Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

Стоит отметить курьезный феномен, который часто приводит к искаженному взгляду на историю. Фотографии знаменитых ученых и инженеров часто делались тогда, когда они уже были знаменитыми и маститыми членами национальных академий, Королевского общества, рыцарями Святого Джона, лауреатами премии Тьюринга и т.д. Иначе говоря, на фотографиях они на десятки лет старше, чем в те годы, когда они сделали свои выдающиеся изобретения. Почти все они продуктивно работали до самой глубокой старости. Однако, вглядываясь в далекие годы возникновения наших любимых языков и методов программирования, попытайтесь представить себе молодого человека (в науке и технике по-прежнему слишком мало женщин), пытающегося выяснить, хватит ли у него денег для того, чтобы пригласить свою девушку в приличный ресторан, или отца молодого семейства, решающего, как совместить презентацию важной работы на конференции с отпуском. Седые бороды, лысые головы и немодные костюмы появятся много позже.

22.2.1. Первые языки программирования

Когда в 1949 году появились первые электронные компьютеры, позволяющие хранить программы, каждый из них имел свой собственный язык программирования. Существовало взаимно однозначное соответствие между выражением алгоритма (например, вычисления орбиты планеты) и инструкциями для конкретной машины. Очевидно, что ученый (пользователями чаще всего были ученые) писали математические формулы, но программа представляла собой список машинных инструкций. Первые примитивные списки состояли из десятичных или восьмеричных цифр, точно соответствовавших их представлению в машинной памяти. Позднее появился ассемблер и “автокоды”; иначе говоря, люди разработали языки, в которых машинные инструкции и средства (например, регистры) имели символьные имена. Итак, программист мог написать “LD R0 123”, чтобы загрузить содержимое памяти, расположенной по адресу 123, в регистр 0. Однако каждая машина по-прежнему имела свой собственный набор инструкций и свой собственный язык программирования.

Ярким представителем разработчиков языков программирования в то время является, несомненно, Дэвид Уилер (David Wheeler) из компьютерной лаборатории Кембриджского университета (University of Cambridge Computer Laboratory). В 1948 году он написал первую реальную программу, которая когда-либо была выполнена на компьютере, хранившем программы в своей памяти (программа, вычислявшая таблицу квадратов; см. раздел 4.4.2.1). Он был одним из десяти людей, объявивших о создании первого компилятора (для машинно-зависимого автокода). Он изобрел вызов функции (да, даже такое очевидное и простое понятие было когда-то изобретено впервые). В 1951 году он написал блестящую статью о разработке библиотек, которая на двадцать лет опередила свое время! В соавторстве с Морисом Уилксом (Maurice Wilkes) (см. выше) и Стенли Гиллом (Stanley Gill) он написал первую книгу о программировании. Он получил первую степень доктора философии в области компьютерных наук (в Кембриджском университете в 1951 году), а позднее внес большой вклад в развитие аппаратного обеспечения (кэш-архитектура и ранние локальные сети) и алгоритмов (например, алгоритм шифрования TEA (см. раздел 25.5.6) и преобразование Бэрроуза–Уилера (Burrows-Wheeler transform) — алгоритм сжатия, использованный в архиваторе bzip2). Дэвид Уилер стал научным руководителем докторской диссертации Бьярне Страуструпа (Bjarne Stroustrup). Как видите, компьютерные науки — молодая дисциплина. Дэвид Уилер выполнил большую часть своей выдающейся работы, будучи еще аспирантом. Впоследствии он стал профессором Кембриджского университета и членом Королевского общества (Fellow of the Royal Society).

Ссылки

Burrows, M., and David Wheeler. “A Block Sorting Lossless Data Compression Algorithm.” Technical Report 124, Digital Equipment Corporation, 1994.

Bzip2 link: www.bzip.org.

Cambridge Ring website:cr82.

Campbell-Kelly, Martin. “David John Wheeler.”Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, Vol. 52, 2006. (Его формальная биография.)

EDSAC: http://en.wikipedia.org/wiki/EDSAC.

Knuth, Donald. The Art of Computer Programming. Addison-Wesley, 1968, and many revisions. Look for “David Wheeler” in the index of each volume.

TEA link: http://en.wikipedia.org/wiki/Tiny_Encryption_Algorithm.

Wheeler, D. J. “The Use of Sub-routines in Programmes.” Proceedings of the 1952 ACM National Meeting. (Это библиотека технических отчетов, начиная с 1951 года.)

