Языки программирования низкого и высокого уровня кратко
Обновлено: 05.07.2024
Языки программирования разделены на два класса. Это могут быть языки высокого уровня или языки низкого уровня. Каждый тип языка программирования имеет свое назначение. Изучение различий между ними является важным шагом для определения того, какой из них использовать.
Так в чем же разница между ними? И что это значит для обучения написанию кода? Давайте начнем с определения каждого из них и узнаем больше о том, какой язык подходит именно вам.
Языки программирования высокого и низкого уровня
Есть несколько характеристик, которые определяют языки программирования высокого и низкого уровня. Вот некоторые правила, которые обычно соблюдаются для определения двух.
Языки высокого уровня:
Языки низкого уровня:
- Не показывать абстракцию
- Читаются на машинах и не близки к человеческому языку
- Включите управление памятью
- Примеры включают язык ассемблера и машинный код
Если вы когда-либо программировали на C или C ++, вы могли бы понять, что эти языки плавают в серой области. Эти языки позволяют вам управлять памятью, но имеют некоторую абстракцию.
Языки низкого уровня
Является ли язык высокоуровневым или низкоуровневым, имеет отношение к абстракции и как близко к операционной системе работает язык. Языки низкого уровня ближе к компьютерной системе. Одним из наиболее распространенных языков низкого уровня является машинный код.
Машинный код не имеет абстракции — он содержит отдельные инструкции, передаваемые компьютеру. Машины понимают только байты, они представлены в двоичном формате (хотя иногда они записываются в десятичной или шестнадцатеричной записи).
Вот некоторый машинный код:
169 1 160 0 153 0 128 153 0 129 153 130 153 0 131 200 208 241 96
Не могли бы вы прочитать этот код и понять, что может сделать скрипт? Компьютер знает, но это не близко к человеческому языку.
Когда вы пишете машинный код, вам нужно указать четкие указания. Например, если часть информации должна быть извлечена из памяти, машинный код должен указать компьютеру, где ее найти. Машинный код на сегодняшний день является самым быстрым кодом для написания, а также самым сложным для создания программ.
Ассемблер является еще одним языком низкого уровня, который на шаг выше машинного кода. В ассемблере очень мало абстракций, но он похож на машинный код. Он встречается реже, чем язык C, но на шаг выше машинного кода.
Имиджевый кредит: extradeda /Depositphotos
Язык программирования C
это популярный выбор для кодеров. Хотя язык C не такой низкий, как на ассемблере, он приближается к машинному коду. Большинство операций, написанных на C, могут работать с небольшим количеством инструкций машинного кода.
Языки программирования высокого уровня
Языки высокого уровня имеют абстракцию. Эти языки очень удобочитаемы и в результате их гораздо проще использовать. Вот пример кода Python, который гораздо проще расшифровать, чем фрагмент машинного кода:
def addNumbers (Num1, Num2):
вернуть Num1 + Num2
addNumbers (4,5)
>> 9
Это простая функция, которая принимает два числа и возвращает результат. Вы точно знаете, что вы получаете, вы можете прочитать это как книгу. Вам также не нужно управлять памятью, чтобы запустить эту программу на вашем компьютере.
Переменные, объекты, процедуры и циклы являются важными частями языков высокого уровня. Это абстракция, которая делает их простыми в использовании.
Язык ассемблера имеет почти однозначное соответствие между своими командами и командами машинного кода. Язык более высокого уровня способен отправлять десятки команд с помощью одной строки кода.
Каждый язык высокого уровня имеет свой собственный способ написания синтаксиса, и вы можете обнаружить, что некоторые из них легче читать, чем другие.
Какой язык вы должны изучать?
Это распространенный вопрос среди новых программистов. Языки программирования высокого или низкого уровня лучше? Как и в случае со многими вопросами программирования, нет одного правильного ответа.
Оба языка имеют важные преимущества. Языки низкого уровня требуют очень мало интерпретации с помощью компьютера. Это делает машинный код невероятно быстрым по сравнению с другими языками программирования
, Они дают программистам большой контроль над хранением данных, памятью, компьютерным оборудованием.
Вы можете использовать эти языки для написания программного ядра или программного драйвера. Вы не будете использовать его для написания веб-приложений или игр.
Языки высокого уровня легче понять. Они позволяют программистам писать код более эффективно. Эти языки также считаются более безопасными. У них есть больше мер предосторожности, чтобы кодеры не могли вводить команды, которые могут повредить компьютер.
Они не дают программистам такого большого контроля над процессами низкого уровня и редко занимаются распределением памяти.
Список популярных языков высокого уровня включает в себя:
Эти языки хороши для написания программ, веб-приложений и мобильных приложений.
Что вы хотите построить?
