簡(jiǎn)單介紹一下編程方法的歷史演變。
——埃里克·奧（作者）
在計(jì)算的早期，硬件很昂貴，而程序員很便宜。 廉價(jià)的程序員甚至沒(méi)有“程序員”的頭??銜，通常由物理學(xué)家或電氣工程師擔(dān)任這個(gè)角色。 早期的計(jì)算機(jī)被用來(lái)快速解決復(fù)雜的物理問(wèn)題，因此物理學(xué)家天然適合“編程”工作。
有哪些手續(xù)？
首先，介紹一下背景。 計(jì)算機(jī)本身不能做任何事情，它的任何行為都需要程序的指導(dǎo)。 您可以將程序視為非常精確的配方，它接受輸入并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出。 配方中的每個(gè)步驟都包含用于操作數(shù)據(jù)的指令。 聽(tīng)起來(lái)很復(fù)雜，但你似乎知道下面這句話的意思：
1 + 2 = 3
其中減號(hào)是“指令”，數(shù)字1和2是數(shù)據(jù)。 等號(hào)物理上意味著等式兩邊的部分是“等價(jià)的”，但在大多數(shù)編程語(yǔ)言中對(duì)變量使用等號(hào)意味著“賦值”。 如果計(jì)算機(jī)執(zhí)行了前面的句子，它會(huì)將減法的結(jié)果（即“3”）存儲(chǔ)在顯存中的某處。
計(jì)算機(jī)知道如何用數(shù)字進(jìn)行物理計(jì)算，以及如何連接內(nèi)存結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)。 顯存這里就不展開(kāi)了，只需知道顯存一般分為“速度快/空間小”和“速度慢/空間大”兩類(lèi)。 CPU寄存器的讀寫(xiě)速度很快，而且占用的空間很小，相當(dāng)于一張速記紙條。 可尋址存儲(chǔ)器一般空間較大，讀寫(xiě)速度比寄存器差很多。 程序運(yùn)行時(shí)，CPU不斷地將其需要的數(shù)據(jù)從可尋址存儲(chǔ)器移至寄存器，然后將結(jié)果放回可尋址存儲(chǔ)器。
匯編器
當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，而人力相對(duì)便宜。 程序員需要花費(fèi)大量時(shí)間將手寫(xiě)的物理表達(dá)式翻譯成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的指令。 第一批計(jì)算機(jī)的用戶(hù)界面很糟糕，有些前面板上有翻轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)。 這種開(kāi)關(guān)代表視頻存儲(chǔ)器“單元”中的“0”和“1”。 程序員需要配置一個(gè)顯存單元物理英文翻譯器，選擇一個(gè)存儲(chǔ)位置，然后將該單元提交到顯存。 這是一個(gè)耗時(shí)且容易出錯(cuò)的過(guò)程。
程序員 （左）和 Fran Bilas（右）正在運(yùn)行
后來(lái)，一位電氣工程師覺(jué)得自己的時(shí)間很寶貴，于是寫(xiě)了一個(gè)程序，將人們能理解的類(lèi)似“菜譜”的輸入轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能理解的版本。 這就是最初的“匯編器”，在當(dāng)時(shí)引起了不小的爭(zhēng)議。 如此昂貴的機(jī)器的所有者不想將計(jì)算資源浪費(fèi)在人類(lèi)已經(jīng)可以完成的任務(wù)上（盡管速度慢且容易出錯(cuò)）。 然而，隨著時(shí)間的推移，人們逐漸發(fā)現(xiàn)使用匯編程序在速度和準(zhǔn)確性方面比手動(dòng)編譯機(jī)器語(yǔ)言要好，但計(jì)算機(jī)所做的“真正的工作量”卻增加了。
雖然匯編器距離切換機(jī)器面板上的位狀態(tài)還有很長(zhǎng)的路要走，但這些編程方法仍然非常專(zhuān)業(yè)。 里面的乘法實(shí)例在匯編語(yǔ)言中看起來(lái)像這樣：
01 MOV R0, 1 02 MOV R1, 2 03 ADD R0, R1, R2 04 MOV 64, R0 05 STO R2, R0