Wilkes, M. V., D. Wheeler, and S. Gill. Preparation of Programs for an Electronic Digital Computer. Addison-Wesley Press, 1951; 2nd edition, 1957. Первая книга о программировании.

22.2.2. Корни современных языков программирования

Ниже приведена диаграмма важнейших первых языков.

Важность этих языков частично объясняется тем, что они широко используются (а в некоторых случаях используются и ныне), а частично тем, что они стали предшественниками важных современных языков, причем часто наследники имели те же имена. Этот раздел посвящен трем ранним языкам — Fortran, COBOL и Lisp, — ставшим прародителями большинства современных языков программирования.

22.2.2.1. Язык программирования Fortran

Появление языка Fortran в 1956 году, вероятно, является наиболее значительным событием в истории языков программирования. Fortran — это сокращение словосочетания “Formula Translation” [9] . Его основная идея заключалась в генерации эффективного машинного кода, ориентированного на людей, а не на машины. Система обозначений, принятая в языке Fortran, напоминала систему, которой пользовались ученые и инженеры, решающие математические задачи, а не машинные инструкции (тогда лишь недавно появившиеся) электронных компьютеров.

9

Трансляция формул. — Примеч. ред.

С современной точки зрения язык Fortran можно рассматривать как первую попытку непосредственного представления предметной области в коде. Он позволял программистам выполнять операции линейной алгебры точно так, как они описаны в учебниках. В языке Fortran есть массивы, циклы и стандартные математические формулы (использующие стандартные математические обозначения, такие как x+y и sin(x)). Язык содержал стандартную библиотеку математических функций, механизмы ввода-вывода, причем пользователь мог самостоятельно определять дополнительные функции и библиотеки.

Система обозначений была достаточно машинно-независимой, так что код на языке Fortran часто можно было переносить из одного компьютера в другой с минимальными изменениями. Это было огромное достижение в то время. По этим причинам язык Fortran считается первым высокоуровневым языком программирования.

Считалось важным, чтобы машинный код, сгенерированный на основе исходного кода, написанного на языке Fortran, был как можно ближе к оптимальному с точки зрения эффективности: машины были огромными и чрезвычайно дорогими (во много раз больше зарплаты коллектива программистов), удивительно (по современным меркам) медленными (около 100 тыс. операций в секунду) и имели абсурдно малую память (8 K). Однако люди умудрялись втискивать в эти машины полезные программы, и это ограничивало применение улучшенной системы обозначений (ведущее к повышению производительности работы программиста и усилению переносимости программ).

Язык Fortran пользовался огромным успехом в области научных и инженерных вычислений, для которых он собственно и предназначался. С момента своего появления он постоянно эволюционировал. Основными версиями языка Fortran являются версии II, IV, 77, 90, 95 и 03, причем до сих пор продолжаются споры о том, какой из языков сегодня используется чаще: Fortran77 или Fortran90.

Первое определение и реализация языка Fortran были выполнены коллективом сотрудников компании IBM под руководством Джона Бэкуса (John Backus): “Мы не знали, чего хотели и как это сделать. Язык просто вырастал”. Что они могли знать? До сих пор никто ничего подобного не делал, но постепенно они разработали или открыли основную структуру компилятора: лексический, синтаксический и семантический анализ, а также оптимизацию. И по сей день язык Fortran является лидером в области оптимизации математических вычислений. Среди открытий, появившихся после языка Fortran, была система обозначений для специальной грамматики: форма Бэкуса–Наура (Backus-Naur Form — BNF). Впервые она была использована в языке Algol-60 (см. раздел 22.2.3.1) и в настоящее время используется в большинстве современных языков. Мы использовали вариант формы BNF в нашей грамматике, описанной в главах 6 и 7.

Много позже Джон Бэкус стал основоположником новой области языков программирования (функционального программирования), опирающейся на математический подход к программированию в отличие от машинно-ориентированного подхода, основанного на чтении и записи содержимого ячеек памяти. Следует подчеркнуть, что в чистой математике нет понятия присваивания и даже оператора. Вместо этого вы “просто” указываете, что должно быть истинным в определенных условиях. Некоторые корни функционального программирования уходят в язык Lisp (см. раздел 22.2.2.3), а другие идеи функционального программирования отражены в библиотеке STL (см. главу 21).