汇编语言(面向机器的程式设计语言)详细资料大全

Posted 2023-04-25

参考技术A

汇编语言（assembly language）是一种用于电子计算机、微处理器、微控制器或其他可程式器件的低级语言，亦称为符号语言。在汇编语言中，用助记符（Mnemonics）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或运算元的地址。在不同的设备中，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。普遍地说，特定的汇编语言和特定的机器语言指令集是一一对应的,不同平台之间不可直接移植。

许多汇编程式为程式开发、汇编控制、辅助调试提供了额外的支持机制。有的汇编语言编程工具经常会提供宏，它们也被称为宏汇编器。

汇编语言不像其他大多数的程式设计语言一样被广泛用于程式设计。在今天的实际套用中，它通常被套用在底层，硬体操作和高要求的程式最佳化的场合。驱动程式、嵌入式作业系统和实时运行程式都需要汇编语言。

基本介绍 中文名 ：汇编语言 外文名 ：Assembly Language 学科 ：软体工程 产生年代 ：20世纪50年代 编译方式 ：汇编 发展历程,语言特点,总体特点,优点,缺点,语言组成,数据传送指令,整数和逻辑运算指令,移位指令,位操作指令,条件设定指令,控制转移指令,串操作指令,输入输出指令,相关技术,汇编器,编译环境,发展前景,实际套用,经典教材,x86处理器,ARM及单片机, 发展历程 说到汇编语言的产生，首先要讲一下机器语言。机器语言是机器指令的集合。机器指令展开来讲就是一台机器可以正确执行的命令。电子计算机的机器指令是一列二进制数字。计算机将之转变为一列高低电平，以使计算机的电子器件受到驱动，进行运算。 上面所说的计算机指的是可以执行机器指令，进行运算的机器。这是早期计算机的概念。在我们常用的PC机中，有一个晶片来完成上面所说的计算机的功能。这个晶片就是我们常说的CPU（Central Processing Unit，中央处理单元）。每一种微处理器，由于硬体设计和内部结构的不同，就需要用不同的电平脉冲来控制，使它工作。所以每一种微处理器都有自己的机器指令集，也就是机器语言。 早期的程式设计均使用机器语言。程式设计师们将用0, 1数字编成的程式代码打在纸带或卡片上，1打孔，0不打孔，再将程式通过纸带机或卡片机输入计算机，进行运算。这样的机器语言由纯粹的0和1构成，十分复杂，不方便阅读和修改，也容易产生错误。程式设计师们很快就发现了使用机器语言带来的麻烦，它们难于辨别和记忆，给整个产业的发展带来了障碍，于是汇编语言产生了。 汇编语言的主体是汇编指令。汇编指令和机器指令的差别在于指令的表示方法上。汇编指令是机器指令便于记忆的书写格式。 操作：暂存器BX的内容送到AX中1000100111011000              机器指令mov ax,bx                    汇编指令 此后，程式设计师们就用汇编指令编写源程式。可是，计算机能读懂的只有机器指令，那么如何让计算机执行程式设计师用汇编指令编写的程式呢？这时，就需要有一个能够将汇编指令转换成机器指令的翻译程式，这样的程式我们称其为编译器。程式设计师用汇编语言写出源程式，再用汇编编译器将其编译为机器码，由计算机最终执行。 工作过程 语言特点 汇编语言是直接面向处理器（Processor）的程式设计语言。处理器是在指令的控制下工作的，处理器可以识别的每一条指令称为机器指令。每一种处理器都有自己可以识别的一整套指令，称为指令集。处理器执行指令时，根据不同的指令采取不同的动作，完成不同的功能，既可以改变自己内部的工作状态，也能控制其它外围电路的工作状态。 汇编语言的另一个特点就是它所操作的对象不是具体的数据,而是暂存器或者存储器，也就是说它是直接和暂存器和存储器打交道，这也是为什么汇编语言的执行速度要比其它语言快，但同时这也使编程更加复杂，因为既然数据是存放在暂存器或存储器中，那么必然就存在着定址方式，也就是用什么方法找到所需要的数据。例如上面的例子，我们就不能像高级语言一样直接使用数据，而是先要从相应的暂存器AX、BX 中把数据取出。这也就增加了编程的复杂性，因为在高级语言中定址这部分工作是由编译系统来完成的，而在汇编语言中是由程式设计师自己来完成的，这无异增加了编程的复杂程度，降低了程式的可读性。 再者，汇编语言指令是机器指令的一种符号表示，而不同类型的CPU 有不同的机器指令系统，也就有不同的汇编语言,所以，汇编语言程式与机器有着密切的关系。所以，除了同系列、不同型号CPU 之间的汇编语言程式有一定程度的可移植性之外，其它不同类型（如：小型机和微机等）CPU 之间的汇编语言程式是无法移植的，也就是说，汇编语言程式的通用性和可移植性要比高级语言程式低。 正因为汇编语言有“与机器相关性”的特性，程式设计师用汇编语言编写程式时，可充分对机器内部的各种资源进行合理的安排，让它们始终处于最佳的使用状态。这样编写出来的程式执行代码短、执行速度快。汇编语言是各种程式语言中与硬体关系最密切、最直接的一种,在时间和空间的效率上也最高的一种，它是高等院校计算机套用技术必修的专业课程之一，对于训练学生掌握程式设计技术，熟悉上机操作和程式调试技术有重要作用 总体特点 1．机器相关性 这是一种面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。因为是机器指令的符号化表示，故不同的机器就有不同的汇编语言。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程式。 2．高速度和高效率 汇编语言保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点，可有效地访问、控制计算机的各种硬体设备，如磁碟、存储器、CPU、I/O连线埠等，且占用记忆体少，执行速度快，是高效的程式设计语言。 3．编写和调试的复杂性 由于是直接控制硬体，且简单的任务也需要很多汇编语言语句，因此在进行程式设计时必须面面俱到，需要考虑到一切可能的问题，合理调配和使用各种软、硬体资源。这样，就不可避免地加重了程式设计师的负担。与此相同，在程式调试时，一旦程式的运行出了问题，就很难发现。 优点 1、因为用汇编语言设计的程式最终被转换成机器指令，故能够保持机器语言的一致性，直接、简捷，并能像机器指令一样访问、控制计算机的各种硬体设备，如磁碟、存储器、CPU、I/O连线埠等。使用汇编语言，可以访问所有能够被访问的软、硬体资源。 2、目标代码简短，占用记忆体少，执行速度快，是高效的程式设计语言，经常与高级语言配合使用，以改善程式的执行速度和效率，弥补高级语言在硬体控制方面的不足，套用十分广泛。 缺点 1、汇编语言是面向机器的，处于整个计算机语言层次结构的底层，故被视为一种低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的。