Что такое язык с точки зрения информатики
Языки программирования: что это такое, зачем нужны и какой выбрать новичку
Разбираемся, как устроены языки программирования, почему их так много и чем они отличаются от алгоритмов.
Что такое язык программирования
Язык программирования — это набор формальных правил, по которым пишут программы. Обычный язык нужен для общения людей, а язык программирования — для общения с компьютером. Как и в любом естественном языке, тут есть лексика — слова, функции и операторы, из которых по правилам синтаксиса составляются выражения. Они имеют чёткий, вполне определённый смысл, понятный компьютеру, — семантику.
Вот, например, программа на языке JavaScript:
Здесь слово alert — лексика, один из принятых в языке методов обработки текста. Текст в одинарных кавычках, скобки, точка с запятой — правила синтаксиса. А то, что нужно сделать в итоге, — семантика. Получив эти инструкции, компьютер выведет на экран всплывающее окно с кнопкой и сообщением: «Это программа на JavaScript».
Фанат Free Software Foundation, использую Linux и недолюбливаю Windows. Пишу истории про кодинг и программы на Python. Влюблен в LISP, но пока что не умею на нем программировать.
Чем языки программирования отличаются от алгоритмов
Программы нужны для того, чтобы машина сделала что-то полезное. Это невозможно, если нет чёткого порядка действий и правил их выполнения — алгоритма.
Алгоритм работает как маршрут в навигаторе: «Из пункта А едем в пункт Б, поворот через 150 метров». Англичанин понимает его по-английски, китаец —
по-китайски, а мы с вами — по-русски. Языки разные, а порядок действий один и все должны добраться до нужного места.
Любая программа начинается с алгоритма, но на разных языках это может выглядеть по-разному. Например, вот эта — на языке С — проверяет, чтобы делитель не был нулём, а затем делит одно число на другое. Или пишет, что так делать нельзя.
То же самое, но на Python.
В программе на Python нет фигурных скобок и точек с запятой, но алгоритм и результат работы такой же, как у программы на C, да и слова похожи.
Перейти с одного языка программирования на другой легко: если знаешь Java — быстро начнёшь кодить, например, на Python или C#.
Как компьютер понимает разные языки программирования
На самом деле язык программирования — это не язык компьютера. Машина понимает последовательности нулей и единичек: есть напряжение в цепи — единица, нет — ноль. Поэтому любую программу сначала надо перевести в набор таких машинных команд.
Для этого есть два инструмента — компилятор и интерпретатор. Компилятор работает как бюро переводов: вы отдаёте ему весь текст программы, а он превращает его в исполняемый код, набор команд для процессора. Интерпретатор больше похож на переводчика-синхрониста: сказали фразу — синхронист тут же её перевёл, а компьютер выполнил.
Внутри компиляторов и интерпретаторов — сложные наборы правил по превращению языка программирования в машинный код, понятный компьютеру. Это тоже программы. Их пишут создатели нового языка — на каком-то другом, уже существующем. Например, интерпретатор Python написан на C, а сам C — на ассемблере, практически машинном коде.
Что такое библиотеки
Библиотеки — наборы функций, готовых шаблонов, написанных на каком-то из языков программирования. Это удобно и похоже на книги в обычной библиотеке: на них можно ссылаться внутри программ и сразу получать результат без необходимости каждый раз писать много кода.
Например, в Python есть модуль — библиотека yandex_translate, которая переводит тексты на разные языки. Программистам не надо создавать программу-переводчик с нуля, достаточно подключить этот модуль и обратиться к нему из любой точки кода.
Языки
Определение и классификация языков
Язык — это определенная система символьного представления информации. В словаре по школьной информатике, составленном А.П. Ершовым [6], дано такое определение: “Язык — множество символов и совокупность правил, определяющих способы составления из этих символов осмысленных сообщений”. Поскольку под осмысленным сообщением понимается информация, то данное определение по сути своей совпадает с первым.