每一行都是一條計(jì)算機(jī)指令，后面是該指令的縮寫(xiě)，旁邊是該指令所操作的數(shù)據(jù)。 這個(gè)小程序首先將值 1“移動(dòng)”到寄存器 R0，然后將 2 連接到寄存器 R1。 第03行將兩個(gè)寄存器R0和R1中的值相乘，并將結(jié)果存儲(chǔ)在寄存器R2中。 最后，第 04 行和第 05 行確定結(jié)果應(yīng)放置在尋址存儲(chǔ)器中的位置（本例中為地址 64）。 管理數(shù)據(jù)在視頻內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置是編程過(guò)程中最耗時(shí)且最容易出錯(cuò)的部分之一。
翻譯員
匯編器已經(jīng)比手寫(xiě)的計(jì)算機(jī)指令好得多了，但早期的程序員仍然希望能夠像他們習(xí)慣的方式編寫(xiě)中文公式一樣編寫(xiě)程序。 這些需求導(dǎo)致了中間編譯語(yǔ)言的發(fā)展，其中一些早已不復(fù)存在，而另一些至今仍在使用。 例如ALGO早已不復(fù)存在，而像C和C這樣的語(yǔ)言繼續(xù)解決實(shí)際問(wèn)題。
ALGO 和編程語(yǔ)言的譜系樹(shù)
這種“高級(jí)”語(yǔ)言允許程序員以更簡(jiǎn)單的形式編寫(xiě)程序。 在 C 語(yǔ)言中，我們的乘法程序如下所示：
int x; x = 1 + 2;
第一句話描述了程序?qū)⑹褂玫囊曨l內(nèi)存塊。 在這個(gè)反例中，這個(gè)顯存應(yīng)該占據(jù)一個(gè)整數(shù)的大小，名稱(chēng)為x。 第二句話是乘法，盡管寫(xiě)反了。 AC 程序員會(huì)說(shuō)這是“X 被參數(shù)化為 1 加 2 的結(jié)果”。 需要注意的是，程序員不需要決定將x存儲(chǔ)在顯存中的何處，這個(gè)任務(wù)留給編譯器。
這些新程序稱(chēng)為“編譯器”，可以將用中間語(yǔ)言編寫(xiě)的程序轉(zhuǎn)換為匯編語(yǔ)言物理英文翻譯器，然后使用匯編器將匯編語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為機(jī)器可讀的程序。 這些程序組合通常稱(chēng)為“工具鏈”，因?yàn)橐粋€(gè)程序的輸出成為另一程序的輸入。
當(dāng)從一臺(tái)計(jì)算機(jī)遷移到另一臺(tái)不同型號(hào)或品牌的計(jì)算機(jī)時(shí)，編譯語(yǔ)言相對(duì)于匯編語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的。 在計(jì)算的早期，IBM、DEC、德州儀器和惠普等公司制造了大量不同類(lèi)型的計(jì)算機(jī)硬件。 這些計(jì)算機(jī)不僅都需要連接電源，而且沒(méi)有太多共同點(diǎn)。 它們?cè)陲@存和CPU架構(gòu)上有很大不同。 當(dāng)時(shí)，人們往往需要幾年的時(shí)間才能將一臺(tái)計(jì)算機(jī)的程序翻譯成另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的程序。
使用中間語(yǔ)言，我們只需要將編譯器工具鏈遷移到新平臺(tái)即可。 只要有編譯器可用，用中間語(yǔ)言編寫(xiě)的程序就可以在新計(jì)算機(jī)上重新編譯，最多只進(jìn)行微小的更改。 中間語(yǔ)言的編寫(xiě)是一項(xiàng)真正的革命性成就。
1983 年發(fā)布的 IBM PCXT 是硬件價(jià)格上漲的早期例子。
程序員的生活得到了很大的改善。 相比之下，通過(guò)中級(jí)語(yǔ)言表達(dá)他們想要解決的問(wèn)題會(huì)讓事情變得容易很多。 由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步和集成芯片的發(fā)明，計(jì)算機(jī)硬件的價(jià)格大幅上漲。 計(jì)算機(jī)變得越來(lái)越快、越來(lái)越強(qiáng)大，而且價(jià)格也越來(lái)越便宜。 從某個(gè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)始（實(shí)際上是 80 年代末），事情發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，程序員的價(jià)值超過(guò)了他們使用的硬件。