不同的处理器有不同的汇编语言语法和编译器，编译的程式无法在不同的处理器上执行，缺乏可移植性； 2、难于从汇编语言代码上理解程式设计意图，可维护性差，即使是完成简单的工作也需要大量的汇编语言代码，很容易产生bug，难于调试； 3、使用汇编语言必须对某种处理器非常了解，而且只能针对特定的体系结构和处理器进行最佳化，开发效率很低，周期长且单调。 语言组成 数据传送指令 这部分指令包括通用数据传送指令MOV、条件传送指令CMOV 、堆叠操作指令PUSH/PUSHA/PUSHAD/POP/POPA/POPAD、交换指令XCHG/XLAT/BSWAP、地址或段描述符选择子传送指令LEA/LDS/LES/LFS/LGS/LSS等。注意，CMOV不是一条具体的指令，而是一个指令簇，包括大量的指令，用于根据EFLAGS暂存器的某些位状态来决定是否执行指定的传送操作。 整数和逻辑运算指令 这部分指令用于执行算术和逻辑运算，包括加法指令ADD/ADC、减法指令SUB/SBB、加一指令INC、减一指令DEC、比较操作指令CMP、乘法指令MUL/IMUL、除法指令DIV/IDIV、符号扩展指令CBW/CWDE/CDQE、十进制调整指令DAA/DAS/AAA/AAS、逻辑运算指令NOT/AND/OR/XOR/TEST等。 移位指令 这部分指令用于将暂存器或记忆体运算元移动指定的次数。包括逻辑左移指令SHL、逻辑右移指令SHR、算术左移指令SAL、算术右移指令SAR、循环左移指令ROL、循环右移指令ROR等。 位操作指令 这部分指令包括位测试指令BT、位测试并置位指令BTS、位测试并复位指令BTR、位测试并取反指令BTC、位向前扫描指令BSF、位向后扫描指令BSR等。 条件设定指令 这不是一条具体的指令，而是一个指令簇，包括大约30条指令，用于根据EFLAGS暂存器的某些位状态来设定一个8位的暂存器或者记忆体运算元。比如SETE/SETNE/SETGE等等。 控制转移指令 这部分包括无条件转移指令JMP、条件转移指令J /JCXZ、循环指令LOOP/LOOPE/LOOPNE、过程调用指令CALL、子过程返回指令RET、中断指令INTn、INT3、INTO、IRET等。注意，J 是一个指令簇，包含了很多指令，用于根据EFLAGS暂存器的某些位状态来决定是否转移；INT n是软中断指令，n可以是0到255之间的数，用于指示中断向量号。 串操作指令 这部分指令用于对数据串进行操作，包括串传送指令MOVS、串比较指令CMPS、串扫描指令SCANS、串载入指令LODS、串保存指令STOS，这些指令可以有选择地使用REP/REPE/REPZ/REPNE和REPNZ的前缀以连续操作。 输入输出指令 这部分指令用于同外围设备交换数据，包括连线埠输入指令IN/INS、连线埠输出指令OUT/OUTS。 高级语言辅助指令 这部分指令为高级语言的编译器提供方便，包括创建栈帧的指令ENTER和释放栈帧的指令LEAVE。 控制和特权指令 这部分包括无操作指令NOP、停机指令HLT、等待指令WAIT/MWAIT、换码指令ESC、汇流排封锁指令LOCK、记忆体范围检查指令BOUND、全局描述符表操作指令LGDT/SGDT、中断描述符表操作指令LIDT/SIDT、局部描述符表操作指令LLDT/SLDT、描述符段界限值载入指令LSR、描述符访问权读取指令LAR、任务暂存器操作指令LTR/STR、请求特权级调整指令ARPL、任务切换标志清零指令CLTS、控制暂存器和调试暂存器数据传送指令MOV、高速快取控制指令INVD/WBINVD/INVLPG、型号相关暂存器读取和写入指令RDMSR/WRMSR、处理器信息获取指令CPUID、时间戳读取指令RDTSC等。 浮点和多媒体指令 这部分指令用于加速浮点数据的运算，以及用于加速多媒体数据处理的单指令多数据（SIMD及其扩展SSEx）指令。这部分指令数据非常庞大，无法一一列举，请自行参考INTEL手册。 虚拟机扩展指令 这部分指令包括INVEPT/INVVPID/VMCALL/VMCLEAR/VMLAUNCH/VMRESUME/VMPTRLD/VMPTRST/VMREAD/VMWRITE/VMXOFF/VMON等。 相关技术 汇编器 典型的现代 汇编器 （assembler）建造目标代码，由解译组语指令集的易记码（mnemonics）到操作码（OpCode），并解析符号名称（symbolic names）成为存储器地址以及其它的实体。使用符号参考是汇编器的一个重要特征，它可以节省修改程式后人工转址的乏味耗时计算。基本就是把机器码变成一些字母而已，编译的时候再把输入的指令字母替换成为晦涩难懂机器码。 编译环境 用汇编语言等非机器语言书写好的符号程式称为源程式，汇编语言编译器的作用是将源程式翻译成目标程式。目标程式是机器语言程式，当它被安置在记忆体的预定位置上后，就能被计算机的CPU处理和执行。 汇编的调试环境总的来说比较少，也很少有非常好的编译器。编译器的选择依赖于目标处理器的类型和具体的系统平台。一般来说，功能良好的编译器用起来应当非常方便，比如，应当可以自动整理格式、语法高亮显示，集编译、连结和调试为一体，方便实用。 对于广泛使用的个人计算机来说，可以自由选择的汇编语言编译器有MASM、NASM、TASM、GAS、FASM、RADASM等，但大都不具备调试功能。如果是为了学习汇编语言，轻松汇编因为拥有一个完善的集成环境，是一款非常适合初学者的汇编编译器。 发展前景 汇编语言是机器语言的助记符，相对于比枯燥的机器代码易于读写、易于调试和修改，同时优秀的汇编语言设计者经过巧妙的设计，使得汇编语言汇编后的代码比高级语言执行速度更快，占记忆体空间少等优点，但汇编语言的运行速度和空间占用是针对高级语言并且需要巧妙设计，而且部分高级语言在编译后代码执行效率同样很高，所以此优点慢慢弱化。而且在编写复杂程式时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。常说汇编语言是低级语言，并不是说汇编语言要被弃之，相反，汇编语言仍然是计算机（或微机）底层设计程式设计师必须了解的语言，在某些行业与领域，汇编是必不可少的，非它不可适用。只是，现在计算机最大的领域为IT软体，也是我们常说的计算机套用软体编程，在熟练的程式设计师手里，使用汇编语言编写的程式，运行效率与性能比其它语言写的程式相对提高，但是代价是需要更长的时间来最佳化，如果对计算机原理及编程基础不扎实，反而增加其开发难度，实在是得不偿失，对比2010年前后的软体开发，已经是市场化的软体行业，加上高级语言的优秀与跨平台，一个公司不可以让一个团队使用汇编语言来编写所有的东西，花上几倍甚至几十倍的时间，不如使用其它语言来完成，只要最终结果不比汇编语言编写的差太多，就能抢先一步完成，这是市场经济下的必然结果。 但是，迄今为止，还没有程式设计师敢断定汇编语言是不需要学的，同时，汇编语言（Assembly Language）是面向机器的程式设计语言，设计精湛的汇编程式设计师，部分已经脱离软体开发，挤身于工业电子编程中。