1.1.3　程序設(shè)計(jì)語言

人和人之間的交流需要通過語言。中國人之間用漢語，美國人之間用英語，法國人之間用法語。那么人和計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行交流，也需要采用特定的語言，這就是計(jì)算機(jī)語言，即程序設(shè)計(jì)語言。程序設(shè)計(jì)語言大概經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：

第一代：機(jī)器語言

計(jì)算機(jī)內(nèi)部所有數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制數(shù)表示，也就是說計(jì)算機(jī)只能識(shí)別和接受由0和1組成的指令。因此，最早、最底層的程序設(shè)計(jì)語言，是以二進(jìn)制編碼形式存在的機(jī)器基本指令集為基礎(chǔ)的語言，稱為機(jī)器語言，也就是第一代程序設(shè)計(jì)語言。在語言的規(guī)則中規(guī)定各種指令的二進(jìn)制表示形式以及作用。由于用機(jī)器語言編寫的程序直接針對計(jì)算機(jī)硬件，因此，它的執(zhí)行效率比較高，能充分體現(xiàn)出計(jì)算機(jī)快速運(yùn)行的特點(diǎn)，這是機(jī)器語言最大的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，機(jī)器語言也存在著明顯的缺點(diǎn)，因?yàn)闄C(jī)器語言是由二進(jìn)制代碼組成的，與人們習(xí)慣使用的語言有較大的差別，導(dǎo)致機(jī)器語言難學(xué)、難寫、難記、難檢查、難理解、難修改、難以推廣使用，所以初期只有極少數(shù)計(jì)算機(jī)專業(yè)人員會(huì)編寫計(jì)算機(jī)程序。此外，機(jī)器語言強(qiáng)烈依賴于計(jì)算機(jī)硬件的指令系統(tǒng)，而每臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)往往各不相同，在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可以執(zhí)行的程序，要想到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上執(zhí)行，往往要重新編寫程序，所以機(jī)器語言的可移植性差。

第二代：匯編語言

為了克服機(jī)器語言難學(xué)、難寫、難記的缺點(diǎn)，人們使用一些英文字母和數(shù)字表示一個(gè)指令，例如用“ADD”表示“加”，“SUB”表示“減”，“MOV”表示“數(shù)據(jù)傳送”等。于是指令MOV A，B就表示將B寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到A寄存器中。

雖然匯編語言比機(jī)器語言簡單好記一些，但仍然難以普及。

機(jī)器語言和匯編語言完全依賴于具體的機(jī)器特性，是面向機(jī)器的語言。由于它“貼近”計(jì)算機(jī)，或者說離計(jì)算機(jī)“很近”，因此又稱為計(jì)算機(jī)低級語言。

第三代：高級語言

為了克服低級語言的缺點(diǎn)，20世紀(jì)50年代產(chǎn)生了第一個(gè)計(jì)算機(jī)高級語言——FORTRAN語言。它很接近自然語言和數(shù)學(xué)語言。程序中用到的語句和指令是用英文單詞表示的，程序中所用的運(yùn)算符和運(yùn)算表達(dá)式與人們?nèi)粘Ｋ玫臄?shù)學(xué)式子差不多，很容易理解。

這種語言功能性很強(qiáng)，且不依賴于具體機(jī)器，用它寫出的程序?qū)θ魏涡吞柕挠?jì)算機(jī)都適用（或只需要作些小修改），它與具體機(jī)器距離較遠(yuǎn)，因此稱為計(jì)算機(jī)高級語言。

用高級語言編寫的程序一般稱為源程序。計(jì)算機(jī)不能直接運(yùn)行一個(gè)源程序，必須通過一種“翻譯程序”將源程序翻譯成計(jì)算機(jī)能識(shí)別和執(zhí)行的機(jī)器語言形式的目標(biāo)代碼。這種“翻譯”通常有兩種方式：編譯方式和解釋方式。

（1）編譯方式是將高級語言源程序整個(gè)編譯成目標(biāo)程序，然后通過鏈接程序?qū)⒛繕?biāo)程序鏈接成可執(zhí)行程序的方式。編譯過程經(jīng)過詞法分析、語法分析、中間代碼生成、代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成等6個(gè)環(huán)節(jié)，才能生成對應(yīng)的目標(biāo)代碼程序，目標(biāo)程序還不能直接執(zhí)行，還需要經(jīng)過鏈接和定位生成可執(zhí)行程序后才能執(zhí)行。目標(biāo)代碼可以脫離其語言環(huán)境，使用比較方便，效率較高。但應(yīng)用程序一旦需要修改，必須先修改源程序代碼，再重新編譯生成新的目標(biāo)代碼。

（2）解釋方式是將源程序逐句翻譯、逐句執(zhí)行的方式，解釋過程不產(chǎn)生目標(biāo)代碼，基本上是翻譯一行執(zhí)行一行，邊翻譯邊執(zhí)行。如果在解釋過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤就給出錯(cuò)誤信息，并停止解釋和執(zhí)行，如果沒有錯(cuò)誤就解釋執(zhí)行到最后的語句。解釋方式效率較低，不能生成可獨(dú)立執(zhí)行的文件，應(yīng)用程序不能脫離其解釋器，但這種方式比較靈活，可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整、修改源程序。

高級語言經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段：

（1）非結(jié)構(gòu)化語言。早期的高級語言多屬于非結(jié)構(gòu)化語言，編程風(fēng)格比較隨意，只要符合語法規(guī)則即可，沒有嚴(yán)格的規(guī)范要求，程序的流程可以隨意跳轉(zhuǎn)。早期的BASIC、FORTRAN和ALGOL等都屬于非結(jié)構(gòu)化語言。

（2）結(jié)構(gòu)化語言。為了解決非結(jié)構(gòu)化語言難以閱讀和維護(hù)的問題，產(chǎn)生了“結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法”，規(guī)定程序必須由順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成，程序中的流程不允許隨意跳轉(zhuǎn)，程序總是由上而下順序執(zhí)行各個(gè)基本結(jié)構(gòu)。QBASIC、FORTRAN77和C語言等都屬于結(jié)構(gòu)化語言，這些語言的特點(diǎn)是支持結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法。

以上兩種語言都是面向過程的，在編寫程序時(shí)需要具體指定每個(gè)過程的細(xì)節(jié)，程序設(shè)計(jì)時(shí)以函數(shù)或子程序?yàn)橹行模煤瘮?shù)或子程序來作為劃分程序的基本單位，程序的執(zhí)行是對一系列函數(shù)或子程序的調(diào)用。

（3）面向?qū)ο蟮恼Z言。由于面向過程的語言在處理規(guī)模較大的程序時(shí)，捉襟見肘，力不從心，20世紀(jì)80年代初，產(chǎn)生了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)為中心，類作為表現(xiàn)數(shù)據(jù)的工具成為劃分程序的基本單位，而函數(shù)成為了類的接口。面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)可以更直接地描述客觀世界存在的事物及事物之間的相互關(guān)系。C++就是一款典型的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言。

第四代：面向問題語言

第四代程序設(shè)計(jì)語言的提出主要是為了成數(shù)量級地提高軟件生產(chǎn)率，縮短軟件開發(fā)周期，它通常具有“面向問題”“非過程化”等特點(diǎn)。以數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的查詢語言SQL就是一種典型的第四代計(jì)算機(jī)語言。