《编程机制探析》第五章 命令式编程

《编程机制探析》第五章 命令式编程

从本章开始，我们会接触到真实的编程语言。但本书并不是一本编程语言语法入门书，本书旨在讲述最关键的编程模型核心概念，因此，本书通常会直接跳到最能够体现该语言编程模型的编程代码范例，而不会从头讲述某一种语言的讲法。有过编程经验的读者，阅读代码会感觉轻松一些。我尽量写得平实易懂，希望没有过编程经验的读者，也能够比较容易地理解。
前面讲了，所谓计算机程序，其实就是一份计算机照着执行的工作流程表。那些工作流程表都是一条条的祈使命令语句组成的。比如，先做这个，再做那个。在这种条件下做这个，在那种条件下，做那个。等等。这种命令式的、顺序执行的编程模型，叫做命令式编程（Imperative Programming），对应的编程语言自然就是命令式语言（Imperative Language）。前面提到的计算机CPU的工作语言——汇编语言，就是命令式语言的一种。可见，计算机在硬件结构上天生就是命令式的、顺序式的。
命令式编程模型简单直观，而且符合底层计算机硬件结构，因而大行其道，相应的，命令式语言也是当前的主流编程语言。当然，一般来讲，主旋律之外都少不了杂音。命令式语言之外，当然也少不了非命令式编程语言，比如，函数式编程语言（Functional Programming Language），就是一种与命令式语言概念区别甚大的一种非命令式编程语言。
本书中涉及到的编程语言主要有两种——命令式语言和函数式语言。函数式语言将在本书的后续章节中讲述，本章先对命令式语言的一些重要概念进行阐述。
汇编语言是原初形式的命令式语言，其工作模型完全是建立在内存模型（包括寄存器在内）的基础上的。高级命令式语言虽然在表面概念上比汇编语言更加抽象，更加高端，但是，其内在运行模式仍然是建立在内存模型的基础之上的。
首先，我们需要着重讲解命令式语言中最基本、最核心的语句——“赋值”语句。
赋值语句是命令式语言中最常见的语句，形式上看起来很简单，但是，概念上却极其复杂。我们必须从赋值语句的基本形式开始，一步步讲述其基本概念。
在大部分的主流命令式编程语言中，“赋值”语句是用“等号”（=）来表述的。比如，在C、C++、Java、C#、Python、Ruby等命令式编程语言中，赋值语句都是用“=”这个符号来表述的。在这些语言中，“=”也叫做赋值符号。
赋值符号（“=”）的左边部分，叫做左值。赋值符号（“=”）的右边部分，叫做右值。左值和右值的定义十分直观，很容易理解。但是，接下来的问题，却没有那么容易理解了。
到现在为止，我们已经有了一条赋值语句的基本形式：左值 = 右值
那么，左值和右值具体是什么呢？用编程术语来说，左值是变量名，右值是表达式。
赋值语句就可以写成这样：变量名 = 表达式
这就涉及到编程语言中两个十分重要的概念——变量和表达式。这两个词语源自于数学（代数）中的概念。编程语言借用这两个词语来表达编程模型中类似的概念。当然，在编程语言中，这两个词语带有了一些编程语言特有的特色，不像在代数中那么纯粹。
表达式的概念相对来说纯粹一点，我们先来讲表达式的概念。
我们可以把表达式理解为一个数学公式。可以十分简单，比如，可以就是一个数字，也可以十分复杂，比如，（1 + 2）* 15 / 26 – 13。
注：在计算机键盘上并没有乘号和除号这两个符号，因此，在计算机语言编程中，我们用 * 表示乘号，用 / 表示除号。这也是计算机编程语言的一种惯例。
变量的概念相对来说就不那么纯粹了。一方面，编程语言的变量的概念与代数中的变量概念类似，变量名通常以字母开头，代表变化的数值。另一方面，编程语言的变量又具有自己的特色。下面我们就主要讲解编程语言中的变量的诸多特性。
在编程语言的赋值语句中，变量名既可以出现在左边，也可以出现在右边的表达式。
比如，下述两个赋值语句。
x = 1
y = x + 1
x和y都是变量名。x既可以出现在赋值符号（=）的左边，也可以出现在赋值符号（=）的右边。
