Языки программирования высокого и низкого уровня: какие из них вам следует изучать. Какие языки программирования для чего нужны

Программирование - это целая наука, позволяющая создавать компьютерные программы. Она включает в себя огромное количество различных операций и алгоритмов, которые образуют единый язык программирования. Итак, что же это такое и какими бывают языки программирования? В статье даны ответы, а также приведен обзорный список языков программирования.

Историю возникновения и изменения программных языков следует изучать наравне с историей развития компьютерных технологий, ведь эти понятия связаны между собой напрямую. Без языков программирования невозможно было бы создать никакую программу для работы компьютера, а значит, создание вычислительных машин стало бы бессмысленным занятием.

Первый машинный язык был придуман в 1941 году Конрадом Цузе, который является изобретателем аналитической машины. Чуть позже, в 1943 г., Говард Эйкен создал машину "Марк-1", способную считывать инструкцию на уровне машинного кода.

В 1950-х годах начался активный спрос на разработку программного обеспечения, а машинный язык не выдерживал большие объемы кода, поэтому был создан новый способ общения с компьютерами. "Ассемблер" является первым мнемоническим языком, заменившим машинные команды. С годами список языков программирования только увеличивается, ведь область применения компьютерных технологий становится обширнее.

Классификация языков программирования

На данный момент существует более 300 языков программирования. Каждый из них имеет свои особенности и подходит для одной определенной задачи. Все языки программирования можно условно разделить на несколько групп:

• Аспектно-ориентированные (основная идея - разделение функциональности для увеличения эффективности программных модулей).
• Структурные (в основе лежит идея создания иерархической структуры отдельных блоков программы).
• Логические (в основе лежит теория аппарата математической логики и правил резолюции).
• Объектно-ориентированные (в таком программировании используются уже не алгоритмы, а объекты, которые принадлежат определенному классу).
• Мультипарадигмальные (сочетают в себе несколько парадигм, и программист сам решает, каким языком воспользоваться в том или ином случае).
• Функциональные (в качестве основных элементов выступают функции, которые меняют значение в зависимости от результатов вычислений исходных данных).

Программирование для начинающих

Многие задаются вопросом, что же такое программирование? По сути, это способ общения с компьютером. Благодаря языкам программирования мы можем ставить перед различными устройствами определенные задачи, создавая специальные приложения или программы. При изучении данной науки на начальном этапе самое главное - это выбрать подходящие (интересные для вас) языки программирования. Список для начинающих приведен ниже:

• Basic придуман в 1964 году, относится к семейству высокоуровневых языков и используется для написания прикладных программ.
• Python ("Питон") довольно легко выучить благодаря простому читаемому синтаксису, преимущество же в том, что на нем можно создавать как обычные десктопные программы, так и веб-приложения.
• Pascal ("Паскаль") - один из древнейших языков (1969 г.), созданных для обучения студентов. Его современная модификация имеет строгую типизацию и структурированность, однако "Паскаль" - вполне логичный язык, который понятен на интуитивном уровне.

Это не полный список языков программирования для начинающих. Существует огромное количество синтаксисов, которые доступны для понимания, и обязательно будут востребованы в ближайшие годы. Каждый вправе самостоятельно выбрать то направление, которое будет интересным для него.

Новички имеют возможность ускорить изучение программирования и его основ благодаря специальным инструментам. Основной помощник - это интегрированная среда разработки программ и приложений Visual Basic («Визуал Бейсик» одновременно является и языком программирования, который унаследовал стиль языка Basic 1970-х годов).

Уровни языков программирования

Все формализованные языки, предназначенные для создания, описания программ и алгоритмов для решения задач на компьютерах, делятся на две основных категории: языки программирования низкого уровня (список приведен ниже) и высокого уровня. Поговорим о каждом из них отдельно.

Низкоуровневые языки предназначены для создания машинных команд для процессоров. Главное их преимущество в том, что они используют мнемонические обозначения, т. е. вместо последовательности нулей и единиц (из двоичной системы счисления) компьютер запоминает осмысленное сокращенное слово из английского языка. Самые известные языки низкого уровня - это "Ассемблер" (существует несколько подвидов этого языка, каждый из которых имеет много общего, а отличается лишь набором дополнительных директив и макросов), CIL (доступен в платформе.Net) и Байт-код JAVA.

