Программирование в XX веке

Материал из Documentation.

В XX веке были созданы первые электронные вычислительные устройства. Эти ранние компьютеры, такие как ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer), Colossus и Z3, были огромными, занимали целые комнаты, потребляли огромное количество энергии и требовали целой команды операторов для программирования и обслуживания. ENIAC, построенный в США во время Второй мировой войны, использовался для расчёта баллистических таблиц для артиллерии. Colossus, разработанный британскими криптоаналитиками в Блетчли-Парке, сыграл ключевую роль во взломе германских шифров Enigma, что оказало значительное влияние на исход Второй мировой войны. Z3, созданный немецким инженером Конрадом Цузе, был одним из первых полностью функциональных программируемых компьютеров, построенных на электромеханических реле. Программирование в те времена представляло собой скорее искусство, чем науку, требуя глубокого знания аппаратной части машины, огромного терпения и недюжинной изобретательности. ENIAC, например, программировался путём физического переключения кабелей и установки переключателей, что было крайне трудоёмким и подвержено ошибкам. Любая ошибка, даже самая незначительная, могла привести к полному сбою всей программы. Colossus, хотя и был более специализированным (он был предназначен для взлома шифров), также требовал кропотливой ручной настройки и оптимизации. Эти первые шаги, хоть и примитивные по современным меркам, заложили фундамент для будущих поколений программистов и инженеров, показав, что машины могут выполнять сложные вычисления и логические операции, освобождая человека от рутинной работы и позволяя ему сосредоточиться на более творческих и стратегических задачах.

В 1940-х и 1950-х годах эра машинных кодов и ассемблеров стала следующим этапом эволюции программирования. Программирование непосредственно в машинных кодах, представляющих собой последовательность нулей и единиц (например, «00101011 00000001 00000010» — сложение двух чисел), было невероятно сложным и утомительным занятием. Каждый тип компьютера имел свой собственный машинный код, определяемый его архитектурой, что делало программы абсолютно непереносимыми на другие машины. Это означало, что программист должен был заново переписывать программу для каждого нового компьютера, что было огромной тратой времени и ресурсов. Ассемблеры, разработанные для упрощения этого процесса, позволяли программистам использовать символические имена (мнемоники) для команд и адресов памяти. Например, вместо того, чтобы писать «00101011», программист мог написать «ADD», что было гораздо более понятным и запоминающимся. Ассемблер автоматически преобразовывал эти символические имена в соответствующие машинные коды. Это значительно повысило читаемость и удобство написания программ, а также позволило избежать многих распространенных ошибок, связанных с ручным набором машинного кода. Однако, ассемблеры всё ещё оставались низкоуровневыми языками, требующими глубокого понимания архитектуры компьютера. Программист должен был знать, как процессор выполняет каждую команду, как данные хранятся в памяти, и как взаимодействуют различные компоненты системы. Он также должен был вручную управлять выделением памяти и другими низкоуровневыми деталями. Несмотря на это, ассемблеры стали важным шагом вперед, позволяя программистам создавать более сложные и эффективные программы. Вклад Грейс Хоппер, пионера в области программирования и контр-адмирала ВМС США, невозможно переоценить. Она разработала первый компилятор A-0, который автоматически преобразовывал символический код в машинный код, что стало революционным шагом на пути к созданию языков программирования высокого уровня. Она также активно продвигала идею машинной независимости, согласно которой программы можно писать один раз и запускать на разных компьютерах, независимо от их архитектуры. Её вера в возможность создания более простых и удобных языков программирования оказала огромное влияние на всю последующую историю развития программирования.

