Текст книги "Очерки истории отечественной программной инженерии в 1940-е – 80-е годы"

1.2. Начало истории отечественного программирования в 1950-е – 60-е годы

Первые программы определялись в ЭВМ установкой ключевых переключателей на передней панели вычислительного устройства. Очевидно, таким способом можно было составить только очень небольшие программы. С развитием вычислительной техники появился машинный язык, с помощью которого программист мог задавать команды, оперируя с ячейками памяти, полностью используя возможности машины. «Слова» на машинном языке, представляло собой одно элементарное действие для центрального процессора, такое, например, как считывание информации из ячейки памяти. Каждая модель процессора имела свой собственный набор машинных команд, хотя большинство из них совпадало. Тогда еще не было компиляторов и приходилось все писать числами. Это был адский труд – постоянно держать в памяти таблицу машинных кодов и вводить их в ЭВМ.

Со временем ЭВМ стала умнеть, но самое главное, она все также оперировала двоичными числами, однако делала это намного быстрее. Программист – это человек, и ему очень тяжело создавать логику в числах. Намного легче работать с привычными словами. В случае, когда нужно иметь эффективную программу, вместо машинных языков начали использоваться близкие к ним машинно-ориентированные языки – ассемблеры. Использовались мнемонические команды взамен машинных команд. Но даже работа с ассемблером достаточно сложна и требует специальной подготовки.

На протяжении 60-х годов запросы на разработку программного обеспечения быстро возросли и программы становились очень большими. Руководители начали понимать, что создание программного обеспечения – гораздо более сложная задача, чем они себе представляли. Это привело к тому, что было разработано структурное – модульное программирование. С развитием структурного программирования следующим достижением были процедуры и функции. Если задача выполняется несколько раз, то ее можно объявить, как функцию или процедуру и в выполнении программы просто вызывать ее. Общий код программы в данном случае становится меньше. Функции позволяют создавать модульные программы, в основе которых лежит представление программы в виде иерархической структуры блоков. Класс — это структура, которая имеет свои переменные и функции, которые работают с этими переменными. Это было очень большое достижение в области программирования. Программирование можно было разбить на классы и тестировать не всю программу, состоящую из строк кода, а разбить программу на группу классов, и тестировать каждый класс. Это существенно облегчило написание программного продукта.

Следующий шаг был сделан в 1954-м году, когда на Западе был создан первый язык программирования высокого уровня – Фортран. Языки высокого уровня имитируют естественные языки, используя некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические символы. Эти языки более удобны для человека, с помощью них можно писать программы до нескольких тысяч строк длиной. Однако легко понимаемый в коротких программах, этот язык становился нечитаемым и трудно управляемым, когда дело касалось больших программ. Решение этой проблемы пришло после изобретения на Западе языков структурного программирования, таких как Алгол (1958), Паскаль (1970), Си (1972). С этого момента начался языковый бум. Языки программирования стали появляться один за другим. Так появились С+, ADA, FoxPro, Basic, Pascal и др. На сегодняшний день существует тысячи языков программирования. Из них популярность и известность получили только некоторые. Они отличаются простотой, быстротой, гибкостью и другими свойствами, удобными в некоторой определенной области использования.

Споры программистов перенеслись в другую плоскость – какой язык лучше. Большее предпочтение отдавалось универсальным языкам программирования, способным предоставлять эффективный инструментарий для решения разнообразных вычислительных задач. Все современные реализации широко распространенных языков обладают сходными характеристиками: начиная от скорости написания программ и кончая производительностью полученного кода.

Теперь приверженцы языка ассемблер утверждали, что их код самый быстрый, а любители языков высокого уровня утверждали, что они напишут программу быстрей, чем самый лучший программист на языке ассемблер. Однако программы на языках высокого уровня занимали больший объем памяти и работали медленнее. В вычислительных задачах победила в основном скорость разработки и «удобство» языка программирования для определенного класса задач.