Языки программирования высокого уровня: список

Высокоуровневые языки созданы для удобства и большей эффективности приложений, они являются полной противоположностью низкоуровневых языков. Их отличительная черта - наличие смысловых конструкций, которые емко и кратко описывают структуры и алгоритмы работы программ. В языках низкого уровня их описание на машинном коде было бы слишком длинным и непонятным. Языки же высокого уровня обладают независимостью от платформы. Вместо них функцию транслятора совершают компиляторы: они переводят текст программы в элементарные машинные команды.

Следующий список языков программирования: C ("Си"), C# ("Си-шарп"), "Фортран", "Паскаль", Java ("Ява") - входит в число самых используемых высокоуровневых синтаксисов. Он обладает следующими свойствами: эти языки работают с комплексными структурами, поддерживают строковые типы данных и операции с файлами ввода-вывода информации, а также имеют преимущество - с ними гораздо проще работать благодаря читабельности и понятному синтаксису.

Самые используемые языки программирования

В принципе, написать программу можно на любом языке. Вопрос в том, будет ли она работать эффективно и без сбоев? Вот почему для решения различных задач следует выбирать наиболее подходящие языки программирования. Список по популярности можно охарактеризовать так:

• языки ООП: Java, C++, Python, PHP, VisualBasic и JavaScript;
• группа структурных языков: Basic, Fortran и Pascal;
• мультипарадигмальные: C#, Delphi, Curry и Scala.

Область применения программ и приложений

Выбор языка, на котором написана та или иная программа, во многом зависит от области ее применения. Так, например, для работы с самим "железом" компьютера (написания драйверов и поддерживающих программ) лучшим вариантом станет C ("Си") или С++, которые входят в основные языки программирования (список смотрите выше). А для разработки мобильных приложений, в том числе игр, следует выбрать Java или С# ("Си-шарп").

Если вы еще не определились, в каком направлении работать, то рекомендуем начать изучение с языков C или C++. Они имеют весьма понятный синтаксис, четкое структурное разделение на классы и функции. К тому же, зная C или С++, можно с легкостью выучить любой другой язык программирования.

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.

Внедрение ЭВМ во все сферы человеческой деятельности требует от специалистов разного профиля овладения навыками использования вычислительной техники. Повышается уровень подготовки студентов вузов, которые уже с первых курсов приобщаются к использованию ЭВМ и простейших численных методов, не говоря уже о том, что при выполнении курсовых и дипломных проектов применение вычислительной техники становится нормой в подавляющем большинстве вузов.

Вычислительная техника используется сейчас не только в инженерных расчетах и экономических науках, но и таких традиционно нематематических специальностях, как медицина, лингвистика, психология. В связи с этим можно констатировать, что применение ЭВМ приобрело массовый характер. Возникла многочисленная категория специалистов - пользователей ЭВМ, которым необходимы знания по применению ЭВМ в своей отрасли - навыки работы с уже имеющимся программным обеспечением, а так же создания своего собственного ПО, приспособленного для решения конкретной задачи. И здесь на помощь пользователю приходят описания языков программирования.

2. Что такое язык программирования

Язык программирования - формальная знаковая система, предназначенная для описания алгоритмов в форме, которая удобна для исполнителя (например, компьютера). Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, используемых при составлении компьютерной программы. Он позволяет программисту точно определить то, на какие события будет реагировать компьютер, как будут храниться и передаваться данные, а также какие именно действия следует выполнять над этими при различных обстоятельствах.

Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более двух с половиной тысяч языков программирования. Каждый год их число пополняется новыми. Некоторыми языками умеет пользоваться только небольшое число их собственных разработчиков, другие становятся известны миллионам людей. Профессиональные программисты иногда применяют в своей работе более десятка разнообразных языков программирования.

Создатели языков по-разному толкуют понятие язык программирования . Среди общиx мест, признаваемых большинством разработчиков, находятся следующие:

· Функция: язык программирования предназначен для написания компьютерных программ, которые применяются для передачи компьютеру инструкций по выполнению того или иного вычислительного процесса и организации управления отдельными устройствами.

