第6章 程序設(shè)計(jì)語言

第6章程序設(shè)計(jì)語言計(jì)算機(jī)科學(xué)概論目標(biāo)了解計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展；理解機(jī)器語言、匯編語言、高級(jí)語言的概念理解機(jī)器語言與匯編語言、高級(jí)語言的差異與各自具備的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)理解虛擬機(jī)的概念了解高級(jí)語言的發(fā)展，列出幾種高級(jí)語言了解程序設(shè)計(jì)語言的類型和基本知識(shí)，了解程序和語句的基本類型理解程序編譯生成的過程和原理主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展程序設(shè)計(jì)語言的幾種范型程序設(shè)計(jì)語言的語法元素和功能劃分程序的生成和運(yùn)行第一節(jié)計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展6.1計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展機(jī)器語言匯編語言高級(jí)語言非過程語言第5代自然語言的研究也已經(jīng)成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。6.1.1自然語言與形式語言1、自然語言自然語言的定義：自然語言是某一社會(huì)發(fā)展中形成的一種民族語言例如漢語、英語、法語和俄語等。自然語言符號(hào)系統(tǒng)的基本特征：歧義性；不夠嚴(yán)格和不夠統(tǒng)一的語法結(jié)構(gòu)；2、形式語言定義：形式語言是進(jìn)行形式化工作的元語言它是以數(shù)學(xué)和數(shù)理邏輯為基礎(chǔ)的科學(xué)語言。形式語言的基本特點(diǎn)如下：有一組初始的專門的符號(hào)集有一組精確定義的，由初始的專門的符號(hào)組成的符號(hào)串，轉(zhuǎn)換成另一個(gè)符號(hào)串的規(guī)則。在形式語言中，不允許出現(xiàn)根據(jù)形成規(guī)則無法確定的符號(hào)串。6.1.2機(jī)器語言與匯編語言1、機(jī)器語言機(jī)器語言是直接用二進(jìn)制代碼指令表達(dá)的計(jì)算機(jī)語言，指令是用0和1組成的一串代碼，它們有一定的位數(shù)，并分成若干段，各段的編碼表示不同的含義一條指令就是機(jī)器語言的一個(gè)語句，它是一組有意義的二進(jìn)制代碼指令的基本格式如：操作碼字段地址碼字段操作碼指明了指令的操作性質(zhì)及功能，地址碼則給出了操作數(shù)或操作數(shù)的地址。2、匯編語言為了使程序易讀，用帶符號(hào)或助記符的指令和地址代替二進(jìn)制代碼成為語言進(jìn)化的目標(biāo)。這些使用助記符語言的語言后來就被稱之為匯編語言。例6對(duì)2+6進(jìn)行計(jì)算的算法描述（１）機(jī)器指令對(duì)2+6進(jìn)行計(jì)算的算法描述

10110000000001100000010000000010101000100101000000000000第一條指令表示將6送到寄存器AL中，數(shù)字6放在指令后八位第二條指令表示數(shù)2與寄存器AL中的內(nèi)容相加，結(jié)果仍存在AL中第三條指令表示把AL中的內(nèi)容送到地址為5的單元中。（２）匯編語言對(duì)2+6進(jìn)行計(jì)算的算法描述

