Ohjelmointikielten varhaishistoria

1
Ohjelmointikieltenvarhaishistoria

• Esa-Matti Miettinen
• 14.4.2005

2
Johdanto

• Ohjelmoinnin historian voi katsoa lähteneen
  liikkeelle jo 1800-luvun puolivälistä Babbagen
  kehittäessä ensimmäisiä tietokoneen piirustuksia
• Tässä keskitytään korkean tason kielten syntyyn
  1940- ja 1950-luvuilla
• Koko ajanjakson käsittelyn sijaan tarkastellaan
  muutamia tärkeitä merkkipaaluja

3
Ohjelmointi 1940- ja 1950-luvuilla

• Ohjelmia kirjoitettiin pääasiassa konekielillä
• Tietokoneet olivat hitaita, kalliita ja
  vaikeakäyttöisiä.
• 1950-luvun alkupuolella alkoi olla tarjolla
  alkeellisia ja hitaita tulkattavia kieliä, joihin
  viitattiin termillä automaattinen koodaus
• Ohjelmointikielten kehittäjien yhteydet toisiinsa
  olivat huonot, ja keksintöjä tehtiin usein
  toisista tietämättä

4
Käsiteltäviä kieliä

• Plankalkül, ensimmäinen korkean tason
  ohjelmointikieli
• Short Code, ensimmäinen toteutettu korkean tason
  kieli
• Ensimmäiset kääntäjät
• Fortran, korkean tason kielten läpimurron
  aloittanut kieli

5
Ensimmäinen korkean tason ohjelmointikieli

• Milloin oikein tehtiin ensimmäinen oikea korkean
  tason kieli?
• Miltä sen koodi mahtoi näyttää?

6
Plankalkül

• Konrad Zuse suunnitteli korkean tason
  ohjelmointikielen jo 1940-luvun puolivälissä
• Zuse kehitti myös ensimmäisiä tietokoneita,
  joista tosin melkein kaikki tuhoutuivat
  liittoutuneiden pommituksissa
• Plankalkül julkaistiin vasta vuonna 1972 ja
  toteutettiin vuonna 2000, joten sen vaikutus
  toteutettuihin kieliin jäi pieneksi

Konrad Zuse (1910-1995)
7
Plankalkülin ominaisuuksia

• Rakenteiset tietotyypit
• For-lausetta muistuttava toistolause
• Indeksointi
• Monipuoliset listojen käsittelyoperaatiot
• Invarianttien tarkistus

8
Esimerkkialgoritmi

• Käytetään kielen piirteiden havainnollistamiseen
  Knuthin ja Pardon TPK-algoritmia
• Algoritmi ei tee mitään oikeasti hyödyllistä,
  mutta esittelee kielen ominaisuuksia hyvin
• Algoritmi saa syötteenään joukon lukuja, ja
  tulostaa (tai palauttaa) erään funktion arvot
  syöteluvuilla käänteisessä järjestyksessä. Jos
  funktion arvo syötteellä on yli 400,
  tulostetaankin "liian iso"

9
TPK-algoritmi Javalla
10
...ja sama Plankalkülilla
Määritellään kokonaislukutyyppinen muuttuja.
Määritellään proseduurin 1 syötteiden ja
palautusarvon tyyppi.
Lasketaan funktion arvo annetulla parametrilla.
Määritellään proseduurin 2 syötteiden ja
paluuarvon tyyppi.
Tästä alkaa W2-silmukka, jota toistetaan 11
kertaa. Silmukan alussa (R1(V)) kutsutaan
proseduuria 1 parametrina taulukko V.
Jos funktion arvo syötteellä Vi on suurempi kuin
400, tallennetaan i ja ääretön.
Jos funktion arvo syötteellä Vi on lt 400,
tallennetaan i ja funktion arvo.
11
Plankalkülin tyypeistä

• Ainoa perustyyppi on yksi bitti
• Muut tyypit rakennetaan yhdistelemällä muita
  tyyppejä
• Näin voidaan luoda esimerkiksi listoja,
  parilistoja, taulukoita, henkilötunnuksia...
• Taulukoista saattoi esimerkiksi tehdä
  vaihtuvanpituisia
• Periaatteessa kaikkia tyyppejä voitiin yhdistellä
  vapaasti
• Valmiiksi määriteltyinä ovat esimerkiksi
  kokonaisluvut, liukuluvut ja kompleksiluvut

12
Ensimmäinen toteutettu kieli

• Millainen oli ensimmäinen korkean tason kieli,
  joka todella toteutettiin?

