编程与编程语言

编程与编程语言

• 编程与编程语言
  • 1.编程
    • 1.1.什么是编程
    • 1.2.编程的目的是什么
  • 2.编程语言
    • 2.1.什么是编程语言
    • 2.2.编程的语言的发展
      • 2.2.1.机器语言
      • 2.2.2.汇编语言
      • 2.2.3.高级语言
    • 2.3.低级语言与高级语言
      • 2.3.1.低级语言
      • 2.3.2.高级语言
    • 2.4.主流的编程语言
      • 编程语言排名
      • C语言:
      • C++：
      • JAVA:
      • PHP:
      • Ruby:
      • Python:
      • GO:
    • 2.5.编程语言分类
      • 2.5.1.根据翻译方式区分
        • 2.5.1.1.编译型语言
        • 2.5.1.2.解释型语言
        • 2.5.1.3.常见编程语言分类
      • 2.5.2.根据何时检查数据类型区分
        • 2.5.2.1.动态类型语言
        • 2.5.2.2.静态类型语言
      • 2.5.3.根据是否强制定义数据类型区分
        • 2.5.3.1.强类型定义语言
        • 2.5.3.2.弱类型定义语言

1.编程

1.1.什么是编程

• 编程即程序员根据需求把自己的思想流程按照某种编程语言的语法风格编写下来，产出的结果就是包含一堆字符的文件。

1.2.编程的目的是什么

• 计算机的发明，是为了用机器取代/解放人力，而编程的目的则是将人类的思想流程按照某种能够被计算机识别的表达方式传递给计算机，从而达到让计算机能够像人脑/电脑一样自动执行的效果。

2.编程语言

2.1.什么是编程语言

• 上面提到的能够被计算机所识别的表达方式即编程语言，语言是沟通的介质，而编程语言是程序员与计算机沟通的介质。

• 在编程的世界里，计算机更像是人的奴隶，人类编程的目的就命令奴隶去工作。

• 注意：程序在未运行前跟普通文件无异，只有程序在运行时，文件内所写的字符才有特定的语法意义

2.2.编程的语言的发展

• 1.机器语言：站在计算机(奴隶)的角度，说计算机能听懂的语言，那就是直接用二进制编程，直接操作硬件；
• 2.汇编语言：站在计算机(奴隶)的角度，简写的英文标识符取代二进制去编写程序，本质仍然是直接操作硬件；
• 3.高级语言：站在人(奴隶主)的角度，说人话，即用人类的字符去编写程序，屏蔽了硬件操作

2.2.1.机器语言

• 机器语言：优点是最底层，执行速度最快，缺点是最复杂，开发效率最低

由于计算机内部只能接受二进制代码，因此，用二进制代码0和1描述的指令称为机器指令，全部机器指令的集合构成计算机的机器语言，用机器语言编程的程序称为目标程序。只有目标程序才能被计算机直接识别和执行。但是机器语言编写的程序无明显特征，难以记忆，不便阅读和书写，且依赖于具体机种，局限性很大，机器语言属于低级语言。
用机器语言编写程序，编程人员要首先熟记所用计算机的全部指令代码和代码的涵义。手编程序时，程序员得自己处理每条指令和每一数据的存储分配和输入输出，还得记住编程过程中每步所使用的工作单元处在何种状态。这是一件十分繁琐的工作。编写程序花费的时间往往是实际运行时间的几十倍或几百倍。而且，编出的程序全是些0和1的指令代码，直观性差，还容易出错。除了计算机生产厂家的专业人员外，绝大多数的程序员已经不再去学习机器语言了。
机器语言是微处理器理解和使用的，用于控制它的操作二进制代码。
尽管机器语言好像是很复杂的，然而它是有规律的。
存在着多至100000种机器语言的指令。这意味着不能把这些种类全部列出来。
以下是一些示例：
----------------------------------------
指令部份的示例
0000 代表 加载（LOAD）
0001 代表 存储（STORE）
...

暂存器部份的示例
0000 代表暂存器 A
0001 代表暂存器 B
...