Ассемблер не ушел из практики, когда необходимо было создавать эффективные по объему программы реального времени высокой производительности и занимающие минимальный объем памяти (см. главу 4). В 60-е – 70-е годы большинство программных продуктов в оборонной промышленности для мобильных и бортовых ЭВМ создавались на ассемблерах, адаптированных на архитектуру соответствующих машин. Только в 80-е годы в связи с ростом ресурсов специализированных машин начали использоваться алгоритмические языки высокого уровня, несмотря на возможное расширение программ при трансляции, по сравнению с программами, разработанными на ассемблере.

С середины 50-х годов во всех странах, производивших вычислительную технику, начался бурный процесс «языкотворчества» — создание нескольких сотен проблемно-ориентированных языков [1, 4]. Многим программистам казалось, что небольшие улучшения языков программирования способны радикально повлиять на разработку и качество программ, на использование скудных ресурсов ЭВМ. Однако это требовало создания соответствующих трансляторов и средств отладки, вследствие чего энтузиазм языкотворчества постепенно угас. Сложной задачей для системных программистов того времени было создание трансляторов для конкретных типов машин. Создание каждого транслятора с машинно-независимого языка программирования считалось крупным научным и практическим достижением. Большое число различных типов машин и различных языков требовало трудоемкой работы высококвалифицированных программистов и математиков по разработке трансляторов. Соответственно, возникла необходимость создания небольшого числа стандартизированных языков и программно-преемственных семейств вычислительных машин. Это потребовало глубоких теоретических исследование в теории алгоритмов, схем программ, теории формальных грамматик.

В СССР в 60-е годы был создан алгоритмический язык РЕФАЛ, в основе которого лежала теоретическая модель процесса, реализуемого нормальными алгоритмами Маркова. Его использование в нашей стране позволило создать ряд оригинальных программных продуктов, не имевших аналогов за рубежом. Однако РЕФАЛ испытал судьбу многих отечественных находок. Сходная судьба была у языков программирования семейства Аналитик, созданных в Институте кибернетики АН УССР для ЭВМ серии «МИР». Эти машины, по существу, были первыми персональными ЭВМ (к сожалению, тогдашняя элементная база не позволила свести их габариты к настольным). Однако, несмотря на передовые принципы, заложенные в структуру и функции языков семейства Аналитик, они также не стали достоянием мирового сообщества программистов, хотя иностранные эксперты достаточно высоко оценивали достижения программирования в СССР [4].

Исследования в области параллельного программирования в СССР начались в середине 60-х годов, когда в Институте математики СО АН СССР (Новосибирск) и в Московском энергетическом институте возникли первые коллективы, заинтересовавшиеся теорией параллельных процессов в вычислительных системах, состоящих из однородных или неоднородных машин [4]. Первые монографии по теории вычислительных систем и параллельных вычислений вышли в нашей стране с большим опережением аналогичных изданий за рубежом. Отечественные специалисты первыми в мировой науке дали постановку и предложили решения таких задач, как сегментация алгоритмов и программ, планирование выполнения больших программ на вычислительных системах, динамическое диспетчерование потока программ и сегментов программ, асинхронная организация протекания процессов. В это время было предложено несколько оригинальных моделей для параллельных вычислений, заново открытых потом в США и других странах.

В 1953-х годах Л.В. Канторович разработал технологию крупноблочного программирования, которая давала обозримое описание крупных программ и обеспечивала формализацию, достаточную для исследования синтаксических структур программ и создания программирующих программ [4]. Идеи, высказанные в этих работах, предшествовали развитию программной инженерии. Работа школы протекала весьма активно в 1950 – 60-е годы. Характерной особенностью крупноблочных систем являлось то, что они оперировали не с индивидуальными числами и символами, а с величинами – укрупненными агрегированными информационными объектами. Такие укрупненные структуры данных (матрицы, векторы, последовательности, деревья, схемы и т. д.) выступали как целое в вычислительных планах; стандартные способы обработки отдельных компонентов выполнялись автоматически на нижних уровнях. Это вносило иерархическую структуру в языки программирования, освобождая верхние уровни от ненужной детализации. Существенно, что вычислительный процесс мыслился при этом также «объемным», протекающим одновременно, либо попеременно на каждом из этих уровней. Громоздкие и трудоемкие вычисления часто чрезвычайно упрощались при переходе на другой уровень. Представлялось, что в разумной стратегии переходов с одного уровня на другой кроется значительный резерв для повышения экономики вычислений. На этой же уровневой основе была создана оригинальная теория и методология трансляции, гибко сочетающая компиляцию и интерпретацию.