類(lèi)庫(kù)
隨著時(shí)間的推移，一種新的編程方法盛行起來(lái)。 一種稱(chēng)為“解釋器”的特殊程序可以直接讀取程序并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)指令以立即執(zhí)行。 與編譯器非常相似，協(xié)程讀取程序并將其轉(zhuǎn)換為中間形式。 但與編譯器不同的是，協(xié)程直接執(zhí)行程序的這種中間形式。 解釋型語(yǔ)言每次執(zhí)行都要經(jīng)歷這個(gè)過(guò)程； 一個(gè)編譯好的程序只需要編譯一次，然后計(jì)算機(jī)每次只需要執(zhí)行編譯好的機(jī)器指令。
順便說(shuō)一下，這個(gè)特性是人們認(rèn)為解釋程序運(yùn)行速度較慢的原因。 但現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的功能如此強(qiáng)大，以至于大多數(shù)人很難區(qū)分編譯程序和解釋程序之間的區(qū)別。
解釋型程序（有時(shí)稱(chēng)為“腳本”）更容易移植到不同的硬件平臺(tái)。 由于該腳本不包含任何特定于機(jī)器的指令，因此同一版本的程序可以在許多不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行而無(wú)需任何更改。 但實(shí)際上，協(xié)程必須先移植到新機(jī)器上。
Perl 是一種非常流行的解釋語(yǔ)言。 Perl 中乘法問(wèn)題的完整表述如下：
$x = 1 + 2
雖然這個(gè)程序看上去和C語(yǔ)言版本差不多，操作上也沒(méi)有太大區(qū)別，但是缺少初始化變量的語(yǔ)句。 盡管還存在一些其他差異（超出了本文的范圍），但您應(yīng)該已經(jīng)注意到，我們編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序的方式已經(jīng)非常接近物理學(xué)家用筆和紙手寫(xiě)物理表達(dá)式的方式。
虛擬機(jī)
最新的編程方法是虛擬機(jī)（通常縮寫(xiě)為VM）。 虛擬機(jī)分為兩類(lèi)：系統(tǒng)虛擬機(jī)和進(jìn)程虛擬機(jī)。 兩種類(lèi)型的虛擬機(jī)都提供“真實(shí)”計(jì)算硬件的不同級(jí)別的表示，但它們具有不同的范圍。 系統(tǒng)虛擬機(jī)是一種軟件，可替代化學(xué)硬件，而進(jìn)程虛擬機(jī)則設(shè)計(jì)為以“系統(tǒng)獨(dú)立”方式執(zhí)行程序。 所以在這種情況下，進(jìn)程虛擬機(jī)（我之前提到的虛擬機(jī)就是指這種類(lèi)型）的作用域和類(lèi)庫(kù)類(lèi)似，因?yàn)槌绦蛳缺痪幾g成中間形式，然后虛擬機(jī)執(zhí)行這種中間形式。
虛擬機(jī)和類(lèi)庫(kù)的主要區(qū)別在于虛擬機(jī)創(chuàng)建一個(gè)虛擬CPU和一組虛擬指令。 有了這層表示，我們就可以通過(guò)編譯后端工具將不同語(yǔ)言的程序編譯成虛擬機(jī)可以接受的程序。 似乎最流行和最知名的虛擬機(jī)是Java虛擬機(jī)（JVM）。 JVM在20世紀(jì)90年代最初只支持Java語(yǔ)言，但現(xiàn)在它可以運(yùn)行許多流行的編程語(yǔ)言，包括Scala、JRuby、等等。 還有其他不太常見(jiàn)的情況，這里不再贅述。 我也是最近才知道，我最喜歡的語(yǔ)言不是解釋型語(yǔ)言，而是運(yùn)行在虛擬機(jī)上的語(yǔ)言！
虛擬機(jī)一直延續(xù)著允許程序員使用特定領(lǐng)域的編程語(yǔ)言來(lái)解決問(wèn)題的歷史趨勢(shì)，對(duì)特定計(jì)算平臺(tái)的了解越來(lái)越少。
就是這樣
希望您喜歡這篇簡(jiǎn)短的文章，它簡(jiǎn)要解釋了該軟件在幕后的工作原理。 您還希望我了解其他主題嗎？ 請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論中告訴我。
通過(guò)：
作者：ErikO' 題目：譯者：chen-ni 校對(duì)：wxy
本文由 LCTT 原創(chuàng)編譯，Linux China Honor 首發(fā)