MOVAL6ADDAL2MOVVCAL匯編語言的特點(diǎn)：匯編語言語句與特定的機(jī)器指令有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，但是它不同于由二進(jìn)制組成的機(jī)器指令，它還需要經(jīng)匯編程序翻譯為機(jī)器指令后才能運(yùn)行。用匯編語言寫的程序必然依賴于機(jī)器，不同的機(jī)器指令系統(tǒng)不同。匯編語言源程序經(jīng)匯編程序翻譯成機(jī)器指令，再在實(shí)際的機(jī)器中執(zhí)行，這樣就匯編語言的用戶而言，該機(jī)器是可以直接識(shí)別匯編語言的，從而產(chǎn)生了一個(gè)屬于抽象形態(tài)的重要概念，即虛擬機(jī)的概念。6.1.3高級(jí)語言接近于人類的自然語言20世紀(jì)50年代是高級(jí)語言興起的年代，早期的有Fortran、Algol、Cobol、Lisp等高級(jí)語言。最著名的有BASIC、COBOL、Pascal、Ada、C、C++和Java。高級(jí)語言的主要好處（1）高級(jí)語言接近算法語言，易學(xué)、易掌握，一般工程技術(shù)人員只要幾周時(shí)間的培訓(xùn)就可以勝任程序員的工作；（2）高級(jí)語言為程序員提供了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的環(huán)境和工具，使得設(shè)計(jì)出來的程序可讀性好，可維護(hù)性強(qiáng)，可靠性高；（3）高級(jí)語言遠(yuǎn)離機(jī)器語言，與具體的計(jì)算機(jī)硬件關(guān)系不大，因而所寫出來的程序可移植性好，重用率高；（4）由于把繁雜瑣碎的事務(wù)交給了編譯程序去做，所以自動(dòng)化程度高，開發(fā)周期短，且程序員得到解脫，可以集中時(shí)間和精力去從事對(duì)于他們來說更為重要的創(chuàng)造性勞動(dòng)，以提高程序的質(zhì)量。第二節(jié)程序設(shè)計(jì)語言的幾種范型6.2程序設(shè)計(jì)語言的幾種范型程序語言的分類沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這里根據(jù)程序設(shè)計(jì)的方法將程序語言大致分為：命令式程序設(shè)計(jì)語言面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言函數(shù)式程序設(shè)計(jì)語言邏輯型程序設(shè)計(jì)語言等1、命令式程序設(shè)計(jì)語言命令式語言是基于動(dòng)作的語言，它關(guān)注的是如何讓計(jì)算機(jī)去做人們要求它做的事情。在這種語言中，計(jì)算被看成動(dòng)作的序列。程序形式一般為：

statement1;statement2;

…語句的執(zhí)行（如將兩個(gè)變量相加而得到第三個(gè)變量）可被表示為訪問存儲(chǔ)位置，以某種方式組合這些值，并將結(jié)果存到新的位置。1、命令式程序設(shè)計(jì)語言大多數(shù)程序設(shè)計(jì)語言采用這種模型，遵循傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，順序地執(zhí)行指令。主要有FORTRAN，后來的PASCAL、BASIC和C語言，包括近期出現(xiàn)的Java語言,體現(xiàn)了命令式程序設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思想。2、函數(shù)式程序設(shè)計(jì)語言函數(shù)式語言的基本概念來自于LISP語言，1958年為了人工智能應(yīng)用而設(shè)計(jì)的語言。典型的函數(shù)式語言LispHaskell、ML、Scheme其中，Haskell是現(xiàn)在廣泛用于研究的一種函數(shù)語言2、函數(shù)式程序設(shè)計(jì)語言函數(shù)是一種對(duì)應(yīng)規(guī)則（映射），它使定義域中每個(gè)元素和值域中惟一的元素相對(duì)應(yīng)。例如：函數(shù)定義1:square[x]:=x*x

函數(shù)定義2:Plustwo[x]:=Plusone[Plusone[x]]

