Исторический экскурс в методы программирования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Мордовский государственный педагогический университет имени М. Е. Евсевьева»

Факультет физико-математический

Кафедра информатики и вычислительной техники

РЕФЕРАТ

Исторический экскурс в методы программирования

Автор работы _____________________________________ Д.Р. Янгаева

Направления подготовки 44.03.05 Педагогическое образование

Профиль Информатика. Математика

Руководитель работы

доцент____________________________________________Т. В. Кормилицына

Оценка __________

Саранск 2021

История создания языка программирования

Языки программирования создавались и разрабатывались в течение многих лет. Некоторые из них до сих пор находятся в процессе развития, так как потребности потребителя растут, разрабатывается новое «железо» и программистам приходится искать новые решения, а также принципы работы с инновациями. 

Само понятие «язык программирования» можно трактовать как формальную знаковую систему, которую программисты используют для написания компьютерных программ. Однако, о языке машин инженеры стали задумываться намного раньше, чем у них появилась возможность писать на нем и создавать программы. 

Идею о создании языка машин впервые в 19 веке высказал ученый Чарльз Бэббидж. Его считают основателем и отцом первого в мире компьютера. На тот момент его идеи были лишь предположениями. Он не знал о мониторах и микросхемах, но ему удалось точно описать основные принципы работы вычислительных машин. Со временем инженеры сделали грандиозный вывод о том, что эффективное использование компьютеров заключается в правильно подобранных алгоритмах.

Пик развития языков программирования пришелся на 50-е годы 20 века. Тогда, чтобы программировать, инженерам приходилось знать полностью всю архитектуру компьютера и понимать его машинные коды. В 50-е ты не мог быть программистом, если не знал, как собирается компьютер и из чего он состоит. У компьютеров того времени даже клавиатуры не было, но были перфокарты, которые не очень упрощали будни тогдашнего инженера-программиста. 

Когда человеку нужно упростить свой труд, сделать его более автоматизированным, он начинает придумывать новые идеи и изобретать то, что могло бы облегчить ему жизнь. Так начали появляться первые языки программирования.

В то время инженеры-программисты были вынуждены детально изучать все машинные команды, а потом внимательно писать код, каждый раз тщательно его проверяя. Чтобы как-то упростить задачу, программистам требовалось перевести цифровые обозначения операций в буквы. Так появился первый язык программирования – Ассемблер (от английского assemble – собирать). Сейчас его считают языком низкого уровня программирования, но в свое время он произвел настоящий фурор. Программы, написанные на Ассемблере, были достаточно эффективны и работоспособны. 

Пример кода, написанного на Ассемблере

Затем программистам понадобилось создать язык более высокого уровня, который бы ориентировался на написание и запуск алгоритмов. В 1954 году был изобретен новый язык программирования – FORmula TRANslator или просто FORTRAN. Он жив до сих пор и достаточно востребован в Data Science. Существует множество версий Фортрана, но первая и оригинальная из множества версий использовалась еще на перфокартах, как и Ассемблер. Затем внедрение новых типов цифровых устройств побудило программистов не стоять на месте и создавать новые языки машин. 

После Фортрана в 1958 году изобрели Algorithmic Language или Algol. Его создали на основе обособленных блоков. Это алгоритмический язык, которым сейчас уже никто не пользуется. По сути его можно назвать мертвым. Однако, в 58 году он был очень востребованным, так как предназначался для научных отчетов и публикаций. 

Стремление программистов преобразовать язык программирования в подобие человеческого языка повлияло на создание COBOL в 1959 году. Его синтаксис значительно отличался от Ассемблера и Фортрана и был похож на естественный английский. Это стало новым веянием в мире программирования, так как у программистов появилась возможность работать с текстом и записями, а не машинным кодом. 

