簡單介紹一下編程方法的歷史演變。
——埃里克·奧（作者）
在計算的早期，硬件很昂貴，而程序員很便宜。 廉價的程序員甚至沒有“程序員”的頭??銜，通常由物理學(xué)家或電氣工程師擔(dān)任這個角色。 早期的計算機被用來快速解決復(fù)雜的物理問題，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。 計算機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。 配方中的每個步驟都包含用于操作數(shù)據(jù)的指令。 聽起來很復(fù)雜，但你似乎知道下面這句話的意思：
1 + 2 = 3
其中減號是“指令”，數(shù)字1和2是數(shù)據(jù)。 等號物理上意味著等式兩邊的部分是“等價的”，但在大多數(shù)編程語言中對變量使用等號意味著“賦值”。 如果計算機執(zhí)行了前面的句子，它會將減法的結(jié)果（即“3”）存儲在顯存中的某處。
計算機知道如何用數(shù)字進(jìn)行物理計算，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。 CPU寄存器的讀寫速度很快，而且占用的空間很小，相當(dāng)于一張速記紙條。 可尋址存儲器一般空間較大，讀寫速度比寄存器差很多。 程序運行時，CPU不斷地將其需要的數(shù)據(jù)從可尋址存儲器移至寄存器，然后將結(jié)果放回可尋址存儲器。
匯編器
當(dāng)時計算機價格昂貴，而人力相對便宜。 程序員需要花費大量時間將手寫的物理表達(dá)式翻譯成計算機可以執(zhí)行的指令。 第一批計算機的用戶界面很糟糕，有些前面板上有翻轉(zhuǎn)開關(guān)。 這種開關(guān)代表視頻存儲器“單元”中的“0”和“1”。 程序員需要配置一個顯存單元物理英文翻譯器，選擇一個存儲位置，然后將該單元提交到顯存。 這是一個耗時且容易出錯的過程。
程序員 （左）和 Fran Bilas（右）正在運行
后來，一位電氣工程師覺得自己的時間很寶貴，于是寫了一個程序，將人們能理解的類似“菜譜”的輸入轉(zhuǎn)換成計算機能理解的版本。 這就是最初的“匯編器”，在當(dāng)時引起了不小的爭議。 如此昂貴的機器的所有者不想將計算資源浪費在人類已經(jīng)可以完成的任務(wù)上（盡管速度慢且容易出錯）。 然而，隨著時間的推移，人們逐漸發(fā)現(xiàn)使用匯編程序在速度和準(zhǔn)確性方面比手動編譯機器語言要好，但計算機所做的“真正的工作量”卻增加了。
雖然匯編器距離切換機器面板上的位狀態(tài)還有很長的路要走，但這些編程方法仍然非常專業(yè)。 里面的乘法實例在匯編語言中看起來像這樣：
01 MOV R0, 1 02 MOV R1, 2 03 ADD R0, R1, R2 04 MOV 64, R0 05 STO R2, R0
每一行都是一條計算機指令，后面是該指令的縮寫，旁邊是該指令所操作的數(shù)據(jù)。 這個小程序首先將值 1“移動”到寄存器 R0，然后將 2 連接到寄存器 R1。 第03行將兩個寄存器R0和R1中的值相乘，并將結(jié)果存儲在寄存器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)存中的存儲位置是編程過程中最耗時且最容易出錯的部分之一。
翻譯員
匯編器已經(jīng)比手寫的計算機指令好得多了，但早期的程序員仍然希望能夠像他們習(xí)慣的方式編寫中文公式一樣編寫程序。 這些需求導(dǎo)致了中間編譯語言的發(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這樣的語言繼續(xù)解決實際問題。
ALGO 和編程語言的譜系樹
這種“高級”語言允許程序員以更簡單的形式編寫程序。 在 C 語言中，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。 在這個反例中，這個顯存應(yīng)該占據(jù)一個整數(shù)的大小，名稱為x。 第二句話是乘法，盡管寫反了。 AC 程序員會說這是“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存儲在顯存中的何處，這個任務(wù)留給編譯器。
這些新程序稱為“編譯器”，可以將用中間語言編寫的程序轉(zhuǎn)換為匯編語言物理英文翻譯器，然后使用匯編器將匯編語言轉(zhuǎn)換為機器可讀的程序。 這些程序組合通常稱為“工具鏈”，因為一個程序的輸出成為另一程序的輸入。