· Задача: язык программирования отличается от естественных языков тем, что предназначен для передачи команд и данных от человека компьютеру, в то время как естественные языки используются лишь для общения людей между собой. В принципе, можно обобщить определение "языков программирования" - это способ передачи команд, приказов, чёткого руководства к действию; тогда как человеческие языки служат также для обмена информацией.

· Исполнение: язык программирования может использовать специальные конструкции для определения и манипулирования структурами данных и управления процессом вычислений.

3. Этапы решения задачи на ЭВМ.

Наиболее эффективное применение ВТ нашла при проведении трудоемких расчетов в научных исследованиях и инженерных расчетах. При решении задачи на ЭВМ основная роль все-таки принадлежит человеку. Машина лишь выполняет его задания по разработанной программе. роль человека и машины легко уяснить, если процесс решения задачи разбить на перечисленные ниже этапы.

Постановка задачи. Этот этап заключается в содержательной (физической) постановке задачи и определении конечных решений.

Построение математической модели. Модель должна правильно (адекватно) описывать основные законы физического процесса. Построение или выбор математической модели из существующих требует глубокого понимания проблемы и знания соответствующих разделов математики.

Разработка ЧМ. Поскольку ЭВМ может выполнять лишь простейшие операции, она «не понимает» постановки задачи, даже в математической формулировке. Для ее решения должен быть найден численный метод, позволяющий свести задачу к некоторому вычислительному алгоритму. В каждом конкретном случае необходимо выбрать подходящее решение из уже разработанных стандартных.

Разработка алгоритма. Процесс решения задачи(вычислительный процесс) записывается в виде последовательности элементарных арифметических и логических операций, приводящей к конечному результату и называемой алгоритмом решения задачи.

Программирование. Алгоритм решения задачи записывается на понятном машине языке в виде точно определенной последовательности операций - программы. Процесс обычно производится с помощью некоторого промежуточного языка, а ее трансляция осуществляется самой машиной и ее системой.

Оладка программы. Составленная программа содержит разного рода ошибки, неточности, описки. Отладка включает контроль программы, диагностику (поиск и определение содержания) ошибок, и их устранение. Программа испытывается на решении контрольных (тестовых) задач для получения уверенности в достоверности результатов.

Проведение расчетов. На этом этапе готовятся исходные данные для расчетов и проводится расчет по отлаженной программе. при этом для уменьшения ручного труда по обработке результатов можно широко использовать удобные формы выдачи результатов в виде текстовой и графической информации, в понятном для человека виде.

Анализ результатов. Результаты расчетов тщательно анализируются, оформляется научно-техническая документация.

4. Для чего нужны языки программирования

Процесс работы компьютера заключается в выполнении программы, то есть набора вполне определённых команд во вполне определённом порядке. Машинный вид команды, состоящий из нулей и единиц, указывает, какое именно действие должен выполнить центральный процессор. Значит, чтобы задать компьютеру последовательность действий, которые он должен выполнить, нужно задать последовательность двоичных кодов соответствующих команд. Программы в машинных кодах состоят из тысячи команд. Писать такие программы – занятие сложное и утомительное. Программист должен помнить комбинацию нулей и единиц двоичного кода каждой программы, а также двоичные коды адресов данных, используемых при её выполнении. Гораздо проще написать программу на каком-нибудь языке, более близком к естественному человеческому языку, а работу по переводу этой программы в машинные коды поручить компьютеру. Так возникли языки, предназначенные специально для написания программ, - языки программирования.

Имеется много различных языков программирования. Вообще-то для решения большинства задач можно использовать любой из них. Опытные программисты знают, какой язык лучше использовать для решения каждой конкретной задачи, так как каждый из языков имеет свои возможности, ориентацию на определённые типы задач, свой способ описания понятий и объектов, используемых при решении задач.

Всё множество языков программирования можно разделить на две группы: языки низкого уровня и языки высокого уровня.