Ряд объективных обстоятельств способствовал тому, что до середины 60-х годов программирование в СССР развивалось до некоторой степени автономно от зарубежного [1, 3, 4]. К этим обстоятельствам относились:

• более позднее начало массового производства электронной вычислительной техники (примерный сдвиг – 5 лет);

• меньшее количество доступных вычислительных ресурсов, приведшее к не столь широкому размаху работ, как в США или в Англии;

• практическое отсутствие импорта вычислительных машин и технологий;

• языковый барьер и сравнительно менее интенсивные личные контакты специалистов (в частности, вследствие секретности);

• некоторые общие отличия в организации и стиле научных исследований и производства.

Заметное влияние на общее развитие программирования в мире оказали работы Ю.И. Янова, приведшие к созданию теории схем программ, и некоторые работы по оптимизации трансляции. Существенный вклад в мировую тенденцию внесло широкое распространение Алгола-60 в СССР. Большая часть результатов представляла независимые, индивидуальные, практические разработки, без которых невозможно было полноценное развитие отечественного программирования.

Одним из факторов, сузившим фронт работ по автоматизации программирования в несекретных отраслях народного хозяйства, в это время было преобладание научных применений универсальных ЭВМ. Большая часть программистов в СССР была математиками с университетским образованием. Почти все успешные «художественные» экспериментальные и вычислительные программы кое-как переделывались в программный продукт, и это «кое-как» иногда мешало эксперименту и не давало должного эффекта при применении продукта. При всех положительных сторонах этого обстоятельства потребовалось длительное время, пока была осознана и реализована необходимость сбалансировать эту сторону вузовского образования с воспитанием способности к инженерному стилю работы, столь необходимому в системном программировании для создания крупных программных продуктов реального времени (см. главу 4).

В середине 50-х годов появились небольшие по численности группы математиков, привлеченных к разработкам проектов вычислительных машин, проводившихся в небольшом числе проектных организаций и институтов в Москве, Ленинграде, Киеве, Минске, Пензе. Каждая вновь разрабатываемая машина, прежде всего, требовала создания для нее операционной системы и программ вычисления элементарных функций. При этом необходимо было добиваться предельной эффективности таких вычисления на данной конкретной архитектуре и ресурсах ЭВМ. Это требовало от математиков высокого уровня понимания деталей логики работы процессора. Возможно, что именно это явилось отличительной чертой отечественных школ программирования, чертой теснейшей их связи с инженерными разработками, которая определила в дальнейшем, как достоинства, так и недостатки в работе этих школ.

Теоретические исследования методов программирования для ЭВМ в 1950-е – 60-е годы, активно проводились в Московском, Ленинградском и Киевском университетах, в Институте автоматики и телемеханики АН СССР, в Вычислительном центре АН СССР [1, 4]. В 1950 году в ИТМ и ВТ начал работать первый постоянный семинар по программированию, которым руководил Л.А. Люстерник, в МГУ в 1952-м году была основана кафедра вычислительной математики (ее возглавил С.Л. Соболев). В 1953-м году в Математическом институте АН СССР был создан отдел программирования во главе с А.А. Ляпуновым, а в 1955-м году был основан Вычислительный центр МГУ, специализировавшийся на разработке и применении вычислительных методов для решения научных и прикладных задач.

