Высокоуровневый язык программирования

Высокоуровневый язык программирования — язык программирования, использующий высокий уровень абстракции для быстрой и упрощенной записи компьютерных программ. В таком ЯП для описания структур данных и операций над ними используются смысловые конструкции, понятные человеку. Высокоуровневые языки программирования применяются для разработки сложных приложений (игр, графических и видеоредакторов, медиаплееров и т.д.), запись которых низкоуровневыми ЯП или машинным кодом будет слишком затруднительна. 

Что такое высокоуровневый язык программирования

Команды, непосредственно исполняемые компьютером, записываются с помощью машинного кода — комбинации нулей и единиц. Для человека-оператора такой способ записи очень сложен, создать с его помощью вручную можно только простые программы. Частично эта проблема решена в низкоуровневых языках программирования, где для обозначения машинных команд используются мнемонические буквосочетания. Однако, такие языки создаются для конкретной платформы (семейства процессоров) и не могут использоваться на другой. То есть программа, написанная на низкоуровневом языке программирования для одного компьютера, не будет работать на другом. 

Решением этих двух проблем стало создание языков программирования высокого уровня. В них используется синтаксис, максимально приближенный к естественным языкам или иным понятным человеку семантическим системам (в частности, математическим формулам). Для каждого такого языка разработаны трансляторы, выполняющие две основные функции:

• адаптируют написанную программу к архитектуре конкретной платформы — у каждого языка высокого уровня для каждого процессора создан свой транслятор;
• переводят программу с языка, понятного человеку, в машинный код, непосредственно распознаваемый процессором.

Иными словами, независимость высшего языка программирования от архитектурных особенностей аппаратных платформ решена за счет использования дополнительных программ. Таким образом, высокоуровневый язык программирования абстрагируется от технических характеристик конкретного компьютера. 

История высокоуровневых языков программирования

Идея создать язык программирования, понятный человеку, появилась одновременно с первыми компьютерами с современной архитектурой. Даже на старых моделях программировать с помощью машинного кода было достаточно сложно. Поэтому программисты задумались о более простом способе записи компьютерных алгоритмов. Исторически первым языком высокого уровня стал Plankalkül (в переводе с немецкого «запланированные вычисления»), разработанный немецким инженером Конрадом Цузе в 40-х годах для своего компьютера Z4. 

Язык подходил не только к этой модели, но и к более ранним разработкам самого Цузе и, потенциально, к другим компьютерам схожей конструкции. Синтаксис включал в основном числа и символы математических/логических действий, поддерживал операции назначения, итерационные циклы, работу с числами с плавающей запятой и т.д. Иными словами, обладал большинством возможностей современных языков программирования высокого уровня. 

Однако, он во многом остался неизвестен из-за того, что Цузе жил и работал в нацистской Германии, что естественным образом не позволяло ему сотрудничать с коллегами из других стран — прежде всего из США и Великобритании. Широкую известность Plankalkül получил только в 70-х годах, а первый компилятор для него был разработан только в 2000 году в Берлине уже для современных компьютеров. 

Чуть позже, в середине 1950-х годов, в СССР был разработан первый транслятор (компилятор) ПП-1 (Программирующая программа) и его рабочая версия ПП-2 для ЭВМ «Стрела». Хотя сама программа показывала достаточно высокую эффективность по тем временам, ее недостатком был сложный и неудобный язык ввода. 

Настоящая популярность к языкам высокого уровня пришла в конце 50-х годов прошлого века, когда в корпорации IBM под руководством программиста Джона Бэкуса был создан первый язык программирования высокого уровня Fortran и компилятор для него, используемый в практической деятельности. Этот ЯП создавался в первую очередь для научных и инженерных расчетов — и в таком качестве в виде усовершенствованных версий применяется и сегодня. Параллельно с Фортран на Западе велась и разработка других высокоуровневых языков, таких как C, Algol, LISP, Cobol и т.д. Многие из них успешно применяются по сей день и/или стали основой для появления других, более совершенных и функциональных языков программирования.

Виды языков программирования высокого уровня

Сегодня разработано большое количество высокоуровневых ЯП. Их условно можно разделить на три основные категории.

• Императивные. Программы на языках высокого уровня этого типа представляют собой набор строго последовательных команд, выполняемых процессором. Инструкции в них напоминают приказы из естественных языков, которые обычно пишутся в повелительном наклонении («выведи это число», «задай значение переменной») и т.д. Типичные представители этого семейства — Fortran, C-подобные языки, Ruby и т.д.
• Декларативные. Программы на языках этого типа описывают процессору не последовательность команд, а конечный результат их выполнения. Иными словами, они показывают, что должно получиться в итоге, а как этого добиться, компьютер «решает» сам. По этому принципу работают такие языки, как HTML и SQL.
• Объектно-ориентированные. Такие языки оперируют объектами, из которых составляются четко структурированные программы. Они обеспечивают большую управляемость процессом моделирования программы, что особенно важно при реализации крупных проектов. Типичные представители — Java, Python, C#, LISP и т.д.

Существуют также классификации по назначению (языки общего назначения и узкоспециализированные), по механизму исполнения исходного кода (интерпретируемые или компилируемые) и иным критериям.