К языкам низкого уровня относятся языки ассемблера (от англ. toassemble – собирать, компоновать). В языке ассемблера используются символьные обозначения команд, которые легко понятны и быстро запоминаются. Вместо последовательности двоичных кодов команд записываются их символьные обозначения, а вместо двоичных адресов данных, используемых при выполнении команды, - символьные имена этих данных, выбранные программистом. Иногда язык ассемблера называют мнемокодом или автокодом.

Большинство программистов пользуются для составления программ языками высокого уровня. Как и обычный человеческий язык, такой язык имеет свой алфавит – множество символов, используемых в языке. Из этих символов составляются так называемые ключевые слова языка. Каждое из ключевых слов выполняет свою функцию, так же как в привычном нам языке нам языке слова, составленные из букв алфавита данного языка, могут выполнять функции разных частей речи. Ключевые слова связываются друг с другом в предложения по определённым синтаксическим правилам языка. Каждое предложение определяет некоторую последовательность действий, которые должен выполнить компьютер.

Язык высокого уровня выполняет роль посредника между человеком и компьютером, позволяя человеку общаться с компьютером более привычным для человека способом. Часто такой язык помогает выбрать правильный метод решения задачи.

Перед тем как писать программу на языке высокого уровня, программист должен составить алгоритм решения задачи, то есть пошаговый план действий, который нужно выполнить для решения этой задачи. Поэтому языки, требующие предварительного составления алгоритма, часто называют алгоритмическими языками.

Когда вы пытаетесь выяснить, какой язык программирования начать изучать, вы, вероятно, столкнетесь с терминами «высокий уровень» и «низкий уровень». Люди постоянно говорят о языках программирования высокого и низкого уровня. Но что именно это означает? И что значит научиться писать код? Начнем с определений каждого.

Языки программирования «Высокого» и «Низкого уровня»

В этой статье я расскажу о языках «высокого» и «низкого уровня». Но особых критериев для определения этого нет. Просто имейте в виду, что это во многом зависит от вашей перспективы. Если вы программист C, Java может показаться довольно высокоуровневым. Если вы привыкли к Ruby, Java может показаться языком низкого уровня.

Машинный код и языки низкого уровня

Независимо от того, считается ли язык высокоуровневым или низкоуровневым (или где-то посередине), речь идет об абстракции. Машинный код не имеет абстракции - он содержит отдельные инструкции, передаваемые на компьютер. И поскольку машины имеют дело только с числами, они представлены в двоичном виде (хотя они иногда записываются в десятичной или шестнадцатеричной нотации).

Вот пример машинного кода:

В машинном коде операции должны быть указаны точно. Например, если часть информации должна быть извлечена из памяти, машинный код должен будет сообщить компьютеру, где в памяти его найти.

Писать непосредственно в машинный код возможно, но очень сложно.

Низкоуровневые языки программирования добавляют немного абстракции к машинным кодам. Эта абстракция скрывает конкретные инструкции машинного кода за декларациями, которые более читабельны для человека. Языки ассемблера являются языками самого низкого уровня рядом с машинным кодом.

В машинный код вы можете написать что-то вроде «10110000 01100001», но язык ассемблера может упростить это как «MOV AL, 61h». Между тем, что написано на языке ассемблера, и инструкциями, переданными машине, по-прежнему существует почти одно-однозначное соответствие.

Перейдя на более популярные языки программирования, вы придете к чему-то вроде C. Хотя этот язык не такого низкого уровня, как язык ассемблера, все еще существует сильное соответствие между тем, что написано на C и машинным кодом. Большинство операций, написанных на C, могут быть заполнены небольшим количеством инструкций машинного кода.

Языки программирования высокого уровня

Как и языки более низкого уровня, более высокие уровни охватывают широкий спектр абстракций. Некоторые языки, такие как Java (многие относят его к языкам программирования среднего уровня), все же дают вам большой контроль над тем, как компьютер управляет памятью и данными.

Другие, такие как Ruby и Python, очень абстрактны. Они дают вам меньше доступа к функциям нижнего уровня, но синтаксис гораздо легче читать и писать. Вы можете группировать вещи в классах, которые наследуют характеристики, поэтому вам нужно только объявить их один раз.

