《白话C++》第1章 启蒙 1.5 什么是编程语言

第1章 启蒙

1.5.什么是编程语言

程序是指令按照一定的逻辑组合而成。在游戏中，双方使用的是“自然语言”来表达“指令”。如果游戏双方是聋哑人，那么你用嘴巴说的那套指令就玩不转了——计算机聋不聋不好说，但当我们要对计算机下达指令，人类的那一套得天独厚的，具有悠久历史的自然语言，肯定玩不转了。怎么办？

解决这一问题所要做的第一件事就是：制定“机器语言”——机器有了语言，我们就可以……

等等，机器，没有生命的东西！小猫小狗有语言倒可以接受，机器也有语言，还要我们去学习，这似乎有点亵渎人类的尊严。得把这个结解开，不然部分自尊心特别的学生，可能从此产生心理障碍，无法继续学习编程。

首先一点，语言肯定不仅仅代表有声音的内容，英语、汉语等，说出来是口头语言，写在纸上是文字语言。哑语则是一些手势的所表达符号。

前面我们谈到“指令”，其实语言就是表达那些指令的一套交流符号。只要交流的双方都能正确理解这套符号即可。用人类的语言表达计算机的“指令”，当然绰绰有 余，但关键是机器无法理解。所以让我们且低下高贵的头颅，寻找一套计算机最容易“看明白”的符号，拿它作为计算机的语言，然后我们再去学习它。

让人去学习本适于机器的语言，伤自尊倒是一回事，关键机器语言人类记忆起来很头痛——这一点我们后面就会讲到——还好，事情并未完结：其实，只要有几位先知 先觉的计算机科学家，掌握了机器语言，他们就以此和机器交流，然后就可以慢慢地“教”会计算机“懂得”一些更接近一点人类的新语言。这样，我们这些普通用 户们，就可以直接学习新的编程语言了。

1.5.1.机器语言

什么样语言，可以让计算机一看就能明白呢？

直至今天，我们所用的计算机，叫做“电子计算机”，因为它们的重要组成，仍然是电子元器件。以我超级贫匮的电子方面的知识，我还是能讲出常见的电子元器件有“电阻”和“电容”；其中有关电阻，中学里学过什么“当电压一定时，通过导体的电流与它的阻成反比”

——头好大啊！难道为了学习编程，我们就不得不去学习复杂电子电路的知识？还好，这一切都是杞人忧天。

中国古人曾经发明过算盘，算盘分为上下两个区，其中上区的一颗珠表示5，而下区则一颗珠表示1。发明电子计算机的先哲们（当然包括冯·诺依曼同志），同样聪明，他们找到的，适用于电子计算机的基本符号居然是：“通电”和“断电”。

不过，我们也有疑问，就用“通”、“断”两种状态表达，有些浪费电子元件的表达能力吧？为什么不用电阻或电压值来表达呢？比如，1伏表示数字1，2伏表示数字2，3伏表示数字3……

只采用“通电”、“断电”两种状态作为计算机语言的基本符号，主要出于“精确表达”这一需求。既然名字都叫“计算机”了，如果这家伙它计算不精确，那它再 “能说会道”有什么用？用电压、电阻或电流的值作为语言的符号的话，第一个问题就是精度上难以实现，想想你家的灯泡，给220伏它亮，给它221或219 伏，都是差不多亮，别说人看不出来，拿仪表量，指针也是晃来晃去，因为现实生活中我们难以精确控制电压值。

1.5.2.机器语言的“字母”

科学家用“0”和“1”，来表达“通电”或“断电”。不过它们仅仅是计算机语言的“基本符号”。英语中有26个字母，单词由26个字母组成，然后再由单词组 成语句。我们也可以机器语言有，并且仅有两个字母，那就是“通电”和“断电”，为了表达更简捷一点，我们今后就说成是“0”和“1”（至于0是表示通电还 是断电，我们不去关心了）。

〖轻松一刻〗：用机器语言写份情书吧

哈哈，没想到吧，刚才谁吓唬俺们说机器语言不好学？我看它至少比英语容易13倍。让我们现学现用一下。你有男／女朋友吗？首先你们碰个面，一起约定一些“机器指令”的表示方法，比如：

