарных знаний другого предмета, а расширение - необходимость как минимум обзорных, но полных знаний расширяемой дисциплины.

Первый уровень из CS (computer science) - Специальная база . Это стартовая площадка для любого программиста по четырем фронтам:

1. арифметические основы ЭВМ (системы счисления и операции с числами, логические операции);
2. физические основы ЭВМ (полупроводники, транзисторы, логические элементы, схемы, интегральные микросхемы);
3. теория алгоритмов (алгоритмы и структуры данных; сложность, эффективность; способы представления информации в памяти);
4. языки программирования (задача и понятие ЯП, уровни, типы языков, абстракция, уровни абстракции, трансляция/компиляция, шаблоны, принципы, парадигмы - обзор).

Специальная база предлагает фундаментальные теоретические знания, на которых строятся дисциплины более высоких уровней. Для среднего программиста необходимы обзорные знания по всем предметам специальной базы. Для некоторых специализаций требуется углубленное понимание теории алгоритмов (прежде всего - разработчикам разного рода библиотек).

Уровнем выше располагаются дисциплины, которые являются базовыми именно в программировании. По-этому я назвал этот уровень Основы . В него входят:

1. архитектура ЭВМ (процессоры, микроархитектура, память, шины, ввод/вывод);
2. обработка информации (теория информации, статистика, модели, поиск данных, лингвистические аспекты, обработка информации средствами табличных процессоров);
3. основы C/C++ (базовые свойства языка, синтаксис, указатели, ввод/вывод, массивы, основы STL).

Следом за Основами идет Уровень 1 . Это первый прикладной уровень, и особо нетерпеливые могут начать коммерческую практику, овладев этим уровнем. Он включает 5 дисциплин:

1. основы ASM (развитие архитектуры ЭВМ в направлении программирования, написание простейших драйверов и алгоритмов, ассемблерные вставки в C/C++);
2. C/C++ (ООП, разработка прикладных приложений, библиотеки, WinAPI, make utils, параллельное программирование).
3. операционные системы (архитектура ОС, процессы, межпроцессное взаимодействие, потоки, планирование, работы с памятью и переферией, POSIX-системы);
4. системный анализ (предметная область, бизнес-процессы, потоки, диаграммы, принципы и теория системного анализа);
5. базы данных (теория множеств, виды СУБД, реляционные СУБД, модели данных, SQL, конкретные БД).

Следующий уровень - Уровень 2 - развивает предыдущий. Кстати, компьютерные сети попали в него только по той причине, что для их изучения желательно (но не обязательно) предварительно освоить операционные системы. По развитости этот предмет ближе все-таки к первому уровню.

Уровень 2 включает:

1. разработку ПО (жизненный цикл ПО, этапы разработки, основы ведения программных проектов, инструменты);
2. анализ данных (Data Mining, OLAP, машинное обучение, нейронные сети, ИИ);
3. компьютерные сети (по уровням стеков TCP/IP и/или ISO/OSI “от и до”, протоколы, сетевое программирование на C/C++);
4. языки программирования с управляемым кодом (управляемый код, виртуальные машины, сборщики мусора, юнит-тестирование, собственно практика на C# или Java);

Уровень 3 - последний уровень для среднего программиста. Он самый объемный и включает только те дисциплины, которые непосредственно связаны с разработкой ПО. Всего их получилось 6:

1. разработка UI и юзабилити (принципы построения интерфейсов пользователя);
2. управление командами и проектами (методологии разработки и другие вопросы управления);
3. тестирование ПО (обзорно: виды тестирования, инструменты);
4. веб-технологии (HTTP-протокол, веб-сервер, CGI, кэширование и проксирование, клиентское программирование);
5. распределенные системы (архитектуры распределенных систем, протоколы сетевого взаимодействия компонентов, инструменты, принципы, подходы к построению распределенных систем, отказоустойчивость, большие данные, высокие нагрузки);
6. интерпретируемые языки программирования (особенности, основы по двум-трем языкам, практика по одному-двум языкам: JS, PHP, Python, Ruby).

Все, что идет выше, - расширенные Экспертные знания . По большому счету этот уровень можно расширять неограниченно, добавляя в него смежные с разработкой дисциплины и наиболее сложные аспекты разработки ПО. Я привел 3 примера - разработка компиляторов, разработка операционных систем и построение архитектур больших программно-аппаратных систем, либо архитектур, рассчитанных на особо высокие нагрузки. Зависимости к нижним уровням га графе не рисовал, т.к. получится слишком много стрелок, идущих через все уровни, вплоть до Общей базы. Наверное, широкие зависимости - это один из признаков вопросов экспертного характера. Здесь как раз подтверждается то, что экспертный уровень требует самых широких знаний и хорошего опыта.

