Первые языки программирования - от Ады Лавлейс до Fortran

Старт:28.10.2024

Срок обучения:18 месяцев

Профессия «3D Artist»

207 277 ₽318 888 ₽

5 758₽/мес рассрочка

Подробнее

Для понимания современного программирования важно обратиться к его истокам. В 1843 году Ада Лавлейс написала алгоритм для аналитической машины Чарльза Бэббиджа, став первой программисткой в истории. Этот алгоритм, обработка чисел Бернулли, является ключевым моментом в развитии автоматизированных вычислений.

Позднее, в 20-м веке, возникла необходимость в более удобных инструментах для взаимодействия с машинами. Фортран, разработанный в 1950-х годах, стал одним из первых языков высокого уровня. Его появление значительно упростило процесс программирования, позволяя использовать понятные человеку команды вместо сложных машинных кодов. Язык характеризовался эффективностью и способностью задавать сложные математические вычисления.

Развитие вычислительной техники шло быстрыми темпами. Следующим важным шагом стал язык Кобол, ориентированный на обработку данных. Созданный в 1950-х годах, Кобол был призван повысить эффективность управления информацией в бизнес-процессах, что, в свою очередь, способствовало дальнейшему развитию системного программирования.

Изучение ранних языков, от Ады Лавлейс до Fortran и Кобола, дает глубокое понимание эволюции и этапов развития программирования в целом и определяет предпосылки для работы с современными, более сложными языками программирования.

Ада Лавлейс и её вклад в историю программирования

Ада Лавлейс – не просто женщина-учёный, а автор первого алгоритма, пригодного для исполнения на машине. В 1842-1843 годах она перевела и дополнила статью об аналитической машине Чаза Баббиджа. Эти дополнения, – ключевой вклад Лавлейс, – включали подробные описания алгоритмов для вычисления чисел Бернулли, что и стало первым алгоритмом для программирования.

Важно подчеркнуть, что её алгоритмы не были просто описаниями; они включали конкретные шаги, инструкции и таблицы, необходимые для решения задач на машине, то есть включали представление данных. Это демонстрирует понимание Лавлейс, как машина может работать с данными.

Лавлейс поняла потенциал аналитической машины значительно шире, чем сам Баббидж. Она увидела, что машина способна не только к вычислениям, но и может решать задачи разного рода. Она описала не только вычисление чисел Бернулли, но и, в дополнение, способность машины к обработке символов и таким образом, предугадала возможности программирования для творческих задач.

Её работа оставалась практически незамеченной в течение долгого времени, но настоятельно рекомендует изучать вклады Лавлейс в современном понимании программирования.

Программы для вычислительных машин: первая форма записи алгоритмов

Первые программы для вычислительных машин представляли собой последовательности инструкций, управляющих работой отдельных механических компонентов. Эти инструкции, сформулированные в виде физических операций, были записаны в виде последовательности карт перфокарт или пронумерованных операций на перфолентах.

Ада Лавлейс в своих заметках к аналитической машине Бэббиджа предложила концепцию циклического использования алгоритмов. Это включало последовательное исполнение инструкций и ветвления, которые позволили создавать более сложные и многократные вычисления, а не только однократные операции.

Примером ранних программных инструкций служат таблицы, описывающие шаги вычислений, необходимые для выполнения заданной задачи. Например, при расчете таблиц математических функций, каждая строка таблицы соответствовала определённым входным данным и ожидаемому результату. По такому принципу строились и работали ранние вычислительные машины.

Ранние примеры программирования показывали, что записать алгоритм можно не только в виде физически выполняемых инструкций, но и при помощи описания математических операций. Лавлейс предложила, используя идеи Бэббиджа, способ представить алгоритмизацию процесса вычисления чисел Бернулли.

Таким образом, первые "программы" для машин отличались от современных программных кодов. Они представляли собой детально разработанные схемы вычислений, закреплённые в физических конструкциях и процедурах.