13
Short Code

• Myös Eniacia rakentamassa olleen John Mauchlyn
  suunnittelema Short Code on luultavasti
  ensimmäinen toteutettu korkean tason kieli
• William Schmitt teki ensimmäisen toteutuksen
  Binacilla vuonna 1949
• Schmitt ja Albert Tonik kehittivät
  Univac-toteutuksen loppuvuodesta 1950

John W. Mauchly (1907-1980)
14
Short Code (jatkoa)

• Osasyy kielen tuntemattomuuteen lienee, että
  tuolloin ohjelmoijan vaivannäköä ei arvostettu
  aivan samalla tavalla
• Miksi tietokoneen laskenta-aikaa pitäisi tuhlata
  johonkin sellaiseen, jonka ohjelmoija voi itsekin
  tehdä?
• Short Code-tulkkaus saattoi myös olla jopa
  viisikymmentä kertaa hitaampaa kuin konekielisten
  käskyjen suoritus

15
TPK Short Codella
03 Jos y lt 400, siirry kohtaan 1
16
Ensimmäiset kääntäjät

• Useimmat nykyiset kielet käännetään ennen
  suoritusta. Milloin näin tehtiin ensimmäisen
  kerran?

17
Kääntäjät (jatkoa)

• Ensimmäisen kääntäjän tittelistä on useita
  kilpailijoita
• Esiin nostetaan usein Hopperin A-0, A-1 ja A-2,
  Glennien Autocode ja Laningin ja Zierlerin kieli
• Voittaja riippuu näkökulmasta

18
Hopperin varhaiset "kääntäjät"

• Ohjelmointikielten kehitykseen suuresti
  vaikuttanut Grace Murray Hopper työskenteli
  vuodesta 1949 Univac-tietokoneita valmistaneessa
  Eckert-Mauchly Computer Corporationissa
• EMCssä hänen ryhmänsä kehitti varsinkin aluksi
  lähinnä makrojen käsittelijöitä muistuttavia
  ohjelmia

Grace Murray Hopper (1906 1992)
19
Hopperin varhaiset "kääntäjät" (jatkoa)

• Myöhemmin lähestyttiin jo uutta kieltä ja
  kääntäjiä sanan nykyisessä merkityksessä
• Vanha Mark I-tietokone suoritti kolme
  yhteenlaskua sekunnissa. Univac laski jo
  lähteestä riippuen tuhansia tai kymmeniä tuhansia
  laskutoimitusta sekunnissa, joten sen
  työllistämiseksi ohjelmia piti saada tuotettua
  nopeammin.

20
Hopperin varhaiset "kääntäjät" (jatkoa)

• Merriam-Websterin määritelmä sanalle compile "to
  bring together from several sources into a single
  volume or list ltcompiled the best short stories
  ever written into one fat bookgt "
• Lokakuun 1951 ja toukokuun 1952 välillä
  valmistunut A-0 oli sanakirjamääritelmän mukainen
  "compiler", eli kokosi ohjelman liittämällä
  konekielisen ohjelman merkittyihin kohtiin
  eräänlaisen makron

21
Hopperin varhaiset "kääntäjät" (jatkoa)

• Tammikuussa 1953 valmistunut A-1 ja lokakuussa
  toteutettu A-2 olivat parannettuja versiota
  "kääntäjästä"
• Niiden koodia saattoi joutua täydentämään koneen
  omalla konekielellä
• Vuonna 1955 A-2 oli jo kehittynyt niin pitkälle,
  ettei koneen omaa kieltä tarvinnut käyttää
  lainkaan