Ваш первый вопрос должен быть: что я хочу запрограммировать?
Если вы хотите писать операционные системы, ядра или что-то, что должно работать на высокой скорости, то язык более низкого уровня может быть хорошим выбором. Большая часть Windows, macOS и Linux написана на языках C и C, таких как C ++ и Objective-C.
Многие современные приложения написаны на высокоуровневых или предметно-ориентированных языках. Python и Ruby — популярные языки веб-программирования
Преимущества изучения обоих
Вот интересная идея: выучить оба сразу. Вы получите более глубокое понимание абстракций и того, как они делают языки высокого уровня более эффективными. Вы также можете многое узнать о компьютерной архитектуре и о том, что заставляет ваш компьютер работать.
Конечно, изучать два языка одновременно непросто, поэтому вы можете поразить их.
Выберите язык на основе того, что вы хотите построить. Проведите небольшое исследование, чтобы выяснить, какие языки распространены в выбранной вами области карьеры. Затем используйте эту информацию, чтобы выбрать язык и начать изучение.
Вскоре вы увидите параллели и получите более глубокое понимание того, как работает программирование.
Стать лучшим программистом
Не поражайтесь различным критериям при выборе языка программирования. Пытаясь выбирать между языками высокого и низкого уровня, подумайте о том, что вас больше всего интересует. Практически в каждом случае вы должны стремиться к проектам, которые вас интересуют.
Если вы хотите перейти к языкам более низкого уровня, вы можете подумать о том, чтобы больше узнать о C. C — отличный язык для изучения, вот отличный проект для начинающих C, который поможет вам начать. Возможно, вас больше интересует кодирование на языке высокого уровня? Python — это отличный многоцелевой язык, который может многое предложить. Вы можете сделать много отличных проектов, таких как создание ботов для социальных сетей для Instagram и Reddit, используя Python
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.
Низкоуровневые языки
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.
Такие языки строго оптимизируются под конкретные чипы и работают только на тех архитектурах, под которые они изначально разрабатывались.
Машинный язык
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.
Языки ассемблера
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.
Краткое сравнение ассемблера и машинного языка
Машинный код
Язык ассемблера
Нулевой уровень абстракции. Полный контакт с аппаратной составляющей компьютера
Первый уровень абстракции. Есть прослойка в виде переводчика-ассемблера
Трудно понять, что написано в коде
Код больше похож на человеческий язык
Для запуска не нужны дополнительные инструменты
Требуется ассемблер для превращения кода в машинный язык
Синтаксис состоит из нулей и единиц
Синтаксис состоит из английских слов
Высокоуровневые языки
Машинный код сложен для восприятия, и это порождает две большие проблемы в разработке:
Чтобы научиться программировать, нужно потратить много времени на изучение разных директив и понять, как они взаимодействуют друг с другом и с физическими компонентами компьютера.
Синтаксис машинного кода настолько мудреный, что писать программы, не допуская ошибок, почти нереально. Нужно быть крайне внимательным.
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.
Особенности высокоуровневых языков
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.
Плюсы высокоуровневых языков
Главный плюс – абстракция. Современные разработчики не обязаны знать, как устроен компьютер и как с ним общаться с помощью нулей и единиц. Они могут создавать продвинутые приложения без глубоких познаний в области информатики.
Помимо низкого порога вхождения, высокоуровневые языки обеспечивают более богатый арсенал инструментов. В их числе специальные модули для автоматического выявления ошибок в коде и объединения нескольких видов технологий в одну рабочую среду (несколько фреймворков, сборщики по типу Webpack и т.п.).
ПО стало портативным. Одну базу кода можно использовать сразу на нескольких платформах. Мощные интерпретаторы в полуавтоматическом режиме превращают код на одном языке в код для нескольких отличающихся друг от друга ОС.
Минусы высокоуровневых языков
Не особо смышленые программисты. Многие разработчики не углубляются в теоретическую базу и остаются на уровне своего языка, что сильно ограничивает их кругозор и не позволяет расти с профессиональной точки зрения. Притупляется внимание, страдают навыки поиска и инженерное мышление.
Избыточное внимание к инструментам. Количество дополнительных слоев абстракции становится избыточным. Регулярно появляются новые фреймворки, редакторы кода, дополнительные вспомогательные приложения, языки, стандарты и т.п. Фокус часто смещается с создания хороших программ на перебор утилит и споры о том, какие из них работают лучше.
Популярные высокоуровневые языки программирования
Их уже довольно много:
C – язык общего назначения, лежащий в основе десятков других языков.
C++ – расширенная версия C. До сих пор в почете и используется в разработке сложных приложений, например музыкальных плагинов и редакторов кода.