В 1952-м – 53-м годах А.А. Ляпуновым был предложен операторный метод для описания программ. Практически впервые был создан способ представления программ на обозримом уровне. Вместо неэффективного для человека написания программ в машинных кодах было предложено формализованное представление программ на языке высокого уровня. Особенно важным было то, что операторный метод позволил подготовить теорию синтаксических структур программ. В 1953-м году А.А. Ляпунов сформулировал постановку задачи автоматизации программирования. Эта оригинальная постановка была успешно использована в первых отечественных трансляторах, называвшихся тогда программирующими программами (ПП). Летом 1954-го года появилась программирующая программа ПП-1, разработанная в отделе прикладной математики Института математики АН СССР, а в 1955-м году – ее улучшенный вариант ПП-2. К середине 50 – х годов у ведущих специалистов в области вычислительной техники сформировалось представление о путях развития отечественной информатики и программирования.

В середине 1957-го года, Виктор Михайлович Глушков, определил направления стратегических исследований в области информатики [3]. По его мнению, основой прогресса развития вычислительных машин должна была стать теория их работы, разработка методов автоматизации проектирования ЭВМ и автоматизации программирования. Он подчеркивал важную роль исследований в области теории алгоритмов и теории конечных детерминированных и стохастических автоматов, принципиальное значение разработки методов символьных преобразований на ЭВМ. Отмечалась центральная роль, которую играет задача оптимизации размера при трансляции программ (особенно для управляющих машин), а также указывалось на обратное влияние развития вычислительных машин на дальнейшие работы в области вычислительной математики. В конце 1959-го года в Москве, в МГУ состоялось «Всесоюзное совещание по вычислительной математике и вычислительной технике». Это было большое научное собрание с почти 2000 участников и 217 докладами, прочитанными на четырех секциях.

Постепенно складывалась концепция системного математического (программного) обеспечения ЭВМ – интегрированной и удобной в работе системы различных средств автоматизации программирования (библиотеки, трансляторы, средства отладки), сопряженных с определенной дисциплиной реализации задач на машине [5]. Проблеме математического обеспечения ЭВМ было много препятствий научно-технического и организационного характера, одно из которых – слабая разработанность концепции программного продукта и его производства. Для М-20 в то время таким средством для вычислений была библиотека стандартных подпрограмм. Идея превращения библиотеки в переносимый и общий программный продукт стала для М.Р. Шура-Буры на некоторое время главной задачей, на решении которой со временем сформировались более общие взгляды на системное программное обеспечение. Необходимо было найти некоторый объект конструирования и научной работы, который одновременно решал бы задачу унификации математического обеспечения, мог бы быть эффективным средством автоматизации программирования и выдвигал бы новую научную проблематику. Таким корневым объектом в стране стал Алгол-60.

В начале 60-х годов был опубликован алгоритмический язык Алгол-60, рекомендованный в качестве международного стандарта для публикаций вычислительных алгоритмов. В нашей стране Алгол-60 был принят в качестве государственного стандарта. Использование других языков для программирования вычислительных задач не рекомендовалось и это касалось даже широко применявшегося за рубежом более простого языка Фортран. После этого в стране началась активная разработка трансляторов с Алгола– 60 для нескольких типов машин. Попытки создать транслятор с полного языка Алгол-60 за рубежом не удались. В ИПМ такой транслятор был создан для машины «Стрела», а затем для машины М-20, что явилось достижением мирового уровня.

В то же время стала совершенно очевидной общенаучная ценность этого документа, которая требовала его широкого распространения. Ситуация весной 1960-го года оказалась весьма благоприятной для принятия Алгола-60 в качестве единого языка программирования научных и инженерных применений ЭВМ. В июне в Вычислительном центре АН СССР координационное совещание по вопросам реализации Алгола-60. На фоне общей и во многом разнонаправленной активности выделились три проекта реализации языка для М-20, получившие, соответственно, названия TA-1, ТА-2 и Альфа. Начавшись как три независимые и подчас конкурирующие разработки, они в процессе развития приобрели взаимодополняющие свойства, решив удовлетворительно проблему снабжения М-20 трансляторами с Алгола-60.