对于功能相对小巧但硬体对语言设计要求苛刻的行业，如4位单片机，由于其容量及运算，此行业的电子工程师一般负责从开发设计电路及软体控制，主要开发语言就是汇编，c语言使用只占极少部分，而电子开发工程师是千金难求，在一些工业公司，一个核心的电子工程师比其它任何职员待遇都高，对比起来，一般电子工程师待遇是程式设计师的十倍以上。这种情况是因为21世纪以来，学习汇编的人虽然也不少，但是真正能学到精通的却不多，它相对于高级语言难学，难用，适用范围小，虽然简单，但是过于灵活，学习过高级语言的人去学习汇编比一开始学汇编的人难得多，但是学过汇编的人学习高级语言却很容易，简从繁易，繁从简难。对于一个全面了解微机原理的程式设计师，汇编语言是必修语言。 实际套用 随着现代软体系统越来越庞大复杂，大量经过了封装的高级语言如C/C++，Pascal/Object Pascal也应运而生。这些新的语言使得程式设计师在开发过程中能够更简单，更有效率，使软体开发人员得以应付快速的软体开发的要求。而汇编语言由于其复杂性使得其适用领域逐步减小。但这并不意味着汇编已无用武之地。由于汇编更接近机器语言，能够直接对硬体进行操作，生成的程式与其他的语言相比具有更高的运行速度，占用更小的记忆体，因此在一些对于时效性要求很高的程式、许多大型程式的核心模组以及工业控制方面大量套用。 此外，虽然有众多程式语言可供选择，但汇编依然是各大学计算机科学类专业学生的必修课，以让学生深入了解计算机的运行原理。 历史上，汇编语言曾经是非常流行的程式设计语言之一。随着软体规模的增长，以及随之而来的对软体开发进度和效率的要求，高级语言逐渐取代了汇编语言。但即便如此，高级语言也不可能完全替代汇编语言的作用。就拿Linux核心来讲，虽然绝大部分代码是用C语言编写的，但仍然不可避免地在某些关键地方使用了汇编代码。由于这部分代码与硬体的关系非常密切，即使是C语言也会显得力不从心，而汇编语言则能够很好扬长避短，最大限度地发挥硬体的性能。 首先，汇编语言的大部分语句直接对应着机器指令，执行速度快，效率高，代码体积小，在那些存储器容量有限，但需要快速和实时回响的场合比较有用，比如仪器仪表和工业控制设备中。 其次，在系统程式的核心部分，以及与系统硬体频繁打交道的部分，可以使用汇编语言。比如作业系统的核心程式段、I/O接口电路的初始化程式、外部设备的低层驱动程式，以及频繁调用的子程式、动态连线库、某些高级绘图程式、视频游戏程式等等。 再次，汇编语言可以用于软体的加密和解密、计算机病毒的分析和防治，以及程式的调试和错误分析等各个方面。 最后，通过学习汇编语言，能够加深对计算机原理和作业系统等课程的理解。通过学习和使用汇编语言，能够感知、体会和理解机器的逻辑功能，向上为理解各种软体系统的原理，打下技术理论基础；向下为掌握硬体系统的原理，打下实践套用基础。 经典教材 汇编语言教材很多，各种处理器都有涉及，粗略统计不下百种。在这么多的教材里，用得较多的可以分类列举如下： x86处理器 1.《x86汇编语言：从实模式到保护模式》，李忠著，电子工业出版社，2013－1 。 基于INTEL x86处理器、NASM编译器和BOCHS虚拟机。汇编语言就是处理器的语言，从这个意义上来说，既然学习汇编语言，就必须直接面向硬体编程，而不是使用莫名其妙的DOS中断和API调用。这是一本有趣的书，它没有把篇幅花在计算一些枯燥的数学题上。相反，它教你如何直接控制硬体，在不借助于Bios、DOS、Windows、Linux或者任何其他软体支持的情况下来显示字元、读取硬碟数据、控制其他硬体等。 我们知道，32位和64位是主流，实模式和DOS作业系统已经成为历史，Linux和Windows都工作在保护模式下。这本书从实模式讲到32位保护模式，尤其以32位保护模式为重点，阅读本书，对理解现代计算机和现代作业系统的工作原理有非常大的帮助作用。 2.《汇编语言》（第2版），王爽　著，清华大学出版社，2013-4-1 基于INTEL 8086处理器、MASM编译器，以及DOS平台的汇编教材，完全以8086处理器的实模式为主，不涉及常用的32位和64位模式，但因为通俗易懂，读者反映很好。 3.《80X86汇编语言程式设计教程》，杨季文等 编著，清华大学出版社，1999-3-1 基于INTEL x86处理器、MASM和TASM编译器，包含16位实模式和32位保护模式的内容，而且对后者讲述较为详细。 4.《32位汇编语言程式设计》，钱晓捷　编著，机械工业出版社，2011-8-1 基于INTEL x86处理器、MASM编译器，以及WINDOWS平台的汇编教材。 5.《16/32位微机原理汇编语言及接口技术》，钱晓捷，陈涛编著，机械工业出版社，2005-2-1 基于INTEL x86处理器，论述16位微型计算机的基本原理、汇编语言和接口技术，并引出32位微机系统相关技术。 6.《Intel汇编语言程式设计》（第五版），（美）欧文　著，电子工业出版社，2012-7-1 基于INTEL x86处理器、MASM编译器，以及DOS/WINDOWS平台的汇编教材，既有16位实模式的内容，也有32位保护模式的内容。 7.《汇编语言的编程艺术》（第2版），（美）海德　著，清华大学出版社，2011-12-1 基于INTEL x86处理器，使用了作者自制的高级语言汇编器（High Level Assembler，HLA）作为教学工具，以部分地获得高级语言的优势和功能。 8.《x86 PC汇编语言、设计与接口》（第五版），（美）马兹迪，考西著，电子工业出版社，2011-1-1 基于INTEL x86处理器，既讲了16位实模式的内容，也讲了32位保护模式的内容，对64位也有所介绍。 ARM及单片机 1.《汇编语言程式设计--基于ARM体系结构》（第2版），文全刚等主编，北京航空航天大学出版社，2010-8-1 基于ARM体系结构的处理器，是学习嵌入式技术的入门教材。 2.《零基础学AVR单片机》，徐益民等编著，机械工业出版社，2011-1-1 单片机概述、avr单片机的开发工具、avr单片机c语言、atmega16单片机基本结构、avr的指令系统与汇编系统等。 3.《基于Multisim10的51单片机仿真实战教程》，聂典，丁伟主编，电子工业出版社，2010-2-1 阐述了NI Multisim 10在单片机仿真中的各项主要功能。 4.《PIC18微控制器：体系结构、编程与接口设计》，（美）贝里著，清华大学出版社，2009-4-1 微控制器广泛套用于汽车、家电、工业控制、医疗设备等众多领域。本书以Microchip公司的PIC18系列微控制器为例，全面讲解如何使用C语言和汇编语言对微控制器进行编程。 5.《CASL汇编语言程式设计》，赵立辉编著，中国电力出版社，2002-10-1 CASL汇编语言是中国计算机软体专业技术资格和水平考试高级程式设计师级的必考内容。本书是讲述CASL汇编语言程式设计的专著。