Интересно в графе то, что он не только показывает предпочтительный порядок изучения предметов, но также:

1. дает возможность понять, какие дисциплины нужны больше, какие меньше для работы в определенной специализации (просто выбрать основной предмет специализации и смотреть по связям и удаленности до других);
2. дает понимание, как изучать компьютерные науки, если начинать не с фундаментальных основ, а с прикладных знаний (например, PHP) - можно двигаться по связям в стороны и вниз - собственно именно таким был мой личный путь развития (и я никак не могу назвать его самым легким, эффективным и оптимальным).

Граф - это модель. А хорошая модель как правило дает ответы сразу на множество вопросов. Я поставил перед собой задачу сделать хороший граф, близкий к реальности. Естественно, он основан на моем личном опыте и не претендует на идеал. Я старался сделать его наиболее объективным. И еще раз напоминаю, что это граф для программиста. Т.е. для тестировщика, сисадмина и других близких к программированию профессий он будет более или менее близким, но явно другим.

P.S. Убедительная просьба не развивать холивары на тему, что должен и что не должен знать программист. Это личный выбор каждого и статья совсем не об этом. Здесь приведена классификация знаний и взаимосви между ними. Это интересно не всем, это нужно не всем.

Язык программирования - формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, определяющих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель под её управлением.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало более восьми тысяч языков программирования (включая нестандартные, визуальные и эзотерические языки). Каждый год их число увеличивается. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты могут владеть десятком и более разных языков программирования.

Язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые представляют собой набор правил, позволяющих компьютеру выполнить тот или иной вычислительный процесс, организовать управление различными объектами, и т. п. Язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для
взаимодействия человека с ЭВМ, в то время как естественные языки используются для общения людей между собой. Большинство языков программирования использует специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.

Как правило, язык программирования существует в виде:

• стандарта языка - набора спецификаций, определяющих его синтаксис и семантику; стандарт языка может исторически развиваться (см. подробнее стандартизация);
• воплощений (реализаций) стандарта - собственно программных средств, обеспечивающих работу согласно тому или иному варианту стандарта языка; такие программные средства различаются по производителю, марке и варианту (версии), времени выпуска, полноте воплощения стандарта, дополнительным возможностям; могут иметь определённые ошибки или особенности воплощения, влияющие на практику использования языка или даже на его стандарт.

Способы реализации языков

Языки программирования могут быть реализованы как: компилируемые, интерпретируемые и встраиваемые.
Программа на компилируемом языке при помощи компилятора (особой программы) преобразуется (компилируется) в машинный код (набор инструкций) для данного типа процессора и далее собирается в исполнимый модуль, который может быть запущен на исполнение как отдельная программа. Другими словами, компилятор переводит исходный текст программы с языка программирования высокого уровня в двоичные коды инструкций процессора.

Если программа написана на интерпретируемом языке, то интерпретатор непосредственно выполняет (интерпретирует) исходный текст без предварительного перевода. При этом программа остаётся на исходном языке и не может быть запущена без интерпретатора. Процессор компьютера, в этой связи, можно назвать интерпретатором для машинного кода.

Разделение на компилируемые и интерпретируемые языки является условным. Так, для любого традиционно компилируемого языка, как, например, Паскаль, можно написать интерпретатор. 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 макросов).
Для любого интерпретируемого языка можно создать компилятор - например, язык Лисп, изначально интерпретируемый, может компилироваться без каких бы то ни было ограничений. Создаваемый во время исполнения программы код может так же динамически компилироваться во время исполнения.

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 обладают некоторыми специфическими дополнительными возможностями (см. выше), кроме того, программы на них можно запускать сразу же после изменения, что облегчает разработку.

Программа на интерпретируемом языке может быть зачастую запущена на разных типах машин и операционных систем без дополнительных усилий.
Однако интерпретируемые программы выполняются заметно медленнее, чем компилируемые, кроме того, они не могут выполняться без программы-интерпретатора.
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. Следует упомянуть, что есть языки, имеющие и интерпретатор, и компилятор (Форт).