В декабре 1960-го года в МГУ состоялась рабочая конференция «Построение программирующих программ на основе языка Алгол-60» [1, 4]. К этому времени у разработчиков уже сложились общие подходы к реализации языка и выбору схем трансляции. В TA-1 благодаря отказу от возможной рекурсивности процедур и ряду других ограничений, была выбрана компактная и быстрая схема трансляции без оптимизации. Главной задачей ТА-2 стала реализация практически полного языка без существенной потери в качестве реализации. В разработке системы Альфа (Андрей Петрович Ершов) было поставлено в качестве главной цели обеспечение высокого качества (по объему рабочих программ) с сохранением приемлемой скорости трансляции. Употребление универсального языка программирования снимало задачу перевода программ с одной машины на другую, дало возможность сокращать дублирование работ по составлению программ для различных типов машин и существенно облегчило обмен информацией между отдельными группами специалистов, работающих в области программирования. В докладе разработчиков системы Альфа был показан классический прецедент просчета в определении плановых экономических показателей и трудоемкости больших программных проектов с универсальным коэффициентом недооценки трудоемкости в 2–3 раза, подтвержденном впоследствии многими проектами. Авторы клали на разработку системы 15 человеко-лет для построения 15000 команд, затратив на самом деле свыше 30 человеко-лет и соорудив систему в 45000 команд (см. главу 5).

Библиотека программ ИС-2, трансляторы TA-1 и ТА-2 стали первыми образцами программных продуктов, которые поставлялись вместе с оборудованием машин заводом-изготовителем, образуя интегрированную систему поддержки программирования. В трансляторе Альфа были систематически учтены очень ограниченные ресурсы технологической ЭВМ:

• функция расстановки, для ускорения работы транслятора, в частности, для экономии совпадающих выражений;

• многовариантная система программирования процедур и циклов, основанная на анализе структуры программы;

• реализована глобальная экономия памяти;

• осуществлен ряд оптимизационных преобразований на уровне промежуточного языка, в частности, объединение циклов с одинаковыми заголовками и чистка циклов.

После первых успехов в области создания трансляторов ТА-1, ТА-2 и Альфа в 1964-м – 65-м годах отечественные исследования в области автоматизации программирования продолжали сохранять высокий темп развития. Появление ЭВМ 2-го поколения (Минск 2, БЭСМ-4, М-220 и др.) в целом определило созревание концепции математического (программного) обеспечения и идентификацию системного программирования. Интенсивная работа над трансляторами с Алгола-60 привела к практическому исчезновению профессии вспомогательного программиста-кодировщика машинных кодов и замене ее на профессионального системного программиста. Все первые трансляторы писались в восьмеричном машинном коде с минимальными средствами автоматизации. Это привело к появлению первых языков системного программирования и к первой системе построения трансляторов, основанной на промежуточном универсальном машинно-ориентированном языке АЛМО. Пионерскими в области программирования были работы А.П. Ершова [1, 4] по компиляции с минимальной памятью и по теории программирования (схемы Янова – Ершова).

Параллельно работам по Алголу-60 развивались события, приведшие к организации ассоциации пользователей ЭВМ М-20. В середине 1961-го года решением Президиума Академии наук СССР ассоциация получила статут юридического лица и официальное название «Комиссия по эксплуатации вычислительных машин М-20». Деятельность Комиссии была важна не только созданием прецедента, за которым последовало создание аналогичных ассоциаций для БЭСМ-2, для семейства «Урал», а также для серии «Минск», но и ускорением разработки концепции математического (программного) обеспечения.