Языки делятся на две группы: естественные и формальные. Естественные языки — это исторически сложившиеся языки национальной речи. Для большинства современных языков характерно наличие устной и письменной форм речи. Анализ естественных языков в большей степени является предметом филологических наук, в частности, лингвистики. В информатике анализом естественных языков занимаются специалисты в области искусственного интеллекта. Одна из целей разработки проекта ЭВМ пятого поколения — научить компьютер понимать естественные языки.
Формальные языки — это искусственно созданные языки для профессионального применения. Они, как правило, носят международный характер и имеют письменную форму. Примерами таких языков являются язык математики, язык химических формул, нотная грамота — язык музыки и др.
С любым языком связаны следующие понятия: алфавит — множество используемых символов; синтаксис — правила записи языковых конструкций (текста на языке); семантика — смысловая сторона языковых конструкций; прагматика — практические последствия применения текста на данном языке.
Для формальных языков характерна принадлежность к ограниченной предметной области (математика, химия, музыка и пр.). Назначение формального языка — адекватное описание системы понятий и отношений, свойственных для данной предметной области. Поэтому все названные выше компоненты языка (алфавит, синтаксис и др.) ориентированы на специфику предметной области. Язык может развиваться, изменяться, дополняться вместе с развитием своей предметной области.
Естественные языки не ограничены в своем применении, в этом смысле их можно назвать универсальными. Однако не всегда бывает удобным использовать только естественный язык в узкопрофессиональных областях. В таких случаях люди прибегают к помощи формальных языков.
Известны примеры языков, находящихся в промежуточном состоянии между естественными и формальными. Язык эсперанто был создан искусственно для общения людей разных национальностей. А латынь, на которой в древности говорили жители Римской империи, в наше время стала формальным языком медицины и фармакологии, утратив функцию разговорного языка.
Языки информатики
Далее речь пойдет о языках, используемых при работе ЭВМ, в компьютерных информационных технологиях.
Информация, циркулирующая в компьютере, делится на два вида: обрабатываемая информация (данные) и информация, управляющая работой компьютера (команды, программы, операторы).
Информацию, представленную в форме, пригодной для хранения, передачи и обработки компьютером, принято называть данными. Примеры данных: числа при решении математической задачи; символьные последовательности при обработке текстов; изображение, введенное в компьютер путем сканирования, предназначенное для обработки. Способ представления данных в компьютере называется языком представления данных.
Для каждого типа данных различается внешнее и внутреннее представление данных. Внешнее представление ориентировано на человека, определяет вид данных на устройствах вывода: на экране, на распечатке. Внутреннее представление — это представление на носителях информации в компьютере, т.е. в памяти, в линиях передачи информации. Компьютер непосредственно оперирует с информацией во внутреннем представлении, а внешнее представление используется для связи с человеком.
В самом общем смысле можно сказать, что языком представления данных ЭВМ является язык двоичных кодов. Однако с точки зрения приведенных выше свойств, которыми должен обладать всякий язык: алфавита, синтаксиса, семантики, прагматики, — нельзя говорить об одном общем языке двоичных кодов. Общим в нем является лишь двоичный алфавит: 0 и 1. Но для различных типов данных различаются правила синтаксиса и семантики языка внутреннего представления. Одна и та же последовательность двоичных цифр для разных типов данных имеет совсем разный смысл. Например, двоичный код “0100000100101011” на языке представления целых чисел обозначает десятичное число 16 683, а на языке представления символьных данных обозначает два символа — “А+”. Таким образом, для разных типов данных используются разные языки внутреннего представления. Все они имеют двоичный алфавит, но различаются интерпретацией символьных последовательностей.
Языки внешнего представления данных обычно приближены к привычной для человека форме: числа представляются в десятичной системе, при записи текстов используются алфавиты естественных языков, традиционная математическая символика и пр. В представлении структур данных используется удобная табличная форма (реляционные базы данных). Но и в этом случае всегда существуют определенные правила синтаксиса и семантики языка, применяется ограниченное множество допустимых символов.
