【05】2.1 程序语言特征

2.1.1  程序语言的演化

1、程序设计语言的萌芽

（1）爱达与最早的程序设计
爱达：分析机可以像提花机那样进行编程。
爱达设计了世界上第一个计算机程序。
爱达提出了循环、子程序等概念。
爱达参与了巴贝奇对分析机的设计。

 

 

 

 

（2）弗雷格与程序设计
1879年，德国数学家弗雷格提出了用语法规则构造形式语言。
弗雷格的 “概念文字”是现代程序设计语言的萌芽。
数理逻辑创始人，创建第一个谓词逻辑系统。
弗雷格《概念文字》著作中的人工语言：
【例】Func（R）∧xR'y∧xR'z→yR'z∨zR'y∨y＝z 【命题133】

 

（3）哥德尔与程序设计
1931年，哥德尔提出：可以将命题符号与自然数相对应。
【例】对逻辑表达式：(∀????)  ((∃????)????(????,????)→????(????))
按照哥德尔的思想，假设符号与十进制数的编码如下：

以上逻辑表达式可编码为：638766497168097526877。
对逻辑命题用数字编码，为程序的二进制数运算提供了设计思想。

 

（4）图灵机与程序设计
1936年，图灵指出：对应于每种行为还要有一个指令表，…它应当执行什么指令，以及完成这些指令后，机器应处于哪种状态。
图灵机的指令表就是一种计算机程序。
 

【例】早期的编程—电路插接板。

 

1934年，IBM推出了405型会计机。这种设备能够根据穿孔卡片编制、印刷包含字母和数字信息的报表。
电路插接板是IBM-405型会计机里的“软件”。企业有装满了插接板的机架，每块接插板用于编制特定类型的数据，如工资单、营收报表、库存控制等。穿孔卡片也会作为会计机的输入和输出，存储了员工工作时间、销售额和订单等各种数据。由于会计机没有固定存储器，因此它们仍然属于制表设备，而不是计算机。
 

 

【例】早期的程序：打孔纸带

 

【补丁程序】早期计算机用机器语言编程，程序是纸带上有规律的小孔。程序员先将计算机指令或数据换算成二进制数字编码，然后按编码用打孔机在专用纸带上打出小孔，每一行孔代表一个字符编码，几十行小孔形成一条指令或数据，读带机将纸孔转换为电信号。如果程序打孔出现错误，就需要将打孔纸带剪断，将新修改的程序纸带粘贴进去，这段程序称为“补丁程序”。

2、现代程序设计语言的发展

（1）汇编程序语言
1951年，霍普设计了第一个编译程序A-0，标志汇编语言的诞生。
 

（2）第一个高级程序设计语言
1954年，巴科斯发明了第一个高级程序设计语言FORTRAN。
 

（3）程序语言的演化
FORTRAN(现仍在使用)
COBOL
ALGOL (最经典的语言)
LISP

3、为程序设计做出杰出贡献的科学家

（1）艾伦·佩利与程序设计语言
1958年主持设计ALGOL程序语言；
在ALGOL60设计中，提出区分语法和语义；
最早将程序设计引入大学课堂；
1960年代，在卡内基-梅隆大学建立最早的计算机科学系；
ACM首任主席，第一个图灵奖获得者。

【名言】 
如果你给别人讲解程序时，看到对方点头了，那你就拍他一下，他肯定是睡觉了。
               —— 艾伦·佩利
 

（2）迪科斯彻与结构化程序设计
1960年，参与开发ALGOL 60编译器；
提出“Goto语句有害论”（广泛用于程序设计）；
解决“哲学家就餐”问题（广泛用于操作系统）；
发明图论中最短路径算法（广泛用于路由算法）；
图灵奖获得者。

【名言】
编程的艺术就是处理复杂性的艺术。
简单是可靠的先决条件。
计算机会不会思考这个问题就像问潜水艇会不会游泳一样。
                         —— 迪科斯彻
 

（3）高德纳与数据结构
创建了算法分析领域；
开创了数据结构体系；
《计算机程序设计艺术》是计算领域最经典的参考书；
开发了KMP算法（字符串查找）；
开发了TEX论文排版程序。
图灵奖获得者。

 

 

【名言】
如果我们有再三思考的机会，几乎没有一件事情是不能被简化的。
虽然计算机科学非常美妙，但它也不可能包办一切！
                          —— 高德纳
 

