编译原理实验一
一、实验目的
了解程序设计语言的发展历史，了解不同程序设计语言的各自特点；感受编译执行和解释执行两种不同的执行方式，初步体验语言对编译器设计的影响，为后续编译程序的设计和开发奠定良好的基础。
二、实验内容
给定一个特定的功能，分别使用 C/C++、Java、Python、Haskell 和一种汇编语言MASM32实现该功能，对采用这几种语言实现的编程效率，程序的规模，程序的运行效率进行对比分析。分别使用上述几种语言实现一个简单的矩阵乘法程序，输入两个矩阵，输出一个矩阵，并分析相应的执行效果。
MASM32是一种基于x86架构的汇编语言，它是微软公司开发的一种汇编语言。MASM32提供了完整的汇编工具集，包括汇编器、链接器和调试器等，可以用来开发Windows平台下的应用程序。MASM32支持32位和64位汇编，以及各种基本的汇编指令和高级编程技术，是Windows平台下常用的汇编语言之一。
三、实现的具体过程和步骤
- C语言
参考以下帖子配置环境
https://blog.csdn.net/ren648154292/article/details/111151724
编写C语言代码
- Java
参考以下帖子配置环境
https://blog.csdn.net/m0_37220730/article/details/103585266
安装Eclipse，编写JAVA代码
- Python
安装python
1.打开下载好的exe文件，进入python安装界面。
2.勾选Add Python 3.6 to PATH，然后点击Customize installation(自定义安装)
3.选择默认选项，然后点击Next，进行下一步
4.选项默认即可，这里安装路径要改一下，默认的安装路径太深，所以最好把安装路径安置到比较好找的位置。然后点击Install（安装）。
5.安装中
6.安装完成，点击Close关闭
安装并配置Pycharm
创建一个项目后
- Haskell
参考以下网站配置Haskell
https://www.haskell.org/ghcup/
https://blog.csdn.net/Nanzhan_17/article/details/123348982
https://blog.csdn.net/ashtyukjhf/article/details/123862244
编写Haskell程序
编译Haskell程序
D:\WorkSpace>stack exec -- ghc --version
The 'package-indices' key is deprecated in favour of 'package-index'.
The Glorious Glasgow Haskell Compilation System, version 9.2.5
D:\WorkSpace>stack exec -- ghci
The 'package-indices' key is deprecated in favour of 'package-index'.
GHCi, version 9.2.5: https://www.haskell.org/ghc/ :? for help
ghci> :quit
Leaving GHCi.
D:\WorkSpace>stack exec -- where.exe ghc
The 'package-indices' key is deprecated in favour of 'package-index'.
C:\Users\LateSpring\AppData\Local\Programs\stack\x86_64-windows\ghc-9.2.5\bin\ghc.exe
- MASM32
参考以下网站配置环境
https://www.cnblogs.com/onetrainee/p/12093802.html
编写MASM32程序
Link OBJ File以及Assemble & Link
四、运行效果截图
4.1 C/C++
4.2 JAVA
4.3 Python
4.4 Haskell
4.5 MASM32
五、语言易用性和程序规模对比分析
5.1 语言易用性分析
C语言、Java、Python、Haskell和MASM32都是不同类型的编程语言，每种语言都有自己的特点和应用场景。以下是对它们的语言易用性的比较：
- C语言
C语言是一种高级编程语言，其语法规则相对简单，易于学习和理解。C语言的语言构造和基本数据类型较为直接，适合编写系统程序、嵌入式程序和高性能计算等领域的应用。相对于其他编程语言，C语言的执行效率较高，但需要程序员自己负责内存管理和指针操作等细节问题，因此使用C语言开发程序需要具备一定的编程基础和经验。
- Java
Java是一种面向对象的编程语言，具有良好的跨平台性和易用性。Java的语法规则和数据类型相对简单，提供了丰富的类库和API，可以帮助程序员快速开发应用程序。Java的内存管理和异常处理机制较为完善，避免了程序员手动处理这些问题的繁琐过程。因此，Java适合开发Web应用、移动应用、企业级应用等领域的应用。