Все вышеперечисленные языки программирования уже стали историей. Они очень стары и ими практически никто не пользуется. На их основе были созданы более современные языки, такие как С, С++, С#, Java и многие другие. О них мы подготовили для вас серию нарративов, которые мы начнем публиковать со следующей недели. У вас будет возможность подробнее ознакомиться с преимуществами и историей современных языков программирования. Вся информация будет простой и понятной.

Начало истории программирования

С глубокой древности известны попытки создать устройства, ускоряющие и облегчающие процесс вычислений. Еще древние греки и римляне применяли приспособление, подобное счетам – абак. Такие устройства были известны и в странах Древнего Востока. В XV в. немецкие ученые В. Шиккард (1623), Г.Лейбниц (1673) и французский ученый Б. Паскаль (1642) создали механические вычислительные устройства – о предшественники всем известного арифмометра. Вычислительные машины совершенствовались в течении нескольких веков. Но при этом не применялось понятие «программа и программирование».

В начале XIX в. (1830) английский ученый, профессор математики Кэмбриджского университета Чарльз Бэббидж, анализируя результаты обработки переписи населения во Франции, теоретически исследовал процесс выполнения вычислений и обосновал основы архитектуры вычислительной машины. Работая над проектом аналитической машины – «Машины для исчисления разностей», Ч. Бэббидж предсказал многие идеи и принципы организации и работы современных ЭВМ, в частности принцип программного управления и запоминаемой программы. Общая увлеченность наукой дала ученому и Аде Лавлейс (1815 - 1852) долгие годы плодотворного сотрудничества. В 1843 г. она перевела статью Менабреа по лекциям Ч. Бэббиджа, где в виде подробных комментариев (по объему они превосходили основной текст) сформулировала главные принципы программирования аналитической машины. Она разработала первую программу (1843) для машины Бэббиджа, убедила его в необходимости использования в изобретении двоичной системы счисления вместо десятичной, разработала принципы программирования, предусматривающие повторение одной и той же последовательности команд при определенных условиях. Именно она предложила термины «рабочая ячейка» и «цикл». 

А. Лавлейс составила первые программы для решения системы двух уравнений и вычисления чисел Бернулли по довольно сложному алгоритму и предположила, что со временем аналитическая машина будет сочинять музыкальные произведения, рисовать картины и использоваться в практической и научной деятельности. Время подтвердило ее правоту и точность прогнозов. Своими работами А. Лавлейс заложила теоретические основы программирования и по праву считается первым в мире программистом и основоположником научного программирования. Идеи Ч. Бэббиджа реализовал американский ученый Г. Холлерит, который с помощью построенной счетно-аналитической машины и перфокарт за три года обработал результаты переписи населения в США по состоянию на 1890г. В машине впервые было использовано электричество. В 1896 г. Холлеритом была основана фирма по выпуску вычислительных перфорационных машин и перфокарт.

В 1953 г. А.А.Ляпуновым был предложен операторный метод программирования, который заключался в автоматизации программирования, а алгоритм решения задачи представлялся в виде совокупности операторов, образующих логическую схему задачи. Схемы позволяли расчленить громоздкий процесс составления программы, части которой составлялись по формальным правилам, а затем объединялись в целое. Для проверки идей операторного метода в СССР в 1954 г. была разработана первая программирующая программа ПП-1, а в 1955 г. более совершенная – ПП-2. В 1956 г. разработана ПП БЭСМ, в 1957 г. - ППСВ, в 1958 г. – для машины «Стрела».