 【例】中国最早的程序员。
董铁宝，1945-1952年在伊利诺伊大学参与了早期计算机伊利亚克的设计、编程和使用。

1952年，华罗庚在普林斯顿大学做研究，他和冯·诺伊曼有过密切交往。回国后，华罗庚组织成立了中国第一个计算机科研小组，最早有三人：闵乃大、夏培肃、王传英。
 

夏培肃，1951年英国爱丁堡大学博士后毕业回国，1952年加入计算机科研小组。

 张绮霞，1958年进入计算所程序设计室，她设计的打孔纸带程序都是“一次通过，从无bug”！我国第一颗人造卫星的地面跟踪程序就出自她的手笔。

 夏培肃主编的中国第一套
《计算机原理》大学教材(1956年)

【例】1956 年，上海交通大学抽调电机专业高年级学生，到清华大学新成立的计算机专业，1957年中国第一批计算机专业学生毕业。
 

4、程序设计语言的特征

程序语言已超过上千种；
试图创建通用程序语言的尝试没有成功。

（1）多种程序语言的原因
没有一种程序语言可以解决所有问题；
环境变化时，需要新程序语言适用它；
编程新手与高手之间的技术差距非常大；
不同程序语言的运行效率和开发成本不同。
 

（2）程序语言的发展趋势
程序语言结构变化很少，设计框架和设计工具改进很大。
编程范式：
过程式编程，如：C、Fortuan、Matlab等；
面向对象编程，如：Java、C++、C#等；
动态语言编程，如：Python、JavaScript、PHP等；
函数式编程，如： Haskell、F#、LISP等；
声明式编程，如：Prolog、SQL等；
并行编程，如：MPI、Go等。
 

（3）程序设计语言的学习
学习编程语言的方法：
多阅读优秀源程序；
多练习编写程序；
多思考如何解决身边的问题。
 

2.1.2  程序语言的类型

程序语言是计算机指令执行流程的形式化语言。

程序语言规范：
数据类型和数据结构；
指令类型和指令控制；
调用机制和库函数；
以及不成文的规定，如，递进书写、变量命名等。

【名言】
计算机是一台快速，笨拙的机器，只有有限的能力。只能进行基本的数学运算与逻辑比较。必须由程序来指示它做什么事。
                          ——  George Beekman
 

 计算机是一台笨拙的机器，具有从事令人难以置信的聪明工作的能力，...计算机程序员则是一些聪明的人，具有从事令人难以置信的笨拙工作的能力。简而言之，计算机与程序员实现了完美的配合。
                         —— Jamie Shiers

 

1、程序语言的分类

按程序功能分类：
算法描述型语言，如：C、Java、Python等；
数据描述型语言，如：HTML、XML、正则表达式等。
按编程难易分类：
低级语言，如：汇编语言、机器语言；
高级语言，如：C、Java等。
按执行方式分类：
解释型语言，如：Python；
编译型语言，如：C++。

2、机器语言

机器语言是以二进制代码表示的指令。
优点：占用内存少、执行速度快；
缺点：难编写、难阅读、难移植。

 

 

3、汇编语言

汇编语言用助记符表示二进制代码指令。
不同CPU的机器指令不同，它们的汇编语言也不同。
【例】汇编语言与机器语言指令。

 

 

4、高级程序语言

【表】IEEE发布2020年流行程序语言

【例】 CNNIC 2020年中国程序员调查报告。
 

2.1.3  编程环境与平台

1、程序语言的基本组成

（1）指令及指令流程控制
程序由多条语句组成。
语句有规定的关键字和语法结构。

（2）程序语言基本组成
数据成分，如：数值、字符、数组等；
运算成分，如：四则运算、逻辑运算等；
控制成分，如：选择、循环、调用等；
传输成分，如：实参与形参、返回值等。

【名言】
世界上只有两种编程语言：要么充满抱怨，要么没有人使用。
             —— 本贾尼，C++之父

2、程序运行平台

运行平台指程序运行时需要的硬件环境和操作系统环境。
如：C#、F#、 VB等程序，只能支持x86系列CPU硬件环境。

程序运行在不同硬件环境下时，需要对源程序进行重新编译。
如：C程序用VC编译后，生成的exe文件可以在Windows下运行。
如：C程序用GCC编译后，生成的bin文件可以在Liunx下运行。
 

 Windows下的应用程序，在Linux系统中不能运行；
苹果智能手机中的程序，在安卓智能手机中也不能运行。
程序开发时，需要调用操作系统底层接口程序实现某些功能。
如，在Windows编程时，需要调用各种子程序接口。如窗口，对话框，菜单等。

 