存储器部份的示例
000000000000 代表地址为 0 的存储器
000000000001 代表地址为 1 的存储器
000000010000 代表地址为 16 的存储器
100000000000 代表地址为 2^11 的存储器

集成示例
0000,0000,000000010000 代表 LOAD A, 16
0000,0001,000000000001 代表 LOAD B, 1
0001,0001,000000010000 代表 STORE B, 16
0001,0001,000000000001 代表 STORE B, 1[1]
----------------------------------------

2.2.2.汇编语言

• 汇编语言：优点是比较底层，执行速度较快，缺点是复杂，开发效率较低

汇编语言的实质和机器语言是相同的，都是直接对硬件操作，只不过指令采用了英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。它同样需要编程者将每一步具体的操作用命令的形式写出来。汇编程序的每一句指令只能对应实际操作过程中的一个很细微的动作。例如移动、自增，因此汇编源程序一般比较冗长、复杂、容易出错，而且使用汇编语言编程需要有更多的计算机专业知识，但汇编语言的优点也是显而易见的，用汇编语言所能完成的操作不是一般高级语言所能够实现的，而且源程序经汇编生成的可执行文件不仅比较小，而且执行速度很快。
汇编的hello world，打印一句hello world, 需要写十多行，也是醉了。
-------------------------------------------------------------
; hello.asm 
section .data            ; 数据段声明
        msg db "Hello, world!", 0xA     ; 要输出的字符串
        len equ $ - msg                 ; 字串长度
section .text            ; 代码段声明
global _start            ; 指定入口函数
_start:                  ; 在屏幕上显示一个字符串
        mov edx, len     ; 参数三：字符串长度
        mov ecx, msg     ; 参数二：要显示的字符串
        mov ebx, 1       ; 参数一：文件描述符(stdout) 
        mov eax, 4       ; 系统调用号(sys_write) 
        int 0x80         ; 调用内核功能
                         ; 退出程序
        mov ebx, 0       ; 参数一：退出代码
        mov eax, 1       ; 系统调用号(sys_exit) 
        int 0x80         ; 调用内核功能
-------------------------------------------------------------

2.2.3.高级语言

• 3）高级语言

编译型语言执行速度快，不依赖语言环境运行，跨平台差
解释型跨平台好，一份代码，到处使用，缺点是执行速度慢，依赖解释器运行

高级语言是大多数编程者的选择。和汇编语言相比，它不但将许多相关的机器指令合成为单条指令，并且去掉了与具体操作有关但与完成工作无关的细节，例如使用堆栈、寄存器等，这样就大大简化了程序中的指令。同时，由于省略了很多细节，编程者也就不需要有太多的专业知识。
高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，像最简单的编程语言PASCAL语言也属于高级语言。
高级语言所编制的程序不能直接被计算机识别，必须经过转换才能被执行，按转换方式可将它们分为两类：
1）编译类：
编译是指在应用源程序执行之前，就将程序源代码“翻译”成目标代码（机器语言），因此其目标程序可以脱离其语言环境独立执行(编译后生成的可执行文件，是cpu可以理解的2进制的机器码组成的)，使用比较方便、效率较高。但应用程序一旦需要修改，必须先修改源代码，再重新编译生成新的目标文件（* .obj，也就是OBJ文件）才能执行，只有目标文件而没有源代码，修改很不方便。
编译后程序运行时不需要重新翻译，直接使用编译的结果就行了。程序执行效率高，依赖编译器，跨平台性差些。如C、C++、Delphi等

2）解释类：
执行方式类似于我们日常生活中的“同声翻译”，应用程序源代码一边由相应语言的解释器“翻译”成目标代码（机器语言），一边执行，因此效率比较低，而且不能生成可独立执行的可执行文件，应用程序不能脱离其解释器(想运行，必须先装上解释器，就像跟老外说话，必须有翻译在场)，但这种方式比较灵活，可以动态地调整、修改应用程序。如Python、Java、PHP、Ruby等语言。

