匯編語(yǔ)言演示

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，我們需要計(jì)算：

(1 + 4) * 2 + 3

我們按照 「后綴表示法」 進(jìn)行一下轉(zhuǎn)換：

1，4，+，2，*，3，+

我們平常使用的方法是 「中綴表示法」，也就是把計(jì)算符號(hào)放中間，例如 1 + 3，后綴則是把符號(hào)放最后，例如 1, 3, +。

這樣做的好處是沒(méi)有先乘除后加減的影響，也沒(méi)有括號(hào)，直接運(yùn)算就行了。（例如 1, 3, +，先把 1 和 3 保存起來(lái)碰到 + 知道是加法則直接相加）

OK，我們從頭開(kāi)始使用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫一下程序，首先第一步：把 1 保存起來(lái)（放入寄存器）：

MOV  1

之后是 4, +，那就直接加一下：

ADD 4

然后是 2, *，那就直接乘一下（SHL 是向左移動(dòng)一位的意思，二進(jìn)制中左移一個(gè)單位就相當(dāng)于乘以 2，例如 01 表示 1，而 10 則表示 2）：

SHL 0

最后是 3, +，再加一下：

ADD 3

完整程序如下：

MOV  1
ADD  4
SHL  0
ADD  3

這似乎看起來(lái)比 00001111 這樣的二進(jìn)制要好上太多了！程序員們感動(dòng)到落淚：

Part 3. 高級(jí)編程語(yǔ)言

擺脫了 二進(jìn)制，我們有了更可讀的 匯編語(yǔ)言，但仍然十分繁瑣和復(fù)雜，每一條匯編指令代表一個(gè)基本操作，例如：「從內(nèi)存 x 位置獲取一個(gè)數(shù)字并放入寄存器 A」、「將寄存器 A 中的數(shù)字添加到寄存器 B 的數(shù)字上」。這樣的編程風(fēng)格既費(fèi)時(shí)又容易出錯(cuò)，并且一旦出錯(cuò)還很難發(fā)現(xiàn)。

例如，我們來(lái)看一看 「1969 年阿波羅 11號(hào)登月計(jì)劃」 用來(lái) 防止登月艙計(jì)算機(jī)耗盡自身資源 的 BAILOUT 代碼：

POODOO    INHINT
    CA  Q
    TS  ALMCADR
 
    TC  BANKCALL
    CADR  VAC5STOR  # STORE ERASABLES FOR DEBUGGING PURPOSES.
 
    INDEX  ALMCADR
    CAF  0
ABORT2    TC  BORTENT
 
OCT77770  OCT  77770    # DONT MOVE
    CA  V37FLBIT  # IS AVERAGE G ON
    MASK  FLAGWRD7
    CCS  A
    TC  WHIMPER -1  # YES.  DONT DO POODOO.  DO BAILOUT.
 
    TC  DOWNFLAG
    ADRES  STATEFLG
 
    TC  DOWNFLAG
    ADRES  REINTFLG
 
    TC  DOWNFLAG
    ADRES  NODOFLAG
 
    TC  BANKCALL
    CADR  MR.KLEAN
    TC  WHIMPER

• 出處：改變世界的代碼行 - https://www.infoq.cn/article/5CaYH8NbS6BmptWKRgkX

似乎不太容易讀的樣子...

“

阿波羅登月計(jì)劃的源代碼在 Github 上已經(jīng)公開(kāi)，有興趣的可以去下方鏈接膜拜一下（可以去感受一下當(dāng)時(shí)程序員的工程能力）：

• https://github.com/chrislgarry/Apollo-11

另外附一下當(dāng)時(shí)代碼的設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人 Margaret Heafield Hamilton（女程序員）和完成的堆起來(lái)跟人一樣高的代碼量：

第一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言：FORTRAN

當(dāng) John Backus 在 1950 年以一名科學(xué)程序員的身份加入 IBM 時(shí)，已經(jīng)可以使用諸如 ADD 之類的助記詞代替數(shù)字代碼來(lái)編寫程序，也就是我們的匯編語(yǔ)言。這使編程變得容易一些，但是即使是一個(gè)簡(jiǎn)單的程序也需要數(shù)十次操作，并且仍然很難找到錯(cuò)誤。

巴克斯認(rèn)為，應(yīng)該有可能創(chuàng)建一種編程語(yǔ)言，使一系列計(jì)算可以用類似于數(shù)學(xué)符號(hào)的形式來(lái)表達(dá)。然后，使用特定的翻譯程序（以今天的術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)是編譯器）可以將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以理解的數(shù)字代碼。