22
TPK A-2lla(vuoden 1953 versio)
23
Hopperin ryhmän myöhempiä tuotoksia

• Hopperin ryhmä kehitti vuonna 1956
  Math-Matic-nimellä (aluksi AT-3) tunnetuksi
  tulleen lausekielen
• Math-Matic-kielen kääntäjä tuotti hidasta koodia
  jo muutenkin hitaalle Univac-tietokoneelle, joten
  kieli ei noussut kovin merkittävään asemaan
• Vuonna 1955 toteutettu Flow-Matic-kieli perustui
  vahvasti englannin kielen käyttöön, ja oli
  suunniteltu erityisesti liiketoiminnallisten
  ohjelmien tuottamiseen
• Flow-Matic (aluksi B-0) vaikutti suuresti
  Cobol-kielen kehitykseen

24
Autocode

• Alick Glennie kehitti Royal Armaments Research
  Establishmentissä työskennellessään
  Autocode-kielen ja sille kääntäjän vuoden 1950
  lopulla
• Glennie ei koskaan julkaissut kieltä, eikä siitä
  tullut kovin suosittu

Alick Glennie
25
Autocode (jatkoa)

• Kieli ei ollut kovin alustariippumaton, eikä
  ratkaissut ongelmia, joita sen kanssa tekemisissä
  olleet ohjelmoijat pitivät työnsä kannalta
  vaikeimpina
• Autocode oli kuitenkin luultavasti ensimmäinen
  täysiverinen kieli, jolle oli toteutettu sanan
  nykyistä merkitystä vastaava kääntäjä

26
TPK Autocodella
27
Laning ja Zierler

• Laning ja Zierler kehittivät noin vuonna 1953
  Autocodea korkeammalla abstraktiotasolla toimivan
  kielen Whirlwind-tietokoneelle
• Ohjelmia suoritettiin tulkkaamalla kääntäjän
  tuottamaa välimuotokieltä
• Kieli oli lähes täysin alustariippumaton, ja
  suhteellisen helppokäyttöinen

28
TPK-algoritmi Laningin ja Zierlerin kielellä
Tähän tulevat syötteet
SP 4 Ehdoton hyppykäsky kohtaan 4
aivj
CP 1 Jos edellisen lauseen arvo lt 0, siirry
kohtaan 1. Tällä saadaan aikaan silmukka.
F11 laskee itseisarvon, F1 neliöjuuren
29
Korkean tason kielten läpimurto

• Ihan hyvä. Mutta milloin joku sai kaiken tämän
  oikein toimimaan?
• Milloin korkean tason kieliä alettiin käyttämään
  laajemmassa mitassa?

30
Fortran

• 1950-luvun lopulla kehitetty Fortran aloitti
  korkean tason kielten voittokulun
• Tulkeilla ja kääntäjillä saavutettiin yleensä
  vain murto-osa taitavan ohjelmoijan kehittämien
  ohjelmien suorituskyvystä
• Yleisesti ei uskottu, että voitaisiin kehittää
  helppokäyttöinen korkean tason kieli, jolla
  voitaisiin tuottaa tehokkaita konekieliohjelmia

John Backus (1911-1988)
31
Fortranin tehtävä

• Fortranin-projektin ensisijaisena tavoitteena oli
  tuottaa tehokas, ihmisohjelmoijan suorituskykyyn
  verrannollinen kääntäjä
• 704 osasi käsitellä liukulukuja, joten
  liukulukukäsittelyn hitaus ei enää kätkenyt
  kielten tehottomuutta

32
Fortranin kehitys

• Aiemmin muun muassa Speedcodingia kehittänyt John
  Backus ehdotti uuden ohjelmointikielen
  tuottamista 704-tietokoneelle IBMllä loppuvuonna
  1953
• Kehitykseen vaikuttivat myös mm. Harlan Herrick,
  Irving Ziller ja Ron Nutt
• Kielen alkuperäinen määrittely oli valmis
  marraskuussa 1954

33
Otteita vuoden 1954 väliraportista

• "...FORTRAN should virtually eliminate coding and
  debuggin..."
• "...an automatically coded problem... will be
  executed in about the same time that would be
  required had it been laborously hand coded"
• "...after an hour course in FORTRAN notation, the
  average programmer can fully understand... a
  procedure stated in FORTRAN language..."
• "... each such IBM calculator should have a
  system similar to FORTRAN..."