В 1951 г. в США было налажено первое серийное производство электронных машин УНИВАК (универсальная автоматическая вычислительная машина). В это же время фирма IBM начала серийный выпуск машины IBM/701. В СССР первыми авторами ЭВМ, изобретенной в декабре 1948 г., являются И. С. Брук и Б. И. Рамеев. А первая советская ЭВМ с сохраняющейся программой создана в 1951 г. под руководством С. А Лебедева (МЭСМ – малая электронная счетная машина). В 1953 г. в Советском Союзе начался серийный выпуск машин, первыми их которых были БЭСМ-1, «Стрела». С появлением цифровых программно-управляемых машин родилась новая область прикладной математики - программирование. Как область науки и профессия она возникла в 1950-х гг. Первоначально программы составлялись вручную на машинных языках (в машинных кодах). Программы были громоздки, их отладка – очень трудоемка. Для упрощения приемов и методов составления и отладки программ были созданы мнемокоды, по структуре близкие к машинному языку и использующие символьную адресацию. Ассемблеры переводили программу, записанную в мнемокоде, на машинный язык и, расширенные макрокомандами, используются и в настоящее время. Далее были созданы автокоды, которые можно применять на различных машинах, и позволившие обмениваться программами. Автокод – набор псевдокоманд для решения специализированных задач, например научных или инженерных. Для таких задач имеется развитая библиотека стандартных программ. На начало 1970-х гг. существовало более 700 языков высокого уровня и около 300 трансляторов для автоматизации программирования.

Методы программирования

Методология разработки программного обеспечения – совокупность методов, применяемых на различных стадиях жизненного цикла программного обеспечения и имеющих общий философский подход.

Каждая методология характеризуется своим:

• философским подходом или основными принципами. Эти принципы, от которых зависит эффективность всей методологии, обычно можно кратко сформулировать и легко объяснить;

• согласованным множеством моделей методов, которые реализуют данную методологию;

• концепциями (понятиями), позволяющими более точно определить методы.

В частном случае, когда методология применяется на стадии программирования (конструирования), её обычно называют парадигмой программирования.

Можно проследить три пути возникновения методологий. Во –первых, они могут являться выражением практического опыта. Во –вторых, методологии могут происходить от одной из четырёх моделей алгоритма: абстрактная машина Тьюринга (императивное программирование), рекурсивные функции Гильберта и Аккермана (структурное программирование), лямбда –исчисление Чёрча (функциональное программирование), нормальные алгорифмы Маркова (логическое программирование). В –третьих, методологии можно объяснить через отображение одной из трёх структур языка моделирования на структуру языка программирования. Составными частями могут быть структура данных, структура управления и логика. Каждое из девяти отображений определяет либо методологию, либо достаточно серьёзный метод программирования.

Рассмотрим 4 метода программирования:

• структурное;

• модульное;

• объектно-ориентированное;

• компонентное.

Структурный метод программирования

Структурное программирование  методология разработки программного обеспечения, в основе которой лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков). Предложена в 70-х годах XX в. Э.Дейкстрой, разработана и дополнена Н.Виртом. 

В соответствии с данной методологией любая программа строится без использования оператора goto из трёх базовых управляющих структур: последовательность, ветвление, цикл; кроме того, используются подпрограммы. При этом разработка программы ведётся пошагово, методом «сверху вниз». Методология структурного программирования появилась как следствие возрастания сложности решаемых на компьютерах задач, и соответственно, усложнения программного обеспечения. В 1970-е годы объёмы и сложность программ достигли такого уровня, что традиционная (неструктурированная) разработка программ перестала удовлетворять потребностям практики. Программы становились слишком сложными, чтобы их можно было нормально сопровождать. Поэтому потребовалась систематизация процесса разработки и структуры программ. Первоначально идея структурного программирования появилась на свет в связи с оператором goto и сомнениями в целесообразности его применения. Впервые подобные сомнения высказал Хайнц Земанек (Heinz Zemanek) на совещании по языку Алгол в начале 1959 года в Копенгагене. Однако это выступление не привлекло к себе внимания и не имело последствий. Эдсгер Дейкстра (Edsger Dijkstra) вспоминает: «До некоторой степени я виню себя за то, что в то время не смог оценить значимость этой идеи». Ситуация коренным образом изменилась через десять лет, когда в марте 1968 года Дейкстра опубликовал своё знаменитое письмо «Оператор Go To считается вредным» (Go To Statement Considered Harmful). Это поистине исторический документ, оказавший заметное влияние на дальнейшее развитие программирования.

