软考软件设计师知识模块第2章：程序设计语言基础知识

Posted 2020-12-01 kaixin2018

程序设计语言基础知识

 

2.1 程序设计语言概述

　　2.1.1  程序设计语言基本概念

　　　　低级语言，面向机器的语言，如汇编语言、机器语言；

　　　　　　特性：进行程序设计效率低，程序的可读性差，难以修改、维护，优势是运行速度特别快；

　　　　高级语言，面向各类应用的程序设计语言。如C、C++ 、Java、Python、Delphi 、Pascal、php

　　　　

　　　　语言处理程序：负责将高级语言翻译成计算机能理解的0和1的程序；

　　　　语言之间的翻译基本方式：

　　　　　　汇编、解释、编译；

　　　　　　汇编：对使用汇编语言写成的源程序进行翻译成目标程序（机器可直接执行）的过程；

　　　　　　解释：将源程序翻译成中间代码（需要配合专有解释器才可执行）的过程；

　　　　　　编译：将源程序翻译成机器可直接执行的目标程序的过程；　　　　

　　　　　　

　　　　解释和编译的区别在于：

　　　　　　对源程序进行编译后的目标程序可以在机器上直接执行，不需要源程序和编译程序配合执行；机器上运行的是与源程序等价的目标程序。

　　　　　　对源程序进行解释后的中间代码，需要源程序和解释程序（解释器）配合执行；

 　　　　　　

　　　　程序语言的定义涉及的三个范畴：

　　　　　　语义、语法、语用；

　　　　所谓高级语言，即不依赖机器硬件的；

　　　　所谓通用的程序设计语言：能够应用与范围广泛的问题求解过程中的；

 