2.3.低级语言与高级语言

2.3.1.低级语言

• 最初的计算机程序都是用0和1的序列表示的，程序员直接使用的是机器指令，无需翻译，从纸带打孔输入即可执行得到结果。后来为了方便记忆，就将用0、1序列表示的机器指令都用符号助记，这些与机器指令一一对应的助记符就成了汇编指令，从而诞生了汇编语言。无论是机器指令还是汇编指令都是面向机器的，统称为低级语言。因为是针对特定机器的机器指令的助记符，所以汇编语言是无法独立于机器(特定的CPU体系结构)的。但汇编语言也是要经过翻译成机器指令才能执行的，所以也有将运行在一种机器上的汇编语言翻译成运行在另一种机器上的机器指令的方法，那就是交叉汇编技术。

2.3.2.高级语言

• 高级语言：是从人类的逻辑思维角度出发的计算机语言，抽象程度大大提高，需要经过编译成特定机器上的目标代码才能执行，一条高级语言的语句往往需要若干条机器指令来完成。高级语言独立于机器的特性是靠编译器为不同机器生成不同的目标代码(或机器指令)来实现的。那具体的说，要将高级语言编译到什么程度呢，这又跟编译的技术有关了，既可以编译成直接可执行的目标代码，也可以编译成一种中间表示，然后拿到不同的机器和系统上去执行，这种情况通常又需要支撑环境，比如解释器或虚拟机的支持，Java程序编译成bytecode，再由不同平台上的虚拟机执行就是很好的例子。所以，说高级语言不依赖于机器，是指在不同的机器或平台上高级语言的程序本身不变，而通过编译器编译得到的目标代码去适应不同的机器。从这个意义上来说，通过交叉汇编，一些汇编程序也可以获得不同机器之间的可移植性，但这种途径获得的移植性远远不如高级语言来的方便和实用性大。

• 高级语言更贴近人类语言，因而造成了：它必须被翻译成计算机能读懂二进制后，才能被执行，

• CPU不能直接认识并执行我们写的语句,它只能认识机器语言(CPU指令集；二进制的形式)；

• 因此我们开发语言的Virtual Machine要将识别的开发语言转换成机器语言让CPU去执行；

2.4.主流的编程语言

编程语言排名

• 世界上的编程语言有600多种，但真正大家主流在使用的最多二三十种，不同的语言有自己的特点和擅长领域，随着计算机的不断发展，新语言在不断诞生，也同时有很多老旧的语言慢慢无人用了。
• 下面这个是权威的语言排名网站，可以看到主流的编程语言是哪些

https://www.tiobe.com/tiobe-index/

C语言:

C语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出，1978年后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。

C++：

C++是C语言的继承的扩展，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计。C++擅长面向对象程序设计的同时，还可以进行基于过程的程序设计，因而C++就适应的问题规模而论，大小由之。
C++不仅拥有计算机高效运行的实用性特征，同时还致力于提高大规模程序的编程质量与程序设计语言的问题描述能力。

JAVA:

Java是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由Sun Microsystems公司于1995年5月推出的Java程序设计语言和Java平台（即JavaSE, JavaEE, JavaME）的总称。Java 技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性和安全性，广泛应用于个人PC、数据中心、游戏控制台、科学超级计算机、移动电话和互联网，同时拥有全球最大的开发者专业社群。在全球云计算和移动互联网的产业环境下，Java更具备了显著优势和广阔前景。

PHP:

PHP（外文名:PHP: Hypertext Preprocessor，中文名：“超文本预处理器”）是一种通用开源脚本语言。语法吸收了C语言、Java和Perl的特点，利于学习，使用广泛，主要适用于Web开发领域

Ruby:

Ruby 是开源的，在Web 上免费提供，但需要一个许可证。[4]
Ruby 是一种通用的、解释的编程语言。
Ruby 是一种真正的面向对象编程语言。
Ruby 是一种类似于 Python 和 Perl 的服务器端脚本语言。
Ruby 可以用来编写通用网关接口（CGI）脚本。
Ruby 可以被嵌入到超文本标记语言（HTML）。
Ruby 语法简单，这使得新的开发人员能够快速轻松地学习 Ruby

Python:

Python是一门优秀的综合语言， Python的宗旨是简明、优雅、强大，在人工智能、云计算、金融分析、大数据开发、WEB开发、自动化运维、测试等方向应用广泛，已是全球第4大最流行的语言。

