Понятие языка программирования

Язык программирования (ЯП) – это инструмент для планирования поведения некоторого устройства-исполнителя. Планы, управляющие поведением компьютеров, называются компьютерными программами.
Уточненное определение: язык программирования - это нотация для записи компьютерных программ.
Отличие универсальных ЯП – алгоритмическая полнота, т.е. возможность описания на таком языке любого вычисления (алгоритма). Например, языки программирования SQL (язык программирования баз данных) и HTML (язык разметки гипертекста) не является универсальным в отличие от языков Java, C# (универсальные языки), на которых можно реализовать практически любой алгоритм, включая программу просмотра гипертекста и СУБД.

Языки и основные парадигмы программирования
Все программы (как и деятельность по их созданию) можно разделить на два больших типа: программы «для себя» и программы «для других». Создание программ «для себя» назовем (несколько условно) научно-развлекательным программированием. Основной критерий их качества – удобство применения для соответствующих целей (учебы, науки, развлечения). Самые известные и широко используемые до сих пор языки – Фортран, Бейсик, Паскаль.
Создание программ «для других» ориентированы на эксплуатацию пользователями, не имеющими отношения к авторам. Такие программы называют программными продуктами, а процесс их создания – индустриальным программированием. Языки индустриального программирования отличаются от языков научно-развлекательного программирования, они сложны в изучении и реализации, включают в себя большое число концепций и понятий, обладают объемными библиотеками. Важным свойством индустриальных языков является наличие изобразительных средств, поддерживающих различные системы программирования.
Совокупность идей и понятий, определяющих стиль программирования, называется парадигмой программирования.

В настоящее время в индустриальном программировании активно используются императивная и объектная парадигмы. Есть основания полагать, что в ближайшее время начнет активно использоваться функциональная парадигма.
Императивная парадигма
Императивная (процедурная) парадигма основана на фон-неймановской модели (основатель математик Дж. фон Нейман). Эта модель до сих пор является основой большинства современных архитектур, что обусловило популярность и доминирование императивной парадигмы. Напомним, что модель содержит три основных компонента: центральное процессорное устройство (ЦПУ), оперативную память (ОП), устройство ввода-вывода (УВВ).

Основные понятия императивных языков программирования (ИЯП) представляют собой абстракции основных понятий фон-неймановской модели. Любой ИЯП включает в себя понятие переменой (например, в языке паскаль – var x: integer, в языке С – int х), понятие операции (А * В – в любом языке), понятие оператора (оператор цикла, оператор присваивания и др.).
Понятие простой переменной абстрагирует понятие ячейки памяти. Кроме простых переменных в императивном языке содержатся составные (т.е. состоящие из других переменных) массивы и записи (структуры).
Понятие операции обобщает арифметико-логические команды. Почти для любой операции в ИЯП можно найти прототип – команду в машинном языке.

Понятие оператора абстрагирует общее понятие команды. Операторы в императивном языке делятся на три группы: оператор присваивания; операторы управления; операторы ввода-вывода. Основным оператором в любом императивном языке является оператор присваивания: V:=E, где V – переменная; E – выражение. Выполнение оператора присваивания состоит в вычислении значения выражения E и пересылке вычисленного значения в ячейку (или ячейки) ОП, соответствующей переменной V. Т.о, оператор присваивания в ИЯП может представляться последовательностью команд пересылки и арифметико-логических команд (и даже команд перехода).
Операторы управления (циклы, операторы выбора, перехода и т.п.) абстрагируют машинные команды перехода.
Операторы ввода-вывода обобщают машинные команды ввода-вывода.

Императивные языки концептуально близки машинной архитектуре, поэтому программирование на таких языках позволяет весьма эффективно управлять поведением компьютеров. В индустриальном программировании в настоящее время доминируют либо чисто императивные языки (такие, как С), либо языки со смешанной объектно- императивной парадигмой (С++, Java, C# и др.).
Объектная парадигма основана на понятии объекта. Объект обладает состоянием и поведением. Поведение состоит в посылке сообщений себе и другим объектам. Для каждого вида сообщения существуют «обработчики», которые могут модифицировать состояние объекта и посылать сообщения другим объектам.

Объекты с одинаковым поведением и набором состояний объединяются в классы. Между классами могут существовать следующие отношения:
- включение – «объект-подобъект» - включение объекта класса Х в объект другого класса Y, т.е. говорят, что объект класса Y владеет объектом класса Х;
- наследование – «суперкласс-подкласс» - объект подкласса Derived обладает всеми свойствами объекта суперкласса Base, а также, возможно, дополнительными свойствами (специфичными для класса Derived). Таким образом, все объекты класса Derived одновременно принадлежат и классу Base, но не наоборот;
- ссылка – объект класса W содержит (но не владеет) ссылку на объект класса Ref. Также существуют и другие отношения.

Объективная парадигма достаточно просто сочетается с императивной парадигмой.
Состояние описывается набором переменных, а обработчики сообщений представляют собой процедуры или функции, имеющие доступ к состоянию.
Посылка сообщения сводится к вызову соответствующего обработчика.
В результате большинство современных языков индустриального программирования сочетает в себе обе парадигмы.
Поэтому будем говорить об объектно-императивной парадигме.

Функциональная парадигма
Основные понятия функциональных языков – функция и выражение. Выражение – это комбинация вызовов функций. Наряду с большим числом стандартных (встроенных в язык) функций программист может определять свои функции. Определение новой функции включает в себя имя функции, список аргументов и выражение – тело функции. Вызов функции состоит из имени функции и списка выражений – фактических параметров. Каждый из фактических параметров соответствует аргументу в определении функции. Основная операция – вызов функции. При вызове функции сначала вычисляются выражения – фактические параметры, а затем их значения подставляются вместо соответствующих им аргументов в выражение – тело функции. Наконец, вычисляется значение тела, которое и будет значением вызова. Первым языком программирования, в котором была реализована функциональная парадигма, был язык –Лисп. Программировать в функциональном стиле можно и на ИЯП.

Схема рассмотрения языков программирования
Конструкции языков программирования рассматривают по следующей схеме: базис, средства развития и средства защиты.
Базис – это понятия и конструкции, встроенные в язык программирования, иначе говоря, это то, что «понимает» транслятор. Базис подразделяется на скалярный и структурный.
В скалярный базис входят элементарные (неделимые) типы данных и элементарные операции. К структурному базису относятся встроенные в язык конструкции, которые имеют внутреннюю структуру, т.е. включают в себя другие конструкции языка.
В структурный базис императивных языков входят основные типы, например массивы и записи (структуры), большинство операторов языка (за исключением совершенно тривиальных типа break или continue в С++).