　　　　计算机程序语言的发展史：

　　　　1957年：Fortran语言；第一个被广泛用来进行科学和工程计算的高级语言；

　　　　　　一个Fortran程序由一个主程序和若干个子程序组成。

　　　　　　最大的特性是：接近数学公式的自然描述，具有很高的执行效率。

　　　　　　　　广泛应用于并行计算和高性能计算机领域；

　　　　1960s：ALGOL语言；在晶体管计算机流行的年代

　　　　1970年：Pascal；过程式、结构化程序设计语言；

　　　　1980s：C语言；通用程序设计语言；

　　　　　　Unix及其上的软件均使用C编写的；

　　　　　　兼顾高级语言和汇编语言的特点；

　　　　　　提供了高效的执行语句

　　　　　　允许程序员直接访问操作系统和底层硬件；

　　　　　　在实时处理应用开发中有普遍应用；

　　　　1980s：C++语言；与C兼容，比C多了封装和抽象

　　　　　　　　与C相比，增加了类机制（使C++成为面向对象程序设计语言）

　　　　　　　　C++编译器能够编译任何C程序

　　　　　　　　C++不可以省略函数原型，C可以；

　　　　1980s：C#语言，Microsoft 公司开发的

　　　　　　　　面向对象的高级语言

　　　　　　　　运行于.NET Framework

　　　　　　　　相对C++,部分方面进行限制和增强；

　　　　　　　　仅支持单一父类继承，不支持多重继承；

　　　　1980s ：Objective-C 语言，由C衍生，继承C的语言特性；

　　　　　　　　面向对象

　　　　　　　　由Apple公司维护，是MAC系统下的主要开发语言；

　　　　　　　　仅支持单一父类继承，不支持多重继承；

 　　　　1990s：Java语言，

　　　　　　　　保留了C++的基本语法、类、继承等概念；

　　　　　　　　删掉了C++的一些不好的特征；

　　　　　　　　与C++相比，Java更简单、语法和语义更合理；

　　　　1993：Ruby语言，松本行弘设计的

　　　　　　　　解释型语言，面向对象，动态类型、脚本语言；

　　　　　　　　任何东西都是对象

　　　　　　　　每个过程和函数都是方法

　　　　　　　　变量没有类型

　　　　　　　　任何东西都有值

　　　　1990s：PHP语言，服务器端执行的、嵌入html文档的脚本语言。

　　　　　　　　语言风格类似C

　　　　　　　　网站编程方向广泛使用

　　　　　　　　可快速执行动态网页，语法混合C、Java、Perl，部分为PHP自创语法；

　　　　　　　　PHP可以充分利用服务器的 性能

　　　　　　　　PHP支持几乎所有流行的数据库以及操作系统。

　　　　　1990s：Python 面向对象   解释型程序设计语言，脚本语言，

　　　　　　　　可编写独立应用程序、复杂应用的圆形；

　　　　　　　　Python支持对操作系统的底层访问

　　　　　　　　胶水语言，可以使用C、C++、Java等进行扩展。

　　　　　1990s：javascript语言，脚本语言，广泛应用于WEB开发

　　　　　　　　常见JavaScript脚本嵌入在HTML中

　　　　　1990s：　DelPhi语言，Windows环境下使用，在Linux环境下是Kylix；

　　　　　1990s：Visual Basic.NET  语言，基于Microsoft .NET Framework 

　　　　　　　　面向对象，

　　　　　　　　被编译的中间代码不能在操作系统上直接执行；程序运行需要借助与.NET  Framework  ;

　　　　　

程序设计语言的演化从最开始的

机器语言  ——>  

汇编语言  ——>  

各种结构化高级语言  ——>  

支持面向对象技术的面向对象语言  ；

 

演化过程，反映的是一条  抽象机制不断提高  的演化道路

 

 

 

　　程序设计语言的分类：

　　　　命令式和结构化程序设计语言【如Fortran、Pascal、C 】
　　　　　　基于动作的语言，计算机被看成动作的序列；

　　　　　　结构特性：

　　　　　　　　自顶向下逐步精化的方法编程；

　　　　　　　　按模块组织的方法编程；

　　　　　　　　程序只包好顺序、判定（分支）及循环构造；

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　结构简单清晰、模块化强、描述方式接近人们习惯的推理式思维方式；

　　　　　　　　程序可读性强，

　　　　面向对象程序设计语言【如C++、Java、Smalltalk】

　　　　　　　面向对象程序设计语言都必须支持新的程序设计技术，如  数据隐藏、数据抽象、用户定义类型、继承、多态  等；

　　　　　　　面向对象程序设计的创建，归功于Simula，从模拟领域发展起来的，提出了对象和类的概念。

　　　　函数式程序是设计语言 【如LISP，常见的还有Haskell、Scala、Scheme、APL】

　　　　　　　1958年专为AI设计的语言；

　　　　　　　映射的概念，定义域和值域的一对一和多对一映射关系；

　　　　　　　LISP中大量使用递归；　　

　　　　　　　

　　　　逻辑型程序设计语言  【如Prolog】

　　　　　　　以形式逻辑为基础的语言

　　　　　　　建立在关系理论和一阶谓词理论基础上的

　　　　　　　Prolog是一系列事实、数据对象、事实间的具体关系和规则的集合

　　　　　　　Prolog有很强的推理功能，适用于编写自动定理证明、专家系统、自然语言理解等问题的程序。

 

　　　　等；

　

　　程序设计语言的基本成分：

　　　　数据、运算、控制、传输、函数

　　　　数据：

　　　　　　常量、变量  （引入 左值和右值的概念；）

　　　　　　全局量、局部量  （引入作用域的概念）

　　　　　　数据类型

　　　　　　　　数据类型一般有：基本类型、用户定义类型、构造类型、其他类型

　　　　

 

 

　　　　　　

　　　　　　数据的一些属性：

　　　　　　　　　　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（可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）

　　　　　　　　　　名称（通过标识符命名；）

 

　　　　　　（数据所涉及到的：）命名、

　　　　　　　　标识符组成：如字母大小写a/A --z/Z  ；数字0-9；  下划线_

　　　　　　　　标识符命名规则，如开头只能以_  和字母构成等；

　　　　

　　　　

　　　　运算

　　　　　　算术运算

　　　　　　逻辑运算

　　　　　　关系运算

 　　　　　　位运算

 

　　　　　　运算符的优先级、结合性等特性；

　　　　

　　　　控制

　　　　　　顺序结构

　　　　　　选择结构

　　　　　　循环结构

　　　　　　　　组成部分：初始化、循环体、循环条件

 　　　　　　　　while类型（先判断，条件成立则执行）

　　　　　　　　do-while类型（先执行，后判断，条件成立则继续循环）

　　　　　　C、C++ 提供的控制语句

　　　　　　　　复合语句，利用“{  }” 来控制语句结构

　　　　　　　　利用if     Switch  来实现双分支和多分支选择结构；

　　　　　　　　还有一些控制流跳转语句，如continue、break、 goto；

 

