第二章：程序语言设计基础知识

程序语言设计基础知识

考点分析（上午题：占比8%，6分）

文法、有限自动机、正规式、语句的作用、语句的语义、程序的控制、函数调用的参数传递、各种程序语言的特点比较

程序设计语言概述

程序设计语言的基本概念

用符号表示的指令称为汇编指令，汇编指令的集合被称为汇编语言。汇编语言与机器语言十分接近，其书写格式在很大程度上取决于特定计算机的机器指令，因此它仍然是一种面向机器的语言，人们称机器语言和汇编语言为低级语言。在此基础上，人们开发了功能更强、抽象级别更高的语言以支持程序设计，于是就产生了面向各类应用的程序设计语言，称为高级语言。常见的有Java、C、C++、PHP、Python、Delphi、PASCAL等。

编程语言之间的翻译形式

汇编：用某种高级语言或汇编语言编写的程序称为源程序，源程序不能直接在计算机上执行。如果源程序是用汇编语言编写的，则需要一个汇编程序将其翻译成目标程序后才能执行。如果源程序是用某种高级语言编写的，则需要对应的解释程序或编译程序对其进行翻译，然后在机器上运行。

解释：解释程序也称为解释器，它或者直接解释执行源程序，或者将源程序翻译成某种中间代码后再加以执行。

编译：编译程序（编译器）则是将源程序翻译成目标语言程序，然后在计算机上运行目标程序。

解释和编译的根本区别是：在编译方式下，机器上运行的是与源程序等价的目标程序，源程序和编译程序都不再参与目标程序的执行过程；而在解释方式下，解释程序和源程序（或其某种等价表示）要参与到程序的运行过程中，运行程序的控制权在解释程序。简单来说，在解释方式下，翻译源程序时不生成独立的目标程序，而编译器则将源程序翻译成独立保存的目标程序。如：Java编译成class文件执行，Python则解释执行。

程序设计语言的定义

语法：是指由程序设计语言的基本符号组成程序中的各个语法成分（包括程序）的一组规则，其中由基本字符构成的符号（单词）书写规则称为词法规则，由符号构成语法成分的规则称为语法规则。程序设计语言的语法可用形式语言进行描述。

语义：是程序设计语言中按语法规则构成的各个语法成分的含义，可分为静态语义和动态语义。静态语义指编译时可以确定的语法成分的含义，而运行时刻才能确定的含义是动态语义。一个程序的执行效果说明了该程序的语义，它取决于构成程序的各个组成部分的语义。

语用：表示了构成语言的各个记号和使用者的关系，涉及符号的来源、使用和影响。

语境：是指理解和实现程序设计语言的环境，包括编译环境和运行环境。

程序设计语言的分类

命令式程序设计语言：FORTRAN、PASCAL、C 语言。
面向对象的程序设计语言：C++、JAVA、smaltalk。
函数式程序设计语言：LISP。
逻辑型程序设计语言：PROLOG。

程序设计语言的基本成分

数据：数据是程序操作的对象，具有存储类别、类型、名称、作用域和生存期等属性，在使用时要为它分配内存空间。数据名称由用户通过标识符命名，标识符是由字母、数字和下划线组成的标记；类型说明数据占用内存的大小和存放形式；存储类别说明数据在内存中的位置和生存期；作用域则说明可以使用数据的代码范围；生存期说明数据占用内存的时间特点。从不同角度可将数据进行不同的划分。

运算：程序设计语言的运算成分指明允许使用的运算符号及运算规则。大多数高级程序设计语言的基本运算可以分成算术运算、关系运算和逻辑运算等，有些语言（如C、C++)还提供位运算。运算符号的使用与数据类型密切相关。为了明确运算结果，运算符号要规定优先级和结合性，必要时还要使用圆括号。

控制：顺序结构、选择结构、循环结构。

传输：程序设计语言的传输成分指明语言允许的数据传输方式，如赋值处理、数据的输入和输出等。

语言处理程序基础

汇编程序基本原理

汇编语言源程序

汇编语言源程序由若干条语句组成，其中可以有三类语句：指令语句、伪指令语句和宏指令语句。 

指令语句：指令语句又称为机器指令语句，将其汇编后能产生相应的机器代码，这些代码能被CPU直接识别并执行相应的操作。基本的指令有ADD、SUB和AND等，书写指令语句时必须遵循指令的格式要求。指令语句可分为传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、转移指令和处理机控制指令等类型。