Формирование понятий о переменных и циклах: от идей до первых реализаций

Ключевые идеи переменных и циклов зародились в ранних языках, изначально являясь частью алгоритмических решений. Развитие этих понятий напрямую связано с появлением первых компьютеров и потребностями в автоматизации расчётов.

Первые примеры переменных:

• В ранних языках, таких как Plankalkül, понятия переменных имели более ограниченный характер и соответствовали специфическим потребностям в хранении численных данных.
• Позднее, в языках, ориентированных на вычисления, например, Fortran, появились переменные с возможностью хранения различных типов данных, таких как целые числа и вещественные числа. Это расширяло сферу их применения.
• Ада Лавлейс использовала в своих работах аналогичные понятия, при описании алгоритмов для вычислительных машин – программы содержали указания на работу с данными, которые можно рассматривать как предшественники переменных.

Идеи циклов:

1. Для решения многократных повторяющихся задач требовались механизмы, позволяющие автоматически повторять секции кода.
2. В первых языках они воплощались, в основном, в виде условных конструкций и повторяющихся вычислений.
3. Фортран, как язык, ориентированный на научные вычисления, включал в себя конкретные конструкции циклов (например, цикл DO) для выполнения повторяющихся действий над последовательностями данных. Он предлагал мощные инструменты для организации итерационных процессов.

Особенности реализации:

• Изначально циклы и переменные были тесно связаны с архитектурой вычислительных машин.
• Разные языки отличались синтаксисом для определения и использования переменных и циклов.
• Возможности для обработки разных типов данных и структуры данных постепенно расширялись, параллельно с улучшением вычислительных технологий.

Развитие языков на основе потребностей учёных и инженеров

Для эффективной разработки и использования программного обеспечения учтите следующие критерии, обусловленные запросами учёных и инженеров.

Языки программирования, ориентированные на научные и инженерные задачи, постоянно адаптируются к меняющимся потребностям. Важное направление – совершенствование инструментов разработки для решения конкретных задач.

Фортран: первый широко используемый язык программирования высокого уровня

Фортран, созданный в 1954-1957 годах, стал первым широко используемым языком программирования высокого уровня. Он значительно упростил программирование по сравнению с машиноориентированными языками. Ключевой особенностью Фортрана была поддержка арифметических выражений, а также управляющих конструкций, которые позволили создавать более сложные алгоритмы.

Фортран был разработан группой программистов в IBM под руководством Джона Бэкуса. Первая версия языка была названа Fortran I. Она обеспечивала возможность записи программ на более абстрактном уровне, что существенно повышало производительность разработки и её сопровождения. Программы на Фортране легко транслировались в машинный код. Значительное упрощение стало результатом использования символьных имен переменных, арифметических операций и выражений.

В последующие годы Фортран эволюционировал, получив дополнительные возможности. Среди них - поддержка процедур, подпрограмм и модулей. Эти изменения расширили функциональные возможности языка, позволяя создавать более сложные и масштабируемые программы. Ключевым преимуществом являлась высокая скорость выполнения созданных программ.

Широкое распространение Фортрана было обусловлено его эффективностью в научных и инженерных вычислениях. В 1960-х и 1970-х годах Фортран стал почти монопольным языком в этой сфере из-за его высокой производительности в операциях с числами.

Хотя сейчас Фортран не является доминирующим языком в области программирования, его вклад в развитие вычислительной техники неоценим. Он задал эталон для последующего развития языков программирования, показывая, как абстракция может быть применена для повышения эффективности программирования.

Влияние первых языков на современное программирование

Первые языки программирования заложили фундамент современных подходов к написанию программ. Они задали базовые принципы и структуры, которые используются до сих пор.

Ада Лавлейс, создавая алгоритмы для аналитической машины, показала, что вычисления могут быть описаны последовательностью инструкций. Это явилось основополагающим для всех последующих языков.

