Персона. Джон Бэкус — создатель первого языка программирования высокого уровня13.12.2016 19:34

17 октября 1977 года на ежегодной конференции АСМ премия Алана Тьюринга была вручена человеку, который создал первый высокоуровневый язык программирования для научных и технических целей.

Премия была присуждена Джону Бэкусу »… за глубокий и важный вклад в создание практических систем программирования высокого уровня. В особенности — за работы по Fortran и частые публикации формальных процедур для спецификации языков программирования».

В 50-х годах ХХ века труд программиста по написанию, вводу и отладке программ был далеко не легким: сначала программы писались на машинном языке.

Для облегчения участи программистов были придуманы подпрограммы, а затем первые ассемблеры. Но эффективность программирования от этого существенно не повысилась. Если бы кто-то мог написать транслятор, который позволил бы вводить команды из слов и символов, а затем автоматически конвертировать их в машинный код…

Бесполезный Бэкус

Джон Бэкус родился 3 декабря 1924 года в Филадельфии. Его отец был главным инженером-химиком в компании по производству нитроглицерина. Бэкус-старший начинал свою карьеру как простой служащий, но потом продвинулся по служебной лестнице во время Первой мировой войны, когда благодаря его техническим изобретениям была предотвращена серия взрывов на заводах.

Джон закончил школу в Вашингтоне, затем осенью 1942 года поступил в Виргинский университет на химический факультет. Юноша не подавал никаких надежд в плане дальнейших успехов. Педагоги сомневались, что он мог принести хоть какую-то пользу обществу. Как позднее вспоминал он сам, несмотря на то, что родители определили его в престижную школу, процесс обучения вызывал у него отвращение. Когда Бэкус поступил в университет, единственным занятием, которое он посещал раз в неделю, был урок музыки.

К концу второго семестра, в 1943 году, руководство университета решило, что дальнейшее пребывание юноши в стенах учебного заведения излишне: Бэкус был отчислен. В это время была в разгаре Вторая мировая война, и США уже полтора года вели боевые действия против Японской империи. Молодой Джон Бэкус в чине капрала был принят в дружные ряды тихоокеанской ПВО. Однако в боевых действиях Бэкус участия не принимал.

Поиск себя

После демобилизации Джон вернулся в США и поселился в Нью-Йорке. Перед ним вновь встал вопрос выбора профессии. Ничто, кроме музыки, его не привлекало. Поскольку ему сильно хотелось иметь хорошую аппаратуру для прослушивания музыки, он поступил в школу радиотехники: получив там необходимые навыки, он смог бы самостоятельно сконструировать музыкальную аппаратуру.

Однажды один преподаватель попросил Джона Бэкуса помочь ему с построением графиков частотных характеристик усилителя. Вычисления были несложными, но их обилие утомляло. Неожиданно эти повторяющиеся математические операции заинтересовали Бэкуса. Преподаватель по ремонту теле- и радиоаппаратуры пробудил в нем интерес к математике и убедил его продолжить образование в Колумбийском университете.

Весной 1949 года, за несколько месяцев до получения диплома, 25-летний Джон Бэкус по-прежнему не мог определиться со своим будущим. В поисках перспективной работы его занесло в Компьютерный центр IBM на Мэдисон Авеню. Как оказалось, это была «судьбоносная случайность».

Получив степень магистра математики в Колумбийском университете, по приглашению Рекса Сибера — одного из изобретателей машины SSEC (Selective Sequence Electronic Calculator) — Бэкус поступил на работу программистом в фирму IBM. Это случилось в 1950 году.

IBM

Бэкус мало что знал о компьютерах, когда пришел в фирму IBM. Однако, проработав на SSEC около года, он возглавил небольшую группу программистов, которая разработала интерпретатор Speedcoding для компьютера IBM 701.

Тогда слово «компьютер» (computer) обозначало совсем не то, что оно обозначает сегодня. Selective Sequence Electronic Calculator (SSEC) был одной из первых разработок IBM в новой области электронных вычислительных устройств на вакуумных лампах. Этот, так сказать, компьютер не имел памяти, а весь ввод и вывод происходил посредством перфолент. Так что, компьютерами были в каком-то смысле и люди, которые «помогали» машинам.