Java – мультипрофильный язык, который позволяет запускать единожды написанный код на десятках устройств и систем.
JavaScript – скриптовый язык, выросший из эксклюзивной веб-технологии в мощный язык для создания приложений, игр, IDE даже других языков.
Естественно, языков в десятки раз больше, но на всех в этой статье места не хватит. Если интересно, почитайте статью на Википедии со списком всех известных языков программирования.
Степень высокоуровневости
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.
Краткое сравнение высокоуровневых и низкоуровневых языков
Низкоуровневые
Высокоуровневые
Наиболее понятный для человека язык. Больше напоминает английский
Позволяет создавать более производительный код.
Генерирует код, который требует больше ресурсов и времени для запуска
Даже при использовании языка ассемблера перевод происходит единожды самим ассемблером
Требует наличие компилятора или интерпретатора для преобразования человекоудобного кода в машинный код
Создает код, который работает на конкретном устройстве
Создает портативный код, который можно запускать на разных устройствах
Эффективен с точки зрения использования памяти
Менее эффективен с точки зрения использования памяти
Поиск и устранение ошибок занимают много времени
Есть инструменты для быстрого автоматического отлова ошибок
Что учить и зачем?
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:
Выбрать один из высокоуровневых языков в зависимости от того, какое программное обеспечение вы хотите создавать и для каких операционных систем.
Начать углубленное изучение низкоуровневых языков, чтобы в дальнейшем создавать драйверы и микропрограммы для чипов.
Вместо заключения
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.
Эволюция языков программирования с точки зрения уровня абстракции
В эпоху появления первых компьютеров (1940-е гг.) средства создания компьютерных программ были достаточно сложны и требовали длительной и сложной профессиональной подготовки. Фактически специалистам приходилось кодировать алгоритмы в так называемых машинных кодах.
Машинные коды - система номеров, присваиваемых командам компьютерного процессора, распознавая которые он выполняет элементарные операции: загрузку данных в регистры, запись содержимого регистров в оперативную память, выполнение арифметических и логических операций над регистрами и т.п.
Рисунок 1. Перфокарта - носитель машинных кодов для программирования старых компьютеров. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Успешность труда программиста на начальных этапах развития компьютерной техники зависела от того, насколько хорошо он знает машинные коды и порядок их использования. Эта ситуация порождала существенные проблемы:
- специалистов по программированию было мало, их обучение стоило дорого;
- программы в машинных кодах были громоздкими и с трудом поддавались редактированию;
- программист не мог сосредоточиться на предметной области, поскольку большая часть его мыслительных усилий уходила на оперирование трудно запоминаемыми машинными кодами.
Первым шагом в направлении создания более эффективных средств программирования стало появление языка ассемблера. В нем невразумительные машинные коды были заменены на мнемонические команды, напоминающие слова обычного английского языка: MOV для перемещения данных между регистрами, ADD для сложения регистров и т.д.
Ассемблер хотя и стал шагом вперед в решении проблемы упрощения процесса написания компьютерных программ, но, все-таки, оставался достаточно сложным для освоения. Кроме того, он привнес в процесс программирования дополнительный технологический этап - компилирование, т.е. преобразование текста программы в машинные коды.
Готовые работы на аналогичную тему
Большим шагом вперед в повышении уровня абстракции языков программирования стало создание языка программирования Си, разработанного в конце 1960-х гг. при участии выдающегося специалиста ой эпохи Денниса Ритчи. Программы, написанные на Си, стали больше напоминать алгебраические формулы, чем безликие столбцы машинных кодов. Это позволило привлечь к программированию большое количество специалистов из других отраслей, сделать его более демократичным. Развивая идеи языка Си, Бьерн Страуструп в 1970-1980-е годы разработал язык C++ ("Си с классами"), который позволил писать более крупные и устойчивые программы.
Рисунок 2. Иерархия языков программирования по уровню абстракции. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Языки программирования низкого уровня
Низкоуровневые языки программирования, называемые также языками программирования низкого уровня, представляют собой, как было сказано выше, синтаксические системы, близкие к тому виду, который представляют собой программы, написанные в машинных кодах. Их часто называют языками ассемблера (to assemble по-английски означает собирать).
Ассемблер - мнемоническая (т.е. рассчитанная на удобство запоминания) надстройка над системой машинных кодов того или иного компьютерного процессора.
Корпорациями выпускается множество процессоров, и архитектуры этих чипов могут сильно различаться. Наиболее широкое распространение получили процессоры фирмы Intel x86, используемые в персональных компьютерах, но есть и другие, рассчитанные на решение специфических задач (например, в компактных устройствах используются процессоры ARM). Более того, для одного и того же процессора может существовать несколько вариантов ассемблера, различающихся директивами и макросами (например, для написания программ для различных операционных систем).