Переменные, объекты, подпрограммы и циклы являются важными частями языков высокого уровня. Эти и другие концепции помогут вам рассказать машине о множестве вещей с короткими, краткими заявлениями.

Если язык ассемблера имеет почти единообразное соответствие между его командами и командами машинного кода, язык более высокого уровня может отправлять десятки команд с помощью одной строки кода.

Важно отметить, что «языки программирования высокого уровня» могут включать в себя все, что более абстрактно, чем язык ассемблера.

Какой язык изучать: низкого или высокого уровня?

Это, безусловно, общий вопрос среди новых и начинающих программистов. Какие языки программирования лучше изучать: высокого или низкого уровня? Как и в случае со многими вопросами программирования, вопрос о языках программирования высокого и низкого уровня не так прост.

Оба типа языков имеют важные преимущества. Низкоуровневые языки, так как они требуют небольшой интерпретации компьютером, обычно работают очень быстро. И они дают программистам большой контроль над хранением, памятью и извлечением данных.

Однако языки высокого уровня интуитивно понятны и позволяют программистам писать код намного эффективнее. Эти языки также считаются «более безопасными», так как есть больше гарантий, которые препятствуют кодеру издавать плохо написанные команды, которые могут нанести ущерб. Но они не дают программистам такого же контроля над процессами низкого уровня.

Помня об этом, вот список популярных языков по шкале от низкого до высокого:

• JavaScript
• Python

Конечно, это отчасти субъективно. И включает только крошечную часть доступных языков.

Но это должно дать вам некоторое представление о том, на каком уровне находятся интересующие вас языки.

Что Вы хотите делать?

При принятии решения о том, какой язык вы будете изучать, ваш первый вопрос должен быть следующим: что вы хотите запрограммировать?

Если вы хотите программировать операционные системы, ядра или что-то, что необходимо для работы на максимальной скорости, язык более низкого уровня может быть хорошим выбором. Большая часть Windows, OS X и Linux написана на языках C и C-производных языках, таких как C ++ и Objective-C.

Многие современные приложения пишутся на языках более высокого уровня или даже на предметно-ориентированных языках. Python и Ruby особенно популярны для веб-приложений, хотя HTML5 становится все более мощным. Языки, такие как Swift, C #, JavaScript и SQL, имеют свои сильные и слабые стороны.

Недавно читал тему на форуме по программированию и наткнулся на интересное предложение: изучите сразу оба уровня. Вы получите более глубокое понимание типов абстракций, которые делают язык более высокого уровня более эффективным.

Конечно, изучение двух языков одновременно непросто, так что вы можете немного растянуть их изучение. И выбор двух языков, которые наиболее похожи, может быть полезным.

Опять же, мы вернемся к тому, о чем я говорил раньше: выберите язык, основанный на том, что вы хотите сделать. Проведите некоторое исследование, чтобы узнать, какие языки люди используют в своей области. Затем используйте эту информацию, чтобы выбрать язык высокого и низкого уровня, и начните изучать их.

Вы скоро увидите параллели, и вы получите гораздо более глубокое понимание того, как работает программирование.

Сосредоточьтесь на цели, а не на средстве

Существует множество критериев, которые вы можете использовать для выбора языка программирования. Одним из критериев является высокий и низкий уровень. Но почти в каждом случае критерии, которые вы должны использовать, - это то, что вы хотите запрограммировать.

Вашему проекту может быть полезен язык низкого уровня. Или это может быть намного более эффективно на высоком уровне. Вы должны сами выбрать правильный инструмент для работы. Сосредоточьтесь на своей цели, и каждый раз выбирайте правильный язык.

У вас есть опыт работы с языками высокого и низкого уровня? Вы предпочитаете одни другим? Поделитесь своими мыслями в комментариях ниже!

Программирование для начинающих

Для начала я хотел бы сказать, что управлять компьютером и создавать программы может любой человек. Для создания компьютерных программ не нужно обладать невероят­ным интеллектом или ученой степенью в математических дисциплинах. Вам понадобится только желание в чем-то разобраться и терпение, чтобы не бросить занятия.