函數(shù)定義3:fact[n]:=ifn=0then1elsen*fact[n-l]3、邏輯型程序設(shè)計(jì)語言邏輯型語言是一類以形式邏輯為基礎(chǔ)的語言，其代表是建立在關(guān)系理論和一階謂詞理論基礎(chǔ)上的Prolog語言。Prolog程序是一系列事實(shí)、數(shù)據(jù)對(duì)象或事實(shí)間的具體關(guān)系和規(guī)則的集合。通過查詢操作把事實(shí)和規(guī)則輸入數(shù)據(jù)庫。用戶通過輸入查詢來執(zhí)行程序。3、邏輯型程序設(shè)計(jì)語言在Prolog中，關(guān)鍵操作是模式匹配，通過匹配一組變量與一個(gè)預(yù)先定義的模式并將該組變量賦給該模式來完成操作。Prolog程序沒有特定的運(yùn)行順序，其運(yùn)行順序是由計(jì)算機(jī)決定，而不是編程序的人。它更像一種描述型的語言，用特定的方法描述一個(gè)問題，然后由計(jì)算機(jī)自動(dòng)找到這個(gè)問題的答案。3、邏輯型程序設(shè)計(jì)語言Prolog程序和數(shù)據(jù)高度統(tǒng)一。在Prolog程序中，程序和數(shù)據(jù)有相同的形式，也就是說數(shù)據(jù)就是程序，程序就是數(shù)據(jù)。Prolog程序?qū)嶋H上是一個(gè)智能數(shù)據(jù)庫，Prolog的原理是關(guān)系數(shù)據(jù)庫，它是建立在關(guān)系數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上的。實(shí)際上它和數(shù)據(jù)庫SQL語言有很多相似之處。4、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言面向?qū)ο蟪绦蛘Z言主要包含下面幾個(gè)概念。對(duì)象：對(duì)象是人們要進(jìn)行研究的任何事物，它具有狀態(tài)和操作。對(duì)象狀態(tài)的具體表示和操作的具體實(shí)現(xiàn)都被隱藏起來了。類：類是面向?qū)ο笳Z言必須提供的由用戶定義的數(shù)據(jù)類型，它將具有相同狀態(tài)、操作和訪問機(jī)制的多個(gè)對(duì)象抽象成一個(gè)對(duì)象類。類代表一般，而該類的一個(gè)對(duì)象代表具體。繼承：繼承是面向?qū)ο笳Z言的另一個(gè)基本要素。繼承實(shí)現(xiàn)了一般與特殊的關(guān)系，解決了軟件的重用性和擴(kuò)充性問題。C++、Java和Smalltalk是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言的代表。第三節(jié)程序設(shè)計(jì)語言的語法元素和功能劃分6.3程序設(shè)計(jì)語言的語法元素和功能劃分程序設(shè)計(jì)語言的語法元素和功能往往決定了一種語言的編程風(fēng)格。在實(shí)際編程中，程序員都必須遵循由此形成的特定的編程規(guī)范。它適用于命令式程序設(shè)計(jì)語言和大多數(shù)面向?qū)ο笳Z言。

1、語法元素程序設(shè)計(jì)語言的語法元素主要有：字符集表達(dá)式語句標(biāo)識(shí)符關(guān)鍵字和保留字注釋等1、語法元素（1）字符集字符集的選擇是語言設(shè)計(jì)的第一件事。字符集決定了在語言中可以使用的符號(hào)，只有字符集里有的符號(hào)才能在語言中出現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)科學(xué)中有一些標(biāo)準(zhǔn)字符集，如：ASCII碼。