В проекте SSEC Джона Бэкуса подключили к решению задачи вычисления положения Луны в 12-часовом интервале на 200-летнем отрезке времени. Для вычисления каждой позиции Луны требовалось произвести 11 тысяч сложений и вычитаний, 9 тысяч умножений и выполнить 2 тысячи просмотров специальных таблиц. Это задача требовала напряженной работы 13 тысяч огромных вакуумных ламп SSEC. Различные узлы SSEC располагались вдоль трех стен комнаты размером 18 на 6 метров, а программисты находились как бы внутри компьютера.

Вычисления, выполненные, в том числе и Бэкусом, на SSEC, кстати, использовались в космической навигации НАСА в период с 1952 по 1971 годы. Позднее ему приходилось выполнять и более экзотические задачи — например, вычисление точных орбит пяти внешних планет Солнечной системы на временном интервале с 1653 по 2060 годы.

SSEC морально устарел уже в 1952 году и был демонтирован.

Fortran

В 1954 году компания IBM запустила новый проект — IBM 704. В отличие от ламповой ЭВМ 701, новый проект был электронно-магнитным. IBM 704 предоставила программистам универсальный набор команд для работы, в том числе с числами с плавающей запятой.

Реализовывать на языке ассемблера алгоритмы обработки чисел с плавающей запятой нелегко. А программировать в ту пору приходилось в основном только математические формулы, и никаких математических сопроцессоров не было. В конечном итоге «лентяй» Джон Бэкус (как он впоследствии шутливо, а может, и не совсем шутливо вспоминал) стал все больше задумываться над тем, как создать язык, независимый от архитектуры машины и позволяющий легко программировать математические формулы.

Джон Бэкус обратился к своему шефу Кутберту Хэрду с предложением разработать практический язык программирования высокого уровня и компилятор для машины IBM 704. Предложение Бэкуса было одобрено.

Fortran родился в штаб-квартире фирмы IBM на Мэдисон-авеню в Нью-Йорке — в офисе на 19 этаже, где расположилась группа Бэкуса. Сначала с Бэкусом работал только Ирвинг Циллер, потом присоединился Харлан Херрик с командой математиков и техников.

Бэкус собрал группу из девяти дипломированных специалистов по математике, и они с энтузиазмом принялись за работу по созданию нового языка. Эти девять человек позднее вошли в историю программирования — Роберт Нельсон (Robert Nelson), Харлан Херрик (Harlan Herrick), Льюис Хэйт (Lois Haibt), Рой Нат (Roy Nutt), Ирвинг Циллер (Irving Ziller), Шелдон Бест (Sheldon Best), Дэвид Сэйр (David Sayre), Ричард Голдберг (Richard Goldberg) и Питер Шеридан (Peter Sheridan).

В своих воспоминаниях Бэкус пишет, что из-за свойственной ему лени он создал такую систему управления группой, что ему, собственно, и делать-то ничего не приходилось. Наибольшую сложность представляла для него только задача, как заставить членов группы не тратить столько времени на игры. Программисты из группы Бэкуса во время ланча любили сразиться в шахматы (правда, в то время еще не виртуальные, а настоящие). И никакие угрозы не помогали в борьбе с этим: раньше 14:00 они обычно игру не заканчивали.

С тех пор некоторые думают, что «настоящие» программисты должны тратить не менее двух часов в день на (уже компьютерные) игры.

Разработчики не надеялись, что их язык программирования будет когда-либо использоваться на машинах, отличных от IBM 704, но они были уверены, что в случае успеха их работа существенно повлияет на ИТ-индустрию.

Они выделили основные понятия нового языка, в частности оператор присваивания (например, N = 100), задававший переменным определенные значения, ввели индексируемые переменные, которые сообщали компьютеру, какой элемент из списка переменных нужен (например, X (3) означает третий элемент списка, названного X), предложили очень важный оператор DO, который позволял повторять нужную последовательность операторов заданное число раз.

Текст программы стал более простым, появились конструкции IF для организации ветвлений и циклы. Невероятно упростилось программирование формул. Например, формула D=B^2–4AC, программирование которой даже на современном языке ассемблера потребует десяток строк кода, на новом языке записывалась следующим образом: D=B**2–4*A*C.

Как заявлял Бекус, люди ошибочно полагали, что основной вклад Fortran — это возможность писать программы в виде алгебраических формул, а не на машинном языке. По его мнению, Fortran в первую очередь автоматизировал организацию циклов. Важность этой задачи при разработке научных приложений сложно переоценить.

