Алгол
Алгол (акроним от англ. Algorithmic Language — алгоритмический язык) — это семейство императивных языков программирования высокого уровня, разработанных в конце 1950-х и 1960-х годах. Данный язык оказал фундаментальное и определяющее влияние на развитие информатики, став концептуальной основой для парадигмы структурного программирования и прародителем множества современных языков, в первую очередь языка Паскаль. В отличие от конкурирующего американского языка Фортран, ориентированного на сугубо практические инженерные вычисления, Алгол создавался европейской академической средой и предназначался для строгого математического описания вычислительных алгоритмов.
История создания и стандартизация
Разработка языка была инициирована в 1958 году как европейский ответ на появление в США первых языков высокого уровня. Для создания универсального стандарта была созвана международная конференция, в которой приняли участие ведущие математики и теоретики программирования того времени. В состав рабочей группы вошли как европейские ученые (включая Эдсгера Дейкстру и Питера Наура), так и приглашенные американские специалисты (например, Джон Маккарти, создатель языка Лисп).
Изначально проект получил название IAL (International Algebraic Language — международный алгебраический язык), однако вскоре был переименован в Алгол. Процесс разработки сопровождался длительными академическими дискуссиями. В частности, возникли серьезные разногласия между американской и европейской делегациями по вопросу выбора символа для разделения целой и дробной части числа: американцы настаивали на использовании точки, а европейцы — запятой. В результате было принято компромиссное решение, оставляющее этот аспект на усмотрение разработчиков локальных реализаций компиляторов (однако исторически точка получила большее распространение).
Первая версия стандарта была опубликована как Алгол 58. Она представляла собой достаточно сырой проект. Окончательной классической формой, получившей всемирное признание, стал Алгол 60. Именно для формального математического описания синтаксиса языка Алгол 58 была впервые применена форма Бэкуса (БНФ), которая в дальнейшем была усовершенствована Питером Науром и использована для спецификации Алгола 60. Сегодня форма Бэкуса — Наура является общепризнанным мировым стандартом для описания контекстно-свободных грамматик и синтаксиса языков программирования.
Синтаксис и парадигмы программирования
Алгол стал исторически первым языком, в котором была реализована и доведена до логического завершения парадигма структурного программирования. Программа на Алголе представляет собой иерархическую структуру логических блоков. Главная концепция языка заключается в том, что основной блок программы может включать в себя множество вложенных подблоков.
Границы каждого блока или управляющей конструкции строго задаются ключевыми словами begin (начало) и end (конец). Такой подход позволил программистам отказаться от запутанных переходов по меткам с использованием оператора безусловного перехода (goto), который массово применялся в Фортране и усложнял чтение кода. Использование парных скобок begin-end сделало алгоритм интуитивно понятным и легко читаемым для сторонних разработчиков.
Язык поддерживает работу с подпрограммами (процедурами). Каждая подпрограмма имеет строго определенный интерфейс, включающий имя, список формальных параметров и собственный внутренний блок кода. Важным математическим преимуществом Алгола стала полноценная поддержка рекурсии (в то время как в ранних версиях Фортрана и Кобола рекурсивные вызовы были запрещены на уровне архитектуры).
Существенной архитектурной проблемой ранних спецификаций (в частности, Алгола 58) было отсутствие стандартизированных команд ввода-вывода. Предполагалось, что эти операции зависят от конкретной аппаратной архитектуры, поэтому их реализация была отдана на откуп создателям трансляторов. Это привело к появлению множества несовместимых между собой диалектов.
В языке применялось два способа передачи параметров в подпрограммы: по значению и по имени. Передача параметров по имени часто вызывала непредвиденные побочные эффекты и логические ошибки при программировании, в связи с чем в последующих языках (например, в Паскале) от этой практики отказались в пользу передачи по значению или по явной ссылке.
Типы данных
Система типов данных в Алголе заложила основу для многих последующих языков. Базовыми вычислительными типами являлись целые числа и числа с плавающей запятой. Был введен логический (булев) тип данных, принимающий значения истина (true) и ложь (false).