Внутренним языком представления действий над данными (языком управления работой компьютера) является командный язык процессора ЭВМ. К внешним языкам представления действий над данными относятся языки программирования высокого уровня, входные языки пакетов прикладных программ, командные языки операционных систем, языки манипулирования данными в СУБД и пр.
Любой язык программирования высокого уровня включает в себя как средства представления данных — раздел данных, так и средства представления действий над данными — раздел операторов (см. “Языки программирования” ). То же самое относится и к другим перечисленным выше типам компьютерных языков.
Среди формальных языков науки наиболее близким к информатике является язык математики.
В свою очередь, из множества математических дисциплин наибольшее приложение в информатике имеют теория чисел и математическая логика.
В связи с этим можно говорить о том, что темы систем счисления (языка представления чисел) и основ математической логики (языка логики) относятся к фундаментальным основам информатики (см. “Системы счисления” и “Логические выражения” ).
Методические рекомендации
В пропедевтическом и базовом курсах информатики большое образовательное значение имеет разговор о языках применительно к человеку. Знакомый ученикам термин “язык” приобретает новый смысл в их сознании. Вокруг этого термина строится целая система научных понятий. Понятие языка является одним из важнейших системообразующих понятий курса информатики.
Изучая каждое новое средство ИКТ, следует обращать внимание учеников на то, что для работы с ним пользователь должен овладеть определенным формализованным языком, что его использование требует строгого соблюдения правил языка: знания алфавита, синтаксиса, семантики и прагматики. Такая строгость связана с тем, что формализованные языки, как правило, не обладают избыточностью. Поэтому любое нарушение правил (использование символа, не входящего в алфавит, неправильное употребление разделительных знаков, например, запятой вместо точки и т.п.) приводит к ошибке.
Следует обращать внимание учеников на общность некоторых языковых конструкций, используемых в различных технологиях. Например, правила записи формул в электронных таблицах и арифметических выражений в языках программирования практически одинаковы. Существуют и различия, на которые тоже следует обращать внимание. Например, в языках программирования логические связки (NOT, AND, OR) являются знаками операций, а в электронных таблицах — именами функций.
Для упрощения работы пользователя в современном программном обеспечении часто применяются различного рода оболочки, обеспечивающие удобный пользовательский интерфейс. Следует объяснять ученикам, что за этими оболочками, как правило, скрыт определенный формализованный язык. Например, за графической оболочкой операционной системы Windows скрывается командный язык ОС. Другой пример: СУБД MS Access предоставляет пользователю возможность для создания БД использовать конструктор таблиц, а для построения запросов — конструктор запросов. Однако за этими высокоуровневыми средствами “скрывается” SQL — универсальный язык описания данных и манипулирования данными. Перейдя в соответствующий режим, можно показать, как выглядят команды на SQL, сформированные в результате работы с конструктором.
Формальные языки и грамматики
Мотивация
Время от времени на Хабре публикуются посты и переводные статьи, посвященные тем или иным аспектам теории формальных языков. Среди таких публикаций (не хочется указывать конкретные работы, чтобы не обижать их авторов), особенно среди тех, которые посвящены описанию различных программных инструментов обработки языков, часто встречаются неточности и путаница. Автор склонен считать, что одной из основных причин, приведших к такому прискорбному положению вещей, является недостаточный уровень понимания идей, лежащих в основании теории формальных языков.
Этот текст задуман как популярное введение в теорию формальных языков и грамматик. Эта теория считается (и, надо сказать, справедливо) довольно сложной и запутанной. На лекциях студенты обычно скучают и экзамены тем более не вызывают энтузиазма. Поэтому и в науке не так много исследователей в этой тематике. Достаточно сказать, что за все время, с зарождения теории формальных грамматик в середине 50-х годов прошлого века и до наших дней, по этому научному направлению было выпущено всего две докторских диссертации. Одна из них была написана в конце 60-х годов Алексеем Владимировичем Гладким, вторая уже на пороге нового тысячелетия — Мати Пентусом.