Языки программирования низкого уровня

Первые компьютеры приходилось программировать двоичными машинными кодами. Однако программировать таким образом - довольно трудоемкая и тяжелая задача. Для упрощения этой задачи начали появляться языки программирования низкого уровня, которые позволяли задавать машинные команды в понятном для человека виде. Для преобразования их в двоичный код были созданы специальные программы - трансляторы.
Трансляторы делятся на:

• компиляторы - превращают текст программы в машинный код, который можно сохранить и после этого использовать уже без компилятора (примером является исполняемые файлы с расширением *.exe).
• интерпретаторы - превращают часть программы в машинный код, выполняют его и после этого переходят к следующей части. При этом каждый раз при выполнении программы используется интерпретатор.

Примером языка низкого уровня является ассемблер. Языки низкого уровня ориентированы на конкретный тип процессора и учитывают его особенности, поэтому для переноса программы на ассемблере на другую аппаратную платформу её нужно почти полностью переписать. Определенные различия есть и в синтаксисе программ под разные компиляторы. Правда, центральные процессоры для компьютеров фирм AMD и Intel практически совместимы и отличаются лишь некоторыми специфическими командами. А вот специализированные процессоры для других устройств, например, видеокарт и телефонов содержат существенные различия.
Языки низкого уровня, как правило, используют для написания небольших системных программ, драйверов устройств, модулей стыков с нестандартным оборудованием, программирование специализированных микропроцессоров, когда важнейшими требованиями являются компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам. Ассемблер - язык низкого уровня, широко применяется до сих пор.

Языки программирования высокого уровня

Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому созданные приложения легко переносятся с компьютера на компьютер. В большинстве случаев достаточно просто перекомпилировать программу под определенную компьютерную архитектурную и операционную систему. Разрабатывать программы на таких языках значительно проще и ошибок допускается меньше. Значительно сокращается время разработки программы, что особенно важно при работе над большими
программными проектами.
Сейчас в среде разработчиков считается, что языки программирования, которые имеют прямой доступ к памяти и регистров или имеют ассемблерные вставки, нужно считать языками программирования с низким уровнем абстракции. Поэтому большинство языков, считавшихся языками высокого уровня до 2000 года сейчас уже таковыми не считаются.

• Адресный язык программирования
• Фортран
• Кобол
• Алгол
• Pascal
• Pascal ABC
• Python
• Basic
• Objective-C
• Smalltalk
• Delphi

Недостатком некоторых языков высокого уровня является большой размер программ в сравнении с программами на языках низкого уровня. С другой стороны, для алгоритмически и структурно сложных программ при использовании суперкомпиляции преимущество может быть на стороне языков высокого уровня. Сам текст программ на языке высокого уровня меньше, однако, если взять в байтах, то код, изначально написанный на ассемблере, будет более компактным. Поэтому в основном языки высокого
уровня используются для разработки программного обеспечения компьютеров и устройств, которые имеют большой объём памяти. А разные подвиды ассемблера применяются для программирования других устройств, где критичным является размер программы.

Используемые символы

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 большую популярность подобные языки не завоевали.
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.

Категории языков программирования

• Функциональные
• Процедурные (императивные)
• Стековые
• Аспектно-ориентированные
• Декларативные
• Динамические
• Учебные
• Описания интерфейсов
• Прототипные
• Объектно-ориентированные
• Рефлексивные (то есть поддерживающие отражение)
• Логические
• Скриптовые (сценарные)
• Эзотерические

Разные типы процессоров имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. В данном случае «низкий уровень» не значит «плохой». Имеется в виду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора. Языком самого низкого уровня является язык ассемблера, который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью символьных условных обозначений, называемых, мнемониками. Однозначное преобразование одной машинной инструкции в одну команду ассемблера называется транслитерацией. Так как наборы инструкций для каждого модели процессора отличаются, конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассемблера, и написанная на нем программа может быть использована только в этой среде. С помощью языков низкого уровня создаются очень эффективные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, при этом требуется очень хорошо понимать устройство компьютера, затрудняется отладка больших приложений, а результирующая программа не может быть перенесена на компьютер с другим типом процессора. Подобные языки обычно применяют для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнейшими требованиями становятся компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам. В некоторых областях, например в машинной графике, на языке ассемблера пишутся библиотеки, эффективно реализующие требующие интенсивных вычислений алгоритмы обработки изображений. Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы, для которых создан транслятор этого языка. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, а ошибок при создании программ допускается гораздо меньше.

2. Поколения языков программирования

Языки программирования принято делить на пять поколений. В первое поколение входят языки, созданные в начале 50-х годов, когда первые компьютеры только появились на свет. Это был первый язык ассемблера, созданный по принципу «одна инструкция - одна строка».

Расцвет второго поколения языков программирования пришелся на конец 50-х - начало 60-х годов. Тогда был разработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Он стал первым полноценным языком программирования. Благодаря его возникновению заметно возросли скорость разработки и надежность программ.