0 ：你

1 ：我

10 ：老的

11 ：地方、场所

100 ：相见

101 ：想念

111 ：很、非常、那是相当的

1000 ：今天

1001 ：晚上

1011 ：七点钟

1111 ： 亲爱的

今后，你们可以用自定义的计算机机器语言来交流了。比如，这是一封信：

“1111： 1 111 101 0！ 1000 1001 1011 10 11 100。”

1.5.3.二进制（基础）

人类有10个指头，所以人类采用十进制。电子元件有两个最稳定状态，“通电、断电”，所以电子计算机采用了二进制。

十进制中，我们用0～9这十个数字来表达所有的数字，换成二进制，就只能用“0”和“1”来表达所有数字了，在小学老师就教我们 “逢十进1” ，所以我们知道9＋1＝10；那么，在二进制的世界中，1＋1＝10。二进制中的“10”（读成壹零），就是十进制中的2。

用这种方法，就可以用0和1来表达所有数字。但事实上计算机中所有数据最终都是由0和1表达。只不过根据严格的上下文，它们并不一定代表数字。相反，它们可能是一首MP3，一张相片，一封email信件的内容。比如“250610”这串数值，根据上下文的不同，可以被解释成数字“二十五万零六百一十”，也可 以被当成是山东省某个地方的邮政编码，甚至你可以认为它是一段简谱呢。

那么，用只有0和1这两个“字母”的机器语言来编程的话，当然也就是满纸的0和1了——最早的程序确实是写在纸上的，只不过比我们想象的还要有趣，纸是长长的纸带， 而0或1则用画圈圈表示，一圈两圈三圈，有圈的地方估计是表示1？然后交给负责打孔的助手，有圈的地方打上一个孔。当程序需要被执行时，就将纸带塞给机器。机器要实现读懂这些孔，确实不复杂，比如可以用光线来测试，光线能穿过去的地方，应该是1。

1.5.4.汇编语言

还记得我们用二进制写的那份情书吗？

“1111： 1 111 101 01 1000 1001 1011 10 11 100。”

我保守地认为，使用这样的语言写情书，对于增进你们之间的爱意，恐怕帮助不大，但它肯定有利信件内容的保密，同时也利于恋爱两方锻炼记忆力。

纯粹的机器语言实在太难于记忆及辨认了。所以，先哲们立即想到要为它们制定一些助记符。因为计算机是西方人发明的（并不是唯一原因），所以助记符就是一些简短英文字母组合，这些助记符及相应的语法规则，就称为“汇编语言”。

比如，我们要实现这样一段功能：已知b等于1；c等于2；计算b + c值，并将该值赋给a 。那么，用二进制机器语言来表达，可能如下。

10001010 01010101 11000100

00000011 01010101 11000000

10001001 01010101 11001000

用汇编语言来写，则可能如下：

mov edx,[ebp-0x3c]

add edx,[ebp-0x40]

mov [ebp-0x38],edx

汇编语言比机器语言稍稍“人性化”了一点，但仍然不好记忆，二者没有本质的区别，仅是一种简单的翻译，很多时候，我们把汇编语言与机器语言等同视之。

〖轻松一刻〗：汇编语言是“江湖”中的老大

汇编语言是编程界中的“老大”。当初的一片天下是他所打下的，但发展到今天，他已经很少在江湖上露脸了，然而，在一些最困难和紧要的关头，还是要汇编语言出手，其它语言都失灵。

“老大”的做事风格是“密不透风”。有时就算是一件很小的事，“老大”也会使数百行的代码进行攻击。有些人会觉得这种做事风格太繁琐了；然而真正理解“老大”的人，会发现那数百行招式，招招凌厉，直击要害，再一细看，竟然没有哪一招是多余的。

事实上，要想理解汇编语言，最重要的一点就是理解你所处的江湖环境，也就是机器本身，直到你真正理解：“汇编即机器，机器即汇编”，老大与江湖，早就浑然一体，只要你理解并做到这一点，你也可以是“老大”。

