Код. Тайный язык информатики

Человеческие языки — это сотни и тысячи лет сложных взаимодействий, случайных изменений и приспособлений. Даже в основе таких искусственных языков, как эсперанто, лежит реальный язык. Однако компьютерные языки высокого уровня — результат более целенаправленной работы. Задача изобретения языка программирования интересна для некоторых людей, поскольку язык определяет то, как человек передает инструкции компьютеру. По оценкам, сделанным в 1993 году, с начала 1950-х были изобретены и внедрены более тысячи языков высокого уровня.

Конечно, недостаточно просто создать высокоуровневый язык (что подразумевает разработку синтаксиса, то есть набора правил для составления выражений). Вы обязательно должны написать компилятор — программу, которая преобразует инструкции вашего высокоуровневого языка в машинный код. Подобно ассемблеру, компилятор должен прочитать файл с исходным кодом символ за символом и разбить его на короткие слова, символы и цифры. Тем не менее компилятор намного сложнее, чем ассемблер. Относительная простота последнего обусловлена взаимно-однозначным соответствием между инструкциями на языке ассемблера и машинным кодом. Компилятору обычно приходится преобразовывать одну инструкцию, написанную на языке высокого уровня, во множество машинных. Компиляторы писать нелегко, о чем свидетельствуют множество книг, посвященных их разработке.

Языки высокого уровня имеют свои преимущества и недостатки. Основная ценность в том, что их обычно легче изучать и использовать, чем языки ассемблера. Программы, написанные на языках высокого уровня, часто получаются более понятными и краткими. Кроме того, такие языки в основном являются переносимыми, то есть не зависят от конкретного процессора, что позволяет программисту не учитывать базовую структуру компьютера, где будет работать программа. Разумеется, если хотите запустить программу более чем на одном процессоре, вам потребуются компиляторы, которые генерируют машинный код для этих процессоров. Исполняемые файлы по-прежнему будут специфическими для каждого из них.

Однако код, написанный хорошим ассемблерным программистом, почти всегда превосходит код, созданный компилятором. Это означает, что исполняемый файл, получившийся из программы, написанной на языке высокого уровня, будет более объемным и медленным по сравнению с функционально идентичной программой, написанной на языке ассемблера. (В последние годы это стало менее очевидным в связи с усложнением микропроцессоров и усовершенствованием компиляторов в плане оптимизации кода.)

Несмотря на то что язык высокого уровня может упростить работу с процессором, он не сделает его более мощным. С помощью ассемблера вы можете получить доступ ко всем функциям процессора. Поскольку высокоуровневый язык необходимо преобразовывать в машинный код, он может только сократить возможности процессора. Действительно, если высокоуровневый язык является переносимым, он не может использовать функции, характерные для определенных процессоров.

Например, многие процессоры предусматривают команды побитового сдвига. Как вы помните, эти команды сдвигают содержащиеся в аккумуляторе биты вправо или влево. Однако таких команд практически не существует ни в одном высокоуровневом языке программирования[32]. Если перед вами стоит задача, требующая использования побитового сдвига, придется имитировать его путем умножения или деления на 2. (Нельзя сказать, что это плохо: многие современные компиляторы используют команды побитового сдвига процессора для умножения или деления на степень двойки.) Кроме того, во многих языках не предусмотрены и булевы операции над битами[33].

На заре эры домашних компьютеров большинство прикладных программ были написаны на ассемблере. Однако в наши дни этот язык используется редко и только для решения особых задач[34]. По мере добавления в процессоры аппаратного обеспечения для конвейеризации — одновременного прогрессивного выполнения нескольких команд — язык ассемблера постоянно усложнялся. В то же время компиляторы становились все более интеллектуальными. Увеличение емкости диска и оперативной памяти современных компьютеров также сыграло свою роль: программистам больше не нужно создавать код, требующий небольшого объема памяти и умещающийся на небольшой дискете.

Несмотря на то что разработчики многих ранних компьютеров пытались формулировать для них задачи, используя алгебраическую форму записи, первым настоящим рабочим компилятором считается A-0 для компьютера UNIVAC, созданный в 1952 году Грейс Мюррей Хоппер (1906–1992) в корпорации Remington Rand. Доктор Хоппер пришла в компьютерную индустрию в 1944 году, когда присоединилась к команде Говарда Эйкена для работы над компьютером «Марк I». В свои восемьдесят с лишним лет она продолжала работать в этой сфере, занимаясь связями с общественностью в корпорации Digital Equipment Corporation (DEC).