- Python
Python是一种高级编程语言，具有简洁明了的语法规则和易于理解的数据类型。Python提供了丰富的标准库和第三方库，可以轻松实现各种功能。Python还具有动态类型和自动内存管理的特点，使得程序员可以更专注于代码的逻辑实现而不必过多关注底层细节。Python适合开发数据处理、人工智能、科学计算等领域的应用。
- Haskell
Haskell是一种函数式编程语言，具有函数式编程语言的特点和优势。Haskell的语法规则和数据类型相对严格，需要程序员熟悉函数式编程的思想和范式。Haskell具有强大的类型系统和模式匹配机制，可以帮助程序员在编写程序时尽早发现错误。Haskell适合开发高可靠性和高并发性的应用，例如金融系统、并行计算等。
- MASM32
MASM32是一种汇编语言，需要程序员具备一定的底层硬件知识和编程经验。MASM32的语法规则和数据类型相对简单，但需要程序员自己负责内存管理和指针操作等底层细节。MASM32适合开发操作系统、驱动程序等底层领域的应用，以及需要高性能和精细控制的嵌入式系统应用。
总的来说，每种编程语言都有其自身的优缺点和应用场景。在选择编程语言时，需要根据具体的需求和开发目标进行综合考虑。如果是初学者，建议从易用性和学习难度较低的语言开始学习，例如Python和Java。如果是开发底层系统和高性能应用，可以选择C语言和汇编语言。如果需要高并发性和高可靠性的应用，可以考虑使用函数式编程语言，例如Haskell。
5.2 程序规模对比分析
为除去空行和注释行后的规模
| C/C++ | 37 |
|---|---|
| JAVA | 44 |
| Python | 15 |
| Haskell | 16 |
| MASM32 | 87 |
可以看到Python和Haskell的程序规模特别小，但是Python简洁易学，而Haskell则不那么容易上手。MASM32作为汇编语言，自然规模较大。JAVA的规模也比较大，但是这是因为JAVA有很多底层细节需要考虑，所以编程要求严谨。
六、程序运行性能对比分析
6.1 计算机环境以及配置
6.2 各语言程序运行性能对比分析
- C/C++
在VSCode里输出
2.779000 s, 2.185000 s, 2.158000 s, 3.435000 s, 2.764000 s, 1.931000 s, 1.852000 s, 2.067000 s, 1.524000 s, 1.875000 s
平均时间为2.3871 s
在cmd里输出
3.064000 s, 3.247000 s, 3.264000 s, 3.376000 s, 3.141000 s, 3.547000 s, 3.141000 s, 3.139000 s, 3.157000 s, 3.092000 s
平均时间为3.2085 s
VSCode输出是基于Powershell的，因此虽然比cmd快一点，但还是比较慢。
- JAVA
在Eclipse输出
0.683 s, 0.97 s, 0.891 s, 0.676 s, 0.921 s, 0.802 s, 0.258 s, 0.199 s, 0.647 s, 0.234 s
平均时间为0.6661 s
在cmd里运行
java jisuanjuzheng.MatrixMultiplication
运行.class文件
2.028 s, 2.044 s, 2.07 s, 2.167 s, 2.046 s, 2.098 s, 2.081 s, 2.073 s, 2.124 s, 2.296 s
平均时间为2.101 s
通常情况下，在命令行中输出的速度会比在Eclipse或其他IDE中慢。这是因为IDE会将输出缓存起来，然后在一次性输出到控制台，而在命令行中则会逐行输出，因此速度相对较慢。
- Python
0.9261667728424072 s, 0.8912858963012695 s, 0.8647069931030273 s, 0.809290885925293 s, 0.8172318935394287 s, 0.7363324165344238 s, 0.8806416988372803 s, 0.8605878353118896 s, 0.8349320888519287 s, 0.7833993434906006 s
平均时间为0.8437 s
- Haskell
在VSCode里运行
0.359375 s, 0.296875 s, 0.3125 s, 0.390625 s, 0.359375 s, 0.28125 s, 0.28125 s, 0.328125 s, 0.296875 s, 0.34375 s
平均时间为0.32500 s
在cmd里运行
0.203125 s, 0.234375 s, 0.1875 s, 0.265625 s, 0.234375 s, 0.21875 s, 0.203125 s, 0.265625 s, 0.28125 s, 0.21875 s
平均时间为2.34375 s
- MASM32
在cmd里运行
