计算机科学速成课 Crash Course Computer Science 第十一集 编程语言发展史 The First Programming Languages

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计算机科学速成课 Crash Course Computer Science

第十一集 编程语言发展史 The First Programming Languages

伪代码

计算机能处理二进制，二进制是处理器的“母语”，这叫“机器语言”（machine language）或“机器码”（machine code）。在计算机早期阶段是必须用机器码写程序，具体来讲，会先在纸上用英语写一个“高层次版”，这种对程序的高层次描述称为“伪代码”（Pseudo-Code）。在纸上写好后，用“操作码表”把伪代码转成二进制机器码，翻译完成后程序可以输入计算机并运行。

汇编

在1940~1950年代，程序员开发出一种新语言，更可读并更高层次，每个操作码分配一个简单的名字叫做“助记符”（mnemonics），助记符后面紧跟着数据形成完整指令。与其用1和0写代码，程序员可以写“LOAD_A 14”。CPU并不知道LOAD_A 14是什么意思，只能理解二进制，所以程序员写二进制程序来帮忙，它可以理解文字指令并自动转成二进制指令，这种程序叫汇编器（Assembler），汇编器读取用“汇编语言”写的程序，然后转成“机器码”。随着时间推移，汇编器有越来越多功能，使得编程更容易，其中一个功能是自动分析 JUMP 地址，汇编器不用固定跳转地址，而是插入可跳转的标签，当程序被传入汇编器，汇编器会自己搞定跳转地址，程序员可以专心编程而不用管底层细节，隐藏不必要细节来做更复杂的工作。

即使汇编器有这些厉害功能，汇编只是修饰了一下机器码，一般来说，一条汇编指令对应一条机器指令，所以汇编码和底层硬件的连接很紧密，汇编器仍然强迫程序员思考用什么寄存器和内存地址，如果你突然要一个额外的数则可能要改很多代码。

编译器

葛丽丝·霍普博士作为美国海军军官，是哈佛1号计算机的首批程序员之一，这台机器在1944年战时建造完成并帮助盟军作战，程序写在打孔纸带上，放进计算机执行。Mark 1 的指令集非常原始（甚至没有 JUMP 指令），如果代码要跑不止一次，就得把带子的两端连起来做成循环。战后，霍普继续在计算机前沿工作，她设计了一个高级编程语言，叫“算术语言版本0”（arithmetic language version 0），简称“A-0”。汇编与机器指令是一一对应的，但是一行高级编程语言可能会转成几十条二进制指令。为了做到这种复杂转换，Hopper在1952年创造了第一个编译器（compiler），编译器专门把高级语言转成低级语言（比如汇编或机器码，CPU可以直接执行机器码）。

程序员不用管寄存器或内存位置，编译器会完成这些细节，程序员只需要创建代表内存地址的抽象——变量（variables）。

FORTRAN

FORTRAN，名字来自于“Formula Translation”，这门语言数年后由IBM在1957年发布，主宰了早期计算机编程。FORTRAN项目总监John Backus说过：“Much of my work has come from being lazy. I didn’t like writing programs, and so … I started work on a programming system to make it easier to write programs”。平均来说，FORTRAN写的程序比等同的手写汇编代码短20倍，然后FORTRAN编译器会把代码转成机器码。因为能让程序员写程序更快，所以成了一个更经济的选择，运行速度慢一点点，编程速度大大加快。

COBOL

当时IBM在卖计算机，因此最初FORTRAN代码只能跑在IBM计算机上，1950年代大多数编程语言和编译器只能运行在一种计算机上，如果升级电脑可能要重写所有代码。因此工业界，学术界，政府的计算机专家在1959年组建了一个联盟——数据系统语言委员会，Grace Hopper担任顾问，开发一种通用编程语言，可以在不同机器上通用，最后诞生了一门高级，易于使用，“普通面向商业语言”，简称COBOL。

为了兼容不同底层硬件，每个计算架构需要一个COBOL编译器，最重要的是，这些编译器都可以接收相同COBOL代码，不管是什么电脑，这叫“一次编写，到处运行”（write once，run anywhere），如今大多数编程语言都是这样，不必接触CPU特有的汇编码和机器码。

现代发展

在1960年代，有ALGOL，LISP和BASIC等语言，70年代有Pascal，C和Smalltalk，80年代有C++，Objective-C和Perl，90年代有Python，Ruby和Java，最新的有Swift，C#，Go。