一 面向对象定义

一 面向对象的由来

　　一、概述

　　二、详细发展历史

二 什么是面向对象设计以及为什么要有面向对象

三 类与对象

四 属性查找

五 绑定到对象方法的特殊之处

六 对象之间的交互

 

一 面向对象的由来

一、概述

1940年以前：面向机器

    

最早的程序设计都是采用机器语言来编写的,直接使用二进制码来表示机器能够识别和执行的指令和数 据。简单来说,就是直接编写 0 和 1 的序列来代表程序语言。例如:使用 0000 代表 加载(LOAD),0001 代表 存储(STORE)等。

机器语言由机器直接执行,速度快,但一个很明显的缺点就是:写起来实在是太困难了,一旦你发现自己
写错了,改起来更蛋疼!这样直接导致程序编写效率十分低下,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。

有一个关于机器语言和比尔盖茨的笑话,是说比尔盖茨拿着绣花针在一张光盘上戳,把 Windows 给戳出 来了!但如果真的让你去戳,不要说 Windows,连一个简单的“Hello world”都要让人戳到眼睛冒烟!

由于机器语言实在是太难编写了,于是就发展出了汇编语言。汇编语言亦称符号语言,用助记符代替机器 指令的操作码,用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替指令或操作数的地址,。汇编语言由于是采用 了助记符号来编写程序,比用机器语言的二进制代码编程要方便些,在一定程度上简化了编程过程。例如 使用 LOAD 来代替 0000,使用 STORE 来代替 0001。

即使汇编语言相比机器语言提升了可读性,但其本质上还是一种面向机器的语言,编写同样困难,也很容 易出错。相信很多计算机毕业的学生至今都对学校的汇编课程中的练习程序心有余悸。 

脱离机器第一步:面向过程

面向机器的语言通常情况下被认为是一种“低级语言”,为了解决面向机器的语言存在的问题,计算机科 学的前辈们又创建了面向过程的语言。面向过程的语言被认为是一种“高级语言”,相比面向机器的语言 来说,面向过程的语言已经不再关注机器本身的操作指令、存储等方面,而是关注如何一步一步的解决具体的问题,即:解决问题的过程,这应该也是面向过程说法的来由。

 

相比面向机器的思想来说,面向过程是一次思想上的飞跃,将程序员从复杂的机器操作和运行的细节中解 放出来,转而关注具体需要解决的问题;面向过程的语言也不再需要和具体的机器绑定,从而具备了移植 性和通用性;面向过程的语言本身也更加容易编写和维护。这些因素叠加起来,大大减轻了程序员的负担, 提升了程序员的工作效率,从而促进了软件行业的快速发展。

典型的面向过程的语言有:COBOL、FORTRAN、BASIC、C 语言等。

第一次软件危机:结构化程序设计

根本原因就是一些面向过程语言中的goto语句导致的面条式代码，极大的限制了程序的规模。结构化程序设计（英语：Structured programming），一种编程范型。它采用子程序（函数就是一种子程序）、代码区块、for循环以及while循环等结构，来替换传统的goto。希望借此来改善计算机程序的明晰性、质量以及开发时间，并且避免写出面条式代码。

 

随着计算机硬件的飞速发展,以及应用复杂度越来越高,软件规模越来越大,原有的程序开发方式已经越 来越不能满足需求了。1960 年代中期开始爆发了第一次软件危机,典型表现有软件质量低下、项目无法 如期完成、项目严重超支等,因为软件而导致的重大事故时有发生。例如 1963 年美国 (http://en.wikipedia.org/wiki/Mariner_1) 的水手一号火箭发射失败事故,就是因为一行 FORTRAN 代码 错误导致的。

