Уровни языков программирования: краткий обзор

Язык программирования – это набор инструкций, с помощью которых можно передавать команды процессору и тем самым управлять компьютером. Существует множество языков со своим специфичным синтаксисом и все они позволяют вносить изменения в данные, хранящиеся на компьютере, менять контент, отображающийся на экране, запускать приложения, производить вычисления и т.п.

Разные языки программирования на разных уровнях взаимодействуют с компьютером, потому что машина не понимает английский (или любой другой человеческий язык), и для взаимодействия с ним используется специальная система из нулей и единиц. Но развитие технологий привело к созданию новых языков и деление их на уровни.

Как я уже отметил выше, компьютер не умеет разговаривать по-английски. Общение с машиной происходит при помощи нулей и единиц. Мы буквально подаем ток на определенные транзисторы, чтобы превращать импульсы тока в слова, изображения на экране компьютера, сложные программы и видеоигры. Это наиболее рациональный с точки зрения производительности вариант взаимодействия с процессором, потому, используя двоичную систему, вы передаете команды напрямую: управляете памятью, перемещаете данные и т.п.

Но есть низкоуровневые языки, которые немного упрощают процесс общения с «железом» за счет преобразования часто используемых команды из 1011 в более удобоваримые директивы в духе MOV, AAD.

Такие языки строго оптимизируются под конкретные чипы и работают только на тех архитектурах, под которые они изначально разрабатывались.

Это единственный язык, который понимает компьютер без какой-либо предобработки. Сейчас программисты его не используют, потому что он слишком сложный в восприятии. Есть масса более понятных аналогов, выполняющих те же функции, в то время как машинный язык очень сложный, требует куда больше времени и внимательности от специалиста и вообще никак не помогает в создании новых программ, а только усложняет эту задачу.

Машинный язык – это информация в чистом виде, зачастую представляющая собой набор чисел в двоичной системе исчисления (иногда используются десятичные и другие варианты). Разработчики должны прописывать каждую команду с помощью заранее предусмотренных запросов, четко следуя правилам написания инструкций для конкретного чипа, с которым работает программист.

Написанный машинный код передается в загрузчик программ напрямую, обычно игнорируя любые посреднические программные слои.

Это первый уровень абстракции от машинного языка. Первая надстройка, упрощающая восприятие программного кода и помогающая разработчикам писать более стабильные приложения, практически не теряя в производительности.

Синтаксис языка ассемблера состоит не из нулей и единиц (и даже не из цифр с буквенными значениями, как в десятичной системе), а из вполне читаемых директив, которые похожи на сокращенные английские слова. Например MOV вместо 1011 отвечает за перемещение данных из одного регистра в другой.

Каждый язык ассемблера поставляется с собственным переводчиком, превращающим директивы на английском языке в директивы, которые умеет читать компьютер, то есть в машинный код. Этот переводчик называют ассемблером. И это одна из причин, почему ПО, написанное с использованием ассемблера работает медленнее, – компьютеру требуется время на перевод.

Уровень абстракции языка ассемблера довольно посредственный, потому что информация, которой манипулирует разработчик, хранится в регистрах процессора (специальных ячейках, где может храниться определенный объем данных), из-за чего формируется тесная взаимосвязь между написанным кодом и используемым железом. Без больших затрат по времени ретранслировать этот код под другую платформу или операционную систему не получится.

В отличие от машинного языка, язык ассемблера используется даже в современной разработке. В частности, для создания ПО, требующего очень высокой производительности, низкоуровневых системных компонентов или драйверов для аппаратной части устройств.

Резюмируем:

Машинный код сложен для восприятия, и это порождает две большие проблемы в разработке:

В связи с этим инженеры начали создавать дополнительные уровни абстракций для машинного языка, чтобы люди могли выполнять те же операции, но манипулируя куда более понятными для них структурами, отсекая часть задач, ранее возложенных на программиста, и передавая их специализированным компьютерным утилитам.

Высокоуровневые языки куда ближе к английскому языку, чем язык ассемблера и машинный код. Поэтому его проще воспринимать, и новые поколения программистов начали расти куда быстрее за счет использования более простых конструкций в коде.

Код, написанный на высокоуровневом языке, впоследствии трансформируется в машинный код при помощи специальных утилит: компиляторов и интерпретаторов. Первый трансформирует программу в понятную для компьютера еще до запуска, а второй делает это постепенно – строка за строкой.

Такой подход позволил создать множество уникальных синтаксисов и надстроек. Каждый вариант позволяет выполнять свои задачи по-разному, взаимодействуя с железом.

Взаимодействуя с высокоуровневыми языками, программист переходит на управление абстрактными структурами. На смену регистрам, адресам памяти и запросам в стек (это список команд, если выражаться максимально примитивно) приходят объекты, массивы данных, переменные, булевы выражения, функции, циклы и другие сущности, знакомые современным разработчикам.

Частицы кода больше напоминают прикладные и «осязаемые» элементы, в которые проще уложить логику сложных современных приложений и веб-сайтов.

Их уже довольно много:

Естественно, языков в десятки раз больше, но на всех в этой статье места не хватит.

Относительность термина «высокоуровневый» возникла в связи с избыточным ростом количества языков программирования. Причем многие из них базировались друг на друге и семимильными шагами повышали уровень абстракции.

Некоторые языки считаются более низкоуровневыми, чем другие, даже в пространстве высокоуровневых. Например, C++ более тесно взаимодействует с «железом», а потому нередко именуется низкоуровневым языком, хотя таковым и не является.

А все потому что появились языки в духе JavaScript, которые еще больше отдаляют программистов от аппаратных компонентов и создают тепличные условия, в которых разработка все меньше походит на хардкорную борьбу с машиной 30 лет назад.

Также низкоуровневыми начали называть языки, в которых по умолчанию не встроены дополнительные инструменты, облегчающие процесс создания ПО, например «сборщики мусора».

Резюмируем:

Если вы только начинаете свой путь в мире разработки, то сразу бросаться в языки ассемблера и уж тем более машинный код не стоит. Программирование – тема сложная, и лучше начинать с определенного уровня абстракции. Хотя бы C++, но куда лучше подойдет Python. Последний поможет понять базовые концепции и выучить простейшие алгоритмы. А дальше у вас будет два пути:

Низкоуровневые и высокоуровневые языки хоть и разные, но отлично уживаются в современном мире, выполняя задачи, возложенные конкретно на них. Благодаря повышению уровня абстракции был создан весь современный цифровой мир, поэтому корить разработчиков за то, что они используют только условный Objective-C и игнорируют машинный код, нелепо. Но и совсем отрицать важность изучения основ тоже глупо. Чтобы быть хорошим специалистом, нужно поддерживать баланс и изучать программирование со всех сторон.