语言设计的相关知识

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一、与程序设计语言有关的人
1. 语言的设计者。
2. 语言的实现者。
3. 语言的使用者。

二、历史上有重要影响的程序语言

1. 汇编语言
1948年，英国 David Wheeler (惠勒) 为剑桥大学发明的计算机 EDSAC 写了他称之为起始指令的30行指令。这就是汇编语言的开端。

2. Fortran 语言
意为 FORmula TRANslation。由 IBM 公司 Backus 领导的团队设计，于 1957 年推出的第一个的高级语言，主要用于科学计算。引入了高级语言的许多概念，如变量、赋值、数组、无条件(goto)语句、条件语句、循环语句、读语句、写语句、子程序等。

3. ALGOL 语言
意为 Algorithm Language。由德国和美国的科学家设计，于1960年推出 ALGOL 60。首次用巴科斯-诺尔范式(BNF)描述。引入了程序块 (Block)、递归过程、动态数组等新概念。ALGOL 在欧洲、中国等国家得到了广泛的应用。

4. COBOL 语言
由女程序员 Grace Hopper (1906-1992) 博士领导的一个工作委员会，研制出的第一个的商用编程语言。引入了文件、数据描述、变体记录等概念。该语言的语句近似于英语句子。Grace Hopper 为大型数字计算机 Mark-I、Mark-II、Mark-III 写出了大量程序，写出了世界上第一个编译程序 A-0。

5. LISP 语言
由麻省理工学院 John McCarchy 于1960年设计和实现的人工智能语言，是第一个的函数式语言。采用统一的数据结构——表(list)，程序作为数据的一部分。

6. Pascal 语言
由美籍瑞士人 Niklaus Wirth 设计、并于1970年推出的语言。支持记录和指针的动态数据分配(new)，支持嵌套(局部)过程和函数。在多达20年的时间里成为大学里广泛使用的教学语言。

7. C 语言
美国 Bell 实验室的 Richie 于1973年发明。直至今天，仍广泛用于系统编程、应用编程和教学，生机勃勃。在编程中大量使用指针，既灵活、高效，也是许多难以查出的错误的来源。

8. Ada 语言
表现能力很强的通用程序设计语言，它是美国国防部为克服软件开发危机而招标，耗费巨资，历时近20年研制成功。以严谨、高度安全为目标，实现了软件工程学的许多思想。多用于军用软件开发。

9. C++
基于 C 语言，引入了面向对象。功能强大，支持泛型，有一个庞大的库。语法晦涩。

10. Java 语言
由美国 Sun 公司的 James Gosling 领导的小组设计，于1995年推出。其面向对象的特性，类似于C++语言。也有一个庞大的库。采用垃圾回收、数组下标越界检查，取消了显式的指针，程序安全性高。采用独立于平台的Java虚拟机，目标程序的执行速度比C/C++慢。多用于大型项目开发。

三、数据类型

1. 基本类型
C:
void,
(unsigned )char, (unsigned )int, (unsigned )long, enum,
float, double, long double。

Pascal:
integer, real, char, boolean。

Ada:
Boolear, Character, Integer, Float。

Java:
boolean, char, byte, short, int, long, float, double。

2. 结构类型
C:
struct {
char id[20];
int age;
} person;

Pascal:
person: record
id: array[1..20] of char;
age: integer;
end;

Ada:
type Coordinate is
record
x: INTEGER range 0..1023;
y: CHARACTER;
end;

3. 数组
Pascal：
var a: array[1..50] of char;

C:
char a[50];

4. 指针和递归定义

二叉树的定义：
C:
typedef Node * Tree;
struct Node {
int data;
Tree left, right;
};

Pascal:
type
Tree = ^Node;
Node = record
data: int;
left, right: Tree;
end;

Ada:
type Node;
type Tree is access Node;
type Node is
record
data: INTEGER;
left, right: Tree;
end;

5. 枚举和集合

Pascal:
type Color = (red, green, blue, black, white);
var set of Color;

C:
typedef enum {red, green, blue, black, white} Color;