软件危机最典型的例子莫过于 IBM 的 System/360 的操作系统开发。佛瑞德·布鲁克斯(Frederick P. Brooks, Jr.)作为项目主管,率领 2000 多个程序员夜以继日的工作,共计花费了 5000 人一年的工作量,写出将 近 100 万行的源码,总共投入 5 亿美元,是美国的“曼哈顿”原子弹计划投入的 1/4。尽管投入如此巨大, 但项目进度却一再延迟,软件质量也得不到保障。布鲁克斯后来基于这个项目经验而总结的《人月神话》 一书,成了史上最畅销的软件工程书籍。

为了解决问题,在 1968、1969 年连续召开两次著名的 NATO 会议,会议正式创造了“软件危机”一词, 并提出了针对性的解决方法“软件工程”。虽然“软件工程”提出之后也曾被视为软件领域的银弹,但后 来事实证明,软件工程同样无法解决软件危机。

差不多同一时间,“结构化程序设计”作为另外一种解决软件危机的方案被提出来了。 Edsger Dijkstra 于 1968 发表了著名的《GOTO 有害论》的论文,引起了长达数年的论战,并由此产生了结构化程序设计方 法。同时,第一个结构化的程序语言 Pascal 也在此时诞生,并迅速流行起来。

结构化程序设计的主要特点是抛弃 goto 语句,采取“自顶向下、逐步细化、模块化”的指导思想。结构 化程序设计本质上还是一种面向过程的设计思想,但通过“自顶向下、逐步细化、模块化”的方法,将软 件的复杂度控制在一定范围内,从而从整体上降低了软件开发的复杂度。结构化程序方法成为了 1970 年 代软件开发的潮流。

科学研究证明,人脑存在人类短期记忆一般一次只能记住 5-9 个事物,这就是著名的 7+- 2 原理。结构化 程序设计是面向过程设计思想的一个改进,使得软件开发更加符合人类思维的 7+-2 特点。

第二次软件危机:面向对象程序设计

结构化编程的风靡在一定程度上缓解了软件危机,然而好景不长,随着硬件的快速发展,业务需求越来越

复杂,以及编程应用领域越来越广泛,第二次软件危机很快就到来了。

第二次软件危机的根本原因还是在于软件生产力远远跟不上硬件和业务的发展,相比第一次软件危机主要 体现在“复杂性”,第二次软件危机主要体现在“可扩展性”、“可维护性”上面。传统的面向过程(包括 结构化程序设计)方法已经越来越不能适应快速多变的业务需求了,软件领域迫切希望找到新的银弹来解 决软件危机,在这种背景下,面向对象的思想开始流行起来。

面向对象的思想并不是在第二次软件危机后才出现的,早在 1967 年的 Simula 语言中就开始提出来了,但 第二次软件危机促进了面向对象的发展。 面向对象真正开始流行是在 1980s 年代,主要得益于 C++的功 劳,后来的 Java、C#把面向对象推向了新的高峰。到现在为止,面向对象已经成为了主流的开发思想。

虽然面向对象开始也被当做解决软件危机的银弹,但事实证明,和软件工程一样,面向对象也不是银弹, 而只是一种新的软件方法而已。

虽然面向对象并不是解决软件危机的银弹,但和面向过程相比,面向对象的思想更加贴近人类思维的特点, 更加脱离机器思维,是一次软件设计思想上的飞跃。 

 

二、详细发展历史

1940之前：

 

图：霍列瑞斯式的打孔机(pantograph)，用于1890年的人口普查。

第一个编程语言比现代的计算机还早诞生。首先，这种语言是种编码(en:code)。

于1801年发明的提花织布机(或称甲卡提花织布机)，运用打孔卡上的坑洞来代表缝纫织布机的手臂动作，以便自动化产生装饰的图案。

爱达·勒芙蕾丝在1842年至1843年间花费了九个月，将意大利数学家Luigi Menabrea关于查尔斯·巴贝奇新发表机器分析机的回忆录翻译完成。她于那篇文章后面附加了一个用分析机计算伯努利数方法的细节，被部分历史学家认为是世界上第一个电脑程序。

Herman Hollerith在观察列车长对乘客票根在特定位置打洞的方式后，意识到他可以把信息编码记载到打孔卡上，随后根据这项发现使用打孔卡来编码并纪录1890年的人口统计数据。

第一个计算机代码是针对他们的应用面设计的。在20世纪的前十年主要是用十进制来算数，后来人们发现不只是用文字，也可以用数字来表现逻辑。举例来说，阿隆佐·邱奇曾以公式化(formulaic)的方式表达λ演算。图灵机是一种纸带标记(tape-marking)机器(就像电话公司用的那种)操作方法抽象化后的集合。图灵机这种通过有限数字(finite number)呈现机器的方式，奠定了程序如同冯·诺伊曼结构计算机中的数据一样地存储的基础。但不同于λ演算，图灵机的代码并没有办法成为高级编程语言的基石，这是是因为它主要的用途是分析算法的复杂度。

就像许多历史上的"第一次"一样，第一个现代编程语言也很难界定。最一开始是因为硬件限制而限定了语言，打孔卡允许80行(column)的长度，但某几行必须用来记录卡片的顺序。FORTRAN则纳入了一些与英文字词相同的关键字，像是"IF"、"GOTO"(原字词为go to)，以及"CONTINUE"。之后采用磁鼓(magnetic drum)作为存储器使用，也代表计算机程序也必须插入(interleave)到磁鼓的转动(rotation)中。和现今比较起来，这也让编程语言必须更加依赖硬件(hardware-dependent)。

对部分的人认为必须在"编程语言"的状态确立之前，根据能力(power)以及可读性(human-readability)的程度来决定历史上第一个编程语言是什么语言。提花织布机和查尔斯·巴贝奇所制作的差分机(en:Difference Engine)都具备在大量限制下，简单描述机器应运行行为的语言。也有种并非设计给人类运用的受限特定领域语言(en:domain-specific language)，是将打孔卡运用到自动演奏钢琴(en:player piano)上。