Работа над языком шла быстро, чего нельзя было сказать о разработке компилятора. Бекус понимал, что развеять сомнения в возможностях «автоматического» программирования, то есть написания программ на языках высокого уровня, нелегко. Программы на Fortran должны быть такими же быстродействующими и надежными, как и написанные в машинных кодах или на языке ассемблера.

Из трех лет, затраченных на разработку проекта в целом, более двух лет заняла работа над компилятором. Если первое сообщение о создании языка группа сделала в 1954 году, то о разработке компилятора — только в апреле 1957 года.

Первая страница руководства по Fortran с автографом Бэкуса

Разработчики долго не могли определиться с названием нового языка. Бэкус придумал несколько банальных названий, но каждый раз они не устраивали коллег. Но однажды он предложил FORTRAN (FORmula TRANSlation). Реакция была аналогичной, но это название было принято из-за отсутствия лучшего.

Джон Бэкус, конечно, шутит, когда говорит, что ничего не делал. Лавры создателя первого языка высокого уровня принадлежат ему по праву.

Algol

Другим важным достижением Бэкуса стало применение способа формальной записи — БНФ (Бэкуса Нормальная Форма) для описания языка Algol.

В 1958 году Джон Бэкус решил принять активное участие в обсуждении нового языка (он впоследствии и получил название Algol) в Цюрихе. Однако возникла проблема — английский язык, на котором изъяснялся Бэкус, был мало понятен швейцарским программистам. В связи с этим для описания конструкций языка были применены специальные диаграммы, которые Бэкус разработал совместно с датским астрономом и программистом Питером Науром. С тех пор форма Бэкуса-Наура (Backus-Naur Form — BNF) стала неким «эсперанто» мирового программирования. Программисту, владеющему BNF, для знакомства с новым языком не нужно изучать объемные труды с его словесным описанием: достаточно изучить BNF этого языка.

Синтаксические диаграммы BNF и дерево разбора

В феврале 1959 года Бэкус убедил влиятельную организацию SHARE (куда входили пользователи компьютеров фирмы IBM) сделать ставку на новый язык программирования. После этого организация настоятельно порекомендовала IBM реализовать Algol.

На словах компания пошла навстречу своим клиентам, а на деле работа в этом направлении почти не велась. В то время IBM была мировым лидером на рынке компьютеров и активно внедряла Fortran, что вполне ожидаемо. У членов SHARE, на самом деле, тоже не было ясной позиции. Когда их энтузиазм угас, они как ни в чем не бывало продолжали поддерживать Fortran.

А Бэкус, несмотря на неудачу, продолжал активно продвигать Algol.

FP

В 70-е годы Джон Бэкус совместно с Джоном Уильямсом и Эдвардом Уимерсом он разработал новый язык программирования FP.

FP — это так называемый чистый функциональный язык программирования, в котором программист сосредотачивается не на переменных и их значениях, а на «черных ящиках» — функциях, имеющих вход и выход.

Бэкус представил миру новый язык в 1977 году в статье под названием «Can Programming Be Liberated from the von Neumann style? A Functional Style and its Algebra of Programs» («Возможно ли освободить программирование от стиля фон Неймана? Алгебра программ в функциональном стиле»).

FP был задуман скорее как математическая модель, чем как средство разработки ПО. Он является каноническим примером языка, использующим функциональную парадигму.

В FP особое внимание уделено точному семантическому описанию и обработке абстрактных типов данных. Также вместе со своими сотрудниками Бэкус разработал оптимизирующий компилятор, использующий алгебраические преобразования.

Идеи, использованные в языке FP, были использованы при создании языка LISP.

Память

Джон Бэкус ушел из жизни 17 марта 2007 года. Ему было 82. Несмотря на то, что в начале пути он не знал, что делать со своей жизнью, судьба приняла это решение за него.

Кроме премии Алана Тьюринга, о которой было сказано выше, Джон Бэкус в 1976 году был награжден Национальной медалью за вклад в науку.

«Иногда стимулом к изобретению становится не полет творческой мысли и не необходимость, а желание отдохнуть от нудной и тяжелой работы. Джон Бэкус убежден, что именно это заставило его разработать язык, в значительной мере автоматизирующий работу программиста», — пишет Лесли Гофф.

Комментарии (0)