Ada:
type BOOLEAN is (FALSE, TRUE);

6. 子界

Ada:
type Score is range 0..100;

Pascal:
type Score = 0..100;

C:
无。

四、类型检测

1. 类型的兼容性 (compatible) 检测

表达式中的运算对象，赋值中右边和左边，函数调用中实参和形参，编译时要检查类型是否兼容。

如在 C 中，
int a = 100, x;
double b = 0.618;
char c = 'A';
char * st = "Hello.";

x = a + b + c; // 合法
a + st // 不合法

但在 JavaScript 中，数和字符串相加是合法的。

类型检测是语言可靠性中的一个重要因素。编译时的类型检测要比运行时的类型检测更为理想，因为运行时的类型检测代价很高。程序中的错误发现得越早，改正错误的代价就越低。

现代语言还具有及时改正运行时错误，即异常处理的能力。

2. 类型等价

有两类等价：

1) 名字等价：具有相同的类型名者，为等价。

2) 结构等价：具有相同的结构者，为等价。

C 语言规定: 1) struct 和 union 采用名字等价。2) 数组和指针采用结构等价。

示例：
1)
#include <stdio.h>
struct Point {
double x, y;
};

struct Pos {
double x, y;
};

int main() {
struct Point p = {1.2, -2};
struct Pos q;

q = p; //出错：struct 不采用结构等价
printf("q = {%g, %g}\n", q.x, q.y);
}

2)
#include <stdio.h>
struct Point {
double x, y;
};

typedef struct Point Complex;

int main() {
struct Point p = {1.2, -2};
Complex r;

r = p; //合法：struct 采用名字等价
printf("r = {%g, %g}\n", r.x, r.y);
}

3)
typedef struct {
char *id;
int sym;
} Keyword;

Keyword keywords[] = {
{ "int", INT },
{ "double", DOUBLE },
{ "if", IF },
{ "else", ELSE },
{ "while", WHILE },
{ "read", READ },
{ "print", PRINT },
{ "return", RETURN },
{ NULL, 0 }
};

int keyword_lookup(char *id) {
Keyword * q = keywords; // 数组和指针采用结构等价
while (q->id != NULL && strcmp(q->id, id) != 0)
q++;
return q->sym;
}

五、语言的种类

1. 命令式语言 (Imperative Language)
编程以赋值为基础，通过值的改变实现计算，是对图灵机理论的实现。冯·诺依曼提出了实现命令式编程机器的体系结构。

现实中广泛应用的语言大多数属于命令式语言，从 FORTRAN、Algol、Pascal、C，到 C++、Java 等都是。因为,今天的计算机仍属于冯·诺依曼架构，其机器语言以值的改变为特征，因此命令式编程语言容易编译为机器语言，实现高效的计算。

2. 函数式语言 (Functional Language)
实现了一种编程模型，将计算机运算看做是数学中函数的计算，避免了状态和数据 (变量) 的可变性。以阿隆左·丘奇的 lambda 演算为基础，强调无副作用、惰性求值、局部套用等理念。

1958年，MIT 教授 John McCarthy 设计了第一个函数式语言 Lisp，用于符号数据处理，如微积分运算。之后出现了不同纯度的函数式语言：ML，Scheme，Haskell，JavaScript，Erlang，等。

纯的函数式语言中，函数用于几乎一切的计算，包括加减乘除，并取代变量。变量是表达式的别名，只能赋值一次，值不能更改。函数调用无副作用，天生适用于并行编程。弥补了命令式语言的缺陷：并行编程非常复杂，依赖于信号量、锁，程序员不堪重负。

六、语言的定义和标准

1. 语言定义
编程语言由语言参考手册定义。其中语法由文法规则或语法图定义，语义则由自然语言描述。

2. 语言标准
具有世界范围流行的语言，国际标准化组织为其制定的标准。如 C89、C99等。

七、语言设计的目标

1. 简单性
简单性强的语言可读性也强，编写程序也容易。如 SQL、C 可读性强，C++ 可读性不强。

2. 表达性
语言的表达能力。