Язык обладал развитыми средствами для выполнения арифметических вычислений: поддерживались операции сложения, вычитания, умножения, деления и возведения в степень. Одной из сильных сторон языка была удобная и интуитивно понятная работа с массивами и многомерными матрицами. Циклические конструкции (предшественники современного цикла for) позволяли эффективно перебирать элементы сложных структур данных.
Концептуальный пример блочной структуры программы на языке Алгол с применением цикла и работы с массивом:
begin
integer i, j;
real array Matrix[1:10, 1:10];
for i := 1 step 1 until 10 do
begin
for j := 1 step 1 until 10 do
begin
Matrix[i, j] := i * j;
end;
end;
end
Эволюция: Алгол 68
В 1968 году международный комитет представил новую версию языка — Алгол 68. Разработчики ставили перед собой амбициозную цель: создать сверхвысокоуровневый универсальный язык, способный описать алгоритм абсолютно любой сложности.
Алгол 68 радикально отличался от версии 1960 года. В него были внедрены передовые механизмы: 1. Встроенные средства организации параллельных вычислений на уровне самого языка. 2. Поддержка сложных структурных типов данных и расширенные матричные операции. 3. Возможность переопределения синтаксиса и создания программистом собственных уникальных операторов (предвосхищая некоторые элементы объектно-ориентированного дизайна).
Для спецификации этого языка была разработана двухуровневая грамматика ван Вейнгаардена. Однако результат оказался настолько перегруженным и сложным для понимания, что даже опытные программисты не могли разобраться в официальной документации языка. Написание трансляторов для Алгола 68 стало колоссальной инженерной проблемой. Известные ученые Никлаус Вирт и Чарльз Хоар выступили с резкой критикой стандарта, обвинив академический комитет в оторванности от реалий программирования. В ответ на избыточную сложность Алгола 68, Никлаус Вирт разработал собственный, минималистичный и практичный язык программирования — Паскаль.
Применение в мире и СССР
Исторически мир программирования в 1960-е годы разделился на сторонников Алгола (преимущественно в Европе и СССР) и сторонников Фортрана (в США). В Америке Алгол не получил промышленного распространения. Крупные американские корпорации уже вложили значительные финансовые средства в разработку компиляторов и математических библиотек для Фортрана и Кобола, и отказ от них ради академически чистого Алгола был экономически нецелесообразен.
В Советском Союзе Алгол стал абсолютным доминантом в 1960-е и 1970-е годы. Значительный вклад в его популяризацию внесли академик Андрей Ершов и Ленинградская группа Андрея Терехова. В вычислительном центре Академии Наук СССР под руководством Михаила Курочкина был написан транслятор с языка Алгол 60 для отечественной суперЭВМ БЭСМ-6. В то время как физики предпочитали Фортран, подавляющее большинство остальных научных расчетов в СССР выполнялось на Алголе.
Язык массово применялся в системе советского образования. В школьных и вузовских учебниках информатики алгоритмы записывались исключительно на Алголе или его русифицированных адаптациях. Из-за острой нехватки вычислительной техники в учебных заведениях сложилась уникальная практика: студенты и школьники проектировали алгоритмы на бумаге, используя синтаксис Алгола исключительно как теоретический инструмент математической логики, зачастую ни разу не выполняя код на реальной машине.
Сильные и слабые стороны
Главным достижением Алгола является его концептуальная чистота. Программы, написанные на этом языке, представляют собой строгие математические алгоритмы. Блочная структура сделала код читаемым и избавила индустрию от проблемы «спагетти-кода», свойственной ранним реализациям Фортрана.
Фундаментальным недостатком языка был его академический характер. Разработчики Алгола (особенно версии 68) стремились к теоретическому совершенству, зачастую игнорируя технические ограничения аппаратного обеспечения того времени. Многие математические конструкции языка не находили практического применения, но при этом требовали огромных ресурсов оперативной памяти для своей трансляции. Компиляторы были медленными и громоздкими. В конечном итоге, из-за оторванности от нужд промышленного программирования, Алгол был полностью вытеснен более практичными языками: Паскалем, языком Си, а также обновленными версиями Фортрана.