GO:

Go 是一个开源的编程语言，它能让构造简单、可靠且高效的软件变得容易。
Go是从2007年末由Robert Griesemer, Rob Pike, Ken Thompson主持开发，后来还加入了Ian Lance Taylor, Russ Cox等人，并最终于2009年11月开源，在2012年早些时候发布了Go 1稳定版本。现在Go的开发已经是完全开放的，并且拥有一个活跃的社区。
由其擅长并发编程

2.5.编程语言分类

1）编译性和解释型
2）静态语言和动态语言
3）强类型定义语言和弱类型定义语言

2.5.1.根据翻译方式区分

2.5.1.1.编译型语言

• 原理：编译器把源程序的每一条语句都编译成机器语言,并保存成二进制文件,这样运行时计算机可以直接以机器语言来运行此程序,速度很快，相当于用谷歌翻译：如C
• 优点1：编译完成后，执行速度快，同等条件下对系统要求较低，可以脱离语言环境独立运行。
• 缺点1：每次修改都需要重新编译打包，调试不便
• 缺点2：编译的时候根据对应的运行环境生成机器码，不同的操作系统之间移植就会有问题，需要根据运行的操作系统环境编译不同的可执行文件。
• 应用场景：开发操作系统，大型应用程序数据库等都采用它，像C/C++，Pascal（Object Pascal（Delphi）），VB等都可视为编译语言

2.5.1.2.解释型语言

• 原理：解释器只在执行程序时,才一条一条的解释成机器语言给计算机来执行,所以运行速度是不如编译后的程序运行的快，相当于同声传译：如python
• 优点1：有良好的平台兼容性，在任何环境中都可以运行，前提是安装了解释器（虚拟机）。
• 优点2：调试方便，修改代码的时候直接修改就可以，可以快速部署，不用停机维护。
• 缺点1：执行速度较慢，每次运行的时候都要解释一遍，性能上不如编译型语言。
• 应用场景：网页脚本，服务器脚本以及辅助开发接口这样对速度要求不高对不同平台之间的兼容性有一定的要求，像Java，JavaScript，VBScript，Perl，python等都可视为解释型语言

2.5.1.3.常见编程语言分类

编译型	解释型	混合型
C	Java Script	Java
C++	Python	C#
GO	Ruby	N/A
Swift	PHP	N/A
Ojbect-C	Perl	N/A

2.5.2.根据何时检查数据类型区分

2.5.2.1.动态类型语言

指在运行期间才去做数据类型检查的语言，在使用动态类型的语言编程时，永远也不需要给变量指定数据类型，该语言会在第一次赋值给变量时，在内部将数据类型记录下来。
Python和Ruby就是一种典型的动态类型语言，其他的各种脚本语言如VBScript也多少属于动态类型语言。

2.5.2.2.静态类型语言

静态类型语言的数据类型是在编译其间检查的，也就是说在写程序时要声明所有变量的数据类型
C/C++是静态类型语言的典型代表，其他的静态类型语言还有C#，JAVA等。

2.5.3.根据是否强制定义数据类型区分

2.5.3.1.强类型定义语言

强制数据类型定义的语言。一旦一个变量被指定了某个数据类型，如果不经过强制转换，那么它就永远是这个数据类型了。强类型定义语言是数据类型安全的语言。
举个例子：如果你定义了一个整型变量a,那么程序根本不可能将a当作字符串类型处理。

2.5.3.2.弱类型定义语言

数据类型可以被忽略的语言。它与强类型定义语言相反, 一个变量可以赋不同数据类型的值。

• 注意：

强类型定义语言在速度上可能略逊色于弱类型定义语言，但是强类型定义语言带来的严谨性能够有效的避免许多错误。
另外，“这门语言是不是动态语言”与“这门语言是否类型安全”之间是完全没有联系的！

例如：
Python是动态语言，是强类型定义语言（类型安全的语言）; 
VBScript是动态语言，是弱类型定义语言（类型不安全的语言）;
JAVA是静态语言，是强类型定义语言（类型安全的语言）。

• 总结：python是一门动态解释性的强类型定义语言。