伪指令语句：伪指令语句指示汇编程序在汇编源程序时完成某些工作，例如为变量分配存储单元地址，给某个符号赋一个值等。伪指令语句与指令语句的区别是：伪指令语句经汇编后不产生机器代码，而指令语句经汇编后要产生相应的机器代码。另外，伪指令语句所指示的操作是在源程序被汇编时完成的，而指令语句的操作必须在程序运行时完成。

宏指令语句：在汇编语言中，还允许用户将多次重复使用的程序段定义为宏。宏的定义必须按照相应的规定进行，每个宏都有相应的宏名。在程序的任意位置，若需要使用这段程序，只要在相应的位置使用宏名，即相当于使用了这段程序。因此，宏指令语句就是宏的引用。

汇编程序

汇编程序的功能是将用汇编语言编写的源程序翻译成机器指令程序。汇编程序的基本工作包括将每一条可执行汇编语句转换成对应的机器指令；处理源程序中出现的伪指令。由于汇编指令中形成操作数地址的部分可能出现后面才会定义的符号，所以汇编程序一般需要两次扫描源程序才能完成翻译过程。

编译程序基本原理

编译过程

编译解析

编译程序的功能是把某高级语言书写的源程序翻译成与之等价的目标程序（汇编语言或机器语言）。编译程序的工作过程可以分为6个阶段。
1）词法分析
词法分析阶段是编译过程的第一个阶段，这个阶段的任务是对源程序从前到后（从左到右）逐个字符地扫描，从中识别出一个个“单词”符号。“单词”符号是程序设计语言的基本语法单位，如关键字（或称保留字）、标识符、常数、运算符和分隔符（如标点符号、左右符号）等。词法分析程序输出的“单词”常以二元组的方式输出，即单词种别和单词自身的值。
2）语法分析
语法分析的任务是在词法分析的基础上，根据语言的语法规则将单词符号序列分解成各类语法单位，如“表达式”、“语句”和“程序”等。词法分析和语法分析在本质上都是对源程序的结构进行分析。
3）语义分析
语义分析阶段分析各语法结构的含义，检查源程序是否包含静态语义错误，并收集类型信息供后面的代码生成阶段使用。只有语法和语义分析都正确的源程序才能翻译成正确的目标代码。
4）中间代码生成
中间代码生成阶段的工作是根据语义分析的输出生成中间代码。“中间代码”是一种简单且含义明确的记号系统，可以有若干种形式，它们的共同特征是与具体的机器无关。最常用的一种中间代码是与汇编语言的指令非常相似的三地址码。
5）代码优化
由于编译器将源程序翻译成中间代码的工作是机械的、按固定模式进行的，因此，生成的中间代码往往在时间上和空间上有较大的浪费。当需要生成高效的目标代码时，必须进行优化。优化过程可以在中间代码生成阶段进行，也可以在目标代码生成阶段进行。
6）目标代码生成
目标代码生成阶段是编译器工作的最后一个阶段。这一阶段的任务是把中间代码变换成特定机器上的绝对指令代码、可重定位的指令代码或汇编指令代码。这个阶段的工作与具体的机器密切相关。

解释程序基本原理

解释程序是另一种语言处理程序，在词法、语法和语义分析方面与编译程序的工作原理基本相同，但是在运行用户程序时，它直接执行源程序或源程序的中间表示形式。因此，解释程序不产生源程序的目标程序，这是它和编译程序的主要区别。

解释程序通常可以分成两部分：第一部分是分析部分，包括通常的词法分析、语法分析和语义分析程序，经语义分析后把源程序翻译成中间代码，中间代码常釆用逆波兰表示形式。第二部分是解释部分，用来对第一部分产生的中间代码进行解释执行。

高级语言编译与解释方式的比较

1）编译比解释方式可能取得更高的效率。
2）由于解释程序需要反复检查源程序，这也使得解释方式能够比编译方式更灵活。
3）可移植性。解释器一般也是用某种程序设计语言编写的，因此只要对解释器进行重新编译，就可以使解释器运行在不同的环境中。