 

1.5.5.高级语言

汇编语言和机器语言虽然很难读、难写、难以记忆，但它们不需要额外编译，代码效率高，占用内存少，这相当符合当时计算机的存储器昂贵，处理器功能有限等硬件特点。从这点上讲，机器语言是让人类痛苦，让机器舒服的语言。

我们说过，先哲们迁就一下计算机，发明了“机器语言”，然后就应该“教”会计算机另一些比较靠近人类思维的新语言。

事实正是如此，有了机器语言以后不久，先哲们就开始考虑，如何实现一些让人类用起来舒服点的编程语言了。这些语言当然是在语法组织尽量符合人类的良好思维习惯，不过反过来它们肯定不能被称为“机器语言”，因为机器不可能直接理解这些语言。解决的方法有几个，其中最典型的方法称为“编译”：需要用机器语言先写一个程序，称为“编译器程序”，编译器读入新语言写成的代码，将其转换成机器语言。后来，这个编译器程序也可以用“高级语言”写成。

为了区别于“机器语言”，这些语言被称为“高级语言”。高级语言“高级”在哪里呢？我想，可能是指它们总是尽量接近“高级动物”——人——的思维方式这一点吧？

现阶段，这里所说的人类的“思维方式”，主流是“面向过程”和“面向对象”两种方式。

• 面向过程
  
  日常生活中最常用到的问题解决思路：要完成一件事，先把它分解成多件小事，也就是：把一个相对大的“过程”，拆分出存在时序关系的多个小“过程”。
  
  举个实例。现在一位家族主妇想做一道菜， 那可能就要分成：备菜、炒菜、上桌……等等过程。而其中“备菜”过程，可又以细分为买菜、切菜等等。（坦白承认，我对该业务的过程并不熟悉）
  
  对应到编程语言，通常用函数/function代表过程（也有的语言就直接叫成“过程／procedure”）。
• 面向对象
  
  面向过程的思路很直观，但当问题的复杂度太高时，我们就不太可能很有条理地将理出到底需要多少个子过程——比如让你担当一届奥运会的开幕式导演，这时我们就不应该试图直接把事情从大到小分到很细。
  
  面向对象是在面对复杂问题时，我们首先关注问题将涉及到哪些事物，然后把各个不同类型的事物，当作基本单位，定义它们各自的数据与行为能力，以及不同事物之间的相互关系。
  
  “过程”在“面向对象”的解决思路中依然存在，也依然重要。类似导演在拍电影，剧情就是一部电影的主过程，但是电影的拍摄过程并不按照剧情的发展去拍摄， 复杂的现实情况会左右拍摄次序。比如有时会在一个景区拍完所有和这个景区有关的剧情——此时，“景区”就是一个重要的对象，我们必须围绕这个对象安排事情发展。

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• C语言

C是“面向过程”语言中的佼佼者，其中最重要一条原因在于它的定位：在“人”与“机器”的两极中，它向“人”这一端迈出了非常优雅的一小步。这是C语言自身的一小步，却是编程史上语言发展的一大步。

在符合“人类”思维这一端，它以“面向过程”为思路，同时提供清晰、简单的语法规则。这一语法规则影响了几个重要的后来者，包括Object C、C++、Java、C#、D等语言。

在 接近“机器”特征这一端——比如当我们需写硬件设备的驱动时——C语言甚至被称为“中级”语言。原因就在于它非常优秀地反映了机器，尤其是“内存”的特 征，因此它保证了与汇编语言的良好兼容，从而代替汇编语言，成为操作系统、编译程序，运行环境的第一语言。C++是直接从C语言发展的，最初C++语言甚 至是“编译”成C语言，然后再编译到机器语言。Java语言则完全运行在在由C/C++所构建出来的“虚拟机器”中。

