Какие бывают языки программирования?

Студенты периодически спрашивали меня какой язык программирования учить чтобы получить хорошую работу и зарплату. Конечно, я не мог сказать учите этот язык, а этот не учите и будет вам счастье. Но зато мог дать информацию о языках программирования чтобы этот выбор был легче. Проклассифицируем языки программирования с семи сторон: Модные и не модные • Компилируемые и интерпретируемые • Универсальные и специализированные • Алгоритмические и языки описания данных • Низкоуровневые и высокоуровневые • Объектно-ориентированные и языки структурного программирования • Сопутствующие Фреймворки, Библиотеки и Технологии.

Первый способ классификации, в котором есть доля шутки: Модные или популярные языки программирования, и вышедшие из моды или активного применения

Почему некоторые языки становятся модными, а о других почему-то забывают? Во-первых, смена технологий. Например, во времена операционной системы MS DOS, которая работала на 16-битных процессорах Intel, огромной популярностью пользовались языки Турбо C и Турбо Паскаль. А владеющие Ассемблером программисты считались элитой. Но, по понятным причинам, мы теперь не пользуемся ни этими устаревшими процессорами, ни системой MS DOS, так что языки отпали сами собой. Хотя мне, например, они до сих пор очень нравятся.

Другая ситуация с языком Delphi, который был продолжением Турбо Паскаля, и который был очень популярен во времена первых 32-х битных версий Windows, однако не выдержал конкуренции с другими языками программирования, в том числе от компании Microsoft, которые развивались более активно.

Это может быть и победа в конкуренции двух аналогичных языков, например, таких как JScript от Microsoft для веб-браузеров и JavaScript, первоначально представленный компанией Netscape. Популярным JavaScript стал за счет большей открытости и поддержки большим числом компаний разработчиков.

Языки С и С++ долгое время остаются популярными благодаря мнению о высокой эффективности программ, которые написаны на них. В общем, так оно и есть. Однако, постепенно другие языки программирования стали приобретать популярность не только за эффективность выполнения, но и за легкость в изучении, написании и поддержке программ, чего нельзя с уверенностью сказать о C++.

За большие возможности и гибкость С++ требует от программиста дисциплины и культуры программирования, иначе, как шутят программисты, он может превратиться из языка написания программ в язык для написания ошибок.

Несмотря на провозглашаемый стандарт языков C и C++, программы, написанные для компиляторов разных фирм редко когда бывают полностью совместимы по исходным кодам. Эту особенность тоже надо учитывать при его изучении.

Один из конкурентов C++, язык С# (читается ‘си шарп’) появился и стал популярным с приходом новой технологии от Microsoft — .Net.

А язык TypeScript получил популярность в качестве ответа на проблему сложности поддержки программ написанных на JavaScript, языке, который сам по себе достаточно популярен.

Из современных популярных языков стоит отметить Python из-за сравнительной простоты изучения, открытости, и возможности применения в различных предметных областях, таких как веб, искусственный интеллект, компьютерные игры.

Практически у каждого языка программирования есть своя группа фанатов, хотя популярность сегодня совсем не означает популярность в ближайшем будущем или что популярный язык обязательно станет полезен именно вам. В общем, выбор всегда за вами.

2. Компилируемые и Интерпретируемые

Компилируемые: С, С++, Pascal
Интерпретируемые: Visual Basic Script (VBScript), JavaScript, Python, PHP
Условно компилируемые: C# и остальные языки .Net, Java для Java-машины

Любая программа на языке программирования это прежде всего текст. Текст понятен человеку, и сравнительно легко может быть обработан компьютером, потому что буквы и другие текстовые символы в компьютере представлены некими целыми числами, их еще называют кодами символов. Программа, которая обрабатывает текст на языке программирования и создает по нему последовательность команд микропроцессора называется компилятор. То есть компилятор переводит числа, которые человек воспринимает как текст в другие числа, которые компьютер воспринимает как команды микропроцессора.

Языки, для которых требуется компилятор, называются компилируемыми. Чтобы запустить такую программу, мало просто написать ее. Надо еще прогнать ее через компилятор, получить исполняемый модуль, например, в операционной системе Windows это файл с расширением .exe, и только после этого запустить его на выполнение.