到现在为止，一切都显得那么和谐。上面的两条赋值语句看起来很正常，等号两边的变量或者表达式都满足相等的条件。“=”这个符号既表达了赋值符号的含义，又表达了“相等”的含义，与代数中的含义完全一致。看起来，一切都很顺利。但是，这只是假象。在编程语言中，赋值符号（=）丝毫没有“相等”的含义。之所以看起来好像“相等”，只是因为巧合而已。下面，我们再来看一条在代数中不可能成立的赋值语句。
x = x + 1
这种表达在代数中是不成立的，在命令式编程语言中，却是完全成立的。那么，这条语句代表了什么含义呢？
我们前面说过，命令式语言是有顺序的、并且按照顺序执行的。赋值语句的执行过程是这样的，首先，执行赋值符号（=）右边的表达式，得出结果之后，再把结果存入赋值符号左边的变量名。
那么，x = x + 1 这条语句的执行过程就是这样的。
首先，计算机执行赋值符号（=）右边的表达式 x + 1。在执行这个表达式的时候，计算机首先要取得x的值，然后，再把这个值和1相加，得到一个结果数值。到此，右边表达式结束，计算机继续执行，将得到的表达式计算结果存入到x这个变量名。这条语句执行结束之后，最终，x的数值就比之前增加了1。比如，x之前是0，那么赋值语句执行之后就是1。如果x之前是15，那么赋值语句执行之后就是16。
我们可以看到，x这个变量名具有两面性。一方面，x可以被计算机读取（计算机执行右边表达式的时候）；一方面，x还可以被计算机写入（计算机执行赋值语句到最后一个步骤的时候）。
在命令式编程语言中，所有的变量名都具有这种两面性。可以读，也可以写，因此，可能时时变化。这也符合了变量这个名词的字面含义——可以变化的数量值。与之相对的，就是常量这个名词。常量是具有固定数值的、不可改变的数量值。常量的概念比较简单，不再赘述。
初次接触编程语言的读者，通常会被赋值符号（=）的含义弄糊涂。所以，一定要记住，在绝大多数命令式编程语言中，“=”的含义不是“相等”，而是“赋值”。
在一些语法严格、定义规范的语言中，比如，Pascal语言，赋值符号并不是“=”，而是“:=”，即，等号前面多了一个冒号（“:”）。这种赋值符号的定义，有效地减少了概念上混淆的可能性。当然，这种赋值符号的定义方法带来了一个不便之处，那就是每次都要多写一个冒号。
我的建议是，当你初次接触编程语言时，可以先从Pascal语言开始。当学会了简单的语法和编程概念之后，再转向其他主流编程语言。这样可以避免赋值符号带来的概念上的混淆。
另外，既然本书已经涉及到了具体语法，这里就顺便给出一些编程语言语法学习方面的一些提示。
每一门编程语言都有自己的主网站。当你学习某一门编程语言的时候，最好从那门语言的主网站开始，那上面都有一些入门的简单例子，可以帮助你迅速获得一个直观印象。
如何才能找到某一门编程语言的主网站呢？有经验的读者早就知道答案了。对了，当然是用搜索引擎。比如，你想搜索python这个语言的主网站，你就可以在你就在搜索引擎（google, yahoo, baidu, bing等）中输入python这个英文单词，然后搜索。有时候，如果某一门编程语言的名字太过大众化，你还需要加上language（语言）这个英文单词，从而得到更准确的搜索结果。
你遇到语法概念不清楚的问题的时候，你想深入了解其语法定义规范的时候，你需要知道这么一个英文单词（Specification）。比如，如果你想了解Java语法规范的时候，你就在搜索引擎中使用这么几个关键字：Java Language Specification。
这样，你就可以迅速定位到该语言的语法规范定义。通过阅读语法规范，你可以对这门语言的设计初衷和实现思路有个大致了解，从而更好地了解该门语言的优缺点。
另外一个你需要掌握的关键字是BNF。这个英文缩写的含义是巴科斯范式(BNF: Backus-Naur Form 的缩写)，是由 John Backus 和 Peter Naur 首次引入一种形式化符号来描述给定语言的语法。
几乎每一门编程语言都有自己的BNF语法形式描述。BNF语法形式描述直观地定义了某一门编程语言的词法分析构成，所有的语法结构和关键字都一目了然。
BNF本身也是一门语言，而且是定义语言的语言，自然也有自己的语法，不过，BNF的语法规则很简单，多看几遍就会了，不用费什么功夫。
