León Grimau: LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN

Un lenguaje de programación es un conjunto de símbolos y reglas sintácticas y semánticas que definen su estructura y el significado de sus elementos y expresiones, y es utilizado para controlar el comportamiento físico y lógico de una máquina.

Un lenguaje de programación permite a uno o más programadores especificar de manera precisa sobre qué datos debe operar una computadora, cómo estos datos deben ser almacenados o transmitidos y qué acciones debe tomar bajo una variada gama de circunstancias. Todo esto, a través de un lenguaje que intenta estar relativamente próximo al lenguaje humano o natural, tal como sucede con el lenguaje Léxico. Una característica relevante de los lenguajes de programación es precisamente que más de un programador puedan tener un conjunto común de instrucciones que puedan ser comprendidas entre ellos para realizar la construcción del programa de forma colaborativa.

Los procesadores usados en las computadoras son capaces de entender y actuar según lo indican programas escritos en un lenguaje fijo llamado lenguaje de máquina. Todo programa escrito en otro lenguaje puede ser ejecutado de dos maneras:

Mediante un programa que va adaptando las instrucciones conforme son encontradas. A este proceso se lo llama interpretar y a los programas que lo hacen se los conoce como intérpretes.
Traduciendo este programa al programa equivalente escrito en lenguaje de máquina. A ese proceso se lo llama compilar y al programa traductor se le denomina compilador.

Una vez que se identifica una tarea y se conoce el algoritmo para resolverla, el programador debe codificarlo en una lista de instrucciones, propias de algún lenguaje de computación. Los programas pueden ser escritos en cualquier lenguaje de la amplia gama disponibles. La escogencia del más adecuado dependerá de factores como la experiencia del programador con un lenguaje, determinar cuál contemplará menores trabas según el tipo de programa, la flexibilidad y la compatibilidad del programa como resultado del lenguaje usado.

TIPOS DE LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN:

Los lenguajes de programación se pueden clasificar atendiendo a varios criterios:

Según el nivel de abstracción
Según la forma de ejecución
Según el paradigma de programación que poseen cada uno de ellos

Según su Nivel de Abstracción:

Lenguajes Maquina

El lenguaje máquina es el único que entiende directamente la computadora, utiliza el alfabeto binario que consta de los dos únicos símbolos 0 y 1, denominados bits (abreviatura inglesa de dígitos binarios). Fue el primer lenguaje utilizado en la programación de computadoras, pero dejó de utilizarse por su dificultad y complicación, siendo sustituido por otros lenguajes más fáciles de aprender y utilizar, que además reducen la posibilidad de cometer errores.

Los circuitos microprogramables son sistemas digitales, lo que significa que trabajan con dos únicos niveles de tensión. Dichos niveles, por abstracción, se simbolizan con el cero, 0, y el uno, 1, por eso el lenguaje de máquina sólo utiliza dichos signos. Esto permite el empleo de las teorías del álgebra booleana y del sistema binario en el diseño de este tipo de circuitos y en su programación.

Claude Elwood Shannon, en su Analysis of Relay and Switching Circuits, y con sus experiencias en redes de conmutación, sentó las bases para la aplicación del álgebra de Boole a las redes de conmutación.

Una red de conmutación es un circuito de interruptores eléctricos que al cumplir ciertas combinaciones booleanas con las variables de entrada, define el estado de la salida. Este concepto es el núcleo de las puertas lógicas, las cuales son, por su parte, los ladrillos con que se construyen sistemas lógicos cada vez más complejos

Están escritos de manera que sean directamente legibles por la máquina (computadora), ya que sus instrucciones son cadenas binarias (0 y 1). Da la posibilidad de cargar (transferir un programa a la memoria) sin la necesidad de realizar una traducción posterior, lo que supone una velocidad de ejecución superior pero con poca fiabilidad y dificultad para verificar y efectuar la o actualización de los programas.

Lenguajes de Bajo Nivel

Los lenguajes de bajo nivel son lenguajes de programación que se acercan al funcionamiento de una computadora. El lenguaje de más bajo nivel por excelencia es el código es el ensamblador. Las instrucciones en lenguaje ensamblador son instrucciones conocidas como nemotécnicos. Por ejemplo, nemotécnicos típicos de operaciones aritméticas son: en inglés, ADD, SUB, DIV, etc.; en español, SUM,RES,DIV,etc.

Un lenguaje de programación de bajo nivel es el que proporciona poca o ninguna abstracción del microprocesador de un ordenador. Consecuentemente es fácilmente trasladado a lenguaje de máquina.

En general se utiliza este tipo de lenguaje para programar controladores (drivers).

La programación en un lenguaje de bajo nivel como el lenguaje de la máquina o el lenguaje simbólico tiene ciertas ventajas:

Mayor adaptación al equipo.
Posibilidad de obtener la máxima velocidad con mínimo uso de memoria.