　　　　传输

　　　　　　赋值处理、数据的输入、输出；

　　　　

　　　　函数

　　　　　　三个概念：函数的定义、声明、和调用；

　　　　　　函数的值调用

　　　　　　函数的引用调用

 

 

 

 

语言处理程序基础

　　语言处理程序，是一类系统软件的总称，主要作用是将高级语言/汇编语言  编写的源代码程序翻译成某种机器语言程序，目的使程序可以在计算机上运行。

 

　　根据源程序类别，语言处理程序也可以分为汇编程序、编译程序、解释程序   这三种基本类型。

　　

　　汇编程序基本原理

　　　　汇编源程序的构成：指令语句、伪指令语句、宏指令语句

　　　　　　指令语句分类：（指令语句又称机器指令语句，汇编后产生相应的机器代码）

　　　　　　　　传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、转移指令、处理机控制指令等类型；

　　　　　　伪指令语句：

　　　　　　　　用于指示汇编程序在汇编源程序时，完成某些工作。（也就是说伪指令语句是在汇编源程序的过程中辅助使用的，不参与最终的执行环节）

　　　　　　　　　　如，为变量分配存储单元地址

　　　　　　　　　　

　　　　　　伪指令语句与指令语句的 区别：

　　　　　　　　　　伪指令语句经 汇编后，不产生机器代码，指令语句会产生代码

　　　　　　　　　　伪指令语句的操作在汇编的过程中被执行；指令语句的操作在最终程序执行的过程中使用。

　　　　　　宏指令语句

　　　　　　　　汇编程序允许用户将  多次重复使用的程序段定义为  宏；

　　　　　　　　每个宏都有名字

　　　　　　　　程序任意的位置都可以使用宏；

　　　　　　　　宏指令语句就是宏的应用。

 

　　　　汇编语言的特性：

　　　　　　汇编程序，一般需要两次扫描源程序，才能完成翻译工作。

　　　　　　　　因为汇编指令中，形成操作数地址的部分可能出现后面才会定义的符号，如宏可以在程序的任意位置被“引用”

　　　　　　　　汇编程序，第一次扫描的主要工作是定义符号的值，并创建一个符号表ST

　　　　　　　　有一个固定的机器指令表MOT1；（记录了每条机器指令的记忆码，和指令的长度）

 　　　　　　　　设立一个位置计数器   或  单元地址计算器LC（Location Counter）   （初始值为0）

　　　　　　　　　　　　　为了计算各汇编语句标号的地址。

　　　　　　　　　　LC的值，是随着扫描源程序的进度，逐渐累加；

　　　　　　

　　　　　　　　第二次扫描源程序，是为了产生目标程序（也就是物理计算机可以直接执行的代码程序）

　　　　　　　　　　需要使用到机器指令表 MOT2

　　　　　　　　　　　　MOT2表中，含有机器指令助记符、机器指令的二进制操作码、格式、长度

　　　　　　　　　　需要设定一个伪指令表POT2，供第二次扫描时使用；

　　　　　　　　　　　　POT2的每个元素仍然有两个域：伪指令记忆码   和  相应的子程序入口

　　　　　　　　　　　　第二次扫描时，伪指令有着完全不同的处理方式：

　　　　　　　　　　可执行汇编语句会被翻译成对应的二进制机器代码指令

　　　　　　　　　　　　一、将   机器指令助记符  转换成    二进制机器指令操作代码

　　　　　　　　　　　　二、求出操作数区  各操作数的值（用二进制表示）    （通过查找MOT2表来实现。）

 

 

 　　编译程序基本原理   【这个章节比较难，且内容 比较多】

　　　　六个阶段

　　　　　||　源程序  ——>  词法分析

　　　　　　  ——>  语法分析

　　　　　　  ——>  语义分析

　　　　　　  ——>  中间代码生成

　　　　　　  ——>  代码优化

　　　　　　  ——>  目标代码生成

　　　　　　　　  ——>  目标代码  ||

　　　　　在这六个阶段中，不论哪个阶段都会涉及到    符号表的管理、 出错处理  

 

　　　　需要说明的是，中间代码生成后，就与物理机器无关，这是一个分水岭。

　　　　中间代码，是与汇编语言的指令非常相似的三地址码（其实现方式常用四元式）

 