Далее в наиболее доступной форме описаны два основных понятия теории формальных языков: формальный язык и формальная грамматика. Если тест будет интересен аудитории, то автор дает торжественное обещание разродиться еще парой подобных опусов.
Формальные языки
Коротко говоря, формальный язык — это математическая модель реального языка. Под реальным языком здесь понимается некий способ коммуникации (общения) субъектов друг с другом. Для общения субъекты используют конечный набор знаков (символов), которые проговариваются (выписываются) в строгом временном порядке, т.е. образуют линейные последовательности. Такие последовательности обычно называют словами или предложениями. Таким образом, здесь рассматривается только т.н. коммуникативная функция языка, которая изучается с использованием математических методов. Другие функции языка здесь не изучаются и, потому, не рассматриваются.
В качестве известного примера такой математической абстракции можно привести модель, известную под неблагозвучным для русского уха названием «мешок слов». В этой модели исследуются тексты естественного языка (т.е. одного из тех языков, которые люди используют в процессе повседневного общения между собой). Основной объект модели мешка слов — это слово, снабженное единственным атрибутом, частотой встречаемости этого слова в исходном тексте. В модели не учитывается, как слова располагаются рядом друг с другом, только сколько раз каждое слово встречается в тексте. Мешок слов используется в машинном обучении на основе текстов в качестве одного из основных объектов изучения.
Но в теории формальных языков представляется важным изучить законы расположения слов рядом друг с другом, т.е. синтаксические свойства текстов. Для этого модель мешка слов выглядит бедной. Поэтому формальный язык задается как множество последовательностей, составленных из элементов конечного алфавита. Определим это более строго.
Алфавит представляет собой конечное непустое множество элементов. Эти элементы будем называть символам. Для обозначения алфавита обычно будем использовать латинское V, а для обозначения символов алфавита — начальные строчные буквы латинского алфавита. Например, выражение V =
Цепочка представляет собой конечную последовательность символов. Например, abc — цепочка из трех символов. Часто при обозначении цепочек в символах используют индексы. Сами цепочки обозначают строчными символами конца греческого алфавита. Например, omega = a1. an — цепочка из n символов. Цепочка может быть пустой, т.е. не содержать ни одного символа. Такие цепочки будем обозначать греческой буквой эпсилон.
Наконец, формальный язык L над алфавитом V — это произвольное множеств цепочек, составленных из символов алфавита V. Произвольность здесь означает тот факт, что язык может быть пустым, т.е. не иметь ни одной цепочки, так и бесконечным, т.е. составленным из бесконечного числа цепочек. Последний факт часто вызывает недоумение: разве имеются реальные языки, которые содержат бесконечное число цепочек? Вообще говоря, в природе все конечно. Но мы здесь используем бесконечность как возможность образования цепочек неограниченной длины. Например, язык, который состоит из возможных имен переменных языка программирования C++, является бесконечным. Ведь имена переменных в C++ не ограничены по длине, поэтому потенциально таких имен может быть бесконечно много. В реальности, конечно, длинные имена переменных не имеют для нас особого смысла т.к. к концу чтения такого имени уже забываешь его начало. Но в качестве потенциальной возможности задавать неограниченные по длине переменные, это свойство выглядит полезным.
Итак, формальные языки — это просто множества цепочек, составленных из символов некоторого конечного алфавита. Но возникает вопрос: как можно задать формальный язык? Если язык конечен, то можно просто выписать все его цепочки одну за другой (конечно, можно задуматься, имеет ли смысл выписывать цепочки языка, имеющего хотя бы десять тысяч элементов и, вообще, есть ли смысл в таком выписывании?). Что делать, если язык бесконечен, как его задавать? В этот момент на сцену выходят грамматики.