Появление третьего поколения языков программирования принято относить к 60-м годам. В это время родились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решать задачи из любых областей. Такие качества новых языков, как относительная простота, независимость от конкретного компьютера и возможность использования мощных синтаксических конструкций, позволили резко повысить производительность труда программистов. Понятная большинству пользователей структура этих языков привлекла к написанию небольших программ (как правило, инженерного или экономического характера) значительное число специалистов из некомпьютерных областей. Подавляющее большинство языков этого поколения успешно применяется и сегодня.

С начала 70-х годов по настоящее время продолжается период языков четвертого поколения. Эти языки предназначены для реализации крупных проектов, повышения их надежности и скорости создания. Они обычно ориентированы на специализированные области применения, где хороших результатов можно добиться, используя не универсальные, а проблемно-ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями узкой предметной области. Как правило, в эти языки встраиваются мощные операторы, позволяющие одной строкой описать такую функциональность, для реализации которой на языках младших поколений потребовались бы тысячи строк исходного кода.

Рождение языков пятого поколения произошло в середине 90-х годов. К ним относятся также системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Главная идея, которая закладывается в эти языки, - возможность автоматического формирования результирующего текста на универсальных языках программирования (который потом требуется откомпилировать). Инструкции же вводятся в компьютер в максимально наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных для человека, не знакомого с программированием.

3. Обзор языков программирования высокого уровня

Fortran (Фортран). Это первый компилируемый язык, созданный Джимом Бэкусом в 50-е годы. Программисты, разрабатывавшие программы исключительно на ассемблере, выражали серьезное сомнение в возможности появления высокопроизводительного языка высокого уровня, поэтому основным критерием при разработке компиляторов Фортрана являлась эффективность исполняемого кода. Хотя в Фортране впервые был реализован ряд важнейших понятий программирования, удобство создания программ было принесено в жертву возможности получения эффективного машинного кода. Однако для этого языка было создано огромное количество библиотек, начиная от статистических комплексов и кончая пакетами управления спутниками, поэтому Фортран продолжает активно использоваться во многих организациях, а сейчас ведутся работы над очередным стандартом Фортрана F2k, который появится в 2000 году. Имеется стандартная версия Фортрана HPF(High Performance Fortran) для параллельных суперкомпьютеров со множеством процессоров.

Cobol (Кобол) . Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес-задач, разработанный в начале 60-х годов. Он отличается большой «многословностью» - его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящимися на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сегодня. Достаточно сказать, что наибольшую зарплату в США получают программисты на Коболе.

Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Он был призван заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В1968 году была создана версия Алгол 68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы.

Pascal (Паскаль). Язык Паскаль, созданный в конце 70-х годов основоположником множества идей современного программирования Никлаусом Виртом, во многом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании крупных проектов.

Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы, а по популярности он занимает первое место в мире. Он создавался в 60-х годах в качестве учебного языка и очень прост в изучении.

С (Си). Данный язык был создан в лаборатории Bell и первоначально не рассматривался как массовый. Он планировался для замены ассемблера, чтобы иметь возможность создавать столь же эффективные и компактные программы, и в то же время не зависеть от конкретного типа процессора.

Си во многом похож на Паскаль и имеет дополнительные средства для прямой работы с памятью (указатели). На этом языке в 70-е годы написано множество прикладных и системных программ и ряд известных операционных систем (Unix).

C++ (Си++). Си++ - это объектно-ориентированное расширение языка Си, созданное Бьярном Страуструпом в 1980 году. Множество новых мощных возможностей, позволивших резко повысить производительность программистов, наложилось на унаследованную от языка Си определенную низкоуровневость, в результате чего создание сложных и надежных программ потребовало от разработчиков высокого уровня профессиональной подготовки.

Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Си++. Он призван упростить разработку приложений на основе Си++ путем исключения из него всех низкоуровневых возможностей. Но главная особенность этого языка - компиляция не в машинный код, а в платформно-независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора - виртуальной Java-машины JVM(Java Virtual Machine), версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию множества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода, поэтому по популярности язык Ява сегодня занимает второе место в мире после Бейсика.

Особое внимание в развитии этого языка уделяется двум направлениям: поддержке всевозможных мобильных устройств и микрокомпьютеров, встраиваемых в бытовую технику (технология Jini) и созданию платформно-независимых программных модулей, способных работать на серверах в глобальных и локальных сетях с различными операционными системами (технология Java Beans). Пока основной недостаток этого языка - невысокое быстродействие, так как язык Ява интерпретируемый.