В 1964-м году началось проектирование первых программных операционных систем для пакетной обработки с использованием загрузчиков и трансляторов ассемблеров, работающих в автоматическом режиме с помощью языков управления заданиями. Большую роль в формировании современного взгляда на математическое обеспечение и архитектуру ЭВМ сыграл Конгресс ИФИП 1965-го года, когда концепции совместимых семейств машин, разделения времени, мини-ЭВМ стали объектом делового интереса советских специалистов. Начиная с 1964-го года, разработка математического (программного) обеспечения стала элементом государственной технической политики. Государственный комитет по науке и технике (ГКНТ) был назначен координатором работ по математическому обеспечению существующих машин и генеральным заказчиком для промышленности на математическое обеспечение вновь создаваемых ЭВМ. Ассоциации пользователей ЭВМ активно представляли научно-техническое общественное мнение и играли существенную роль в распространении новых программ. Апробация новых систем программирования, а впоследствии и операционных систем проводилась междуведомственной комиссией по математическому обеспечению под председательством академика А.А. Дородницына и целевыми комиссиями, осуществлявшими приемку новых компонентов математического обеспечения.

Первая докторская диссертация по программированию была защищена в Киеве Е.Л. Ющенко в 1966-м году по материалу разработки серии трансляторов на основе адресного языка. Л.Н. Королев стал в 1965-м году первым профессором – программистом [4]. Первое время все эти диссертации причислялись к существовавшим в то время родственным специальностям: вычислительной математике, счетно-решающим устройствам и т. д. В середине 60-х годов под влиянием серии работ по теоретическому программированию была образована новая специальность «математическая логика и программирование». А.П. Ершов был первым программистом, ставшим членом-корреспондентом АН СССР в 1970-м году, а в 1980-м году – ее действительным членом. Сознавая социальные последствия использования ЭВМ и культурное значение программирования (он называл его «второй грамотностью»), А.П. Ершов активно проповедовал его введение в школьную информатику и в курс «Основы вычислительной техники и обработки информации». Его желание компьютеризировать школу преследовало двойную цель: развить в молодых людях интеллектуальный дар программирования и обогатить их мощью информационной обработки.

А.П. Ершов активно поддерживал международный научный обмен и сотрудничество. Он постоянно участвовал в различных комитетах и конференциях IFIP, организовывал многочисленные международные конференции в Новосибирске и других регионах Советского Союза. А.П. Ершов инициировал (и часто редактировал) переводы западных книг по информатике. Установление и развитие личных и профессиональных связей между иностранными учеными и их советскими коллегами было целью, которой он посвятил значительную часть своей энергии.

Взгляды АП. Ершова на программирование, выраженные в серии очерков, начатой в 1972-м году, привлекли широкое внимание во всем мире. Описывая свою профессию поэтически, он утверждал [6]:

«…Программист должен обладать способностью первоклассного математика к абстракции и логическому мышлению в сочетании с эдиссоновским талантом сооружать все что угодно из нуля и единицы. Он должен сочетать аккуратность бухгалтера с проницательностью разведчика, фантазию автора детективных романов с трезвой практичностью экономиста. А, кроме того, программист должен иметь вкус к коллективной работе, понимать интересы пользователя и многое другое.

Машина, снабженная программой, ведет себя разумно. В этот кульминационный момент программист, по существу, представляет троицу. Он ощущает себя отцом – как создатель программы, сыном – как брат машины, выполняющей программу, и носителем святого духа – как тот, кто вложил жизнь в сочетание программы и машины».

Сильным тормозом в развитии и внедрении автоматизации программирования в 50-е годы было отсутствие буквенно-цифровых устройств ввода-вывода, которые стали общедоступными только с машинами 2-го поколения. Это затрудняло внедрение и ослабляло потребность в разработке комфортных средств отладки. Сужалась и даже становилась в значительной степени бесполезной методика символического кодирования и программирования. Более глубоким последствием стал недостаток внимания к текстовому представлению входных программ для первых трансляторов. Другим примером ограничительного влияния оборудования являлось довлевшее над большинством разработчиков трансляторов требование воссоздать средствами входных языков «любую» машинную программу.