Появление языков высокого уровня в 1950-х и 1960-х годах стало настоящим прорывом в программировании, открыв двери в мир программирования для гораздо более широкого круга людей. FORTRAN (FORmula TRANslator), разработанный группой под руководством Джона Бэкуса в IBM, стал первым широко используемым языком высокого уровня, ориентированным на научные и инженерные вычисления. FORTRAN позволял программистам писать программы, используя математические формулы и алгоритмы в более понятной форме, чем машинный код или ассемблер. Например, для вычисления квадратного корня числа X в FORTRAN можно было просто написать «Y = SQRT(X)», в то время как на ассемблере это потребовало бы написания гораздо более сложного и длинного кода. FORTRAN быстро стал стандартом для научных и инженерных расчётов и использовался для решения широкого спектра задач, от моделирования ядерных взрывов до проектирования самолётов. COBOL (COmmon Business-Oriented Language), созданный под эгидой Комитета CODASYL (Conference on Data Systems Languages), был разработан для бизнес-приложений и ориентирован на обработку больших объёмов данных, таких как учёт заработной платы, управление запасами и финансовый учёт. COBOL отличался простотой и удобочитаемостью, что делало его доступным для программистов без глубокого математического образования. COBOL стал стандартом для бизнес-программирования на долгие годы и до сих пор используется во многих финансовых и правительственных системах, обрабатывая триллионы долларов транзакций каждый день. ALGOL (ALGOrithmic Language), разработанный международной группой ученых, оказался важным шагом в развитии теории и практики программирования. ALGOL отличался строгой формальной грамматикой, что позволяло создавать более надёжные и предсказуемые программы. ALGOL также поддерживал рекурсию, концепцию, когда функция может вызывать саму себя, что сделало его мощным инструментом для разработки сложных алгоритмов. ALGOL оказал значительное влияние на развитие многих последующих языков, включая Pascal, C и Java. Эти языки высокого уровня позволили программистам сосредоточиться на решении задач, а не на технических деталях аппаратной части компьютера, что значительно ускорило процесс разработки программного обеспечения и позволило создавать более сложные и мощные приложения. Однако, за удобство пришлось заплатить снижением производительности, так как компиляторы языков высокого уровня не всегда могли генерировать такой же эффективный машинный код, как опытный программист, работающий с ассемблером. Это стало стимулом для разработки более совершенных компиляторов и оптимизационных техник.

1960-е и 1970-е годы ознаменовались распространением структурного программирования и разработкой операционной системы UNIX. Структурное программирование, разработанное Эдсгером Дейкстрой, Никлаусом Виртом и другими учеными, предложило использовать ограниченный набор управляющих конструкций (последовательность, ветвление, цикл) для написания более понятных, надежных и легко поддерживаемых программ. Дейкстра, известный своим манифестом «Go To Statement Considered Harmful» (Оператор GOTO считается вредным), утверждал, что использование оператора GOTO приводит к созданию запутанного и трудночитаемого кода, который трудно отлаживать и поддерживать. Структурное программирование позволило значительно снизить сложность программного кода и уменьшить количество ошибок, что стало особенно важным для разработки больших и сложных программных систем. Языки программирования, такие как Pascal, разработанный Никлаусом Виртом как средство обучения принципам структурного программирования, и C, разработанный Деннисом Ритчи в Bell Labs, поддерживали структурное программирование и стали очень популярными. C, в частности, сочетал в себе возможности низкоуровневого программирования с высокой переносимостью, что сделало его идеальным для разработки операционных систем и других системных программ. Разработка операционной системы UNIX в Bell Labs стала ещё одним важным событием в истории программирования. UNIX, написанный на языке C, продемонстрировал возможности модульного и переносимого программного обеспечения. UNIX был разработан с учётом принципов простоты, гибкости и возможности повторного использования кода. Он стал основой для многих современных операционных систем, включая Linux и macOS. UNIX также представил концепцию конвейеров (pipes), позволяющих объединять несколько небольших программ для выполнения сложных задач. Язык C, тесно связанный с UNIX, стал одним из самых влиятельных языков программирования благодаря своей эффективности, гибкости и возможности прямого доступа к аппаратной части компьютера. C позволил программистам создавать операционные системы, компиляторы, драйверы устройств и другие низкоуровневые программы, а также высокопроизводительные приложения.