Backus 在 1953 年向他的經(jīng)理提出了這個(gè)想法。他得到了預(yù)算，并被鼓勵(lì)雇用一個(gè)小團(tuán)隊(duì)來(lái)測(cè)試該想法的可行性。三年后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一本手冊(cè)，其中描述了 IBM Mathematical Formula Translating System（簡(jiǎn)稱 FORTRAN）。不久之后， IBM 向 IBM 704 的用戶提供了第一個(gè) FORTRAN 編譯器。

Backus 和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了世界上第一種高級(jí)編程語(yǔ)言。科學(xué)家和工程師將不再需要將其程序編寫為數(shù)字代碼或冗長(zhǎng)的助記符。

FORTRAN 代碼演示

下面演示計(jì)算并輸出 8 * 6 的代碼實(shí)例：

program VF0944
implicit none

integer a, b, c
a= 8
b= 6
c= a*b

print *, 'Hello World, a, b, c= ', a, b, c
end program VF0944

對(duì)比匯編代碼，是不是看上去要清晰（人類可讀）多了呢？

FORTRAN 的意義

FORTRAN 的問(wèn)世在計(jì)算機(jī)史上具有劃時(shí)代的意義，它使計(jì)算機(jī)語(yǔ)言從原始的低級(jí)匯編語(yǔ)言走出來(lái)，進(jìn)入了更高的境界，使得 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言不再是計(jì)算機(jī)專家的專利，使廣大的工程技術(shù)人員有了進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程的手段。

由此計(jì)算機(jī)更快地深入到了社會(huì)之中，它在工業(yè)部門中初露頭角，更是在火箭、導(dǎo)彈、人造地球衛(wèi)星的設(shè)計(jì)中大顯身手，因此有人稱 FORTRAN 語(yǔ)言使計(jì)算機(jī)的工業(yè)應(yīng)用成了可能，是推動(dòng)第二次世界大戰(zhàn)以后西方工業(yè)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇和進(jìn)入第二次工業(yè)革命的無(wú)形力量，是 "看不見(jiàn)的蒸汽機(jī)"。

FORTRAN 后時(shí)代

FORTRAN 高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的出現(xiàn)孕育了計(jì)算機(jī)軟件業(yè)，繼其之后，計(jì)算機(jī)高級(jí)程序語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)進(jìn)入到了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)代。

1959

Grace Hopper 發(fā)明了第一個(gè)面向企業(yè)業(yè)務(wù)的編程語(yǔ)言，又稱 “面向商業(yè)的通用語(yǔ)言”，也常常簡(jiǎn)稱 COBOL。

1964

美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院約翰·凱梅尼和托馬斯·卡茨認(rèn)為，像 FORTRAN 那樣的語(yǔ)言太過(guò)專業(yè)，編程非常困難。于是他們簡(jiǎn)化了 FORTRAN，并設(shè)計(jì)出了更適合初學(xué)者的 BASIC 語(yǔ)言。

1970

尼古拉斯·沃斯非常癡迷于編程語(yǔ)言，他率先提出了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想并發(fā)明了 Pascal 語(yǔ)言。

此外他還提出了 Wirth 定律，意為 “軟件變慢的速度比硬件變快的速度更快”，這讓摩爾定律變得充滿諷刺。之后的 Electron.js 也確實(shí)證明了這一點(diǎn)。

1972

丹尼斯·里奇在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作期間發(fā)明了 C 語(yǔ)言，開(kāi)啟了現(xiàn)代程序語(yǔ)言的革命。之后，他又添加了段錯(cuò)誤和其他一些幫助開(kāi)發(fā)人員的實(shí)用功能，大大提升了編程效率。

除了 C 語(yǔ)言之外， 他和貝爾實(shí)驗(yàn)室的同事還創(chuàng)造了偉大的 Unix 操作系統(tǒng)。

1980

Alan Kay 發(fā)明了面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言 Smalltalk，在 Smalltalk 中，一切皆對(duì)象。

1987

拉里·沃爾發(fā)明了 Perl 語(yǔ)言。

1983

Jean Ichbiah 發(fā)現(xiàn) Ada Lovelace 的程序從未運(yùn)行成功過(guò)，因此決定用她的名字創(chuàng)建一種語(yǔ)言，于是 Ada 語(yǔ)言誕生了。

1986

Brac Box 和 Tol Move 通過(guò)融合 C 語(yǔ)言和 Smalltalk 的特征，發(fā)明了 Objective-C。但由于其語(yǔ)法晦澀，不太容易理解。

1983

Bjarne Stroustrup 在 C 語(yǔ)言的基礎(chǔ)上引入并擴(kuò)充了面向?qū)ο蟮母拍?，發(fā)明了—種新的程序語(yǔ)言并將其命名為 C++。