當(dāng)從一臺計算機遷移到另一臺不同型號或品牌的計算機時，編譯語言相對于匯編語言的優(yōu)勢是顯而易見的。 在計算的早期，IBM、DEC、德州儀器和惠普等公司制造了大量不同類型的計算機硬件。 這些計算機不僅都需要連接電源，而且沒有太多共同點。 它們在顯存和CPU架構(gòu)上有很大不同。 當(dāng)時，人們往往需要幾年的時間才能將一臺計算機的程序翻譯成另一臺計算機的程序。
使用中間語言，我們只需要將編譯器工具鏈遷移到新平臺即可。 只要有編譯器可用，用中間語言編寫的程序就可以在新計算機上重新編譯，最多只進(jìn)行微小的更改。 中間語言的編寫是一項真正的革命性成就。
1983 年發(fā)布的 IBM PCXT 是硬件價格上漲的早期例子。
程序員的生活得到了很大的改善。 相比之下，通過中級語言表達(dá)他們想要解決的問題會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，計算機硬件的價格大幅上漲。 計算機變得越來越快、越來越強大，而且價格也越來越便宜。 從某個時間點開始（實際上是 80 年代末），事情發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，程序員的價值超過了他們使用的硬件。
類庫
隨著時間的推移，一種新的編程方法盛行起來。 一種稱為“解釋器”的特殊程序可以直接讀取程序并將其轉(zhuǎn)換為計算機指令以立即執(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。 解釋型語言每次執(zhí)行都要經(jīng)歷這個過程； 一個編譯好的程序只需要編譯一次，然后計算機每次只需要執(zhí)行編譯好的機器指令。
順便說一下，這個特性是人們認(rèn)為解釋程序運行速度較慢的原因。 但現(xiàn)代計算機的功能如此強大，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（有時稱為“腳本”）更容易移植到不同的硬件平臺。 由于該腳本不包含任何特定于機器的指令，因此同一版本的程序可以在許多不同的計算機上運行而無需任何更改。 但實際上，協(xié)程必須先移植到新機器上。
Perl 是一種非常流行的解釋語言。 Perl 中乘法問題的完整表述如下：
$x = 1 + 2
雖然這個程序看上去和C語言版本差不多，操作上也沒有太大區(qū)別，但是缺少初始化變量的語句。 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，我們編寫計算機程序的方式已經(jīng)非常接近物理學(xué)家用筆和紙手寫物理表達(dá)式的方式。
虛擬機
最新的編程方法是虛擬機（通常縮寫為VM）。 虛擬機分為兩類：系統(tǒng)虛擬機和進(jìn)程虛擬機。 兩種類型的虛擬機都提供“真實”計算硬件的不同級別的表示，但它們具有不同的范圍。 系統(tǒng)虛擬機是一種軟件，可替代化學(xué)硬件，而進(jìn)程虛擬機則設(shè)計為以“系統(tǒng)獨立”方式執(zhí)行程序。 所以在這種情況下，進(jìn)程虛擬機（我之前提到的虛擬機就是指這種類型）的作用域和類庫類似，因為程序先被編譯成中間形式，然后虛擬機執(zhí)行這種中間形式。
虛擬機和類庫的主要區(qū)別在于虛擬機創(chuàng)建一個虛擬CPU和一組虛擬指令。 有了這層表示，我們就可以通過編譯后端工具將不同語言的程序編譯成虛擬機可以接受的程序。 似乎最流行和最知名的虛擬機是Java虛擬機（JVM）。 JVM在20世紀(jì)90年代最初只支持Java語言，但現(xiàn)在它可以運行許多流行的編程語言，包括Scala、JRuby、等等。 還有其他不太常見的情況，這里不再贅述。 我也是最近才知道，我最喜歡的語言不是解釋型語言，而是運行在虛擬機上的語言！
虛擬機一直延續(xù)著允許程序員使用特定領(lǐng)域的編程語言來解決問題的歷史趨勢，對特定計算平臺的了解越來越少。
就是這樣
希望您喜歡這篇簡短的文章，它簡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？ 請在評論中告訴我。
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作者：ErikO' 題目：譯者：chen-ni 校對：wxy
本文由 LCTT 原創(chuàng)編譯，Linux China Honor 首發(fā)