1. 程序和编程语言

程序（Program）告诉计算机应如何完成一个计算任务，这里的计算可以是数学运算，比如解方程，也可以是符号运算，比如查找和替换文档中的某个单词。从根本上说，计算机是由数字电路组成的运算机器，只能对数字做运算，程序之所以能做符号运算，是因为符号在计算机内部也是用数字表示的。此外，程序还可以处理声音和图像，声音和图像在计算机内部必然也是用数字表示的，这些数字经过专门的硬件设备转换成人可以听到、看到的声音和图像。

程序由一系列指令（Instruction）组成，指令是指示计算机做某种运算的命令，通常包括以下几类：

• 输入（Input）：从键盘、文件或者其它设备获取数据。
• 输出（Output）：把数据显示到屏幕，或者存入一个文件，或者发送到其它设备。
• 基本运算：执行最基本的数学运算（加减乘除）和数据存取。
• 测试和分支：测试某个条件，然后根据不同的测试结果执行不同的后续指令。
• 循环：重复执行一系列操作。

对于程序来说，有上面这几类指令就足够了。你曾用过的任何一个程序，不管它有多么复杂，都是由这几类指令组成的。程序是那么的复杂，而编写程序可以用的指令却只有这么简单的几种，这中间巨大的落差就要由程序员去填了，所以编写程序理应是一件相当复杂的工作。编写程序可以说就是这样一个过程：把复杂的任务分解成子任务，把子任务再分解成更简单的任务，层层分解，直到最后简单得可以用以上指令来完成。

编程语言（Programming Language）分为低级语言（Low-level Language）和高级语言（High-level Language）。机器语言（Machine Language）和汇编语言（Assembly Language）属于低级语言，直接用计算机指令编写程序。而C、C++、Java、Python等属于高级语言，用语句（Statement）编写程序，语句是计算机指令的抽象表示。

一个语句的三种表示

编程语言	表示形式
C语言	a=b+1;
汇编语言	mov 0x804a01c,%eax add $0x1,%eax mov %eax,0x804a018
机器语言	a1 1c a0 04 08 83 c0 01 a3 18 a0 04 08

计算机只能对数字做运算，符号、声音、图像在计算机内部都要用数字表示，指令也不例外，上表中的机器语言完全由十六进制数字组成。最早的程序员都是直接用机器语言编程，但是很麻烦，需要查大量的表格来确定每个数字表示什么意思，编写出来的程序很不直观，而且容易出错，于是有了汇编语言，把机器语言中一组一组的数字用助记符（Mnemonic）表示，直接用这些助记符写出汇编程序，然后让汇编器（Assembler）去查表把助记符替换成数字，也就把汇编语言翻译成了机器语言。

编译执行的过程

1. 用文本编辑器写一个C程序，保存成文件（例如 program.c）
2. 运行编译器进行编译
3. 生成可执行文件（例如 a.out）
4. 操作系统加载并执行该文件

解释执行的过程

解释执行的语言（如Shell脚本）不需要先生成可执行文件，而是由解释器（Interpreter）直接解释执行每一行命令。

编程语言的发展

• 第一代语言（1GL）：机器语言
• 第二代语言（2GL）：汇编语言
• 第三代语言（3GL）：C、C++、Java、Python等
• 第四代语言（4GL）和第五代语言（5GL）：更多是描述要做什么（Declarative）而不描述具体一步一步怎么做（Imperative）

习题

1. 解释执行的语言相比编译执行的语言有什么优缺点？

这是我们的第一个思考题。本书的思考题通常要求读者系统地总结当前小节的知识，结合以前的知识，并经过一定的推理，然后作答。本书强调的是基本概念，读者应该抓住概念的定义和概念之间的关系来总结。

希望读者掌握以概念为中心的阅读思考习惯，每读一节就总结一套概念之间的关系图画在书上空白处。如果读到后面某一节看到一个讲过的概念，但是记不清在哪一节讲过了，没关系，书后的索引可以帮你找到它是在哪一节定义的。