В 1980-х годах объектно-ориентированное программирование (ООП) стало доминирующей парадигмой программирования, предложив новый способ мышления о программном коде, основанный на понятии объектов, которые моделируют реальные объекты и сущности. ООП, зародившееся в 1960-х годах с появлением языка Simula, разработанного Оле-Йоханом Далем и Кристеном Нюгардом, получило широкое распространение в 1980-х годах благодаря появлению языков Smalltalk, разработанного в Xerox PARC, и C++, разработанного Бьярне Страуструпом в Bell Labs. Принципы ООП — инкапсуляция, наследование и полиморфизм — позволили создавать более сложные, модульные и легко расширяемые программные системы. Инкапсуляция позволяла скрыть внутреннюю структуру объекта от внешнего мира, обеспечивая безопасность данных и упрощая процесс модификации кода. Наследование позволяло создавать новые объекты на основе существующих, наследуя их свойства и методы, что уменьшало количество повторяющегося кода и облегчало процесс разработки. Полиморфизм позволял использовать объекты разных типов единообразно, что повышало гибкость и расширяемость программного кода. Smalltalk был полностью объектно-ориентированным языком, где всё, включая числа и строки, являлось объектами. C++ добавил объектно-ориентированные возможности к языку C, что позволило программистам постепенно переходить к новой парадигме, не отказываясь от привычных инструментов и техник. Распространение персональных компьютеров в 1980-х годах произвело революцию в индустрии программного обеспечения, сделав компьютеры доступными для миллионов людей по всему миру. Появились новые типы приложений, такие как текстовые редакторы (например, WordPerfect), электронные таблицы (например, Lotus 1-2-3) и базы данных (например, dBase), которые стали доступны широкому кругу пользователей, не являющихся специалистами в области информационных технологий. Это привело к росту числа программистов и появлению новых возможностей для разработки программного обеспечения, удовлетворяющего потребности этих новых пользователей.

1990-е годы ознаменовались взрывным ростом Интернета и появлением языка Java, которые коренным образом изменили ландшафт программирования. Интернет оказал огромное влияние на программирование, создав новые возможности для разработки сетевых приложений, веб-сайтов, веб-приложений и других интернет-сервисов. Язык Java, разработанный Sun Microsystems, стал популярным благодаря своей платформонезависимости («Write Once, Run Anywhere»), что позволяло запускать программы Java на различных операционных системах и аппаратных платформах без необходимости перекомпиляции. Это было особенно важно для разработки веб-приложений, которые должны были работать на различных браузерах и устройствах. Java также поддерживал объектно-ориентированное программирование, имел встроенные средства для работы с сетью и обладал развитой системой безопасности, что сделало его идеальным для разработки безопасных и надежных веб-приложений. Появились новые языки программирования, такие как Python, разработанный Гвидо ван Россумом, и Ruby, разработанный Юкихиро Мацумото, которые отличались простотой, выразительностью и динамической типизацией. Python, в частности, быстро стал популярным благодаря своей удобочитаемости и широкому спектру библиотек для различных задач, от веб-разработки до анализа данных и машинного обучения. Ruby, с другой стороны, получил известность благодаря фреймворку Ruby on Rails, который упростил и ускорил процесс разработки веб-приложений. Развитие веб-технологий привело к появлению новых профессий, таких как веб-разработчик, и новых типов приложений, таких как веб-сайты, веб-приложения и интернет-магазины. Интернет также способствовал развитию open-source движения, когда разработчики со всего мира могли совместно работать над созданием и улучшением программного обеспечения, делясь своим кодом и знаниями с другими. Это привело к созданию огромного количества open-source проектов, таких как Linux, Apache и MySQL, которые стали основой для многих современных веб-сервисов и инфраструктур.