1940年代：

最早被确认的现代化、电力引导(electrically powered)的计算机约在1940年代被创造出来。程序员在有限的速度及存储器容量限制之下，撰写人工调整(hand tuned)过的汇编语言程序。而且很快就发现到使用汇编语言的这种撰写方式需要花费大量的脑力(intellectual effort)而且很容易出错(error-prone)。

康拉德·楚泽于1948年发表了他所设计的Plankalkül编程语言的论文[1]。但是在他有生之年却未能将该语言实现，而他原本的贡献也被其他的发展所孤立。

在这段期间被开发出来的重要语言包括有：

• 1943 - Plankalkül (Konrad Zuse)
• 1943 - ENIAC coding system
• 1949 - C-10

1950与1960年代：

有三个现代编程语言于1950年代被设计出来，这三者所派生的语言直到今日仍旧广泛地被采用：

• Fortran (1955)，名称取自"FORmula TRANslator"(公式翻译器)，由约翰·巴科斯等人所发明；
• LISP，名称取自"LISt Processor"(枚举处理器)，由约翰·麦卡锡等人所发明；
• COBOL，名称取自"COmmon Business Oriented Language"(通用商业导向语言)，由被葛丽丝·霍普深刻影响的Short Range Committee所发明。

另一个1950年代晚期的里程碑是由美国与欧洲计算机学者针对"算法的新语言"所组成的委员会出版的ALGOL 60报告(名称取自"ALGOrithmic Language"(算法语言))。这份报告强化了当时许多关于计算的想法，并提出了两个语言上的创新功能：

• 嵌套区块结构：可以将有意义的代码片段组群成一个区块(block)，而非转成分散且特定命名的程序。
• 词汇范围(lexical scoping)：区块可以有区块外部无法通过名称访问，属于区块本身的变量、程序以及函数。

另一个创新则是关于语言的描述方式：

• 一种名为巴科斯-诺尔范式 (BNF)的数学化精确符号被用于描述语言的语法。之后的编程语言几乎全部都采用类似BNF的方式来描述程序语法中上下文无关的部分。

Algol 60对之后语言的设计上带来了特殊的影响，部分的语言很快的就被广泛采用。后续为了开发Algol的扩充子集合，设计了一个名为Burroughs(en:Burroughs large systems)的大型系统。

延续Algol的关键构想所产生的成果就是ALGOL 68：

• 语法跟语义变的更加正交(orthogonal)，采用匿名的历程(routines)，采用高级(higher-order)功能的递归式输入(typing)系统等等。
• 整个语言及语义的部分都通过为了描述语言而特别设计的Van Wijngaarden grammar来进行正式的定义，而不仅止于上下文无关的部分。

Algol 68一些较少被使用到的语言功能(如同步与并行区块)、语法快捷方式的复杂系统，以及类型自动强制转换(coercions)，使得实现者兴趣缺缺，也让Algol 68获得了很难用(diffcult)的名声。尼克劳斯·维尔特就干脆离开该设计委员会，另外再开发出更简单的Pascal语言。

在这段期间被开发出来的重要语言包括有：

• 1951 - Regional Assembly Language
• 1952 - Autocode
• 1954 - FORTRAN
• 1954 - IPL (LISP的先驱)
• 1955 - FLOW-MATIC (COBOL的先驱)
• 1957 - COMTRAN (COBOL的先驱)
• 1958 - LISP
• 1958 - ALGOL 58
• 1959 - FACT (COBOL的先驱)
• 1959 - COBOL
• 1962 - APL
• 1962 - Simula
• 1962 - SNOBOL
• 1963 - CPL (C的先驱)
• 1964 - BASIC
• 1964 - PL/I
• 1967 - BCPL (C的先驱)

1967-1978：确立了基础范式

1960年代晚期至1970年代晚期的期间中，编程语言的发展也有了重大的成果。大多数现在所使用的主要语言范式都是在这段期间中发明的：

• Simula，于1960年代晚期由奈加特与Dahl以Algol 60超集合的方式发展，同时也是第一个设计支持面向对象进行开发的编程语言。
• C，于1969至1973年间由贝尔实验室的研究人员丹尼斯·里奇与肯·汤普逊所开发，是一种早期的系统程序设计(en:system programming)语言。
• Smalltalk，于1970年代中期所开发，是一个完全从零开始(ground-up)设计的面向对象编程语言。
• Prolog，于1972年由Colmerauer、Roussel，以及Kowalski所设计，是第一个逻辑程序语言。
• ML，于1973年由罗宾·米尔纳所发明，是一个基于Lisp所建构的多态(polymorphic)类型系统，同时也是静态类型函数编程语言的先驱。

这些语言都各自演展出自己的家族分支，现今多数现代编程语言的祖先都可以追溯他们其中至少一个以上。

在1960年代以及1970年代中结构化程序设计的优点也带来许多的争议，特别是在程序开发的过程中完全不使用GOTO。这项争议跟语言本身的设计非常有关系：某些语言并没有包含GOTO，这也强迫程序员必须结构化地编写程序。尽管这个争议在当时吵翻了天，但几乎所有的程序员都同意就算语言本身有提供GOTO的功能，在除了少数罕见的情况下去使用GOTO是种不良的程序风格。结果是之后世代的编程语言设计者发觉到结构化编程语言的争议实在既乏味又令人眼花撩乱。

在这段期间被开发出来的重要语言包括有：

• 1968 - Logo
• 1970 - Pascal
• 1970 - Forth
• 1972 - C语言
• 1972 - Smalltalk
• 1972 - Prolog
• 1973 - ML
• 1975 - Scheme
• 1978 - SQL (起先只是一种查询语言，扩充之后也具备了程序结构)

1980年代：增强、模块、性能

1980年代的编程语言与之前相较显得更为强大。C++合并了面向对象以及系统程序设计。美国政府标准化一种名为Ada的系统编程语言并提供给国防承包商使用。日本以及其他地方运用了大量的资金对采用逻辑编程语言结构的第五代语言进行研究。函数编程语言社区则把焦点转移到标准化ML及Lisp身上。这些活动都不是在开发新的范式，而是在将上个世代发明的构想进一步发扬光大。