我的建议是，当你学习某一门语言的时候，最好顺便观摩一下该语言的BNF定义。如何观摩呢？当然是在网上搜索。比如，你想看一下C语言的BNF定义，你就搜索C和BNF这两个关键字就可以了。
随着你对编程语言认识的深入，BNF的重要性就会愈发凸显出来，尤其是当你打算自己定义一门语言的时候。
好了，现在让我们回到赋值语句的主题。前面讲到，变量名既可以出现在赋值符号（=）的左边，也可以出现在赋值符号（=）的右边。当变量名出现在赋值符号右边的时候，就表示读取这个变量的值。当变量名出现在左边的时候，就表示整个表达式的执行结果将存入这个变量。那么，变量到底是个什么东西呢？
我们知道，所有的计算机程序全都是在计算机内存中运行的。变量可以读，也可以写，这非常符合内存单元的特性。很明显的，变量可以对应到一个内存单元。
如同上一章结尾时的那个例子，我们可以想象一个巨大的柜子（内存），上面布满了小格子（最小内存单元）。每个小格子都有自己单独的地址（内存地址）。其中一个小格子上面贴了一个标签，上面写着“x”。这就定义了一个名字叫做“x”的变量。
当“x”出现在赋值符号的右边表达式中的时候，就意味着，贴着“x”标签的内存单元中的内容被读出。当“x”出现在赋值符号的左边的时候，就意味着，贴着“x”标签的内存单元中的内容被改变成右边表达式的最终执行结果。
这个模型映射得很好，非常直观，一点弯也都没有绕。高级命令式语言中的变量概念可以直接映射到计算机内存结构中。
但是，现在有这样一个问题。我们需要将高级命令式语言中的变量概念直接映射到内存结构中吗？换句话说，我们既然使用了高级语言，为什么不能在更抽象、更高级的层次上编程呢？为什么一定要在脑海中把变量这个概念映射到内存单元的层次呢？
其实，高级语言确实有这样的设计初衷，希望程序员能够在更高级、更抽象的层次上思考问题，而不用考虑底层实现细节。在很多浅显的编程入门书籍中，根本就不会讲到变量与内存单元映射的这个知识点。本书特意强调这个知识点，是从我本人的实际经验出发。
在我学习和应用高级命令式语言的过程中，我发现，高级命令式语言中有不少概念含糊不清，模棱两可，含糊不清，很难说得通，但是，一旦引入内存模型的概念，一切迷雾就迎刃而解了。因此，本书特意对内存模型的概念加以强调，以便帮助读者加深对各种编程概念的理解。
掌握了变量与内存映射关系这个知识点后，我们就可以继续研究更加复杂的赋值语句了。
我们前面讲到的赋值语句是最简单的赋值语句。出现在赋值符号左边的只是一个简单的变量名。实际上，能够出现在赋值符号左边的内容远远不止如此。我们下面就来讲解更加复杂的赋值语句——复合结构的赋值。
什么叫做复合结构呢？比如，我们大家一般都用过手机，也应该都知道，手机里面有个联系人名录，里面记录了联系人的姓名、手机、住宅电话、公司电话、备注等信息。在这个例子里面，每个联系人条目就是一个包含了姓名、手机、住宅电话、公司电话、备注等信息的复合结构。
这个概念不难理解，但是，如果认真详细解释起来，还需要费一大堆口舌。本书不打算在这种简单易懂的概念上浪费口水。读者如果有什么不明白的，可以参考具体语言中的复合结构的概念和定义。比如，在C语言中，复合结构的对应数据类型叫做“structure”（结构）。在C++、Java、Python、Ruby等更加高级的面向对象的语言当中，复合结构的对应数据类型叫做“Class”（类）。
注：面向对象是一个非常重要的概念，是命令式编程语言的主流编程模型。本书后面会加以详细讲述。
现在，假设我们有一个叫做contact（联系方式）的复合结构数据，其中包含name、mobile、home_phone、office_phone、memo等属性。我们就可以这样一条条设置contact这个数据的每一个属性。
contact.name = “Tom”
contact.mobile = “1338978776”
contact.home_phone = “8978776”
contact.office_phone = contact.home_phone
contact.memo = “Tom is a SOHO. He works at home.”