Судьба самого документа очень интересна. Дело в том, что Дейкстра дал статье совсем другое название: «Доводы против оператора GO TO» (A Case against the GO TO Statement). Однако в момент публикации произошло нечто непонятное — статья почему-то загадочным образом превратилась в «Письмо к редактору», причем прежнее название столь же загадочно исчезло. Что произошло на самом деле? Дейкстра объяснил таинственное превращение статьи в письмо лишь много лет спустя, в 2001 году, за год до смерти. 

Цель структурного программирования – повысить производительность труда программистов, в том числе при разработке больших и сложных программных комплексов, сократить число ошибок, упростить отладку, модификацию и сопровождение программного обеспечения. Такая цель была поставлена в связи с ростом сложности программ и неспособностью разработчиков и руководителей крупных программных проектов справиться с проблемами, возникшими в 1960 – 1970 годы в связи с развитием программных средств.

Теорему сформулировали и доказали итальянские математики Коррадо Бём (Corrado Böhm) и Джузеппе Якопини (Giuseppe Jacopini). Они опубликовали её в 1965 году на итальянском языке и в 1966 году на английском. Наряду с теоремой, в статье Бёма и Якопини описывались методы преобразования неструктурных алгоритмов в структурные на примере созданного Бёмом языка программирования P′′. Язык P′′ — первый полный по Тьюрингу язык программирования без оператора goto.

Теорема о структурном программировании

Теорема Бёма-Якопини написана сложным языком и в непривычных обозначениях. Если использовать современную терминологию и обозначения, она примет вид:

• любая программа, заданная в виде блок-схемы, может быть представлена с помощью трех управляющих структур:

• последовательность — обозначается: f THEN g,

• ветвление — обозначается: IF p THEN f ELSE g,

• цикл — обозначается: WHILE p DO f,

где f, g — блок-схемы с одним входом и одним выходом,

• р — условие,

• THEN, IF, ELSE, WHILE, DO — ключевые слова.

Пояснение. Формула f THEN g означает следующее: сначала выполняется программа f, затем выполняется программа g.

Как отмечает Харлан Миллс (Harlan Mills), данная теорема резко контрастирует с обычной (в 1960 – 1970 годы) практикой программирования, когда наблюдалось массовое использование операторов перехода goto. Бём и Якопини не употребляли термин «структурное программирование». Тем не менее, доказанную ими теорему (и её последующие вариации у разных авторов) впоследствии стали называть «Теоремой о структурном программировании», «Структурной теоремой» (Structure theorem), «Теоремой о структурировании» .

Метод модульного программирования

Модульное программирование – это организация программы как совокупности небольших независимых блоков, называемых модулями, структура и поведение которых подчиняются определенным правилам. Использование модульного программирования позволяет упростить тестирование программы и обнаружение ошибок. Аппаратно-зависимые подзадачи могут быть строго отделены от других подзадач, что улучшает мобильность создаваемых программ.

Модуль – функционально законченный фрагмент программы. Во многих языках (но далеко не обязательно) оформляется в виде отдельного файла с исходным кодом или поименованной непрерывной её части. Некоторые языки предусматривают объединение модулей в пакеты. История концепции модулей как единиц компиляции восходит к языкам Фортран II и Кобол, то есть, к концу 1950-х годов. В 1976 году появилась публикация, в которой была развита концепция модульности — о языке Mesa (англ.), который был разработан в Xerox PARC. В 1977 году подробно ознакомился с этой концепцией учёный Никлаус Вирт, общаясь с разработчиками в Xerox PARC. Эти идеи были использованы Виртом при создании языка Модула-2, публикация о котором вышла в 1977 году. Термин «модуль» в программировании начал использоваться в связи с внедрением модульных принципов при создании программ. В 1970-х годах под модулем понимали какую-либо процедуру или функцию, написанную в соответствии с определенными правилами. Например: «модуль должен быть простым, замкнутым (независимым), обозримым (от 50 до 100 строк), реализующим только одну функцию задачи, имеющим одну входную и одну выходную точку».