〖轻松一刻〗：老大的女人——C语言

C语言，一个成熟的女人，一个有地位的女人，一个只描淡妆的女人，一个有着深刻内心的女人，一个处理问题时一针见血，最恨绕弯的女人。

比起汇编老大的满口“行话”，C那样的平易近人，比起晚辈中C++／Java/C#的繁复语法，C那样的简洁明了……然而，C是一把锋利的双刃刀！万不可因为她外表上的简易与亲切，就以为可以随意亲近它。深沉的程序员用C解决难题，浅薄的程序员用C实现自我崩溃。

C语言深刻理解汇编老大的意图，所以往往寥寥数语可以代替老大众多的指令组合。和C++明显不同，它从不试图让编译器帮助寻找代码中潜在错误，它把一切可能和一切责任，都给了爱上她的人。

作为老大的女人，C语言不仅可以直接嵌入汇编语言，而且具备超强的“亲和力”， 如果非要找一门能号令天下，让别的高级语言，都支持它的语言，非C莫属。换句话，如果一门高级语言不能调用C语言的接口，那么它就只能是一门“玩具语言”。

Linux、Windows、MAC 等等操作系统，都主要通过C结合汇编语言写成。其中的缘由，大家可以自行掂量。

江湖规矩：“老大的女人”碰不得——其实不然，只要你低调地苦练成一方老大，那么，你可自豪地说“我只喜欢她”，就像Linus。

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• C++语言

编程语言的发展，从“低级”向“高级”不断发展。我们已经说过，“低级”指的是“机器”这一端；而“高级”指的是“人类”这一端。那么，这个发展过程中间，一个最原始的推动力，来自语言所要解决的问题，其所在的领域，也在从“机器的问题”不断地发展到“人类社会的问题”。

一台只有硬件的机器，我们称之为“裸机”。这时候普通人几乎没办法使用它，于是需要为它写一套操作系统。在最广泛使用的两个操作系统中：最初名为 “DOS”，现在则名为“Windows”。从名字上，“磁盘操作系统/disk operator system”显然偏向机器，而“‘窗口’操作系统”，既表示这个操作为使用者提供了“窗口”式的图形用户界面，又表示使用者可以通过它，像推开一户窗口 一样，见到一片新的蓝天白云……

从名称，特别是人操作界面上，Windows比DOS 大大地往“人”的方向前进一步，但操作系统的进化仅仅是一个开始，更重要的是应用软件的进化。一个财务人士，希望用软件管理账务；一个人事专员，希望用软件管理档案；一个厂长，希望用软件管理流水线；一个老师，希望用软件来管理学生成绩；一个公务员，希望用软件来提高为人民服务的质量……这时候，软件的关注重心，不是磁盘、内存、CPU之类的硬件，也不是分区、文件、目录等硬件直接相关的数据，而是人类的社会活动中的种种应用。在这种情况下，侧重于“过程管理”、擅长于和硬件打交道的C语言，开始显得有些力不从心，于是许许多多新的，起点更高的编程语言出现了。C++是出现得比较早的此类语言之一，同时也一门被最为广泛使用的“面向对象”的语言。

从名字上看，C++完全从C语言的基础上发展；而在实现上，C++与是对C语言支持得最好的语言，它继承C语言的很多优点，增强编译器的纠错能力，增加对“面向对象”及“泛型”等编程思想的语法支持。

C++语言被广泛地运用在编写大型的应用软件，比如微软的Office、比如Adobe的Photoshop，前者是全世界最为广泛使用的办公软件，也是微软公司最赚钱的软件。后者则是全世界最为广泛使用的图像处理软件，就算你不会美工，但也总该听过“PS高手”这个词吧。另外，由于与C语言的延续性，因此在往 “机器”发展的方向上，C++也在很多场合下代替了C语言的部分功能，比如Windows操作系统的COM组件、Linux操作系统的一些GUI系统，都主要使用C++完成。

之所以我们选择C++作为第一学习语言，主要原因在于我们要通过它来学习“面向对象”的编程思想，然而C++一门集大成者的语言，它不仅支持“面向对象”、也支持 “基于对象”、“面向过程”，以及最为完善的“泛型”编程思想。从这一点和Java、或C#相比，C++不是一门纯正的“面向对象”的编程语言，但这正是C++所追求的：“不同的问题，用不同的方法”。

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