2.781 s, 2.843 s, 2.859 s, 2.875 s, 2.875 s, 2.969 s, 2.813 s, 3.016 s, 3.094 s, 2.829 s
平均时间为2.8885 s
6.3 总结
在cmd里运行程序的话，都超过了2秒，这是cmd的输出机制（按行输出）造成的。
而在IDE里运行的话，Haskell速度比JAVA快，JAVA比Python快。其他语言的速度差异则不明显。
Haskell程序运行速度为什么比Java快主要有以下几个原因：
函数式编程范式：Haskell采用函数式编程范式，这意味着它更加关注函数的输入输出，而不是过程的细节。这使得Haskell程序具有更高的抽象程度，可以更好地利用现代CPU的内存层次结构，从而获得更高的执行效率。
惰性求值：Haskell采用惰性求值的策略，即只有在需要的时候才会进行计算。这种策略可以避免不必要的计算，从而节省时间和空间。
并发处理：Haskell具有强大的并发处理能力，可以更好地利用多核处理器的优势，从而在多线程和分布式计算方面具有很高的性能表现。
需要注意的是，Haskell与Java是两种不同类型的编程语言，每种语言的使用场景和优缺点也不同。对于特定的问题，Java也可能具有更好的性能表现。Java程序运行速度比Python快的原因主要有以下几点：
编译型语言 vs 解释型语言：Java是一种编译型语言，而Python是一种解释型语言。Java代码需要先被编译成字节码，然后再由Java虚拟机解释执行；而Python代码则在解释器中逐行解释执行。因此，在程序运行时，Java会比Python更快一些。
静态类型语言 vs 动态类型语言：Java是一种静态类型语言，而Python是一种动态类型语言。在编译时，Java编译器可以进行更多的类型检查和优化，从而提高程序的执行效率。而在Python中，由于变量的类型不需要在编写代码时显式声明，因此需要在运行时进行类型推断，这会影响程序的执行速度。
多线程机制：Java提供了强大的多线程机制，可以很容易地实现多线程编程。而Python的线程机制由于全局解释器锁（GIL）的存在，同一时间只能有一个线程在解释器中运行，这对于计算密集型的任务来说，会对程序的执行效率产生一定的影响。
优化算法和虚拟机：Java虚拟机提供了很多优化算法，如垃圾回收、即时编译、内联缓存等，这些算法能够提高程序的执行效率。而Python的解释器没有这些优化算法，所以在程序执行效率上会劣于Java。
需要注意的是，Java和Python都有各自的优点和适用场景。对于某些任务来说，Python的开发效率和易用性可能更优秀，而对于其他任务，Java则可能表现更出色。
但如果不计输出结果矩阵的时间的话C语言和汇编语言应该是最快的。C语言最快，达到了11ms的速度，汇编语言次之，达到了15ms的速度。这是让我比较意外的。
一般情况下，汇编语言的程序运行速度应该比C语言的程序运行速度快，因为汇编语言是底层语言，直接操作计算机的硬件资源，避免了一些高级语言所需要的额外操作和资源调度，能够更加高效地利用计算机的资源。
但是，实际上有些情况下，汇编语言的程序运行速度可能比C语言的程序运行速度慢，这主要是因为汇编语言的程序开发相对复杂，需要手动进行优化，且可能会出现一些不易发现的错误，从而导致程序的性能不如预期。而C语言编译器具有优化能力，可以自动将代码优化为更高效的机器代码，因此在某些情况下，C语言的程序可能会比手写的汇编语言程序运行更快。
综上所述，对于程序的性能来说，编写汇编语言程序可能会比编写C语言程序更具挑战性，需要掌握更深入的计算机原理和硬件操作，并且需要进行更为细致的优化和调试工作。而选择C语言作为编程语言可以获得更高的开发效率和更好的程序性能。
C语言和汇编语言是编译型语言，相对而言可以实现较高的程序运行速度，但编写和调试的难度较大，需要掌握底层的计算机原理和硬件操作。JAVA、Python和Haskell是解释型语言，程序运行速度相对较慢，但编写和调试的难度较低，适合快速开发和迭代。
七、实验心得体会
这次实验，C/C++、JAVA、Python还是比较好配置的，因为以前经常使用。然而，Haskell和MASM32是以前从未接触过的。这就给我的实验造成了一些困难。为了实验的严谨性，同时为了我电脑主机环境的稳定性（就是不想占C盘），我反复斟酌后决定在虚拟机上进行配置。这就意味着我将C/C++、JAVA、Python以及从未接触过的Haskell和MASM32全都在虚拟机配置了一遍（甚至Haskell配置了很多遍）。
而汇编语言的选择也是一个漫长的过程，我询问了很多同学以及在网上寻找相关资料，认为最重要的因素是在windows系统上易于配置和便于测量程序运行的时间。最终才选择了MASM32。期间也考虑了MIPS等汇编语言。感谢我的朋友们在Haskell和汇编语言上带给我的帮助。
不管怎么说，这次的实验收获还是很多。我学习了一些Haskell和汇编语言相关的知识，其中C语言运行还是比汇编快让我大为震撼，在此佩服为C语言编译器优化作出贡献的前辈！我在编写Haskell代码时也感受到了Haskell的思维的新颖。除此之外，我还感受到了编译执行与解释执行在代码规模和运行速度上的不同，熟悉了这些语言的环境配置。