3、程序集成开发环境

IDE是一个综合性工具软件。
IDE功能：
程序编辑器，关键词检查器，程序调试器等；
有些IDE包含编译器或解释器，如：Microsoft Visual Studio；
有些IDE不包含编译器，如：Eclipse、SharpDevelop等；
其他：类浏览器、物件检视器、物件结构图等。
 

【例】Microsoft Visual Studio集成开发环境（for C/C++/C#）。

【例】Eclipes集成开发环境（for Java）。
 

【例】Eric6集成开发环境（for Python）。
 

 【例】EditPlus集成开发环境（for HTML/JavaScript ）。

【例】Android Studio智能手机开发平台
 

2.1.4  程序解释与编译

1、源程序的翻译

程序语言编写的指令序列称为“源程序”；
源程序必须翻译成机器指令，计算机才能识别和执行；
翻译方式：解释执行方式和编译执行方式。

2、程序的解释执行方式

（1）程序执行过程
语言解释器一般包含在软件或操作系统内。
如IE浏览器，Python解释器等。
 

 

（2）解释程序的优点
实现简单，交互性较好。
（3）解释程序的缺点
程序运行效率低；
程序独立性不强；
代码保密性不强。

简单测试表明，同一功能用不同语言编写时，运行时间如图：

【例】Python程序的解释执行过程。
图片转自：https://www.sohu.com/a/490303176_121118999

 

3、程序的编译执行方式

程序编译过程：
源程序→预处理→词法分析→语法分析→语义分析→生成中间代码→代码优化→生成目标程序→程序连接→生成可执行程序。
以上过程不一定是顺序进行。

图片转自：http://m.mamicode.com/info-detail-2933597.html

 

 【例】 从不同层次深度看GCC编译过程。

（1）编译符号表
源程序信息保存在不同表格里；
语法分析时，符号表内容用于语法分析检查；
语义分析时，符号表内容用于语义检查和产生中间代码；
目标代码生成时，符号表是地址分配的依据。

（2）预处理
编译器：将预处理、汇编、编译、连接等集成在一起的软件。
预处理目的：加快编译速度。
预处理内容：宏定义，文件包含，条件编译等。

（3）词法分析
目的：分析和识别程序语句中的单词（分词）。
方法：编译器扫描源程序的字符串，根据词法规则识别出单词。
单词类型：
关键字或保留字，如：for、if、def等；
标识符，如：x、i、list等；
常数，如：PI值等；
运算符和分界符，如：+、-、*、/、=、;、{  }等。

【例】对表达式：X1=(2.0+0.8)*C1进行词法分析。

 

（4）语法分析
语法分析是生成语法树，并进行语法正确性检查；
语法树是程序结构的树形表示；
编译器利用语法树进行语法规则分析，并且生成中间代码。

【例】对表达式：X1=(2.0+0.8)*C1进行语法分析。

【例】条件语句：if  x= =2  then  {x=a+b} 的语法分析树。
 

（5）语义分析
静态语义审查，上下文相关性审查，类型匹配审查，数据类型转换，常量折叠等。
程序语句按语法正确，但是它不符合语义规则。
如：使用了没有声明的变量；
如：调用函数时参数类型不合适；
如：参加运算的两个变量类型不匹配等。

常量折叠就是对常量表达式计算求值。
如：s = 1 + 2，折叠后为常量3。

（6）生成中间代码
中间代码：介于源语言和目标语言之间的中间形式。
目的：中间代码很容易生成目标程序。
形式：四元式、三元式、逆波兰表达式等。

【例】X1=(2.0+0.8)*C1
四元式方式生成的中间代码如表所示。

 

（7）代码优化
目的：为了得到高质量的目标程序。

【例】对常量表达式可以在编译时计算出它的值，并存放在临时单元（T1）中。
优化后的中间代码如表所示。

（8）生成目标程序
汇编过程实际上是把中间代码翻译成目标机器指令的过程。

（9）链接程序
将目标文件和函数库连接，生成能执行的机器代码。

（10）生成可执行程序
将前面各步骤生成的信息转化成机器代码，并且写入磁盘文件。
 

4、编译失败的主要原因

完美的程序不会一次就写成功，需要反复修改、调试和编译。
研究人员分析了2600万次编译，指出编译失败的常见原因：
编译失败率与开发者经验无关；
大约65%的Java编译错误与依赖有关，如包文件不存在；
在C++编译中，53%的编译错误是使用了未声明的标识符和不存在的类变量。

 

 

下一篇：【06】2.2  Python编程基础
 

 

 

最后

以上就是小巧百褶裙为你收集整理的【05】2.1 程序语言特征的全部内容，希望文章能够帮你解决【05】2.1 程序语言特征所遇到的程序开发问题。

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