Умение писать программы - это такое же умение, как и умение плавать, танце­вать или жонглировать. Некоторым людям действительно удается делать это намного лучше, чем другим, но любой человек сможет достичь определенных результатов при должной практике. Именно по этой причине дети становятся асами программирова­ния в раннем возрасте. Дети не обязательно гениальны; они просто склонны позна­вать новое и не боятся ошибаться.

Несмотря на то, что компьютеры кажутся очень сложными электронными чудови­щами, расслабьтесь. Совсем немногие знают, как именно работают поисковые машины, которые позволяют вам быстро находить необходимую информацию в Internet, a некоторые люди и не разобрались, как управлять автомобилем. Точно так же прак­тически любой может научиться создавать программы, не вдаваясь в подробности о том, как именно работает компьютер.

Вообще говоря, программа указывает компьютеру, как решить ту или иную проблему. Поскольку в мире полно проблем, количество программ, которые могут написать люди, бесконечно.

Однако, для того чтобы сообщить компьютеру, как решить одну громадную про­блему, обычно вам придется рассказать компьютеру, как решить целый ряд мелких проблем, из которых и состоит большая проблема.
На самом деле программирование совсем несложно и не является чем-то загадочным и сверхъестественным. Если вы в состоянии написать пошаговые инструкции, которые по­зволят человеку найти ваш дом, вы сможете написать и компьютерную программу.

Самое сложное в программировании - определение небольших проблем, обра­зующих проблему, которую вам необходимо решить. Так как компьютеры абсолютно глупы, вам придется рассказать им, как выполнять любые действия.

Если вы считаете, что создавать программу интереснее, чем ее использовать, у вас есть все необходимое для того, чтобы создавать компьютерные программы. Если вы хотите изучить написание компьютерных программ, вам необходимы три следующих качества.

Стремление. Если вы чего-то очень сильно хотите, вы обязательно это получите (но если вы совершите что-то противозаконное, вы рискуете провести немало времени в тюрьме). Если вы хотите научиться про­граммировать, ваше желание обязательно вам поможет, независимо от того, сколько препятствий окажется у вас на пути.

Любознательность. Здоровая доза любознательности может подогревать ваше стремление к экспериментированию и дальнейшему совершенст­вованию навыков программирования даже после прочтения настоящей книги. Благодаря любопытству изучение программирования окажется для вас менее скучным и более интересным. А если вам интересно, вы обязательно изучите и запомните больше сведений, чем любой абсо­лютно незаинтересованный в этом человек (например, ваш начальник).
Воображение. Создание компьютерных программ - это навык, но во­ображение поможет сделать этот навык более совершенным и направ­ленным. Обладающий изрядной долей воображения начинающий про­граммист всегда будет создавать намного более интересные и полезные программы, чем замечательный программист без воображения. Если вы не знаете, что же делать со своими навыками программирования, ваш талант просто погибнет без воображения.

Стремление, любознательность и воображение - вот три самых важных качества, которыми должен обладать каждый программист. Если вы обладаете ими, вам стоит беспокоиться только о мелочах: какой язык программирования изучать (например, C++), что там с математикой и т.д.

Среди многих языков программирования вы всегда сможете найти именно тот язык, который подходит для решения данной задачи. При появлении нового типа проблем люди создают новые языки.

Конечно, на самом деле компьютер понимает только один язык, состоящий из ну­лей и единиц, который называется машинным языком. Обычно программа, написанная на машинном языке, выглядит приблизительно так:

0010 1010 0001 1101

ООН 1100 1010 1111

0101 ОНО 1101 0101

1101 1111 0010 1001

Далее, очень существенно, для какой цели выбирается язык - для обучения программированию либо для решения конкретной прикладной задачи. В первом случае язык должен быть простым для понимания, строгим и по возможности лишенным "подводных камней". Во втором - пусть сложным, но эффективным и выразительным инструментом для профессионала, знающего чего он хочет.

Теперь мне бы хотелось разъяснить вам, что следует отличать язык программирования (Basic, Pascal) от его реализации, которая обычно представлена в составе среды программирования (Quick Basic, Virtual Pascal) - набора средств для редактирования исходных текстов, генерации исполняемого кода, отладки, управления проектами и т.д. Синтаксис и семантика языка программирования фиксируется в стандарте языка. Каждая среда программирования предоставляет свой интерпретатор или компилятор с этого языка, который зачастую допускает использование конструкций, не фиксированных в стандарте.