（2）標(biāo)識(shí)符標(biāo)識(shí)符是程序設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員用來命名事物的符號(hào)，通常為字符和數(shù)字組成的串。不同的語言中，對(duì)標(biāo)識(shí)符的命名規(guī)則不同，通常以字母開頭。也可能使用特殊字符，如用下劃線“_”或連接符“-”來改善易讀性和長(zhǎng)度限制。命名規(guī)則通常很簡(jiǎn)單，主要是為了防止出現(xiàn)系統(tǒng)的誤操作。匈牙利命名法。其基本原則是：標(biāo)識(shí)符＝屬性＋類型＋對(duì)象描述其中每一對(duì)象的名稱都要求有明確含義，可以取對(duì)象名字全稱或名字的一部分。匈牙利命名法優(yōu)點(diǎn)非常便于記憶，而且使變量名非常清晰易懂增強(qiáng)了代碼的可讀性，方便各程序員之間相互交流代碼。（3）操作符符號(hào)操作符是用來代表運(yùn)算操作的符號(hào)，每個(gè)操作符表示一種運(yùn)算操作。通常語言中具備賦值操作符、算術(shù)操作符、比較操作符、邏輯操作符、位操作符等幾類。用“+，-，*，/”表示基本的數(shù)學(xué)算術(shù)操作。比較操作符通常包括“大于”、“小于”、“大于等于”和“小于等于”及“不等于”等。邏輯操作符也叫布爾操作符，通常用來表示“與”、“或”、“非”、“異或”等邏輯運(yùn)算。特殊的運(yùn)算，特殊操作符，比如C語言中的“自增”和“自減”操作。（4）保留字∕關(guān)鍵字保留字也叫關(guān)鍵字。指在語言中已經(jīng)定義過的字，使用者不能再將這些字來命名其他事物。例如：BASIC語言規(guī)定不能使用LIST作為變量名或過程名，因?yàn)長(zhǎng)IST是一個(gè)BASIC語言專用于顯示內(nèi)存程序。（4）保留字∕關(guān)鍵字每種程序設(shè)計(jì)語言都規(guī)定了自己的一套保留字。保留字通常是語言自身的一些命令、特殊的符號(hào)等。語言中的保留字大多與含義相同英文單詞類似比如幾乎所有語言中都將“AND”、“OR”、“NOT”、“if”等作為保留字用來表示邏輯運(yùn)算的“與”、“或”、“非”和選擇語句的標(biāo)識(shí)。（5）空白（空格）語言中常使用空白規(guī)則，通常都是作為分隔符，也有的語言中空格有其他用途。（6）界定符（分界符）和括號(hào)用于標(biāo)記語法單位的開始和結(jié)束，例如C語言的一對(duì)大括號(hào)“{}”表示函數(shù)的開始和結(jié)束。括號(hào)“（”和“）”是一對(duì)分界符，通常用于確定運(yùn)算的優(yōu)先級(jí)。（7）表達(dá)式表達(dá)式（expression)是用來表示運(yùn)算的語言描述形式。將同類型的數(shù)據(jù)（如常量、變量、函數(shù)等），用運(yùn)算符號(hào)按一定的規(guī)則連接起來的、有意義的式子稱為表達(dá)式。表達(dá)式可以是常量也可以是變量或算式表達(dá)式又可分為：算術(shù)表達(dá)式、邏輯表達(dá)式和字符串表達(dá)式。（8）語句語句是程序設(shè)計(jì)語言中最主要的語法部件。語句的語法對(duì)語言整體的正則性、易讀性和易寫性有著關(guān)鍵影響。有的語言采用單一語句格式，強(qiáng)調(diào)正則性；而其它語言對(duì)不同語句類型使用不同語法，著重于易讀性。語句結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要的差異是：結(jié)構(gòu)性（或嵌套）語句和簡(jiǎn)單語句。一般簡(jiǎn)單語句能夠在一行中完成，而結(jié)構(gòu)性語句通過使用多行的組合表示。（9）注釋注釋是程序中的重要部分，用來說明程序中某些部分的設(shè)計(jì)。比如變量的作用、某個(gè)程序段的設(shè)計(jì)思想或一些需要注意的事項(xiàng)等。注意一般使用自然語言表述。有經(jīng)驗(yàn)程序員發(fā)現(xiàn)即使是自己寫的程序代碼，在一段時(shí)間后也會(huì)忘記當(dāng)時(shí)的一些設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，如果完全沒有注釋，自己以前編寫的程序讀起來也會(huì)很費(fèi)力。注釋有幾種方式：1、注釋段，即規(guī)定注釋的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，所有行都是注釋的內(nèi)容；2、注釋行，即只有當(dāng)前行是注釋，其后的行仍為一般的程序語句；3、注釋區(qū)，在程序語句行中，通常是附在語句后面。在有些語言中，將注釋作為一種特殊的語句看待。2、功能劃分程序設(shè)計(jì)語言的基本功能成分：數(shù)據(jù)運(yùn)算控制傳輸?shù)?、功能劃分（1）數(shù)據(jù)成分?jǐn)?shù)據(jù)是程序操作的對(duì)象，具有存儲(chǔ)類、類型、名稱、作用域和生存期等屬性，使用時(shí)要為它分配內(nèi)存空間。