Рисунок 3. Процессоры с различной архитектурой. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
С некоторой натяжкой можно назвать низкоуровневым языком программирования Си, поскольку он позволяет вручную управлять памятью и ресурсами процессора. Кроме того, программы на Си могут содержать т.н. ассемблерные вставки, что также роднит его с низкоуровневыми языками.
Языки программирования высокого уровня
Высокоуровневые языки ориентированы на эффективность и высокую скорость разработки. Как правило, порог вхождения (затраты времени на освоение) для них более низкий, чем для ассемблера и Си.
Достоинством языков высокого уровня является и то, что многие из них обладают кроссплатформенностью: программа, написанная, единожды, будет работать не только на исходной архитектуре, но и будучи перенесенной в иное окружение. Например, программа, разработанная на языке Java в операционной системе Linux может быть запущена без изменений в среде Microsoft Windows или на iOS.
- Языки низкого уровня (машинные коды и ассемблер)
- Средний уровень ( C, Фортран …. )
- Высокий уровень (C++, Java, Python, Ruby, JavaScript . )
Машинные языки (Самый низкий уровень)
Некоторые работают с большой скоростью (красные стрелки): процессор черпает из памяти команды и манипулирует данными, видеокарта – особенно в 3D играх, потребляет огромные объёмы текстур, фигур, координат пикселей и прочих объектов для построения изображения на экране монитора. Другим (в силу ограничения скорости обмена информацией) столь высокие показатели и не нужны. Разнообразные внутренние и внешние устройства подключены на схеме зелёными стрелками.
Внутренний мир процессора
- Мы полностью хозяева положения, имеем самые широкие возможности использования процессора и аппаратуры компьютера.
- Для нас доступны все варианты организации и оптимизации кода.
- Необходимо обладать обширными знаниями по функционированию процессоров и учитывать большое количество аппаратных факторов при выполнении кода.
- Создание программ чуть более сложных чем приведенный пример приводит к резким увеличениям затрат времени по написанию кода и его отладку.
- Платформозависимость: программа, созданная для одного процессора, как правило, не будет функционировать на других. Возможно, и для данного процессора, в остальных режимах его работы, потребуется редактирование кода.
Язык ассемблера (низкий уровень)
- Сопоставим группам цифровых инструкций процессора, выполняющих соответствующие действия, одну символьную команду.
- Выделим аргументы инструкций процессора отдельно.
- Введем возможность именовать области памяти, переменные, местоположение отдельных команд.
- Процесс написания и модификации кода упростился.
- Сохранился контроль ко всем ресурсам аппаратуры.
- Относительно легче переносить программу на другие платформы, но требуется их модификация в зависимости от аппаратной совместимости.
- Ассемблер относится к низкоуровневым языкам программирования. Создание даже небольших участков кода затруднено. К тому же также необходимо учитывать специфику работы аппаратуры.
- Платформозависимость.
Языки группы C/Фортран (средний/высокий уровень)
- Упрощение процесса создания кода: введение типов, разбивка на модули, сокращение листинга программ.
- Прозрачная логика заложенного алгоритма вследствие ухода от машинных кодов к более понятным для человека командам в семантически описательном стиле.
- Переносимость. Стало достаточно перекомпилировать текст программы для выполнения на другой платформе (возможно, с небольшой модификацией).
- Скорость откомпилированных программ.
- Отсутствие автоматического управления памятью и необходимость постоянного её контроля.
- Отсутствие реализации концепций объектно-ориентированного и функционального программирования.
Развитие языков высокого уровня
Дальнейший прогресс
- Для тестирования нам необходимы только аргументы функций (результат работы не зависит от внешних переменных и т. п.).
- Программа в функциональном стиле чудесным образом готова к параллельной работе: последовательные вызовы функций можно пускать в соседних потоках (так как на них не действуют внешние факторы) и им не нужны блокировки (то есть, проблемы синхронизации отсутствуют). Хороший стимул уделить время этой теме, учитывая повальное распространение многоядерных процессоров.
Заключение
В настоящее время самые распространённые – языки ООП. Java, с момента возникновения, всегда находится в топе, обычно в тройке, востребованных языков. Помимо ООП, содержит элементы функционального программирования, и вы можете комбинировать разные стили составления ваших программ. Спектр применения Java весьма широк – это бизнес задачи, реализация веб-серверов (backend), основной язык создания Android-приложений, кроссплатформенные среды программирования и рабочих мест (IDE/АРМ) и моделирования и многое другое. Особенно сильны позиции Java в Enterprise секторе – области корпоративного программного обеспечения, которая требует качественный и долгоживущий код, реализацию самых сложных бизнес-логик.
Читайте также: