0-2 程序与编程语言介绍

现代计算机运行速度惊人，且日趋迅捷。然而计算机也存在显著局限：它们仅能原生理解有限指令集，必须被精确告知具体操作步骤。

计算机程序computer program是由指令序列组成的，它指导计算机按特定顺序执行特定操作。程序通常使用编程语言programming language编写，这种语言专为编写计算机指令而设计。现存多种编程语言，各自满足不同的需求。编写程序的行为（及艺术）称为编程programming。本章后续课程将具体讲解如何使用C++语言创建程序。

当计算机执行程序指令所描述的操作时，我们称其正在运行running或执行executing该程序。计算机不会在未被指令启动时自行执行程序，通常需要用户启动launch（或运行run、执行execute）程序，但程序也可由其他程序调用启动。

程序在计算机硬件hardware上运行，硬件由构成计算机的物理组件组成。典型计算设备中的主要硬件包括：

  • CPU（中央处理器，常被称为计算机的“大脑”），实际执行指令的部件。
  • 内存，程序执行前加载程序的存储空间。
  • 交互设备（如显示器、触摸屏、键盘或鼠标），用于实现人与计算机的交互。
  • 存储设备（如硬盘、固态硬盘或闪存），可在计算机关闭后持续保存信息（包括已安装程序）。

相对而言，软件software一词泛指系统中为在硬件上运行而设计的程序。

在现代计算中，程序不仅与硬件交互，还与系统中的其他软件（特别是操作系统）进行交互。平台platform一词指代兼容的软硬件组合（操作系统、浏览器等），为软件运行提供环境。例如，“PC”一词在日常使用中指代基于x86架构CPU运行Windows操作系统的平台。

平台通常为运行在其上的程序提供实用服务。例如桌面应用可能请求操作系统分配内存块、创建文件或播放声音。运行中的程序无需了解这些操作的具体实现方式。若程序使用了平台提供的功能或服务，便会形成平台依赖性，未经修改无法在其他平台运行。能够轻松在不同平台间迁移的程序被称为可移植portable程序。为使程序能在不同平台运行而进行的修改行为称为移植porting。

在探讨过程序之后，我们现在来讨论编程语言。这不仅是一堂历史课，还将介绍未来课程中会涉及的术语。

机器语言

计算机的CPU无法理解C++语言。相反，CPU只能处理用机器语言machine language（或机器码machine code）编写的指令。特定CPU能够理解的所有可能机器语言指令的集合称为指令集instruction set。

以下是一个机器语言指令示例：10110000 01100001。

CPU将每条指令理解为执行特定任务的命令，例如“比较这两个数字”或“将此数值复制到该内存位置”。计算机诞生初期，程序员必须直接用机器语言编写程序，这既困难又耗时。

本教程系列不涉及指令的组织与解释机制，但需注意以下几点：

首先，每条指令由1和0的序列构成。单个0或1称为二进制位binary digit（bit）。机器语言指令的位数存在差异——例如某些CPU始终处理32位指令，而另一些CPU（如你可能使用的x86系列）的指令长度可变。

其次，每个兼容的CPU家族（如x86、Arm64）都有专属的机器语言，且不同CPU家族的机器语言互不兼容。这意味着为某CPU家族编写的机器语言程序无法在其他家族的CPU上运行！

相关内容:
“CPU家族”的正式名称为“指令集架构instruction set architecture”（简称ISA）。维基百科在此处列出了不同的CPU家族。

汇编语言

机器语言指令（如10110000 01100001）对CPU而言是理想的，但人类难以理解。由于程序（至少在历史上）是由人类编写和维护的，因此编程语言的设计理应以人类需求为出发点。

汇编语言assembly language（通常简称为汇编assembly）是一种编程语言，本质上是作为更易于人类阅读的机器语言而存在。以下是上述指令在x86汇编语言中的对应形式：mov al, 0x61。

可选阅读:
本指令展示了使汇编语言比机器语言更易读的诸多特性。

  • 操作（指令的功能）通过简短助记符（通常为3-5个字母的名称）标识。mov易于理解为“移动”的助记符，该操作将位从一个位置复制到另一个位置。
  • 寄存器（CPU内部的高速存储单元）通过名称访问。al是x86 CPU中特定寄存器的名称。
  • 数字可采用更便捷的格式表示。汇编语言通常同时支持十进制数（如97）和十六进制数（如0x61）。

很容易理解，汇编指令 mov al, 0x61 将十六进制数 0x61 复制到 CPU 的 al 寄存器中。

由于CPU无法理解汇编语言，汇编程序必须先被翻译成机器语言才能执行。这种翻译工作由称为汇编器assembler的程序完成。由于每条汇编语言指令通常都设计成与对应的机器语言指令相对应，因此翻译过程通常相当直接。

正如每个CPU家族都有专属的机器语言，每个CPU家族也拥有对应的汇编语言（其设计初衷是为该CPU家族编译成机器语言）。这意味着汇编语言种类繁多。尽管概念相似，不同汇编语言支持的指令集、采用的命名规范等均存在差异。

低级语言介绍

机器语言和汇编语言被视为低级语言，因为这些语言对机器架构的抽象程度极低。换言之，编程语言本身是针对其运行环境的特定指令集架构量身定制的。

低级语言low-level languages存在若干显著缺点：

  • 用低级语言编写的程序不具备可移植性。由于低级语言针对特定指令集架构定制，用其编写的程序同样如此。将此类程序移植到其他架构通常非易事。
  • 用低级语言编程需要精通架构细节。例如指令 mov al, 061h 要求开发者知晓 al 指代该特定平台的 CPU 寄存器，并理解如何操作该寄存器。在不同架构中，该寄存器可能名称不同、存在不同限制，甚至根本不存在。
  • 低级程序难以理解。虽然单条汇编指令可能相当直观，但要推断一段汇编代码的实际功能仍很困难。由于汇编程序执行简单任务也需要大量指令，代码往往相当冗长。
  • 由于汇编语言仅提供基础功能，编写复杂程序相当困难。程序员必须自行实现所有所需功能。

低级语言的核心优势在于运行速度快。在性能要求严苛的代码段中，汇编至今仍在使用。此外还有其他特殊场景会采用汇编语言，其中一种情况我们稍后将详细探讨。

高级语言简介

为解决上述诸多缺陷，人们开发了新的“高级”编程语言，如C、C++、Pascal（以及后来的Java、JavaScript和Perl等语言）。

以下是上述指令在C/C++中的实现：a = 97;。

与汇编程序（必须编译为机器语言）类似，用高级语言high-level Languages编写的程序也必须先转换为机器语言才能运行。主要有两种实现方式：编译和解释。

C++程序通常采用编译方式。编译器compiler是一种程序（或程序集合），它读取一种语言（通常是高级语言）的源代码，并将其转换为另一种语言（通常是低级语言）。例如，C++编译器将C++源代码转换为机器代码。

可选阅读：
大多数C++编译器也可配置为生成汇编代码。当程序员希望查看编译器为程序某段代码生成的具体指令时，此功能便显得尤为实用。

编译器输出的机器码可被封装成可执行文件（包含机器语言指令），该文件可分发给他人并由操作系统启动。值得注意的是，运行可执行文件无需安装编译器。

早期编译器较为原始，生成的汇编或机器代码运行缓慢且未经优化。但经过多年发展，编译器已能高效生成快速优化的代码，某些情况下甚至能超越人类编写代码的水平！

以下是编译过程的简化示意图：

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或者，解释器interpreter是一种无需预先编译源代码即可直接执行指令的程序。解释器通常比编译器更灵活，但在运行程序时效率较低，因为每次运行程序都需要进行解释过程。这也意味着解释器必须安装在所有将运行解释型程序的机器上。

以下是解释过程的简化示意图：

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可选阅读:
关于编译器与解释器的优劣对比，可参阅此处。

编译程序的另一优势在于：分发编译程序时无需附带源代码。在非开源环境中，这对知识产权（IP）保护至关重要。

大多数高级语言既可编译也可解释执行。传统上，C、C++和Pascal等高级语言采用编译方式，而Perl和JavaScript等“脚本”语言则多为解释执行。某些语言（如Java）则混合使用两种方式。我们稍后将深入探讨C++编译器。

高级语言的优势

高级语言之所以得名，是因为它们能提供远离底层架构的高抽象度。

以指令 a = 97; 为例。该指令允许我们在内存某处存储数值 97，而无需精确知晓存储位置，也无需了解 CPU 存储该值所需的具体机器码指令。事实上，这条指令完全不涉及平台特异性。编译器会自动完成将此 C++ 指令转换为平台特异性机器码的工作。

高级语言使程序员能够在无需深入了解运行平台的情况下编写程序。这不仅简化了编程过程，更显著提升了程序的可移植性。只要编写得当，我们甚至能编写出能在所有配备C++编译器的平台上运行的单一C++程序！这种为多平台设计的程序被称为跨平台程序cross-platform。

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面向高级读者的说明:

以下是可能影响C++代码可移植性的部分因素：

  • 许多操作系统（如Microsoft Windows）提供平台专属功能，可在代码中调用。这些功能能显著简化特定操作系统的程序开发，或实现比常规方式更深入的系统集成。
  • 许多第三方库仅支持特定平台。若使用此类库，程序将受限于该库支持的平台范围。
  • 部分编译器支持专属扩展功能，这些特性仅在特定编译器中可用。若使用此类功能，程序在未修改的情况下将无法被其他不支持相同扩展的编译器编译。待您安装编译器后，我们将深入探讨这些内容。
  • 在特定情况下，C++语言允许编译器自行决定行为方式。我们在第1.6课“实现定义的行为”章节中将深入探讨未初始化变量与未定义行为。

若仅针对单一平台开发，可移植性或许无关紧要。但如今多数应用为扩大覆盖范围而支持多平台。例如移动应用通常需要同时支持iOS和Android系统。

即使可移植性在初期看似无用，许多最初仅针对单一平台（如PC）开发的应用程序，在取得一定成功并引发市场关注后，最终都选择移植到其他平台（如Mac和各类游戏主机）。若开发之初未考虑可移植性，后期移植应用程序将耗费更多精力。

在本教程中，我们将尽可能避免使用特定平台的代码，确保程序能在任何配备现代C++编译器的平台上运行。

高级语言还具备其他优势：

  • 用高级语言编写的程序更易于阅读、编写和学习，因为其指令更接近我们日常使用的自然语言和数学表达。在多数情况下，高级语言完成相同任务所需指令更少。例如C++中只需一行代码a = b * 2 + 5;，而汇编语言则需4至6条不同指令。这使得高级语言编写的程序更简洁，更易于理解。

  • 高级语言通常具备额外功能，能简化常见编程任务，例如申请内存块或文本处理。例如，只需一条指令即可判断“abc”字符是否存在于大段文本中（若存在，则需检查多少个字符才找到“abc”）。这能显著降低开发复杂度并缩短开发周期。

命名法:
尽管C++在技术上被视为高级语言，但新型编程语言（如脚本语言）提供了更高的抽象层次。因此，相较之下，C++有时会被不准确地称为“低级语言”。

作者注:
如今，C++或许更准确地应被称为中级语言。但这也凸显了C++的核心优势之一：它常能提供在不同抽象层级上工作的能力。你可以选择在较低层级操作以获得更佳性能和精度，或在较高层级操作以获得更大便利和简洁性。

规则、最佳实践与警告

在接下来的教程中，我们将重点阐述以下三大类别的诸多要点：

规则:
规则是语言要求你必须遵守的指令。不遵守规则通常会导致程序无法正常运行。

最佳实践:
最佳实践是指应当遵循的做法，因为这种做法要么是惯例（符合惯用表达），要么是推荐做法。也就是说，要么所有人都这样做（若你另辟蹊径，就会做出出人意料之举），要么它普遍优于其他替代方案。

警告:
警告是指你不应采取的行为，因为这些行为通常会导致意外后果。

posted @ 2026-02-05 05:29  游翔  阅读(1)  评论(0)    收藏  举报