常量和變量全局量和局部量數(shù)據(jù)類型（2）運(yùn)算成分程序語言的運(yùn)算成分指明允許使用的運(yùn)算符號(hào)及運(yùn)算規(guī)則。運(yùn)算符號(hào)就是我們前面介紹的操作符。運(yùn)算符號(hào)的使用與數(shù)據(jù)類型密切相關(guān)。為了確保運(yùn)算結(jié)果的惟一性，運(yùn)算符號(hào)要規(guī)定優(yōu)先級(jí)和結(jié)合性，必要時(shí)還要使用括號(hào)。（3）控制成分控制成分指明語言允許表述的控制結(jié)構(gòu)，程序員使用控制成分來構(gòu)造程序中的控制邏輯。理論上已經(jīng)證明，可計(jì)算問題的程序都可以用順序、選擇和重復(fù)這三種控制結(jié)構(gòu)來描述。順序結(jié)構(gòu)選擇結(jié)構(gòu)循環(huán)結(jié)構(gòu)（4）子程序子程序是能被其他程序調(diào)用，在實(shí)現(xiàn)某種功能后能自動(dòng)返回到調(diào)用程序去的程序。其最后一條指令一定是返回指令，故能保證重新返回到調(diào)用它的程序中去。也可調(diào)用其他子程序，在支持遞歸時(shí)可自身調(diào)用。子程序在結(jié)構(gòu)上與一般的程序相似。在調(diào)用子程序時(shí)，需要注意的是參數(shù)的傳遞。

第四節(jié)程序的生成和運(yùn)行6.4程序的生成和運(yùn)行用程序設(shè)計(jì)語言直接編寫的程序?qū)嶋H上主要是為人服務(wù)的，它是人們使用計(jì)算機(jī)的工具，幫助人們工作，提供人與人的交流共享，供人們學(xué)習(xí)、理解，我們稱之為源程序。真正能夠在機(jī)器上運(yùn)行的機(jī)器語言代碼是為機(jī)器服務(wù)的，用于控制計(jì)算機(jī)運(yùn)行，我們稱之為可執(zhí)行程序。從源程序到可執(zhí)行程序之間的轉(zhuǎn)換有編譯和解釋兩類基本方式，近來隨著網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的發(fā)展兩者混合的方式開始流行。

6.4.1編譯和解釋1、編譯編譯是使用編譯器將高級(jí)語言編寫的源程序轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的機(jī)器語言可執(zhí)行程序的過程，也可以理解為用編譯器產(chǎn)生可執(zhí)行程序的動(dòng)作。編譯工作是一個(gè)自動(dòng)化的過程，主要工作由編譯器這個(gè)工具完成。編譯器是一個(gè)或一套專門設(shè)計(jì)的軟件，也稱做編譯程序。編譯器把一個(gè)源程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行程序的編譯工作過程分為五個(gè)階段：詞法分析；語法分析；中間代碼生成；代碼優(yōu)化；目標(biāo)代碼生成。

2、解釋解釋是另一種將高級(jí)語言轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行程序的方式。與編譯不同，解釋性語言的程序不需要編譯，省了道工序，解釋性語言在運(yùn)行程序的時(shí)候才翻譯，解釋性語言每執(zhí)行一次就要翻譯一次，效率比較低。采用編譯模式時(shí)，只需要有可執(zhí)行程序就可以完成用戶的工作，而解釋性語言需要源程序和解釋器同時(shí)工作才能執(zhí)行。解釋方式的優(yōu)點(diǎn)是修改方便。3、混合方式Java即不是完全的編譯方式也不是單純的解釋方式。Java在源程序編寫完成后，首先使用編譯器將源代碼轉(zhuǎn)換成為Java的二進(jìn)制代碼，稱為字節(jié)碼。字節(jié)碼是與具體硬件平臺(tái)無關(guān)的Java標(biāo)準(zhǔn)代碼方式。然后利用Java虛擬機(jī)（JavaVirtualMachine）對(duì)Java二進(jìn)制代碼進(jìn)行解釋執(zhí)行。

4、動(dòng)態(tài)鏈接庫動(dòng)態(tài)鏈接庫（DynamicLinkLibrary，簡(jiǎn)稱DLL）是一種特殊形式的作為共享函數(shù)庫的可執(zhí)行文件。動(dòng)態(tài)鏈接提供了一種方法，使進(jìn)程可以調(diào)用不屬于其可執(zhí)行代碼的函數(shù)。函數(shù)的可執(zhí)行代碼位于一個(gè)DLL中，該DLL包含一個(gè)或多個(gè)已被編譯、鏈接并與使用它們的進(jìn)程分開存儲(chǔ)的函數(shù)。4、動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL還有助于共享數(shù)據(jù)和資源。多個(gè)應(yīng)用程序可同時(shí)訪問內(nèi)存中單個(gè)DLL副本的內(nèi)容。DLL是一個(gè)包含可由多個(gè)程序同時(shí)使用的代碼和數(shù)據(jù)的庫。這有助于促進(jìn)代碼重用和內(nèi)存的有效使用。通過使用DLL，程序可以實(shí)現(xiàn)模塊化，由相對(duì)獨(dú)立的組件組成。例如，一組程序可以按模塊來銷售。。此外，可以更為容易地將更新應(yīng)用于各個(gè)模塊，而不會(huì)影響該程序的其他部分。

6.4.2程序設(shè)計(jì)環(huán)境通常編譯器和解釋器不是孤立存在的，除了這兩個(gè)核心工具以外，程序開發(fā)人員工作時(shí)還需要一系列其他輔助工具，包括編輯器、連接程序、調(diào)試工具等，對(duì)于復(fù)雜的軟件開發(fā)還需要項(xiàng)目管理工具。

1、編輯器（editor）任何程序設(shè)計(jì)語言都需要用編輯器來進(jìn)行文字處理。從形式上看，大多數(shù)程序設(shè)計(jì)語言的源程序都是純文本的。因此可以使用標(biāo)準(zhǔn)的文本處理工具作為編輯器，如Windows系統(tǒng)自帶的“記事本”就是很好的純文本編輯器。但是專門針對(duì)某種程序設(shè)計(jì)語言的編輯器往往功能更加強(qiáng)大，比如可以用不同的顏色區(qū)分程序中的語法成分，如保留字、變量、注釋等，有些編輯器針對(duì)支持的語言提供模板等功能，方便程序員的輸入、修改和排版，使得編輯出的程序格式規(guī)范，便于閱讀。2、連接程序（linker）編譯器和匯編程序都依賴于連接程序，它將分別在不同的目標(biāo)文件中編譯或匯編的代碼收集到一個(gè)可直接執(zhí)行的文件中。在這種情況下，目標(biāo)代碼，即還未被連接的機(jī)器代碼，與可執(zhí)行的機(jī)器代碼之間就有了區(qū)別。連接程序還連接目標(biāo)程序和用于標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的代碼，以及連接目標(biāo)程序和由計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)提供的資源。3、調(diào)試程序（debugger）調(diào)試程序是可在被編譯了的程序中判定執(zhí)行錯(cuò)誤的程序，它經(jīng)常與編譯器一起配合使用。運(yùn)行一個(gè)帶有調(diào)試程序的程序與直接執(zhí)行不同，這是因?yàn)檎{(diào)試程序保存著所有的或大多數(shù)源代碼信息（諸如行數(shù)、變量名和過程）。它還可以在預(yù)先指定的位置，即斷點(diǎn)（breakpoint）暫停執(zhí)行，并提供有關(guān)已調(diào)用的函數(shù)以及變量的當(dāng)前值的信息。任何程序員都不能保證其編寫的程序是完全正確的，調(diào)試工具是非常必要的工具，編寫的源程序，只有經(jīng)過調(diào)試才可能成為比較正確的程序。單步跟蹤和查看運(yùn)行過程中變量的中間狀態(tài)是最有效的調(diào)試手段。

4、項(xiàng)目管理程序（projectmanager）現(xiàn)在的軟件項(xiàng)目通常大到需要由一組程序員來共同完成，這時(shí)對(duì)那些由不同人員操作的文件進(jìn)行整理就非常重要了，而這正是項(xiàng)目管理程序的任務(wù)。