Рассмотрим основные и популярные языки программирования

Assembler Это ярчайший представитель языков низкого уровня, набор понятий которого основан на аппаратной реализации. Это средство автоматизации для программирования непосредственно в кодах процессора. Машинные команды описываются в виде мнемонических операций, что позволяет добиться достаточно высокой модифицируемости кода. Поскольку набор команд на разных процессорах различен, то и о совместимости говорить не приходится. Использование ассемблера целесообразно в случаях, когда необходимо напрямую взаимодействовать с оборудованием, либо получить большую эффективность для некоторой части программы за счет более высокого контроля над генерацией кода.

Кобол - Язык программирования высокого уровня, разработанный в конце 1950-х гг. ассоциацией КАДАСИЛ для решения коммерческих и экономических задач. Отличается развитыми средствами работы с файлами. Поскольку команды программ, написанных на этом языке, активно используют обычную английскую лексику и синтаксис, Кобол рассматривается как один из самых простых языков программирования. В настоящее время используется для решения экономических, информационных и других задач.

Фортран - Язык программирования высокого уровня, разработанный фирмой IBM в 1956 г. для описания алгоритмов решения вычислительных задач. Относится к категории процедурно-ориентированных языков. Наиболее распространенными версиями этого языка являются Фортран IV, Фортран 77 и Фортран 90. Используется на всех классах ЭВМ. Последняя его версия также применяется на ЭВМ с параллельной архитектурой.

Ада - Язык программирования высокого уровня, ориентированный на применение в системах реального времени и предназначенный для автоматизации задач управления процессами и/или устройствами, например, в бортовых (корабельных, авиационных и др.) ЭВМ. Разработан по инициативе министерства обороны США в 1980-х гг. Назван в честь английского математика Ады Августы Байрон (Лавлейс), жившей в 1815-1851 гг.

BASIC (Beginner"s All-purpose Symbolic Instruction Code) Рожденный в 60-е годы в Америке. Бейсик был задуман как простой язык для быстрого освоения. Бейсик стал фактическим стандартом для МикроЭВМ именно благодаря своей простоте как в освоении так и в реализации. Однако для достижения этого качества был принят ряд решений (отсутствие типизации, нумерация строк и неструктурное GOTO, и др.), негативно сказывающихся на стиле изучающих программирование. Кроме того, недостаток выразительных средств привел к появлению огромного количества диалектов языка, не совместимых между собой. Современные, специализированные версии Бейсика (такие как Visual Basic) несмотря на приобретенную "структурность" обладают все теми же недостатками, прежде всего - небрежностью по отношению к типам и описаниям. Пригоден для использования на начальном этапе обучения, как средство автоматизации (в случаях когда он встроен в соответствующие системы) либо как средство для быстрого создания приложений.

Pascal Разработанный известным теоретиком Н.Виртом на основе идей Алгола-68, Паскаль предназначался прежде всего для обучения программированию. Построенный по принципу "необходимо и достаточно", он располагает строгим контролем типов, конструкциями для описания произвольных структур данных, небольшим, но достаточным набором операторов структурного программирования. К сожалению, обратной стороной простоты и строгости является громоздкость описаний конструкций языка. Наиболее известная реализация - Turbo/Borland Pascal - несмотря на отличия от стандарта Паскаля, представляет из себя среду и набор библиотек, сделавшие из учебного языка промышленную систему для разработки программ в среде MS-DOS.

C и C++ В основе языка C - требования системного программиста: полный и эффективный доступ ко всем ресурсам компьютера, средства программирования высокого уровня, переносимость программ между различными платформами и операционными системами. С++, сохраняя совместимость с C, вносит возможности объектно-ориентированного программирования, выражая идею класса (объекта) как определяемого пользователем типа. Благодаря перечисленным качествам, C/C++ занял позицию универсального языка для любых задач. Но его применение может стать неэффективным там, где требуется получить готовый к употреблению результат в кратчайшие сроки, либо там, где невыгодным становится сам процедурный подход.