Pero también tiene importantes inconvenientes:

Imposibilidad de escribir código independiente de la máquina.
Mayor dificultad en la programación y en la comprensión de los programas.
El programador debe conocer más de un centenar de instrucciones.
Es necesario conocer en detalle la arquitectura de la máquina.

Características:

Se trabaja a nivel de instrucciones, es decir, su programación es al más fino detalle.
Está orientado a la máquina.

El lenguaje de programación de primera generación (por sus siglas en inglés, 1GL), es el lenguaje de código máquina. Es el único lenguaje que un microprocesador entiende de forma nativa. El lenguaje máquina no puede ser escrito o leído usando un editor de texto, y por lo tanto es raro que una persona lo use directamente.

El lenguaje de programación de segunda generación (por sus siglas en inglés, 2GL), es el lenguaje ensamblador. Se considera de segunda generación porque, aunque no es lenguaje nativo del microprocesador, un programador de lenguaje ensamblador debe conocer la arquitectura del microprocesador (como por ejemplo las particularidades de sus registros o su conjunto de instrucciones).

Lenguajes de Medio Nivel

Lenguaje de medio nivel es un lenguaje de programación informática que se encuentran entre los lenguajes de alto nivel y los lenguajes de bajo nivel.

Hay lenguajes de programación que son considerados por algunos expertos como lenguajes de medio nivel (como es el caso del lenguaje C) al tener ciertas características que los acercan a los lenguajes de bajo nivel pero teniendo, al mismo tiempo, ciertas cualidades que lo hacen un lenguaje más cercano al humano y, por tanto, de alto nivel.

Suelen ser clasificados muchas veces de alto nivel, pero permiten ciertos manejos de bajo nivel. Son precisos para ciertas aplicaciones como la creación de sistemas operativos, ya que permiten un manejo abstracto (independiente de la máquina, a diferencia del ensamblador), pero sin perder mucho del poder y eficiencia que tienen los lenguajes de bajo nivel.

Una característica distintiva, por ejemplo, que convierte a C en un lenguaje de medio nivel y al Pascal en un lenguaje de alto nivel es que en el primero es posible manejar las letras como si fueran números (en Pascal no), y por el contrario en Pascal es posible concatenar las cadenas de caracteres con el operador suma y copiarlas con la asignación (en C es el usuario el responsable de llamar a las funciones correspondientes).

Lenguajes de Alto Nivel

A finales de los años 1950 surgió un nuevo tipo de lenguajes de programación que evitaba estos inconvenientes, a costa de ceder un poco en las ventajas. Estos lenguajes se llaman "de tercera generación" o "de alto nivel", en contraposición a los "de bajo nivel" o "de nivel próximo a la máquina".

Los lenguajes de alto nivel son normalmente fáciles de aprender porque están formados por elementos de lenguajes naturales, como el inglés. En BASIC, uno de los lenguajes de alto nivel más conocidos, los comandos como "IF CONTADOR = 10 THEN" pueden utilizarse para pedir a la computadora que pare si el CONTADOR es igual a 10. Esta forma de trabajar puede dar la sensación de que las computadoras parecen comprender un lenguaje natural; en realidad lo hacen de una forma rígida y sistemática, sin que haya cabida, por ejemplo, para ambigüedades o dobles sentidos.

Los lenguajes de programación de alto nivel se caracterizan por expresar los algoritmos de una manera adecuada a la capacidad cognitiva humana, en lugar de a la capacidad ejecutora de las máquinas. En los primeros lenguajes de alto nivel la limitación era que se orientaban a un área específica y sus instrucciones requerían de una sintaxis predefinida.

Se clasifican como lenguajes procedimentales. Una limitación de los lenguajes de alto nivel es que se requiere de ciertos conocimientos de programación para realizar las secuencias de instrucciones lógicas. Los lenguajes de muy alto nivel se crearon para que el usuario común pudiese solucionar tal problema de procesamiento de datos de una manera más fácil y rápida.

Según la forma de ejecución:

Lenguajes Compiladores

Naturalmente, un programa que se escribe en un lenguaje de alto nivel también tiene que traducirse a un código que pueda utilizar la máquina. Los programas traductores que pueden realizar esta operación se llaman compiladores. Éstos, como los programas ensambladores avanzados, pueden generar muchas líneas de código de máquina por cada proposición del programa fuente. Se requiere una compilación antes de ejecutar las instrucciones de un problema.

Un lenguaje compilado es término un tanto impreciso para referirse a un lenguaje de programación que típicamente se implementa mediante un compilador. Esto implica que una vez escrito el programa, éste se traduce a partir de su código fuente por medio de un compilador en un archivo ejecutable para una determinada plataforma (por ejemplo Solaris para Sparc, Windows NT para Intel, etc.).