上述语句中的“.”表示访问复合结构的内部数据。比如，contact.name就表示contact这个复合结构数据中的name属性。这也是高级命令式语言的一种语法惯例。
从上面的例子中可以看到，复合结构变量的属性的用法和简单变量完全相同。复合结构变量的属性既可以出现在赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号的右边。比如，contact.home_phone先是出现在“=”的左边，接着又出现在“=”的右边。
那么，我们如何在内存结构中理解复合结构呢？首先，我们还是要给内存单元贴上标签。我们想象一下，在一个布满了小格子的大柜子里面，选出一个小格子，然后在上面贴上“contact”这个标签。然后，我们从贴上“contact”的那个小格子开始，根据每个属性的数据宽度（即占用最小内存单元的个数），依次贴上“name”、“mobile”、“home_phone”、“office_home”、“memo”等几个标签。
在这个例子中，“contact”就相当于内存中的一个基本地址，而那些属性则相当于以基本地址为基础的几个偏移地址。
当我们访问contact的属性的时候，实际上就相当于访问“contact”基本地址再加上属性偏移地址的那个单元格的内容。比如，contact.name实际上就是contact基本地址加上name属性偏移地址之后的那个单元格的内容。对于复合结构的属性的访问，实际上就是一次内存中的间接寻址。
当我们定义了一个包含了多个属性的复合结构的时候，实际上就相当于我们自己定义了一套内存结构映射方案。
这还不是最简单的情况，复合结构里面还有可能包含复合结构。事实上，复合结构的嵌套层次是没有限制的，可以嵌套到任意深度。因此，我们有可能写出这样的访问深层次属性的代码：contact.address.city.zipcode。
还是那个老问题：我们需要把复合结构的概念理解道内存结构映射的层次吗？
我还是那句老话：需要。
即使你现在不需要，以后早晚也会需要。随着你对编程语言掌握的深入，你早晚需要理解到这个层次。与其到时候费二遍功，还不如现在就一次搞定。
复合结构并非唯一的内存结构映射定义。在命令式语言中，还有一个极为常见的类型——数组类型，同样对内存结构进行了映射。
数组类型对内存结构的映射是一种十分整齐的映射。我们可以想象一列整整齐齐的单元格，每个单元格的数据宽度完全相等。因此，我们可以通过简单的等距位移来访问其中某一个单元格的内容。事实上，数组正是通过数字下标来访问其中某一个位置的数据的。
比如，假设我们有一个数组变量array。我们可以想象一列长长的宽度相同的单元格，第一个单元格上贴着一个标签“array”。
我们想访问array数组中第30个数据。我们就可以这么写，array[30]，就可以定位到array数组的第30个数据单元。
“[]”这样的方括号，表示访问一个数组中的某一个位置。这也是高级命令式语言的一种语法惯例。
同样，array[30]可以出现在赋值表达式的左边，也可以出现在赋值表达式的右边。比如：
array[30] = 1
array[31] = array[30]
需要注意的是，在很多命令式语言中，数组下标是从0开始的。因此，如果我们想访问第30个数据单元，很多情况下，我们必须写成array[29]。
综上所述，出现在赋值符号左边的变量，主要就是三种——简单变量、复合结构变量、数组变量。而且，这三种变量都有一个特点，他们都可以唯一定位到内存中的某一个具体位置。这体现了赋值语句的最根本的含义——将一个表达式执行的结果存入到某一个指定的内存单元中去。我们对赋值语句的理解，必须达到这个层次，才能够正确理解随之而来的一系列相关概念。
另外，在一些更高级别的命令式编程语言（如Python、Ruby等），实现了部分函数式编程语言（Functional Programming Language）的部分特性，如模式匹配（Pattern Match）这样的特性。在这些语言中，有可能出现一次对多个变量同时赋值的赋值语句。比如：
(a, b) = (1, 2)
a, b = 1, 2
某些情况下，这种语法用起来相当方便。比如，某个复合结构中有多个属性，我们想就把其中一些属性一次性复制到多个变量中的时候，就可以这么写。
想深入了解这种语法的读者，可以去研究一下函数式编程语言中的模式匹配特性。
当然，在我个人看来，即使在函数式编程语言中，模式匹配也不是什么核心的概念，只不过是一种简化书写的语法糖。掌握不掌握，都对编程核心概念的理解没有什么本质影响。
以上讲述的赋值语句都是“显式”赋值语句，即存在明确的赋值符号（=）的赋值语句。除了显式赋值语句之外，还有一种特殊的隐式赋值语句——参数传递。
参数，也叫做参变量，是一种特殊的变量。为了说明参变量和普通变量之间的异同点，下面我们给出一段具体的代码例子。
这里需要说明的是，本书中给出的相当一部分示例代码，都是用极为简化的伪代码写的，并不能够真正运行。这样做的目的是，最大限度保证代码的简化性、易读性、通用性。