• Фортран, язык, ориентированный на научные вычисления, продемонстрировал, как можно эффективно описывать математические задачи. Его влияние ощущается в современных языках, используемых для научных расчётов и инженерных программ.
• КОБОЛ, предназначенный для обработки данных бизнесом, показал, как программы могут быть адаптированы для сложной логики и больших объёмов данных. Его влияние видно в структурах данных и методах работы с базами данных.
• Появление языков высокого уровня, позволило программистам абстрагироваться от машинных кодов. Это привело к росту производительности и сокращению времени разработки. Они значительно повысили доступность программирования для широких слоёв специалистов.

Современные языки программирования, как Python и Java, опираются на идеи, развитые в первопроходческих языках. Они используют концепции структурного программирования, которые появились в 1950х и 1960х.

1. Современные парадигмы, как объектно-ориентированное программирование, частично обязаны своим возникновением первым языкам высокого уровня (например, Smalltalk).
2. Влияние этих ранних языков можно наблюдать в фундаментальных концепциях работы с данными, переменными и операторами. Всё это позволяет программистам создавать более сложные и масштабируемые программы.

Вопрос-ответ:

Какова была роль Ады Лавлейс в истории программирования, кроме создания алгоритма для аналитической машины? Какие её идеи оказали влияние на последующие языки?

Ада Лавлейс, помимо алгоритма для аналитической машины, проявила глубокое понимание её потенциала, предвосхитив множество концепций, не реализованных в то время. Она, например, понимала, что компьютер может обрабатывать и нечисловые данные. Разработала последовательность действий, которая может быть интерпретирована как программа. Её идеи о том, что машина может выполняться по определенным инструкциям, а не только производить математические вычисления, были революционными. Это влияние на последующие языки прослеживается в понимании программирования как целенаправленного процесса, ориентированного на решение задач, не только на численные расчеты. Важно понимать, что её работа была опережающей время. Она заложила фундамент для идей, которые позже стали основополагающими в теории программирования.

Какие проблемы решали первые языки программирования, помимо численных расчётов? Каковы были их ограничения?

Первые языки, такие как Фортран, в первую очередь были ориентированы на программирование вычислительных процессов. Но, совершенно очевидно, что программисты стремились к более простым и эффективным средствам решения задач. Фортран, фактически, представлял собой язык, ориентированный на запись математических алгоритмов для машин. Конечно же, он был ограничен в выразительных возможностях для задач не вычислительного характера. Например, обработкой данных из внешних источников, работой с текстовой информацией. Языки того времени имеют явно выраженную низкую уровневую ориентацию, так как они имели мало средств для контроля аппаратного обеспечения. В итоге, чтобы решить нечисленные задачи, программисты должны были использовать внешние программы.

Чем отличался Фортран от предшествующих ему языков программирования? Каков был его вклад в развитие компьютерной науки?

Фортран был первым широко используемым языком высокого уровня, и это его главное отличие от предшественников. В нём были введены ключевые идеи, такие как переменные, условные операторы, циклы. Всё это значительно упрощало процесс программирования по сравнению с машинным кодом. Фортран значительно повысил эффективность программирования. К примеру, программистам не нужно было напрямую управлять аппаратурой, что сильно ускоряло разработку программ. Появлялось больше свободы для математиков и ученых, поскольку им не приходилось вникать в сложные детали работы железа. Фортран повлиял на развитие всей компьютерной науки, поскольку впервые предоставил возможность программирования абстрактно, на более высоком уровне, что привело к значительному упрощению и ускорению разработки программ. Это дало толчок развитию всей дальнейшей компьютерной индустрии.

Какие факторы способствовали принятию Фортрана в качестве ведущего языка программирования для научных вычислений? Его преемственность сегодня?

Фортран стал ведущим языком в основном из-за удобства его использования для научных вычислений. Удобная и сокращённая запись математических формул сильно ускоряла работу учёных. Кроме того, его понимание на больших вычислительных центрах способствовало его принятию. Отсюда появились целые команды специалистов в каждом центре. Преемственность Фортрана наблюдается в том, как он повлиял на современные языки. Многие их идеи являются развитием идей Фортрана. Хотя сегодня Фортран не является главным языком в исследованиях, он остаётся очень важным инструментом для разработки высокоэффективных программ в науке и инженерии.