Un compilador es un programa que permite traducir el código fuente de un programa en lenguaje de alto nivel, a otro lenguaje de nivel inferior (típicamente lenguaje máquina). De esta manera un programador puede diseñar un programa en un lenguaje mucho más cercano a como piensa un ser humano, para luego compilarlo a un programa más manejable por una computadora.

También en el siglo XIX el matemático e inventor británico Charles Babbage elaboró los principios de la computadora digital moderna. Inventó una serie de máquinas, como la máquina diferencial, diseñadas para solucionar problemas matemáticos complejos. Muchos historiadores consideran a Babbage y a su socia, la matemática británica Augusta Ada Byron (1815-1852), hija del poeta inglés Lord Byron, como a los verdaderos inventores de la computadora digital moderna. La tecnología de aquella época no era capaz de trasladar a la práctica sus acertados conceptos; pero una de sus invenciones, la máquina analítica, ya tenía muchas de las características de un ordenador moderno. Incluía una corriente, o flujo de entrada en forma de paquete de tarjetas perforadas, una memoria para guardar los datos, un procesador para las operaciones matemáticas y una impresora para hacer permanente el registro.

La taxonomía de los tipos de compiladores no es excluyente, por lo que puede haber compiladores que se adscriban a varias categorías:

Compiladores cruzados: generan código para un sistema distinto del que están funcionando.
Compiladores optimizadores: realizan cambios en el código para mejorar su eficiencia, pero manteniendo la funcionalidad del programa original.
Compiladores de una sola pasada: generan el código máquina a partir de una única lectura del código fuente.
Compiladores de varias pasadas: necesitan leer el código fuente varias veces antes de poder producir el código máquina.
Compiladores JIT (Just In Time): forman parte de un intérprete y compilan partes del código según se necesitan.

Pauta de creación de un compilador: En las primeras épocas de la informática, el software de los compiladores era considerado como uno de los más complejos existentes.

Los primeros compiladores se realizaron programándolos directamente en lenguaje máquina o en ensamblador. Una vez que se dispone de un compilador, se pueden escribir nuevas versiones del compilador (u otros compiladores distintos) en el lenguaje que compila ese compilador.

Actualmente existen herramientas que facilitan la tarea de escribir compiladores ó intérpretes informáticos. Estas herramientas permiten generar el esqueleto del analizador sintáctico a partir de una definición formal del lenguaje de partida, especificada normalmente mediante una gramática formal y barata, dejando únicamente al programador del compilador la tarea de programar las acciones semánticas asociadas.
Al usar un lenguaje compilado (como lo son, por ejemplo, los lenguajes del popular Visual Studio de Microsoft), el programa desarrollado nunca se podrá ejecutar mientras haya errores, sino hasta que tras haber compilado el programa, ya no aparecen errores en el código.

Lenguajes Ensambladores

El lenguaje ensamblador es un tipo de lenguaje de bajo nivel utilizado para escribir programas informáticos, y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura de computadoras legible por un programador.

Fue usado ampliamente en el pasado para el desarrollo de software, pero actualmente sólo se utiliza en contadas ocasiones, especialmente cuando se requiere la manipulación directa del hardware o se pretenden rendimientos inusuales de los equipos.

Un ensamblador crea código objeto traduciendo instrucciones mnemónicas a códigos operativos e interpretando los nombres simbólicos para direcciones de memoria y otras entidades. El uso de referencias simbólicas es una característica básica de los ensambladores, evitando tediosos cálculos y direccionamiento manual después de cada modificación del programa. La mayoría de los ensambladores también incluyen facilidades para crear macros, a fin de generar series de instrucciones cortas que se ejecutan en tiempo real, en lugar de utilizar subrutinas.

Los ensambladores son por lo general más fáciles de programar que los compiladores de lenguajes de alto nivel, y han estado disponibles desde la década de 1950. Los ensambladores modernos, especialmente para arquitecturas basadas en RISC, como por ejemplo MIPS, SPARC y PA-RISC optimizan las instrucciones para explotar al máximo la eficiencia de segmentación[2] del CPU.

Los ensambladores de alto nivel ofrecen posibilidades de abstracción que incluyen:

Control avanzado de estructuras.
Procedimientos de alto nivel, declaración de funciones.
Tipos de datos que incluyen estructuras, registros, uniones, clases y conjuntos.
Sofisticado procesamiento de macros.

Un programa escrito en lenguaje ensamblador consiste en una serie de instrucciones que corresponden al flujo de órdenes ejecutables que pueden ser cargadas en la memoria de una computadora. Por ejemplo, un procesador x86 puede ejecutar la siguiente instrucción binaria como se expresa en código de máquina:

Binario: 10110000 01100001 (Hexadecimal: 0xb061)

La representación equivalente en lenguaje ensamblador es más fácil de recordar:

MOV al, 061h

Esta instrucción significa: Mueva el valor hexadecimal 61 (97 decimal) al registro "al".