本书只有在讲解某些不运行就难以理解的复杂概念的时候，才会给出真正的可以运行的某种具体编程语言的代码。而且，这么做的时候，本书会尽量采用最为流行的编程语言。
下面，就先让我们看一段包含了参变量和变量定义的伪代码。
f(x) {
  a = 2 * x

  if a < 5
return 0
  else if a > 10
    return 2
  else
    return 1
}
上面的伪代码结合了Javascript和Python这两种语言的最简化表达方法。由于省略了过程声明、类型声明，写起来极为简单，一目了然。
其中，if和return这两个关键字也是编程语言中常见的，不需要过多的解释；f(x)定义了一个名字叫做f的只有一个参数x的过程；{}这对大括号则包括了过程体内部的代码，这也是C、C++、Java等主流编程语言的语法惯例。
另外需要特别说明的一点是，在命令式语言中，过程（Procedure）通常还有几种其他的叫法，比如，函数（Function），方法（Method）等。本书后面会讲到函数式编程语言（Functional Programming），为了避免混淆，本书在讲解命令式语言时，将尽量避免使用函数（Function）这个词，而是尽量使用过程（Procedure）和方法（Method）这两个词。
上述代码中，x是一个参变量（参数），a则是过程体内部定义的普通变量（另，在过程体内声明的变量也叫做局部变量）。在函数体内，我们看不到类似于“x = …”的赋值语句。那么，x是什么时候被赋值的呢？答案是，当f(x)这个函数被调用的时候，参数才会被赋值。
比如，我们有另一条语句，n = f(4)
这条语句在执行的时候，就会把4这个值赋给x，然后，进入f(x)的过程体代码，执行整个过程。
那么，这一切在内存中是怎么发生的呢？
我们又要回到前面讲过的运行栈的概念了。每个进程运行起来之后，都有自己的运行栈。
本章前面提到了数组这个数据结构的简单概念和用法。在我们的想象中，数组是一串横着摆放的内存单元格。现在，我们把这一串横着摆放的单元格竖起来，让它竖着摆放，这样，看起来，就是一个栈结构了。实际上，运行栈的基本实现结构，就是数组结构。
这个地方，要说明一下。运行栈也是内存中的一部分。运行栈中的地址，也是一种内存地址。
运行栈（stack）和内存堆（heap）是两种常见的内存分配方式。运行栈的结构很简单，就是一个数组结构加一个存放栈顶地址的内存单元。内存堆（heap）是一种比较复杂的树状数据结构，可以有效地搜寻、增、删、改内存块。一般来说，我们不必关注其具体实现。
分配在运行栈（stack）上的数据，其生命周期由过程调用来决定。分配在内存堆（heap）的数据，其生命周期超出了过程调用的范围。内存堆中的数据，需要程序员写代码显式释放，或者由系统自动回收。
我们回到例子代码。当计算机执行f(4)这个过程调用的时候，实际上是先把4这个数值放到了运行栈里面，然后，转向f(x)过程体定义的工作流程，执行其中的代码。
进入f(x)过程体后，遇到的第一条代码就是关于变量a的赋值语句“a = 2 * x”。计算机首先在运行栈为a这个变量预留一个位置。这个位置是运行栈内的一个内存单元。
我们可以想象一下，在一条竖着摆放的内存单元格中，最上面一个内存单元格上贴上了“a”这个标签。紧挨着“a”单元格下面的那个单元格上就贴着“x”这个标签。“x”单元格内的内容就是4这个数值。
接下来，计算机执行2 * x 这个表达式。得出结果后，把结果存入到运行栈中之前为a预留的内存单元中。
从上面的描述中，我们可以看出，无论是a这个普通局部变量，还是x这个参变量，具体位置都是在运行栈中分配的。所不同之处在于，a这个普通局部变量的赋值是进入f(x)过程之后发生的，而x这个参变量的赋值是在f(x)过程调用之前就发生了。
所有的过程调用都会产生一个参数值压入运行栈的动作，即，把对应的参数值压入到运行栈上预先为参数分配的位置中。因此，有时候，我们也把过程调用前的参数传递叫做参数压栈。
上面举的例子是参数压栈的最简单的例子，只有一个参数。很多情况下，过程不止需要一个参数，有可能有多个参数。这就涉及到一个参数压栈顺序的问题，是从左向右压，还是从右向左压？这是一个问题。不同的语言实现有不同的做法。不过，在我个人看来，这不是什么重要的知识点，只是一种资料性的知识，不需要费心去理解。用到的时候再查资料就行了。
在结束本章之前，我们在来问本章最后一个问题：所有的命令式语言，都是基于栈结构的吗？
不知读者有没有思考过这个问题。在我们讲解汇编语言的时候，在我们讲解高级命令式语言的时候，都提到了进程的运行栈。似乎，运行栈就是天然存在的，不需要多想。
没错，进程的运行栈就是天然存在的，汇编语言需要运行栈，操作系统也需要运行栈。我们可以说，绝大部分命令式语言都是基于栈结构的，但不是全部。比如，Python语言有一个实现，叫做Stackless Python（无栈的Python），这就是一种允许程序员脱离运行栈结构的语言实现。当然，这只是一个特例，无关大局。在绝大多数情况下，当我们考虑命令式语言的时候，脑海里应该自然而然就浮现出一个运行栈的结构。