C++ 大大提升了應(yīng)用程序的編程效率。

1991

Guido van Rossum 討厭帶有大括號(hào)的編程語(yǔ)言，于是他參考 Monty Python 和 Flying Circus 語(yǔ)法，并發(fā)明了 Python。

1993

Roberto Ierusalimschy 和其朋友創(chuàng)造了一門巴西本地的腳本語(yǔ)言。在本地化過(guò)程中，由于一個(gè)小的錯(cuò)誤使得索引從1開(kāi)始，而不是0。這門語(yǔ)言就是 Lua。

1994

Rasmus Lerdorf 為他個(gè)人主頁(yè)的 CGI 腳本制作了一個(gè)模板引擎，用來(lái)統(tǒng)計(jì)他自己網(wǎng)站的訪問(wèn)量。

這個(gè)文件被上傳到網(wǎng)上之后用它的人越來(lái)越多。后來(lái)又用 C 語(yǔ)言重新編寫，還添加了數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能。這門語(yǔ)言就是 PHP。

1995

松本行弘發(fā)明了 Ruby 語(yǔ)言。

1995

Brendan Eich 利用周末時(shí)間設(shè)計(jì)了一種語(yǔ)言，用于為世界各地的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器提供支持，并最終推出了 Skynet。他最初去了 Netscape，并將這門語(yǔ)言命名為 LiveScript，后來(lái)在代碼審查期間 Java 逐漸開(kāi)始風(fēng)靡，因此他們決定將其改名為 JavaScript。

后來(lái) Java 使其陷入了商標(biāo)麻煩，于是 JavaScript 被更名為 ECMAScript。但是人們還是習(xí)慣稱之為 JavaScript。

1996

James Gosling 發(fā)明了 Java，這是 第一個(gè)真正意義上面向?qū)ο蟮镁幊陶Z(yǔ)言，其中設(shè)計(jì)模式在實(shí)用主義中占統(tǒng)治地位。

More...

“

對(duì)于這一段計(jì)算機(jī)歷史感興趣的同學(xué)可以拜讀一下「IT 通史 12.2 節(jié) - 高級(jí)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言」的內(nèi)容，在線預(yù)覽鏈接如下：

• https://books.google.com.hk/books?id=ZrAol3RzcNkC&printsec=frontcover&hl=zh-CN#v=onepage&q&f=false

高級(jí)語(yǔ)言分類

CPU 終究只認(rèn)識(shí)二進(jìn)制指令，在我們發(fā)明高級(jí)語(yǔ)言之后，仍然無(wú)可避免的需要進(jìn)行 「翻譯」 工作。按照翻譯方式的不同，我們又把高級(jí)語(yǔ)言分為了 「編譯型」 和 「解釋型」。

編譯型

編譯型專業(yè)解釋為：

使用 專門的編譯器，針對(duì) 特定的平臺(tái)，將高級(jí)語(yǔ)言源代碼 一次性 的編譯成可被該平臺(tái)硬件執(zhí)行的機(jī)器碼，并包裝成該平臺(tái)所能識(shí)別的可執(zhí)行性程序的格式，并且只需要編譯一次，以后再也不用編譯。其實(shí)可以簡(jiǎn)單理解成谷歌/ 百度翻譯，我們把要翻譯的文字全部放進(jìn)去，一次翻譯，下次使用直接使用上一次翻譯好的結(jié)果。

• 優(yōu)點(diǎn)（較解釋型）：執(zhí)行效率高(有解釋器省去很多翻譯的過(guò)程)
• 缺點(diǎn)（較解釋型）：開(kāi)發(fā)效率低(寫完所有的代碼才能檢查 bug，得多恐怖呀？？？)

解釋型

解釋型專業(yè)解釋為：

使用 專門的解釋器 對(duì)源程序逐行解釋成 特定平臺(tái) 的機(jī)器碼并 立即執(zhí)行，它不需要事先編譯，直接將代碼解釋稱機(jī)器碼直接運(yùn)行，也就是說(shuō)只要某一平臺(tái)提供了相應(yīng)的解釋器即可運(yùn)行代碼。其實(shí)可以理解成同聲傳譯，我們需要翻譯的時(shí)候，找一個(gè)翻譯員，對(duì)方說(shuō)一句翻譯員翻譯一句，下次翻譯還是需要一個(gè)翻譯員一句一句的翻譯。

• 缺點(diǎn)（較編譯型）：執(zhí)行效率低(寫一次翻譯一次)
• 優(yōu)點(diǎn)（較編譯型）：開(kāi)發(fā)效率高(寫一行翻譯一行，錯(cuò)了馬上就知道，媽媽再也不用擔(dān)心我找不到 bug 了)