Такая схема, конечно, не всех устраивала и программисты придумали языки, которым не требуется компилятор. Для таких языков перевод текста в команды микропроцессора происходит незаметно сразу после запуска текстовой программы. Правда, для этого текстовая программа должна запускаться под управлением другой уже готовой программы, которая называется Интерпретатор. Интерпретатор и делает эту незаметную компиляцию. Языки для которых требуется интерпретатор назвали Интерпретируемыми.

Главное отличие компилируемых языков от интерпретируемых в скорости выполнения программ. Считается, что программы написанные на компилируемых языках выполняются быстрее чем на интерпретируемых. Но сам процесс написания и тестирования интерпретируемой программы проходит проще, так как нет необходимости в промежуточном шаге компиляции.

Для некоторых языков, таких как С#, компиляция проходит особым образом в два этапа. Дело в том, что в среде .Net программа на C# после компиляции становится не набором команд микропроцессора, а преобразуется в программу на еще одном промежуточном языке CIL — Common Intermediate Language, (ранее называвшийся MSIL — Microsoft Intermediate Language), которая для запуска передается на вход Just-In-Time (JIT) компилятору .Net. Такая последовательность преобразований из одного языка в другой позволяет не заботиться о типе микропроцессора установленного в компьютере и дает большую универсальность для работы программ.

Похожим образом, программа на TypeScript сначала компилируется в текстовую программу, или, как говорят, в код на JavaScript, который затем уже может быть выполнен интерпретатором JavaScript. Такое усложнение позволяет воспользоваться преимуществами строгой типизации данных и отловом ошибок на этапе компиляции, которые доступны в TypeScript.

3. Универсальные и специализированные

Классификация говорит сама за себя. Есть языки, на которых можно в принципе написать любую программу, но не всегда это можно сделать, например, быстро. Или такая программа не обязательно будет оптимально быстро работать. Типичный универсальный язык всех времен и народов: С++. И в этом его большой плюс. А, может, даже два плюса )).

Специализация в языках программирования касается, как правило, либо предметной области, например, математические вычисления (Fortran, F#), искусственный интеллект (LISP), веб-разработка (PERL, PHP), компьютерные игры (Unity, Lua), бухгалтерия (1С) и т.д., либо какой-то технологии программирования, например, многопоточность как в языке Cи-Омега (Cw) или способ записи операторов как в F#.

Для разных областей приложений создаются свои языки или скрипты. Особенно это относится к компьютерным играм, в которых переплетаются сразу несколько видов искусства, науки и технологии. Но системы разработки игр также используют и уже известные языки, например, Python в системе нарративных игр Ren’Py или язык Swift для устройств Apple.

Универсальные: семейство Pascal/Delphi, C/C++, C#, Java
Специализированные:
Математические вычисления: Fortran, F#
Математическое моделирование: MatLab, Wolfram (Mathematica)
Искусственный интеллект: LISP,
На основе передачи сообщений: Small Talk,
Многопоточные приложения Cw,
Веб-разработка: Perl, PHP, JavaScript
Базы данных: SQL
Компьютерные игры: Lua, Unity, Godot, Twine
Компьютерная графика: MEL (Maya), MAX Script (3ds Max)
Бухгалтерия: 1С

4. Алгоритмические и Языки описания данных

Алгоритмические: Pascal, C++, Java, C#
Языки описания данных: XML, XAML, JSON, HTML, DDL SQL

Алгоритмические языки, конечно, тоже умеют описывать данные, но в основном предназначены для создания больших и сложных программ, которые описывают действия, то есть алгоритмы.

Языки же описания данных предназначены только для описания данных для разных типов приложений. Эти языки можно считать необходимой нагрузкой к обычным алгоритмическим языкам. Например, если вы учите JavaScript для разработки веб-приложений, то скорее всего вам придется также изучить и синтаксис каскадных таблиц стилей CSS и язык описания данных JSON, в формате которого удобно передавать данные между веб-сервером и клиентом.

Или, например, язык работы с базами данных SQL, по сути является языком для обработки и получения данных, но также включает в себя раздел Data Definition Language или Язык Описания Данных.

Вообще, на способы описания и управления данными сейчас разработчикам приходится обращать внимания, пожалуй, не меньше чем на описание алгоритмов.

5. Низкоуровневые и Высокоуровневые

Низкоуровневые: Assembler, CIL,
Высокоуровневые: любой объектно-ориентированный или поддерживающий сложные типы данных язык.