34
Fortranin valmistuminen

• Vuonna 1955 kääntäjän uskottiin valmistuvan
  puolen vuoden kuluessa
• Todellisuudessa Fortran julkaistiin bugisena
  huhtikuussa 1957
• Fortran levisi kuitenkin nopeasti
• Huhtikuussa 1958 tehdyn tutkimuksen mukaan yli
  puolet 26n 704-tietokoneen käyttäjistä käytti
  kieltä suurimmassa osassa ohjelmiaan, ja saman
  vuoden syksyllä yli puolet 66n koneen
  konekielikäskyistä tuotettiin Fortranilla

35
TPK-algoritmi Fortranilla
36
Yhteenveto

• Ohjelmoinnin alkuaikoina ohjelmointi tarkoitti
  useimmiten hankalaa koodausta konekielillä
• Korkean tason kielten kehitykselle antoi
  alkusysäyksen yritys saada käyttöön konekielistä
  puuttuvia ominaisuuksia ja helpottaa ohjelmointia
• Tietokoneiden kehitys vauhditti myös
  ohjelmointikielten kehitystä tekemällä
  ohjelmoijasta pullonkaulan
• Tiedonkulun ongelmat johtivat useiden keksintöjen
  tekemiseen uudelleen

37
Yhteenveto (jatkoa)

• Ensimmäinen korkean tason ohjelmointikieli
  Plankalkül sisälsi monia edistyksellisiä
  piirteitä, kuten erittäin kehittyneen
  tyyppijärjestelmän. Kielestä ei kuitenkaan tullut
  aikanaan tunnettua.
• Ensimmäinen toteutettu korkean tason kieli oli
  luultavasti Short Code. Se kärsi osin saman
  kohtalon.
• Ensimmäisen kääntäjän tittelistä kilpailevat
  ainakin Hopperin varhaiset "kääntäjät", Glennien
  Autocode ja Laningin ja Zierlerin kieli

38
Yhteenveto (jatkoa)

• Vasta Fortran tarjosi mahdollisuuden helpohkon
  ohjelmoinnin ja tehokkaiden ohjelmien välillä, ja
  aloitti siten korkean tason ohjelmointikielten
  läpimurron

39
Aikajana

• Lorenz-salaus murtuu 1941
• Plankalkül n. 1945
• Short Code 1949-1950
• 1950-luvun alussa TKKlla rakennetaan
  analogiatietokonetta
• Univac 1951
• A-0 1951-1952
• Autocode 1952
• Laningin ja Zierlerin kieli 1952
• A-2 1953
• ESKOa rakennetaan 1954-1960
• Tekoäly-nimitys keksitään Darthmoutissa 1956
• Fortran n. 1957
• Nasa perustetaan 1958
• Relaatiomalli 1969
• Ensimmäinen tietokonevirus 1970-luvun alussa

40
Kuvien lähteet(13.4.2005)

• John Backus http//www-groups.dcs.st-and.ac.uk/h
  istory/PictDisplay/Backus.htm
• Alick Glennie http//hopl.murdoch.edu.au/
  showperson.prx?PeopleID185
• Grace Hopper http//www-groups.dcs.st-and.ac.uk/
  history/PictDisplay/Hopper.html
• John Mauchly http//www-etsi2.ugr.es/alumnos/mlii
  /Mauchly.htm
• Konrad Zuse http//www-groups.dcs.st-and.ac.uk/h
  istory/PictDisplay/Zuse.html