Формальные грамматики
Способ задания языка называет грамматикой этого языка. Таким образом, грамматикой мы называем любой способ задания языка. Например, грамматика L =
Назначение грамматики — задание языка. Это задание обязательно должно быть конечным, иначе человек не будет в состоянии эту грамматику понять. Но каким образом, конечное задание описывает бесконечные совокупности? Это возможно только в том случае, если строение всех цепочек языка основано на единых принципов, которых конечное число. В примере выше в качестве такого принципа выступает следующий: «каждая цепочка языка начинается с символов a, за которыми идет столько же символов b». Если язык представляет собой бесконечную совокупность случайным образом набранных цепочек, строение которых не подчиняется единым принципам, то очевидно для такого языка нельзя придумать грамматику. И здесь еще вопрос, можно или нет считать такую совокупность языком. В целях математической строгости и единообразия подхода обычно такие совокупности языком считают.
Итак, грамматика языка описывает законы внутреннего строения его цепочек. Такие законы обычно называют синтаксическими закономерностями. таким образом, можно перефразировать определение грамматики, как конечного способа описания синтаксических закономерностей языка. Для практики интересны не просто грамматики, но грамматики, которые могут быть заданы в рамках единого подхода (формализма или парадигмы). Иначе говоря, на основе единого языка (метаязыка) описания грамматик всех формальных языков. Тогда можно придумать алгоритм для компьютера, который будет брать на вход описание грамматики, сделанное на этом метаязыке, и что-то делать с цепочками языка.
Такие парадигмы описания грамматик называют синтаксическими теориями. Формальная грамматика — это математическая модель грамматики, описанная в рамках какой-то синтаксической теории. Таких теорий придумано довольно много. Самый известный метаязык для задания грамматик — это, конечно, порождающие грамматики Хомского. Но имеются и другие формализмы. Один из таких них — окрестностные грамматики, будет описан чуть ниже.
Окрестностные грамматики
В середине 60-х годов советский математик Юлий Анатольевич Шрейдер предложил простой способ описания синтаксиса языков на основе т.н. окрестностных грамматик. Для каждого символа языка задается конечное число его «окрестностей» — цепочек, содержащих данный символ (центр окрестности) где-то внутри. Набор таких окрестностей для каждого символа алфавита языка называется окрестностной грамматикой. Цепочка считается принадлежащей языку, задаваемому окрестностной грамматикой, если каждый символ этой цепочки входит в нее вместе с некоторой своей окрестностью.
Не всякий язык может быть описан окрестностной грамматикой. Рассмотрим, например, язык B, цепочки которого начинаются либо с символа «0», либо с символа «1». В последнем случае далее в цепочке могут идти символы «a» и «b». Если же цепочка начинается с нуля, то далее могут идти только символы «a». Нетрудно доказать, что для этого языка нельзя придумать никакой окрестностной грамматики. Легитимность вхождения символа «b» в цепочку обусловлена ее первым символом. Для любой окрестностной грамматики, в которой задается связь между символами «b» и «1» можно будет подобрать достаточно длинную цепочку, чтобы всякая окрестность символа «b» не доставала до начала цепочки. Тогда в начало можно будет подставить символ «0» и цепочка будет принадлежать языку A, что не отвечает нашим интуитивным представлениям о синтаксическом строении цепочек этого языка.
С другой стороны, легко можно построить конечный автомат, который распознает этот язык. Значит, класс языков, которые описываются окрестностными грамматиками, уже класса автоматных языков. Языки, задаваемые окрестностными грамматиками, будем называть шрейдеровскими. Таким образом, в иерархии языков можно выделить класс шрейдеровских языков, который является подклассом автоматных языков.
Можно сказать, что шрейдеровские языки задают одно простое синтаксическое отношение — «быть рядом» или отношение непосредственного предшествования. Отношение дальнего предшествования (которое, очевидно, присутствует в языке B) окрестностной грамматикой задано быть не может. Но, если визуализировать синтаксические отношения в цепочках языка, то для диаграмм отношений, в которые превращаются такие цепочки, можно придумать окрестностную грамматику.