然而，在语言设计上有个重大的新趋势，就是研究运用模块或大型组织化的程序单元来进行大型系统的开发。Modula、Ada，以及ML都在1980年代发展出值得注意的模块化系统。模块化系统常拘泥于采用泛型程序设计结构：泛型存在(generics being)、本质(essence)，参数化模块(parameterized modules)。(参阅多态)

尽管没有出现新的主要编程语言范式，许多研究人员仍就扩充之前语言的构想并将它们运用到新的内容上。举例来说，Argus以及Emerald系统的语言配合面向对象语言运用到分布式系统上。

1980年代的编程语言实现情况也有所进展。计算机系统结构中RISC的进展假定硬件应当为编译器设计，而非身为人类的汇编语言程序员。借由中央处理器速度增快的帮助，编译技术也越来越积极，RISC的进展对高级语言编译技术带来不小的关注。

语言技术持续这些发展并迈入了1990年代。

在这段期间被开发出来的重要语言包括有：

• 1980 - Ada
• 1983 - C++ (就像有类别的C)
• 1984 - Common Lisp
• 1985 - Eiffel
• 1986 - Erlang
• 1987 - Perl
• 1988 - Tcl
• 1989 - FL (Backus)

1990年代：互联网时代

1990年代未见到有什么重大的创新，大多都是以前构想的重组或变化。这段期间主要在推动的哲学是提升程序员的生产力。许多"快速应用程序开发" (RAD) 语言也应运而生，这些语言大多都有相应的集成开发环境、垃圾回收等机制，且大多是先前语言的派生语言。这类型的语言也大多是面向对象的编程语言，包含有Object Pascal、Visual Basic，以及C#。Java则是更加保守的语言，也具备垃圾回收机制。与其他类似语言相比，也受到更多的观注。新的脚本语言则比RAD语言更新更好。这种语言并非直接从其他语言派生，而且新的语法更加开放地(liberal)与功能契合。虽然脚本语言比RAD语言来的更有生产力，但大多会有因为小程序较为简单，但是大型程序则难以使用脚本语言撰写并维护的顾虑^{[来源请求]}。尽管如此，脚本语言还是网络层面的应用上大放异彩。

在这段期间被开发出来的重要语言包括有：

• 1990 - Haskell
• 1991 - Python
• 1991 - Visual Basic
• 1993 - Ruby
• 1993 - Lua
• 1994 - CLOS (part of ANSI Common Lisp)
• 1995 - Java
• 1995 - Delphi (Object Pascal)
• 1995 - JavaScript
• 1995 - PHP
• 1997 - REBOL
• 1999 - D

现今的趋势

编程语言持续在学术及企业两个层面中发展进化，目前的一些趋势包含有：

• 在语言中增加安全性与可靠性验证机制：额外的堆栈检查、信息流(information flow)控制，以及静态线程安全。
• 提供模块化的替代机制：混入(en:mixin)、委派(en:delegates)，以及观点导向。
• 组件导向(component-oriented)软件开发
• 元编程、反射或是访问抽象语法树(en:Abstract syntax tree)
• 更重视分布式及移动式的应用。
• 与数据库的集成，包含XML及关系数据库。
• 支持使用Unicode编写程序，所以源代码不会受到ASCII字符集的限制，而可以使用像是非拉丁语系的脚本或延伸标点符号。
• 图形用户界面所使用的XML(XUL、XAML)。

在这段期间被开发出来的重要语言包括有：

• 2001 - C#
• 2001 - Visual Basic .NET
• 2002 - F#
• 2003 - Scala
• 2003 - Factor
• 2006 - Windows PowerShell
• 2007 - Clojure
• 2009 - Go
• 2014 - Swift (编程语言)

编程语言发展史上的杰出人物

• 约翰·巴科斯，发明了Fortran。
• 阿兰·库珀，开发了Visual Basic。
• 艾兹格·迪杰斯特拉，开创了正确运用编程语言(proper programming)的框架。
• 詹姆斯·高斯林，开发了Oak，该语言为Java的先驱。
• 安德斯·海尔斯伯格，开发了Turbo Pascal、Delphi，以及C#。
• 葛丽丝·霍普，开发了Flow-Matic，该语言对COBOL造成了影响。
• 肯尼斯·艾佛森，开发了APL，并与Roger Hui合作开发了J。
• 比尔·乔伊，发明了vi，BSD Unix的前期作者，以及SunOS的发起人，该操作系统后来改名为Solaris。
• 艾伦·凯，开创了面向对象编程语言，以及Smalltalk的发起人。
• Brian Kernighan，与丹尼斯·里奇合著第一本C程序设计语言的书籍，同时也是AWK与AMPL程序设计语言的共同作者。
• 约翰·麦卡锡，发明了LISP。
• 约翰·冯·诺伊曼，操作系统概念的发起者。
• 丹尼斯·里奇，发明了C。
• 比雅尼·斯特劳斯特鲁普，开发了C++。
• 肯·汤普逊，发明了Unix。
• 尼克劳斯·维尔特，发明了Pascal与Modula。
• 拉里·沃尔，创造了Perl与Perl 6。
• 吉多·范罗苏姆，创造了Python。

二 什么是面向对象设计以及为什么要有面向对象

就好比精心设计好一条流水线，是一种机械式的思维方式。

优点是：复杂度的问题流程化，进而简单化（一个复杂的问题，分成一个个小的步骤去实现，实现小的步骤将会非常简单）

缺点是：一套流水线或者流程就是用来解决一个问题，生产汽水的流水线无法生产汽车，即便是能，也得是大改，改一个组件，牵一发而动全身。

应用场景：一旦完成基本很少改变的场景，著名的例子有Linux內核，git，以及Apache HTTP Server等。

 

面向对象的程序设计并不是全部。对于一个软件质量来说，面向对象的程序设计只是用来解决扩展性。

 