半解釋半編譯的 Java

不同廠商、不同時(shí)間開(kāi)發(fā)的 CPU 的指令集是不一樣的，這就是上方為什么提到要使用 專門的解釋器，要用于 特定的平臺(tái) 的原因。

所以 Java 為了實(shí)現(xiàn) 「一次編譯，到處運(yùn)行」 的目的，采用了一種特別的方案：先 編譯 為 與任何具體及其環(huán)境及操作系統(tǒng)環(huán)境無(wú)關(guān)的中間代碼（也就是 .class 字節(jié)碼文件），然后交由各個(gè)平臺(tái)特定的 Java 解釋器（也就是 JVM）來(lái)負(fù)責(zé) 解釋 運(yùn)行。

編程人員和計(jì)算機(jī)都無(wú)法直接讀懂字節(jié)碼文件，它必須由專用的 Java 解釋器來(lái)解釋執(zhí)行，因此 Java 是一種在 編譯基礎(chǔ)上進(jìn)行解釋運(yùn)行 的語(yǔ)言。（Java 程序運(yùn)行流程如下）

Java 解釋器 負(fù)責(zé)將字節(jié)碼文件翻譯成具體硬件環(huán)境和操作系統(tǒng)平臺(tái)下的機(jī)器代碼，以便執(zhí)行。因此 Java 程序不能直接運(yùn)行在現(xiàn)有的操作系統(tǒng)平臺(tái)上，它必須運(yùn)行在被稱為 Java 虛擬機(jī)的軟件平臺(tái)之上。

Java 虛擬機(jī)（JVM） 是運(yùn)行 Java 程序的軟件環(huán)境（我們后面會(huì)詳細(xì)說(shuō)到，這是學(xué)習(xí) Java 繞不過(guò)的題），Java 解釋器是 Java 虛擬機(jī)的一部分。在運(yùn)行 Java 程序時(shí)，首先會(huì)啟動(dòng) JVM，然后由它來(lái)負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行 Java 的字節(jié)碼程序，并且 Java 字節(jié)碼程序只能運(yùn)行于 JVM 之上。這樣利用 JVM 就可以把 Java 字節(jié)碼程序和具體的硬件平臺(tái)以及操作系統(tǒng)環(huán)境分隔開(kāi)來(lái)，只要在不同的計(jì)算機(jī)上安裝了針對(duì)特定平臺(tái)的 JVM，Java 程序就可以運(yùn)行，而不用考慮當(dāng)前具體的硬件平臺(tái)及操作系統(tǒng)環(huán)境，也不用考慮字節(jié)碼文件是在何種平臺(tái)上生成的。

JVM 把這種不同軟、硬件平臺(tái)的具體差別隱藏起來(lái)，從而 實(shí)現(xiàn)了真正的二進(jìn)制代碼級(jí)的跨平臺(tái)移植。JVM 是 Java 平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)，Java 的跨平臺(tái)特性正是通過(guò)在 JVM 中運(yùn)行 Java 程序?qū)崿F(xiàn)的。Java 的這種運(yùn)行機(jī)制可以通過(guò)下圖來(lái)說(shuō)明：

Java 語(yǔ)言這種「一次編寫，到處運(yùn)行」的方式，有效地解決了目前大多數(shù)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言需要針對(duì)不同系統(tǒng)來(lái)編譯產(chǎn)生不同機(jī)器代碼的問(wèn)題，即硬件環(huán)境和操作平臺(tái)的異構(gòu)問(wèn)題，大大降低了程序開(kāi)發(fā)、維護(hù)和管理的開(kāi)銷。

• 提示： Java 程序通過(guò) JVM 可以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)特性，但 JVM 是不跨平臺(tái)的。也就是說(shuō)， 不同操作系統(tǒng)之上的 JVM 是不同的，Windows 平臺(tái)之上的 JVM 不能用在 Linux 平臺(tái)，反之亦然。

參考資料

1. Introduction to Computer Science using Java | CHAPTER 4 - http://programmedlessons.org/Java9/chap04/ch04_01.html
2. 匯編語(yǔ)言入門教程 - http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/01/assembly-language-primer.html
3. CPU 是怎么認(rèn)識(shí)代碼的？| 知乎@Zign - https://www.zhihu.com/question/348237008/answer/843382847
4. 改變世界的代碼行 - https://www.infoq.cn/article/5CaYH8NbS6BmptWKRgkX
5. The History of FORTRAN - https://www.obliquity.com/computer/fortran/history.html
6. 《IT 通史》 | @李彥
7. A Brief Totally Accurate History Of Programming Languages - https://medium.com/commitlog/a-brief-totally-accurate-history-of-programming-languages-cd93ec806124
8. 編程語(yǔ)言分類 - https://www.cnblogs.com/nickchen121/p/10722720.html