Преимущества языков высокого уровня

• Доступность. Большинство языков высокого уровня программирования используют семантику и синтаксис, напоминающие естественный язык и даже заимствующие из них конкретные понятия, служебные символы и т.д. (как правило, из английского). Некоторые ЯП этого класса основаны на математических/логических символьных системах. В любом случае, они интуитивно понятны человеку-оператору, что существенно ускоряет и упрощает как написание программ, так и изучение самого языка. 
• Меньший размер программ. Описание набора одних и тех же команд на языках программирования высокого уровня будет занимать меньше строк (и, соответственно, объема памяти), чем на низкоуровневых ЯП или на машинном коде. Это упрощает не только их написание, но и хранение, а также отладку и тестирование — найти ошибки в понятной и короткой семантической системе гораздо проще, чем в наборе нулей и единиц.   
• Независимость от аппаратного обеспечения. В эпоху становления современных компьютеров программистам приходилось хорошо разбираться в самом «железе», чтобы написать для него работающую программу. Поэтому большинство программ того времени было написано самими разработчиками компьютеров. При использовании высокоуровневых языков разбираться в особенностях конкретной платформы программисту не нужно. Достаточно просто описать с его помощью порядок действий и их результат, а программа-компилятор сама «расскажет» процессору, как его выполнить. 
• Кроссплатформенность. Отличительная черта ЯП высокого уровня — их универсальность. За счет абстрагирования они не привязаны к конкретным платформам, поэтому написанные на них программы можно использовать на различных устройствах. Это делает ненужной разработку приложений для конкретных гаджетов, что значительно упрощает жизнь как сами программистов, так и пользователей их продуктов. 

Недостатки языков программирования высокого уровня

Ограниченная переносимость ПО. Хотя заявлено, что софт, написанный на таких языках, является кроссплатформенным, это правило работает не со всеми программами. В основном с теми, которые работают с математическими вычислениями или обработкой данных. В то же время интерактивные приложения (мультимедийные, игровые, графические и т.д.) используют в своей работе системные вызовы (обращения к ядру операционной системы). Но у каждой ОС этот механизм свой и довольно сильно отличается от других. Поэтому, зачастую, софт, написанный для одной операционной системы, не работает на другой. Чтобы это исправить, разработчики ПО и энтузиасты-любители создают дополнительные библиотеки, маскирующие эти различия. Но даже с ними программа может не работать на все 100% на той платформе, для которой она изначально не создавалась. 

Медленная работа. Это основной недостаток высокоуровневых языков программирования. Дело в том, что программе-транслятору требуется определенное время, чтобы перевести программу с языка, понятного человеку, в машинный код. И чем выше уровень абстракции этого ЯП, тем больше времени занимает процесс. Это можно сравнить с работой сурдо-переводчика, который вынужден сложные абстрактные понятия естественного языка переводить в достаточно ограниченный набор движений языка жестов. Чем они сложнее, тем больше жестов ему необходимо для описания. Соответственно, это увеличивает время перевода. Частично эту проблему в некоторых ЯП высокого уровня решили добавлением в них языков ассемблера, переводящего программу в набор однозначно интерпретируемых процессором инструкций. 

Применение языков программирования высокого уровня

Языки высокого уровня используют, главным образом, для написания больших и сложных приложений, таких как:

• компьютерные игры (точнее, движки, на основе которых они работают);
• мультимедийные приложения — программы для просмотра изображений, прослушивания аудио- и просмотра видеофайлов;
• профессиональное ПО для создания и редактирования изображений (графические редакторы), анимаций, видеороликов (видеоредакторы), музыки и другого медиаконтента;
• операционные системы — в частности, Linux и Microsoft Windows, а также различные системные приложения (например, фреймворки);
• профессиональное ПО для бухгалтеров, логистов, менеджеров, инженеров, разработчиков программного обеспечения и т.д.;
• приложения для обработки больших массивов данных и сложных научных и математических вычислений.

Зато различные драйверы периферийных устройств, прошивки ядер, некоторые компоненты операционных систем пишутся на языках низкого уровня. Дело в том, что только так можно обеспечить максимальную производительность и адаптивность их работы на конкретной платформе. Кроме того, низкоуровневым языкам отдается предпочтение в таких сферах, как военная промышленность, энергетика, космическая отрасль, медицина и т.д., так как в них предъявляются особые требования к надежности работы оборудования. Дело в том, что программы, написанные на высокоуровневых ЯП, работают медленнее, в них чаще происходят сбои из-за неполной переносимости, что может быть критичным при выполнении важных задач. 

Таким образом, создание языков программирования высокого уровня стало существенным шагом в развитии не только программного обеспечения, но и компьютерной индустрии в целом. Они позволили разработчикам «железа» меньше заботиться об удобстве программистов, а тем, в свою очередь, меньше уделять внимания техническим особенностям конкретных платформ. На таких ЯП написана большая часть современного программного обеспечения, которая может использоваться (с определенным допущением) на различных устройствах. Кроме того, высокоуровневые языки сделали программирование более доступным для начинающих благодаря интуитивно понятному синтаксису, что существенно упрощает их освоение.