Этот тип классификации, хоть и немного теряет актуальность, поскольку подавляющее большинство языков теперь можно отнести к высокоуровневым, но все еще имеет место, поскольку низкоуровневые языки существуют.

Эта классификация была актуальна на заре развития компьютеров, когда число доступных компиляторов можно было пересчитать по пальцам, а написать, например, драйвер клавиатуры на Ассемблере можно было в качестве развлечения в свободное время.

Напомню, что Ассемблер, это язык, команды которого максимально соответствуют командам самого микропроцессора, которые позволяют обрабатывать данные размером один, два или четыре байта, за счет чего представить на нем сложные типы данных очень и очень проблематично. Но зато по скорости выполнения программ языку Ассемблера просто нет равных.

Язык CIL, который уже упоминался выше, это в некотором смысле аналог ассемблера, но для системы .Net. Команды CIL преобразуются JIT-компилятором .Net в наборы инструкций микропроцессора в зависимости от типа самого микропроцессора, на котором установлен .Net. Как правило, программа на CIL это результат компиляции программы написанной на одном из языков высокого уровня .Net.

Кроме того, CIL это особый язык. Писать программу непосредственно на нем может оказаться слишком долго. Программы на этом языке генерируются компиляторами и используются программным обеспечением платформы .Net. Поэтому он считается языком программирования скорее для машины чем для человека.

6. Объектно-Ориентированные и Структурные языки программирования

Появление объектно-ориентированного программирования, сокращенно ООП, примерно со второй половины 80-х годов 20-го века стало настоящей технологической революцией. Это был буквально переворот, сейчас объясню почему. До ООП были популярны языки структурного программирования. И программисты были вполне счастливы писать программы на структурных языках высокого уровня, потому что в свое время это тоже было колоссальным шагом вперед.

Дело в том, что компьютер удалось создать только после титанических усилий таких гениев как Алан Тьюринг, который разработал свою теорию — машину Тьюринга, на основе которой и работают все числовые компьютеры в наши дни. Принцип машины Тьюринга, вкратце, состоит в том, что в оперативной памяти записана последовательность команд микропроцессора, в том числе команд условных или безусловных переходов на другие команды. Эти переходы на ассемблере называются JMP (англ.: jump — прыжок, переход), а в языках высокого уровня обозначаются командой GOTO (англ.: go to — перейти к чему-л.).

Для программирования компьютера первоначально существовал язык Ассемблер, команды которого почти один в один соответствуют командам микропроцессора. Теоретически, на Ассемблере можно написать любую программу, но практически перенос абстракций прикладных задач на него совсем не простое дело.

Для программирования прикладных задач, примерно с начала 70-х годов 20-го века и появилось структурное программирование, для создания которого потребовались усилия других гениев, таких как Никлаус Вирт, создатель языка Паскаль и Эдсгер Дейкстра, который первым написал о необходимости избавляться от оператора GOTO в языках высокого уровня и предложил решение как это сделать с помощью трех типов операторов и функций.

На практике это вылилось в появление языков программирования, таких как Basic, С, Паскаль, Algol, Cobol, Fortran, PL1. Разработка программ методом «сверху вниз» в структурном программировании превратилась в сплошное удовольствие. Суть ее состояла в написании набора функций, содержащих подфункции, которые можно вызывать, подставляя на вход нужные данные и получая соответствующий результат.

Таким образом, в языках структурного программирования алгоритмы на основе функций стоят как бы на первом месте, а данные для них можно брать откуда угодно. Не последнюю роль в этом сыграла идея автора кибернетики Норберта Винера о функции как о черном ящике, на вход которому можно подавать любые данные и наблюдать получаемый выход.

Для небольших задач типа сортировки данных или нахождения кратчайшего пути структурное программирование подходило идеально. Были найдены решения для большинства сложных алгоритмических задач. Появились фундаментальные труды, такие как многотомник “Искусство программирования” Дональда Кнута, который до сих пор считается настольной книгой для программистов.

Однако, увеличение сложности программ в результате привело к появлению и бо́льших шансов на внесение ошибок в программы, так как возможность подставлять любые данные на вход процедурам и функциям влекло за собой побочные эффекты. Так, например, в 1999 году космический аппарат NASA «Mars Climate Orbiter» потерпел крушение в из-за ошибки в программе — подстановки неправильных данных.