Lenguajes Interpretadores

Se conoce como lenguaje interpretado a un lenguaje de programación que fue diseñado para ser ejecutado por medio de un intérprete, en contraste con los lenguajes compilados. También se les conoce como lenguajes de script. Muchos autores rechazan la clasificación de lenguajes de programación entre interpretados y compilados, considerando que el modo de ejecución (por medio de intérprete o de compilador) del programa escrito en el lenguaje es independiente del propio lenguaje.

Se puede también utilizar una alternativa diferente de los compiladores para traducir lenguajes de alto nivel. En vez de traducir el programa fuente y grabar en forma permanente el código objeto que se produce durante la compilación para utilizarlo en una ejecución futura, el programador sólo carga el programa fuente en la computadora junto con los datos que se van a procesar. A continuación, un programa intérprete, almacenado en el sistema operativo del disco, o incluido de manera permanente dentro de la máquina, convierte cada proposición del programa fuente en lenguaje de máquina conforme vaya siendo necesario durante el procesamiento de los datos. El código objeto no se graba para utilizarlo posteriormente.

La siguiente vez que se utilice una instrucción, se la deberá interpretar otra vez y traducir a lenguaje máquina. Por ejemplo, durante el procesamiento repetitivo de los pasos de un ciclo o bucle, cada instrucción del bucle tendrá que volver a ser interpretada en cada ejecución repetida del ciclo, lo cual hace que el programa sea más lento en tiempo de ejecución (porque se va revisando el código en tiempo de ejecución) pero más rápido en tiempo de diseño (porque no se tiene que estar compilando a cada momento el código completo). El intérprete elimina la necesidad de realizar una compilación después de cada modificación del programa cuando se quiere agregar funciones o corregir errores; pero es obvio que un programa objeto compilado con antelación deberá ejecutarse con mucha mayor rapidez que uno que se debe interpretar a cada paso durante una ejecución del código.

Un intérprete es un programa informático capaz de analizar y ejecutar otros programas, escritos en un lenguaje de alto nivel. Los intérpretes se diferencian de los compiladores en que mientras estos traducen un programa desde su descripción en un lenguaje de programación al código máquina del sistema destino, los primeros (los interpretes) sólo realizan la traducción a medida que sea necesario, típicamente, instrucción por instrucción, y normalmente no guardan el resultado de dicha traducción.

Los programas interpretados suelen ser más lentos que los compilados debido a la necesidad de traducir el programa mientras se ejecuta, pero a cambio son más flexibles como entornos de programación y depuración (lo que se traduce, por ejemplo, en una mayor facilidad para reemplazar partes enteras del programa o añadir módulos completamente nuevos), y permiten ofrecer al programa interpretado un entorno no dependiente de la máquina donde se ejecuta el intérprete, sino del propio intérprete (lo que se conoce comúnmente como máquina virtual).

Comparando su actuación con la de un ser humano, un compilador equivale a un traductor profesional que, a partir de un texto, prepara otro independiente traducido a otra lengua, mientras que un intérprete corresponde al intérprete humano, que traduce de viva voz las palabras que oye, sin dejar constancia por escrito.

En la actualidad, uno de los entornos más comunes de uso de los intérpretes informáticos es Internet, debido a la posibilidad que estos tienen de ejecutarse independientemente de la plataforma.

Según el Paradigma de Programación:

Un paradigma de programación representa un enfoque particular o filosofía para la construcción del software. No es mejor uno que otro, sino que cada uno tiene ventajas y desventajas. Dependiendo de la situación un paradigma resulta más apropiado que otro.

Atendiendo al paradigma de programación, se pueden clasificar los lenguajes en:

El paradigma imperativo o por procedimientos (describe la programación en términos del estado del programa y sentencias que cambian dicho estado) es considerado el más común y está representado, por ejemplo, por el lenguaje C o por BASIC.

El paradigma funcional (paradigma de programación declarativa basado en la utilización de funciones matemáticas) está representado por la familia de lenguajes LISP (en particular Scheme), ML o Haskell.

El paradigma lógico (consiste en la aplicación del corpus de conocimiento sobre lógica para el diseño de lenguajes de programación), un ejemplo es PROLOG.

El paradigma orientado a objetos (usa objetos y sus interacciones para diseñar aplicaciones y programas de computadora). Un lenguaje completamente orientado a objetos es Smalltalk.

Si bien puede seleccionarse la forma pura de estos paradigmas a la hora de programar, en la práctica es habitual que se mezclen, dando lugar a la programación multiparadigma.

Actualmente el paradigma de programación más usado debido a múltiples ventajas respecto a sus anteriores, es la programación orientada a objetos.

Otros paradigmas que cabe mencionar son: