第3章

程序設(shè)計語言學(xué)習(xí)目標(biāo)了解計算機(jī)程序設(shè)計語言、編譯原理的基本知識。掌握程序的概念、高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容。第3章

程序設(shè)計語言3.1程序設(shè)計語言概述

3.1.1程序的概念

程序就是能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的一組指令序列的集合。其中，指令可以是機(jī)器指令、匯編語言指令，也可以是高級語言的語句命令，甚至還可以是用自然語言描述的運(yùn)算、操作命令等。3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言

程序設(shè)計語言使得人們能夠與計算機(jī)進(jìn)行交流，其種類非常繁多，總來說可以分為低級語言和高級語言兩大類。低級語言

低級語言包括兩種類型：機(jī)器語言和匯編語言。

(1)機(jī)器語言機(jī)器語言面向機(jī)器，可由CPU直接識別和執(zhí)行。不同的機(jī)器能夠識別的機(jī)器語言是不相同的。機(jī)器指令都是用一串0、1構(gòu)成的二進(jìn)制位串來表示的，也稱為機(jī)器碼。用機(jī)器指令編寫的程序稱為機(jī)器語言程序，或稱為目標(biāo)程序，這是計算機(jī)能夠直接執(zhí)行的程序。缺點(diǎn)：機(jī)器語言難以閱讀和理解，編寫和修改都比較困難，

而且通用性較差。3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言(2)匯編語言匯編指令是由英文單詞或其縮寫符號表示的指令。也稱為符號指令或助記符，比機(jī)器指令便于記憶、閱讀和理解。大多數(shù)情況下，一條匯編指令直接對應(yīng)一條機(jī)器指令，少數(shù)對應(yīng)幾條機(jī)器指令。匯編語言，也稱符號語言，它使用字母、數(shù)字和英文單詞或其縮寫符號來替代由0、1構(gòu)成的指令操作碼、寄存器、數(shù)據(jù)和地址等信息，這樣編寫出來的程序就稱為符號語言程序或匯編語言程序。3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言匯編與匯編程序計算機(jī)無法“識別”和“執(zhí)行”匯編語言，因而需要能將用匯編語言編寫的程序“翻譯”成機(jī)器語言的特殊程序。這種特殊程序稱為匯編語言翻譯程序、匯編程序或匯編器。程序員手工編寫的程序統(tǒng)稱為源程序，用匯編語言編寫的源程序稱為匯編語言源程序，匯編程序?qū)⒃闯绦蚍g得到的機(jī)器語言程序稱為目標(biāo)程序，翻譯的過程稱為匯編。3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言反匯編程序用于將目標(biāo)代碼程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的匯編語言源程序，這一過程稱為反匯編。反匯編主要用于識別源程序代碼，常用的調(diào)試工具程序DEBUG就提供了反匯編功能。3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言低級語言的特點(diǎn)

都與特定的計算機(jī)硬件系統(tǒng)緊密相關(guān)，來自于特定系統(tǒng)的指令系統(tǒng)，可移植性差。對程序員專業(yè)知識要求高，要求對計算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)和工作原理非常熟悉。每條指令的功能比較單一，程序員編寫源程序時指令非常繁瑣。由于直接針對特定硬件編程，所以最終的可執(zhí)行代碼非常精煉，并且執(zhí)行效率高。

兩者主要的區(qū)別在于：機(jī)器語言編寫的程序無需翻譯或編譯，CPU能夠直接識別和執(zhí)行。而匯編語言源程序必須經(jīng)過匯編才能得到目標(biāo)程序。3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言高級語言(1)高級語言的產(chǎn)生一個問題：如何解決程序的可移植性，即：程序員編寫的源程序如何可以從一臺計算機(jī)很容易地轉(zhuǎn)到另一臺計算機(jī)上工作。所謂高級語言是一種由表達(dá)各種意義的“詞”和“公式”，按照一定的“語法規(guī)則”來編寫程序的語言，又稱為程序設(shè)計語言或算法語言。高級語言之所以“高級”，就是因為它使程序員可以完全不用與計算機(jī)的硬件打交道，可以不必了解機(jī)器的指令系統(tǒng)。

3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言(2)高級語言的常見類型FORTRAN語言BASIC語言COBOL語言PASCAL語言C語言C++和C＃語言其他高級語言基于視窗類操作系統(tǒng)的，如VisualBasic、VisualC++、Delphi、PowerBuilder、Java等3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言高級語言的優(yōu)點(diǎn):語句的功能強(qiáng)，程序員編寫的源程序比較短，容易學(xué)習(xí)，使用方便，可移植性較好，便于推廣和交流。高級語言的缺點(diǎn):編譯程序比匯編程序復(fù)雜，而且編譯出來的目標(biāo)程序往往效率不高，長度和運(yùn)行時間都較長。因此，在很多對時間要求比較高的系統(tǒng)，如某些實(shí)時控制系統(tǒng)或者大型計算機(jī)控制系統(tǒng)中，低級語言（主要是匯編語言）仍然得到了一定的應(yīng)用。3.1.2計算機(jī)程序設(shè)計語言3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容高級語言程序設(shè)計依賴于各自特定的語句和語法。語句是構(gòu)成源程序的基本單位。語法是指管理語言結(jié)構(gòu)和語句的一組規(guī)則。1．高級語言的基本符號

高級語言的語法成分都是由基本符號組成的，分為單字符和多字符兩種。單字符基本符號由單個字符組成。字母：英文字母A～Z、a～z，共52個符號。數(shù)字：0～9，共10個數(shù)字符號。

特殊字符：+、-、*、/、^、=、(、)、＞、＜、，、空格等。

多字符基本符號由兩個或兩個以上的字符組成，如：GOTO(轉(zhuǎn)移)、＜＝(小于或等于)、AND(與)等。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容2．高級語言的基本元素

基本元素由基本符號組成，可分為數(shù)、邏輯值、名字、標(biāo)號和字符串等5大類：數(shù)：由0～9共10個基本數(shù)字和其他一些符號(如小數(shù)點(diǎn)“.”、正負(fù)號“＋、－”及指數(shù)符號“E”等所構(gòu)成。邏輯值：由真(True)和假(False)兩個值構(gòu)成。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容

名字

由字符組成，一般約定名字的開頭是字母或者下劃線，其后可為字母或數(shù)字，如XYZ、A123、_C等。名字可用來定義常量、變量、函數(shù)、過程或子程序的名字，故也稱為標(biāo)識符。標(biāo)號是在高級語言中的程序語句前所加的一個名字，主要用來指示程序可能的轉(zhuǎn)移方向。字符串

由一串字符所組成。字符串中的多個字符常放在一對單引號或雙引號中，作為常量來使用。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容3．基本的數(shù)據(jù)類型通常，一種高級語言都會定義一些基本的數(shù)據(jù)類型，通常包括整數(shù)類型、實(shí)數(shù)類型和字符類型等。高級語言中，在使用變量前，必須為每個變量分配所需的內(nèi)存單元空間。因此，幾乎任何一種高級語言都要求變量必須先定義后使用。定義變量實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)變量的類型來為其分配一定大小的空間，并可通過變量名找到該空間的起始地址。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容4．結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型是在基本數(shù)據(jù)類型的基礎(chǔ)上構(gòu)造出來的數(shù)據(jù)類型。如數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、枚舉、集合、隊列和堆棧等：數(shù)組類型

數(shù)組是若干個相同類型數(shù)據(jù)的集合。如：inta[10];用戶自定義的結(jié)構(gòu)體類型。

結(jié)構(gòu)體是隸屬于同一個事物的多個不同類型數(shù)據(jù)的集合，用來表示具有若干個屬性的一個事物。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容StructStudent{intSno;charSname[20];charSex[2];intAge;};5．運(yùn)算符與表達(dá)式

高級語言的表達(dá)式由基本符號、基本元素和各種數(shù)據(jù)通過運(yùn)算符連接而成，運(yùn)算符大致包括以下幾類：邏輯運(yùn)算：與、或、非、異或等。算術(shù)運(yùn)算：加、減、乘、除、取模等。數(shù)據(jù)比較：大于、小于、等于、不等于等。數(shù)據(jù)傳送：輸入、輸出、賦值等。

通過各種運(yùn)算符連接而得到的表達(dá)式有以下幾種:算術(shù)表達(dá)式：表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果是數(shù)值。關(guān)系運(yùn)算表達(dá)式：表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果是邏輯值。字符串表達(dá)式：表達(dá)式的運(yùn)算結(jié)果是字符串。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容6．語句語句是構(gòu)成高級語言源程序的基本單位，是由基本元素、運(yùn)算符、表達(dá)式等組成。任何一種高級語言往往都支持賦值、條件判斷、循環(huán)、輸入輸出等語句。程序員利用這些語句的結(jié)合，能夠很方便地編制出功能強(qiáng)大的程序。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容7．庫函數(shù)和用戶自定義的函數(shù)為了支持用戶編寫出功能強(qiáng)大的源程序，幾乎所有的高級語言都為用戶提供了豐富的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)某些特定的功能，比如數(shù)學(xué)函數(shù)。在源程序中，用戶也可以自己定義自己的函數(shù)(子程序或過程)，以便以后可以反復(fù)調(diào)用這些代碼集合。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容

8．注釋任何一種程序設(shè)計語言都強(qiáng)調(diào)注釋的重要性。在源程序中添加必要的注釋不僅有助于閱讀程序，更重要的是在修改程序時，可以幫助程序員理解原始程序。3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容9．程序設(shè)計風(fēng)格（詳見4.2.4節(jié)）養(yǎng)成良好的編程習(xí)慣，有助于提高程序的正確性、可讀性、可維護(hù)性和可用性。

10．高級語言程序的運(yùn)行

使用高級語言編寫程序的一般過程可以歸納為以下幾個步驟：使用文本編輯工具，逐條編寫源程序的語句。保存源程序的文件時，文件的后綴名與所用的高級語言有關(guān)。編譯源程序文件，生成目標(biāo)文件，文件后綴名通常為obj。鏈接目標(biāo)文件，生成可執(zhí)行文件，文件后綴名通常為exe。在計算機(jī)上運(yùn)行可執(zhí)行程序，并進(jìn)行調(diào)試和維護(hù)3.1.3高級語言程序設(shè)計的基本內(nèi)容3.1.4高級語言的數(shù)據(jù)表示手段1．常量常量也稱常數(shù)，是一種恒定的、不隨時間改變的數(shù)值或數(shù)據(jù)項。2．變量變量是指在程序的運(yùn)行過程中可以發(fā)生改變的量，是程序中數(shù)據(jù)的臨時存放場所。3．?dāng)?shù)據(jù)類型用來約束數(shù)據(jù)的解釋。4．表達(dá)式表達(dá)式是操作符、操作數(shù)和標(biāo)點(diǎn)符號組成的序列，其目的是用來說明一個計算過程。3.2聲明和類型1．聲明聲明用于說明每個標(biāo)識符的含義，而不必為每個標(biāo)識符預(yù)留存儲空間。預(yù)留存儲空間的聲明稱為定義。2．類型類型檢查是利用一組邏輯規(guī)則來推理一個程序在運(yùn)行時刻的行為。3.3類型系統(tǒng)

類型系統(tǒng)用于定義如何將程序語言中的數(shù)值和表達(dá)式歸類為許多不同的類型、如何操作這些類型、這些類型如何互相作用。類型系統(tǒng)提供的主要功能如下：

安全性。

最佳化。

可讀性。

抽象化。3.4編譯原理

3.4.1編譯程序概述高級語言編寫的源程序需要“翻譯”成計算機(jī)能夠識別的機(jī)器語言，機(jī)器才能執(zhí)行，這種“翻譯”程序被稱為語言處理程序。將高級語言編寫的源程序翻譯為機(jī)器語言程序的方式有解釋和編譯。(1)解釋解釋程序在處理源程序時，執(zhí)行方式類似于日常生活中的“同聲翻譯”。解釋一句、執(zhí)行一句，立即產(chǎn)生運(yùn)行結(jié)果。解釋程序不產(chǎn)生目標(biāo)代碼，不能脫離其語言環(huán)境獨(dú)立執(zhí)行。解釋程序?qū)υ闯绦虻慕忉寛?zhí)行比編譯程序產(chǎn)生的目標(biāo)代碼程序的執(zhí)行速度要慢。3.4編譯程序概述(2)編譯編譯程序是把高級語言程序(源程序)作為一個整體來處理，首先將程序源代碼“翻譯”成目標(biāo)代碼(機(jī)器語言)，編譯后與系統(tǒng)提供的代碼庫鏈接，形成—個完整的可執(zhí)行的機(jī)器語言程序(目標(biāo)程序代碼)。目標(biāo)程序可以脫離其語言環(huán)境獨(dú)立執(zhí)行，使用比較方便、效率較高。相應(yīng)地，由于每次執(zhí)行之前必須通過編譯得到可執(zhí)行程序，所以，可執(zhí)行程序一旦需要修改，必須先修改源代碼，再重新編譯生成新的目標(biāo)文件(*.obj)才能執(zhí)行。3.4編譯程序概述

編譯程序的功能如圖所示:3.4編譯程序概述

編譯程序的工作過程

如圖:3.4編譯程序概述3.4.2詞法分析其任務(wù)是從左到右一個字符、一個字符地對源程序進(jìn)行掃描，讀入源程序，對構(gòu)成源程序的字符流進(jìn)行掃描和分解，通過詞法分析從而識別出一個個單詞（指邏輯上緊密相連的一組字符）。

例1對表達(dá)式：position:=initial+rate*100；進(jìn)行詞法分析，得到以下結(jié)果：

單詞類型

單詞值標(biāo)識符1(id1) position

算符(賦值) :=

標(biāo)識符2(id2) initial

算符(加) +

標(biāo)識符3(id3) rate

算符(乘) *

整數(shù) 100

分號 ；3.4.2詞法分析3.4.3語法分析

語法分析是編譯過程的第二個階段，任務(wù)是在詞法分析的基礎(chǔ)上將單詞序列分解成各類語法短語，如“程序”、“語句”、“表達(dá)式”等等。一般這種語法短語也稱為語法單位。例2對語句：position:=initial+rate*100；進(jìn)行語法分析。需要用到的語法規(guī)則：<賦值語句>::=<標(biāo)識符>“:=”<表達(dá)式>;<表達(dá)式>::=<表達(dá)式>“+”<表達(dá)式>

<表達(dá)式>::=<表達(dá)式>“*”<表達(dá)式>

<表達(dá)式>::=“(”<表達(dá)式>“)”

<表達(dá)式>::=<標(biāo)識符>

<表達(dá)式>::=<整數(shù)>

<表達(dá)式>::=<實(shí)數(shù)>3.4.3語法分析依據(jù)源程序的語法規(guī)則把源程序的單詞序列組成語法短語(表示成語法樹)，見圖:3.4.3語法分析position:=initial+rate*100；;把id1:=id2+id3*N轉(zhuǎn)換成語法樹見圖:3.4.3語法分析position:=initial+rate*100；3.4.4語義處理

在詞法分析程序和語法分析程序?qū)υ闯绦虻恼Z法結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析之后，一般要由語法分析程序調(diào)用相應(yīng)的語義子程序進(jìn)行語義處理。編譯過程中的語義處理實(shí)現(xiàn)兩個功能：審查每個語法結(jié)構(gòu)的靜態(tài)語義，即驗證語法結(jié)構(gòu)合法的程序是否真正有意義，有時把這個工作稱為靜態(tài)語義分析或靜態(tài)審查。如果靜態(tài)語義正確，則語義處理要執(zhí)行真正的翻譯，要么生成程序的一種中間表示形式(中間代碼)，要么生成實(shí)際的目標(biāo)代碼。例3對表達(dá)式：position:=initial+rate*100；作語義處理。Programp();Varrate:real;Varinitial:real;Varposition:real;…position:=initial+rate*100；3.4.4語義處理進(jìn)行類型審查語義分析階段審查源程序有無語義錯誤，為代碼生成階段收集類型信息。比如語義分析的一個工作是進(jìn)行類型審查，審查每個算符是否具有語言規(guī)范允許的運(yùn)算對象，當(dāng)不符合語言規(guī)范時，編譯程序亦報告錯誤。如有的編譯程序要對實(shí)數(shù)用作數(shù)組下標(biāo)的情況報告錯誤。又比如某些語言規(guī)定運(yùn)算對象可被強(qiáng)制，那么當(dāng)二目運(yùn)算施于整型和實(shí)型時，編譯程序應(yīng)將整型轉(zhuǎn)換成實(shí)型而不能認(rèn)為是源程序的錯誤。3.4.4語義處理3.4.5中間代碼生成所謂“中間代碼”是一種結(jié)構(gòu)簡單、含義明確的記號系統(tǒng)，其復(fù)雜性介于源程序語言和機(jī)器語言。中間代碼生成不是編譯過程的必需階段，但采用中間代碼可將與機(jī)器相關(guān)的某些實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)置于目標(biāo)代碼生成階段處理，并且可對中間代碼進(jìn)行優(yōu)化，從而最終提高目標(biāo)代碼的質(zhì)量。采用三地址指令表示t2:=id3*t1，會得到以下的結(jié)果：(*id3t1t2)表達(dá)式id1:=id2+id3*100按照三地址指令生成中間代碼：(1)(inttoreal 100 - t1)(2)(* id3 t1 t2)(3)(+ id2 t2 t3)(4)(:= t3 - id1)3.4.5中間代碼生成3.4.6中間代碼優(yōu)化中間代碼優(yōu)化的任務(wù)是對中間代碼進(jìn)行變換或進(jìn)行改造，目的是使生成的目標(biāo)代碼更為高效，即節(jié)省時間和空間。常用的優(yōu)化技術(shù)有刪除多余運(yùn)算、強(qiáng)度削弱、變換循環(huán)控制條件、合并已知量與復(fù)寫傳播、刪除無用賦值等。3.4.5節(jié)的中間