　　　　代码优化阶段，优化的过程，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。

　　　　

 　　　　词法分析，涉及到有限自动机、（确定的有限自动机DFA  和不确定的有限自动机  NFA）

　　　　　　有限自动机，用于识别装置的抽象概念。它能准确地识别正规集。

　　　　　　正规集、正规表达式   的概念引入；

　　　　

　　　　中间代码的优化和目标代码的生成

　　　　　　优化是对程序的等价交换，使得从变换后的程序能够生成更有效的目标代码；

　　　　　　　　所谓的等级，是不修改程序的执行结果；

　　　　　　　　所谓的有效，是指目标代码的执行时间较短，占用的存储空间较少；

　　　　　　优化可以在编译的各个阶段进行；

　　　　　　最主要的优化，是目标代码生成之前，对中间代码进行的优化，这类优化，不依赖具体的计算机硬件。

　　　　　　

　　　　　　代码生成需要考虑的问题；

　　　　　　　　中间代码的形式

　　　　　　　　目标代码的形式

　　　　　　　　　　分为两大类：汇编语言形式、机器指令形式

　　　　　　　　寄存器的分配

　　　　　　　　　　寄存器资源远远优于内存，但资源数量少；

　　　　　　　　计算次序的选择

　　　　　　　　　　

 

　　解释程序的基本原理

　　　　解释程序，在词法、语法、语义分析方面，与编译程序的工作原理基本相同；

　　　　在运行用户程序时，解释程序直接执行源程序或源程序的中间表示形式；

　　　　解释程序不产生源程序的目标程序；（这个是解释程序与编译程序的主要区别；）

　　　　

 　　　　解释程序实现高级语言的三种方式

　　　　　　

 

 

 　　　　第一种A：解释程序直接对源程序执行，特点：

　　　　　　逐个字符检查，反复扫描源程序，运行效率低；

　　　　第二种和第三种，BC之间的区别，在于中间代码的级别，是否更接近于机器代码；

　　　　　　APL、SNOBOL4都是采用这种方法的；

　　　　高级代码和中间代码间存在着1-n的对应关系；

　　　　中间代码更接近于机器代码，则可移植性更好；（待确认这句话是否理解正确）

　　　　　　

　　　　解释程序的基本结构；

　　　　　　分析部分

　　　　　　　　对源代码进行  词法分析、语法分析、语义分析，经过语义分析，将源代码翻译成中间代码；

　　　　　　解释部分

　　　　　　　　对分析部分产生的中间代码进行解释执行，

 

　　高级语言，编译与解释的比较：

　　　　效率

　　　　　　一般编译比解释的效率更高；

　　　　　　　　解释程序执行过程中需要反复扫描程序；

　　　　　　　　解释程序相比较编译程序，需要更多的内存空间，因为系统在执行用户程序时，还需给解释程序分配内存资源；

　　　　　　

　　　　　　　　编译程序在编译过程中，所需时间比较长，因为不但需要将源程序进行语法语义分析，还需要对目标代码进行优化；

　　　　　　　　　　编译程序比机器语言的源程序，运行时间更长，占用存储空间更多。

　　　　　　　　　　一次编译后，用户程序可以多次使用；

　　

　　　　灵活性

　　　　　　解释程序需反复检查源程序，甚至可在程序执行过程中修改源程序；

　　　　　　可直接定位程序执行错误的地方；

　　　　可移植性；

　　　　　　解释器也是一种程序语言编写的，只需要对解释器进行重新编译，就能适应不同的环境；

 

　　　　由于编译和解释各有优缺点，现在的部分编译系统也同时提供解释功能；

　　　　　　如java虚拟机上发展的一种Compiling-just-in-time技术；

 

 

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考纲有关本章节的要求：

 

 

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本章节需要深入了解的知识点有：

 

 

 

 

 

 

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参考：

1. 《软件设计师教程》（第五版，清华大学出版社，禇华、霍秋艳 主编）

2.  赛迪网校 ：www.ccidedu.com（教学视频资源）

3. 美河学习在线团购组：www.eimhe.com （教学视频来源）

 

备注：

初次编辑时间：2019年10月17日20:29:20

第一次修改时间：2019年10月28日23:04 

环境：Windows 7   / Python 3.7.2