Первым основные свойства программного модуля более-менее четко сформулировал Д. Парнас (David Parnas) в 1972 году: «Для написания одного модуля должно быть достаточно минимальных знаний о тексте другого». Таким образом, в соответствии с определением, модулем могла быть любая отдельная процедура (функция) как самого нижнего уровня иерархии (уровня реализации), так и самого верхнего уровня, на котором происходят только вызовы других процедур-модулей. 

Таким образом, Парнас первым выдвинул концепцию скрытия информации (англ. information hiding) в программировании. Однако существовавшие в языках 70-х годов только такие синтаксические конструкции, как процедура и функция, не могли обеспечить надежного скрытия информации, из-за повсеместного применения глобальных переменных. Решить эту проблему можно было только разработав новую синтаксическую конструкцию, которая не подвержена влиянию глобальных переменных. Такая конструкция была создана и названа модулем. Изначально предполагалось, что при реализации сложных программных комплексов модуль должен использоваться наравне с процедурами и функциями как конструкция, объединяющая и надежно скрывающая детали реализации определенной подзадачи. Таким образом, количество модулей в комплексе должно определяться декомпозицией поставленной задачи на независимые подзадачи. В предельном случае модуль может использоваться даже для заключения в него всего лишь одной процедуры, если необходимо, чтобы выполняемое ею локальное действие было гарантировано независимым от влияния других частей программы при любых изменениях.

Впервые специализированная синтаксическая конструкция модуля была предложена Н. Виртом в 1975 г. и включена в его новый язык Modula . Насколько сильно изменяются свойства языка, при введении механизма модулей, свидетельствует следующее замечание Н.Вирта, сделанное им по поводу более позднего языка Модула-2: «Модули — самая важная черта, отличающая язык Модула-2 от его предшественника Паскаля».

Метод объектно-ориентированное программирования

Объектно – ориентированное программирование (ООП)  – методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования.

ООП возникло в результате развития идеологии процедурного программирования, где данные и подпрограммы (процедуры, функции) их обработки формально не связаны. Для дальнейшего развития объектно-ориентированного программирования часто большое значение имеют понятия события (так называемое событийно-ориентированное программирование) и компонента (компонентное программирование, КОП).

Взаимодействие объектов происходит посредством сообщений. Результатом дальнейшего развития ООП, по-видимому, будет агентно-ориентированое программирование, где агенты — независимые части кода на уровне выполнения. Взаимодействие агентов происходит посредством изменения среды, в которой они находятся.

Языковые конструкции, конструктивно не относящиеся непосредственно к объектам, но сопутствующие им для их безопасной (исключительные ситуации, проверки) и эффективной работы, инкапсулируются от них в аспекты (в аспектно-ориентированном программировании). Субъектно-ориентированное программирование расширяет понятие объекта посредством обеспечения более унифицированного и независимого взаимодействия объектов. Может являться переходной стадией между ООП и агентным программированием в части самостоятельного их взаимодействия.

Первым языком программирования, в котором были предложены основные понятия, впоследствии сложившиеся в парадигму, была Симула, но термин «объектная ориентированность» не использовался в контексте использования этого языка. В момент его появления в 1967 году в нём были предложены революционные идеи: объекты, классы, виртуальные методы и др., однако это всё не было воспринято современниками как нечто грандиозное. Фактически, Симула была «Алголом с классами», упрощающим выражение в процедурном программировании многих сложных концепций. Понятие класса в Симуле может быть полностью определено через композицию конструкций Алгола (то есть класс в Симуле — это нечто сложное, описываемое посредством примитивов).