Delphi - это не продолжатель дела Borland Pascal / Borland C, его ниша - т.е. быстрое создание приложений (Rapid Application Developing, RAD). Подобные средства позволяют в кратчайшие сроки создать рабочую программу из готовых компонентов, не растрачивая массу усилий на мелочи. Особое место в таких системах занимают возможности работы с базами данных.

Лисп - Алгоритмический язык, разработанный в 1960 г. Дж. Маккарти и предназначенный для манипулирования перечнями элементов данных. Используется преимущественно в университетских лабораториях США для решения задач, связанных с искусственным интеллектом. В Европе для работ по искусственному интеллекту предпочитают использовать Пролог.

Пролог - Язык программирования высокого уровня декларативного, предназначенный для разработки систем и программ искусственного интеллекта. Относится к категории языков пятого поколения. Был разработан в 1971 г. в университете г. Марсель (Франция), относится к числу широко используемых и постоянно развиваемых языков. Последняя его версия Prolog 6.0

ЛОГО - Язык программирования высокого уровня, разработан в Массачусетском технологическом институте в ориентировочно 1970 г. для целей обучения математическим понятиям. Используется также в школах и пользователями ПЭВМ при написании программ для создания чертежей на экране монитора и управления перьевым графопостроителем.

Java Как яркий пример специализации, язык Java появился в ответ на потребность в идеально переносимом языке, программы на котором эффективно исполняются на стороне клиента WWW. В ввиду специфики окружения, Java может быть хорошим выбором для системы, построенной на Internet/Intranet технологии.

Алгол - Язык программирования высокого уровня, ориентированный на описание алгоритмов решения вычислительных задач. Был создан в 1958 г. специалистами западно-европейских стран для научных исследований. Версия этого языка Алгол-60 была принята Международной конференцией в Париже (1960 г.) и широко использовалась на ЭВМ 2-го поколения. Версия Алгол-68, разработанная группой специалистов Международной федерации по обработке информации (ИФИП) в 1968 г., получила статус международного универсального языка программирования, ориентированного на решение не только вычислительных, но и информационных задач. Хотя в настоящее время Алгол практически не используется, он послужил основой или оказал существенное влияние на разработку более современных языков, например, Ада, Паскаль и др.

Самого лучшего языка не существует. Если вы собираетесь стать профессионалом в написании программ, вам необходимо изучить один из языков программирования высокого уровня (наиболее популярен язык программирования C++), а также один из языков программирования баз данных (например, SQL). Изучив язык программиро­вания C++, вы не ошибетесь. Зная этот язык, вы всегда сможете найти работу в любой компании, занимающей­ся программированием.
Несмотря на большую популярность языка программирования C++, часто исполь­зуются и другие языки. На многих устаревших компьютерах до сих пор работают программы, написанные на языке программирования COBOL. Поэтому нужны про­граммисты, которые умеют усовершенствовать данные программы, а также писать но­вые. Очень часто крупные компании выплачивают таким программистам высокую за­работную плату.
Если вы собираетесь работать самостоятельно, предпочтительнее всего научиться создавать собственные программы для баз данных. Для этого вам понадобится изучить такие языки программирования, как SQL или VBA, которые используются в програм­ме Microsoft Access. Для того чтобы создавать Web-страницы, необходимо знать HTML, а также немного знать Java, JavaScript, VBScript и другие языки программиро­вания для Internet. Самым нужным будет тот язык программирования, который по­зволит решить поставленные перед вами задачи легко и быстро. Это может быть язык программирования C++, BASIC, Java, SQL или язык ассемблера.

В заключение отметим, что с профессиональной точки зрения не так важно на каком языке и в какой среде работает программист, сколько как он выполняет свою работу. Меняется аппаратура и операционные системы. Возникают новые задачи из самых различных предметных областей. Уходят в прошлое и появляются новые языки. Но остаются люди - те, кто пишет и те, для кого пишут новые программы и чьи требования к качеству остаются теми же вне зависимости от этих изменений.
Вот с вами мы и рассмотрели основы программирования и основные языки программирования.

Желаю удачи в освоение программирования!