三 类与对象

类即类别、种类，是面向对象设计最重要的概念，对象是特征与技能的结合体，而类则是一系列对象相似的特征与技能的结合体

那么问题来了，先有的一个个具体存在的对象（比如一个具体存在的人），还是先有的人类这个概念，这个问题需要分两种情况去看

在现实世界中：先有对象，再有类

世界上肯定是先出现各种各样的实际存在的物体，然后随着人类文明的发展，人类站在不同的角度总结出了不同的种类，如人类、动物类、植物类等概念

也就说，对象是具体的存在，而类仅仅只是一个概念，并不真实存在

在程序中：务必保证先定义类，后产生对象

这与函数的使用是类似的，先定义函数，后调用函数，类也是一样的，在程序中需要先定义类，后调用类

不一样的是，调用函数会执行函数体代码返回的是函数体执行的结果，而调用类会产生对象，返回的是对象

1 #python为类内置的特殊属性
2 类名.__name__# 类的名字(字符串)
3 类名.__doc__# 类的文档字符串
4 类名.__base__# 类的第一个父类(在讲继承时会讲)
5 类名.__bases__# 类所有父类构成的元组(在讲继承时会讲)
6 类名.__dict__# 类的字典属性
7 类名.__module__# 类定义所在的模块
8 类名.__class__# 实例对应的类(仅新式类中)

 

四 属性查找

类有两种属性：数据属性和函数属性

1. 类的数据属性是所有对象共享的

2. 类的函数属性是绑定给对象用的

#类的数据属性是所有对象共享的,id都一样
print(id(OldboyStudent.school))

print(id(s1.school))
print(id(s2.school))
print(id(s3.school))

\'\'\'
4377347328
4377347328
\'\'\'



#类的函数属性是绑定给对象使用的,obj.method称为绑定方法,内存地址都不一样
#ps:id是python的实现机制,并不能真实反映内存地址,如果有内存地址,还是以内存地址为准
print(Student.learn)
print(s1.learn)
print(s2.learn)
print(s3.learn)
\'\'\'
<function Student.learn at 0x1021329d8>
<bound method Student.learn of <__main__.Student object at 0x1021466d8>>
<bound method Student.learn of <__main__.Student object at 0x102146710>>
<bound method Student.learn of <__main__.Student object at 0x102146748>>
\'\'\'

在obj.name会先从obj自己的名称空间里找name，找不到则去类中找，类也找不到就找父类...最后都找不到就抛出异常  

 

五 绑定到对象方法的特殊之处

 1 #改写
 2 class Student:
 3     school=\'SkyEdu\'
 4     def __init__(self,name,age,sex):
 5         self.name=name
 6         self.age=age
 7         self.sex=sex
 8     def learn(self):
 9         print(\'%s is learning\' %self.name) #新增self.name
10 
11     def eat(self):
12         print(\'%s is eating\' %self.name)
13 
14     def sleep(self):
15         print(\'%s is sleeping\' %self.name)
16 
17 
18 s1=Student(\'jack\',\'男\',18)
19 s2=Student(\'lucy\',\'女\',38)
20 s3=Student(\'lee\',\'男\',78)

类中定义的函数（没有被任何装饰器装饰的）是类的函数属性，类可以使用，但必须遵循函数的参数规则，有几个参数需要传几个参数

类中定义的函数（没有被任何装饰器装饰的）,其实主要是给对象使用的，而且是绑定到对象的，虽然所有对象指向的都是相同的功能，但是绑定到不同的对象就是不同的绑定方法

强调：绑定到对象的方法的特殊之处在于，绑定给谁就由谁来调用，谁来调用，就会将‘谁’本身当做第一个参数传给方法，即自动传值（方法__init__也是一样的道理）

注意：绑定到对象的方法的这种自动传值的特征，决定了在类中定义的函数都要默认写一个参数self，self可以是任意名字，但是约定俗成地写出self。

类即类型

　　提示：python的class术语与c++有一定区别，与 Modula-3更像。

　　python中一切皆为对象，且python3中类与类型是一个概念，类型就是类

 1 #类型dict就是类dict
 2 >>> list
 3 <class \'list\'>
 4 
 5 #实例化的到3个对象l1,l2,l3
 6 >>> l1=list()
 7 >>> l2=list()
 8 >>> l3=list()
 9 
10 #三个对象都有绑定方法append,是相同的功能,但内存地址不同
11 >>> l1.append
12 <built-in method append of list object at 0x10b482b48>
13 >>> l2.append
14 <built-in method append of list object at 0x10b482b88>
15 >>> l3.append
16 <built-in method append of list object at 0x10b482bc8>
17 
18 #操作绑定方法l1.append(3),就是在往l1添加3,绝对不会将3添加到l2或l3
19 >>> l1.append(3)
20 >>> l1
21 [3]
22 >>> l2
23 []
24 >>> l3
25 []
26 #调用类list.append(l3,111)等同于l3.append(111)
27 >>> list.append(l3,111) #l3.append(111)
28 >>> l3
29 [111]

 

六 对象之间的交互

1 class Garen:        #定义英雄盖伦的类，不同的玩家可以用它实例出自己英雄;
2     camp=\'Demacia\'  #所有玩家的英雄(盖伦)的阵营都是Demacia;
3     def __init__(self,nickname,aggressivity=58,life_value=455): #英雄的初始攻击力58...;
4         self.nickname=nickname  #为自己的盖伦起个别名;
5         self.aggressivity=aggressivity #英雄都有自己的攻击力;
6         self.life_value=life_value #英雄都有自己的生命值;
7     def attack(self,enemy):   #普通攻击技能，enemy是敌人;
8         enemy.life_value-=self.aggressivity #根据自己的攻击力，攻击敌人就减掉敌人的生命值。

我们可以仿照garen类再创建一个Riven类

1 class Riven:
2     camp=\'Noxus\'  #所有玩家的英雄(锐雯)的阵营都是Noxus;
3     def __init__(self,nickname,aggressivity=54,life_value=414): #英雄的初始攻击力54;
4         self.nickname=nickname  #为自己的锐雯起个别名;
5         self.aggressivity=aggressivity #英雄都有自己的攻击力;
6         self.life_value=life_value #英雄都有自己的生命值;
7     def attack(self,enemy):   #普通攻击技能，enemy是敌人;
8         enemy.life_value-=self.aggressivity #根据自己的攻击力，攻击敌人就减掉敌人的生命值。

实例出俩英雄

1 >>> g1=Garen(\'草丛伦\')
2 >>> r1=Riven(\'锐雯雯\')

交互：锐雯雯攻击草丛伦，反之一样

1 >>> g1.life_value
2 455
3 >>> r1.attack(g1)
4 >>> g1.life_value
5 401