Языки программирования
Язы́к программи́рования — формальная знаковая система, предназначенная для записи компьютерных программ. Язык программирования определяет набор лексических, синтаксических и семантических правил, задающих внешний вид программы и действия, которые выполнит исполнитель (компьютер) под ее управлением.
Со времени создания первых программируемых машин человечество придумало уже более восьми 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. К наиболее распространённым утверждениям, признаваемым большинством разработчиков, относятся следующие:
Содержание
Стандартизация языков программирования [ ]
Язык программирования может быть представлен в виде набора спецификаций, определяющих его синтаксис и семантику.
Для многих широко распространённых языков программирования созданы международные стандарты. Специальные организации проводят регулярное обновление и публикацию спецификаций и формальных определений соответствующего языка. В рамках таких комитетов продолжается разработка и модернизация языков программирования и решаются вопросы о расширении или поддержке уже существующих и новых языковых конструкций.
Типы данных [ ]
Современные цифровые компьютеры обычно являются двоичными и данные хранят в двоичном (бинарном) коде (хотя возможны реализации и в других системах счисления). Эти данные как правило отражают информацию из реального мира (имена, банковские счета, измерения и др.), представляющую высокоуровневые концепции.
Особая система, по которой данные организуются в программе, — это система типов языка программирования; разработка и изучение систем типов известна под названием теория типов. Языки могут быть классифицированы как системы со статической типизацией и языки с динамической типизацией.
Статически-типизированные языки могут быть в дальнейшем подразделены на языки с обязательной декларацией, где каждая переменная и объявление функции имеет обязательное объявление типа, и языки с выводимыми типами. Иногда динамически-типизированные языки называются латентно-типизированными.
Структуры данных [ ]
Системы типов в языках высокого уровня позволяют определять сложные, составные типы, так называемые структуры данных. Как правило, структурные типы данных образуются как декартово произведение базовых (атомарных) типов и ранее определённых составных типов.
Основные структуры данных (списки, очереди, хеш-таблицы, двоичные деревья и пары) часто представлены особыми синтаксическими конструкциями в языках высокого уровня. Такие данные структурируются автоматически.
Семантика языков программирования [ ]
Существует несколько подходов к определению семантики языков программирования.
Наиболее широко распространены разновидности следующих трёх: операционного, денотационного (математического) и деривационного (аксиоматического).
При описании семантики в рамкахоперационного подхода обычно исполнение конструкций языка программирования интерпретируется с помощью некоторой воображаемой (абстрактной) ЭВМ.
Деривационная семантика описывает последствия выполнения конструкций языка с помощью языка логики и задания пред- и постусловий.
Денотационная семантика оперирует понятиями, типичными для математики— множества, соответствия, а также суждения, утверждения и др.
Парадигма программирования [ ]
Язык программирования строится в соответствии с той или иной базовой вычислений и парадигмой программирования.
В настоящее время также активно развиваются проблемно-ориентированные, декларативные и визуальные языки программирования.
Способы реализации языков [ ]
Языки программирования могут быть реализованы как компилируемые и интерпретируемые.
Программа на компилируемом языке при помощи специальной программы компилятора преобразуется (компилируется) в набор инструкций для данного типа процессора (машинный код) и далее записывается в исполнимый модуль, который может быть запущен на выполнение 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. Можно сказать, что процессор компьютера — это интерпретатор машинного кода.
Кратко говоря, компилятор переводит исходный текст программы на машинный язык сразу и целиком, создавая при этом отдельную машинно-исполняемую программу, а интерпретатор выполняет исходный текст прямо во время исполнения программы («интерпретируя» его своими средствами).
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 создаёт трудности при разработке. 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 дополнительной программы-интерпретатора.
Используемые символы [ ]
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. ВСССР существовали языки, где все ключевые слова писались русскими буквами, но большу́ю популярность подобные языки не завоевали (исключение составляет Встроенный язык программирования 1С: Предприятие ).