В результате появилась новая концепция объектно-ориентированного программирования, в котором во главу угла ставится, как я его называю, принцип актуальности данных, а функции становятся как бы приложением к данным, которые они должны обрабатывать. Объект это, в первую очередь, набор данных со своими функциями. В ООП вводятся ограничения на доступ функций к «чужим» данным, что уменьшает возможность непреднамеренного изменения данных и резко повышает надежность программ.

После появления объектно-ориентированных языков программирования, таких как С++, Object Pascal, Java, С#, а также новых аппаратных возможностей компьютеров, объемы программ и данных для них увеличились многократно, если не на порядки, что легко оценить хотя бы по объемам дистрибутивов программ, которые перестали помещаться сначала на дискеты, а потом и на компакт диски. А программирование снова как бы встало с головы на ноги.

Update 24.02.2021
См. также видео-версию этой главы.

7. Сопутствующие Фреймворки (Frameworks), Библиотеки и Технологии

С определенным языком программирования может быть связана технологическая цепочка или целая система программирования, которые также называют термином фреймворк.

Примеры: платформа или фреймворк .Net. Языки программирования, такие как C#, F#, работают только на этой платформе и понимание особенностей платформы важно для понимания того как работают программы, написанные на этих языках.

Для использования языка С++ от Microsoft для первых 32-х битных версий Windows программистам для создания оконных приложений также приходилось изучать библиотеку MFC.

Для разработки веб-приложений с помощью технологии MVC от Microsoft программистам также потребуется язык разметки веб-страниц Razor.

Для создания современных приложений на универсальной платформе Microsoft может потребоваться язык разметки XAML.

Другие примеры:
Ruby on Rails — серверная платформа разработки веб-приложений.
Для компьютерных игр, такие как Unity, Cocos, Unreal Engine.
Для 3D графики: OpenGL, DirectX.

Наверно, возможны и другие способы классификации языков программирования, например, со строгой типизацией и без. Но они интересны тем, кто уже разбирается в программировании, этот же обзор скорее для начинающих.

Выводы

В принципе, чем больше языков знает программист, тем увереннее себя чувствует как профессионал. Но в наше скоростное время возможно и такое, что версия языка может потерять свою актуальность буквально за полтора-два года. Например, у языка TypeScript c 2015 по 2019 год, то есть примерно за 5 лет, было выпущено, внимание, более 20-ти обновлений.

Если человек уже определился с прикладной областью, с операционной системой, с компанией в которой будет работать, то выбор языка программирования упрощается. Правда, компании могут иметь довольно экзотические требования, от которых у начинающих может просто рябить в глазах. Например, такой стек языков и технологий в описании вакансии одной из крупных российских компаний: .Net Core 3.1, Java 14, Kotlin, ElasticSearch, Lucene, Kafka, Redis, PostgreSQL, MSSQL, Airflow, Spark, Kubernetes, GitLab CI, Prometheus, Graylog, Jaeger, Grafana. Этот набор так или иначе затрагивает по крайней мере четыре языка программирования: Java, Kotlin, SQL и Lua.

Если же с компанией еще не определились, то можно начать с одного из универсальных языков программирования. Из-за повсеместного проникновения интернета, для программиста желательно хотя бы в общих чертах представлять себе что такое язык HTML, а также сопутствующие языки описания данных типа XML и JSON. Желательно также иметь представление о языке управления базами данных SQL.

Прошло то время, когда работать с одной и той же версией языка программирования можно было десятилетиями. В наше время особенность работы программиста состоит в постоянном изучении новых языков и технологий. Курсы по программированию могут быть хорошим трамплином, но основной опыт программисты получают в процессе работы, как бы учась и работая одновременно.

И напоследок, буквально за несколько лет как грибы после дождя стали появляться системы визуального программирования без программистов, например для создания веб-сайтов, такие как WordPress, Wix, Bitrix24. Для обычных пользователей они позволяют выбрать дизайн, подключиться к данным и самому запрограммировать бизнес-процессы.

Глядя на эти системы может сложиться впечатление, что программисты скоро окажутся не нужны. Но отгадайте, кто создает все эти системы программирования без программистов? Те же программисты с помощью все тех же обычных языков программирования.