Взгляд на программирование «под новым углом» (отличным от процедурного) предложили Алан Кэй и Дэн Ингаллс в языке Smalltalk. Здесь понятие класса стало основообразующей идеей для всех остальных конструкций языка (то есть класс в Смолтоке является примитивом, посредством которого описаны более сложные конструкции). Именно он стал первым широко распространённым объектно-ориентированным языком программирования.

В настоящее время количество прикладных языков программирования (список языков), реализующих объектно-ориентированную парадигму, является наибольшим по отношению к другим парадигмам. Наиболее распространённые в промышленности языки (С++, Delphi, C#, Java и др.) воплощают объектную модель Симулы. Примерами языков, опирающихся на модель Смолтока, являются Python, Ruby.

Метод компонентного программирования

Компонентное программирование –  парадигма программирования, существенным образом опирающаяся на понятие компонента — независимого модуля исходного кода программы, предназначенного для повторного использования и развёртывания и реализующегося в виде множества языковых конструкций (например, «классов» в объектно-ориентированных языках программирования), объединённых по общему признаку и организованных в соответствии с определёнными правилами и ограничениями.

Компонентно-ориентированный подход появился в 1987 году, когда Никлаус Вирт предложил для языка «Оберон» паттерн написания блоков. Данный паттерн сформировался при изучении проблемы «хрупких» базовых классов, возникающей при построении объёмной иерархии классов. Паттерн заключался в том, что компонент компилируется отдельно от других, а на стадии выполнения — необходимые компоненты подключаются динамически. В 1989 году Бертран Мейер предложил идею единого взаимодействия между вызываемым и вызывающимкомпонентами. Эта идея воплотилась в виде готовых решений: CORBA, COM, SOAP. Впоследствии, поддержка со стороны языка осуществилась в «Компонентном Паскале».

Ситуация со внедрением компонентно-ориентированного подхода, — как ограничения для существующих парадигм программирования, — сходна с появлением структурного программирования, которое ограничивало неупорядоченные переходы управления с помощью оператора «GOTO» (затруднявшего анализ алгоритма программы для уже существующих языков и не привносившего новых конструкций).

Мощным толчком в развитии новых направлений в программировании послужило объединение компьютерных и телекоммуникационных технологий. За рубежом в 1960-х гг. появились первые вычислительные сети, с которых началась техническая и технологическая революция, т. к. была предпринята попытка объединить технологию сбора, хранения, передачи и обработки информации на ЭВМ с техникой связи. В Европе в те годы были созданы международные сети EIN и Евро-нет, затем появились национальные сети. В 1972 г. в Вене была создана сеть МИПСА, к которой присоединились в 1979 г. 17 стран Европы, СССР, США, Канада и Япония. В 1980-х гг. в нашей стране была создана система телеобработки статистической информации, обслуживающая государственные и республиканские органы статистики.

Список использованных источников

 

1. Зайцев, М. Г. Программирование: Структурное программирование, подпрограммы, строки / М. Г. Зайцев ; Новосибирский государственный технический университет. – Новосибирск : Новосибирский государственный технический университет, 2016. – 103 с. –URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=575676 (дата обращения: 26.10.2021). – ISBN 978-5-7782-2938-9. – Текст : электронный.

2. Кучунова, Е. В. Программирование: процедурное программирование / Е. В. Кучунова, Б. В. Олейников, О. М. Чередниченко. – Красноярск : Сибирский федеральный университет (СФУ), 2016. – 92 с. – URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=497273 (дата обращения: 26.10.2021). – ISBN 978-5-7638-3555-7. – Текст : электронный.

3. Лубашева, Т. В. Основы алгоритмизации и программирования : учебное пособие / Т. В. Лубашева, Б. А. Железко. – Минск : РИПО, 2016. – 378 с. – URL: https://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=463632 (дата обращения: 26.10.2021).– ISBN 978-985-503-625-9. – Текст : электронный.

4. Пышкин Е.В., Структурное проектирование: основание и развитие методов.

Примерами на язык С++: учеб. пособие. – СПб.: изд-во Политехнический ун-та, 2005. – 324 с.