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簡單介紹一下編程方式的歷史演變。
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在計(jì)算機(jī)誕生不久的早期年代，硬件非常昂貴，而程序員比較廉價。這些廉價程序員甚至都沒有“程序員”這個頭銜，并且常常是由數(shù)學(xué)家或者電氣工程師來充當(dāng)這個角色的。早期的計(jì)算機(jī)被用來快速解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題，所以數(shù)學(xué)家天然就適合“編程”工作。
什么是程序？
首先來看一點(diǎn)背景知識。計(jì)算機(jī)自己是做不了任何事情的，它們的任何行為都需要程序來引導(dǎo)。你可以把程序看成是非常精確的菜譜，這種菜譜讀取一個輸入，然后生成對應(yīng)的輸出。菜譜里的各個步驟由操作數(shù)據(jù)的指令構(gòu)成。聽上去有點(diǎn)兒復(fù)雜，不過你或許知道下面這個語句是什么意思：
1 + 2 = 3
其中的加號是“指令”，而數(shù)字 1 和 2 是數(shù)據(jù)。數(shù)學(xué)上的等號意味著等式兩邊的部分是“等價”的，不過在大部分編程語言中對變量使用等號是“賦值”的意思。如果計(jì)算機(jī)執(zhí)行上面這個語句，它會把這個加法的結(jié)果（也就是“3”）儲存在內(nèi)存中的某個地方。
計(jì)算機(jī)知道如何使用數(shù)字進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，以及如何在內(nèi)存結(jié)構(gòu)中移動數(shù)據(jù)。在這里就不對內(nèi)存進(jìn)行展開了，你只需要知道內(nèi)存一般分為兩大類：“速度快/空間小”和“速度慢/空間大”。CPU 寄存器的讀寫速度非常快，但是空間非常小，相當(dāng)于一個速記便簽。主存儲器通常有很大的空間，但是讀寫速度就比寄存器差遠(yuǎn)了。在程序運(yùn)行的時候，CPU 不斷將它所需要用到的數(shù)據(jù)從主存儲器挪動到寄存器，然后再把結(jié)果放回到主存儲器。
匯編器
當(dāng)時的計(jì)算機(jī)很貴，而人力比較便宜。程序員需要耗費(fèi)很多時間把手寫的數(shù)學(xué)表達(dá)式翻譯成計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的指令。最初的計(jì)算機(jī)只有非常糟糕的用戶界面，有些甚至只有前面板上的撥動開關(guān)。這些開關(guān)就代表一個內(nèi)存“單元”里的一個個 “0” 和 “1”。程序員需要配置一個內(nèi)存單元，選擇好儲存位置，然后把這個單元提交到內(nèi)存里。這是一個既耗時又容易出錯的過程。
程序員Betty Jean Jennings (左) 和 Fran Bilas (右) 在操作 ENIAC 的主控制面板
后來有一名 電氣工程師 認(rèn)為自己的時間很寶貴，就寫了一個程序，能夠把人們可以讀懂的“菜譜”一樣的輸入轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以讀懂的版本。這就是最初的“匯編器”，在當(dāng)時引起了不小的爭議。這些昂貴機(jī)器的主人不希望把計(jì)算資源浪費(fèi)在人們已經(jīng)能做的任務(wù)上（雖然又慢又容易出錯）。不過隨著時間的推移，人們逐漸發(fā)現(xiàn)使用匯編器在速度和準(zhǔn)確性上都勝于人工編寫機(jī)器語言，并且計(jì)算機(jī)完成的“實(shí)際工作量”增加了。
盡管匯編器相比在機(jī)器面板上切換比特的狀態(tài)已經(jīng)是很大的進(jìn)步了，這種編程方式仍然非常專業(yè)。上面加法的例子在匯編語言中看起來差不多是這樣的：
01 MOV R0, 102 MOV R1, 203 ADD R0, R1, R204 MOV 64, R005 STO R2, R0
每一行都是一個計(jì)算機(jī)指令，前面是一個指令的簡寫，后面是指令所操作的數(shù)據(jù)。這個小小的程序首先會將數(shù)值 1 “移動”到寄存器 R0，然后把 2 移動到寄存器 R1。03 行把 R0 和 R1 兩個寄存器里的數(shù)值相加，然后將結(jié)果儲存在 R2 寄存器里。***，04 行和 05 行決定結(jié)果應(yīng)該被放在主存儲器里的什么位置（在這里是地址 64）。管理內(nèi)存中存儲數(shù)據(jù)的位置是編程過程中最耗時也最容易出錯的部分之一。
編譯器
匯編器已經(jīng)比手寫計(jì)算機(jī)指令要好太多了，不過早期的程序員還是渴望能夠按照他們所習(xí)慣的方式，像書寫數(shù)學(xué)公式一樣地去寫程序。這種需求推動了高級編譯語言的發(fā)展，其中有一些已經(jīng)成為歷史，另一些如今還在使用。比如 ALGO 就已經(jīng)成為歷史了，但是像 Fortran 和 C 這樣的語言仍然在不斷解決實(shí)際問題。
ALGO 和 Fortran 編程語言的譜系樹
這些“高級”語言使得程序員可以用更簡單的方式編寫程序。在 C 語言中，我們的加法程序就變成了這樣：
int x;x = 1 + 2;
***個語句描述了該程序?qū)⒁褂玫囊粔K內(nèi)存。在這個例子中，這塊內(nèi)存應(yīng)該占一個整數(shù)的大小，名字是 x。第二個語句是加法，雖然是倒著寫的。一個 C 語言的程序員會說這是 “X 被賦值為 1 加 2 的結(jié)果”。需要注意的是，程序員并不需要決定在內(nèi)存的什么位置儲存 x，這個任務(wù)交給編譯器了。
這種被稱為“編譯器”的新程序可以把用高級語言寫的程序轉(zhuǎn)換成匯編語言，再使用匯編器把匯編語言轉(zhuǎn)換成機(jī)器可讀的程序。這種程序組合常常被稱為“工具鏈”，因?yàn)橐粋€程序的輸出就直接成為另一個程序的輸入。
編譯語言相比匯編語言的優(yōu)勢體現(xiàn)在從一臺計(jì)算機(jī)遷移到不同型號或者品牌的另一臺計(jì)算機(jī)上的時候。在計(jì)算機(jī)的早期歲月里，包括 IBM、DEC、德州儀器、UNIVAC 以及惠普在內(nèi)的很多公司都在制造除了大量不同類型的計(jì)算機(jī)硬件。這些計(jì)算機(jī)除了都需要連接電源之外就沒有太多共同點(diǎn)了。它們在內(nèi)存和 CPU 架構(gòu)上的差異相當(dāng)大，當(dāng)時經(jīng)常需要人們花費(fèi)數(shù)年來將一臺計(jì)算機(jī)的程序翻譯成另一臺計(jì)算機(jī)的程序。
有了高級語言，我們只需要把編譯器工具鏈遷移到新的平臺就行了。只要有可用的編譯器，高級語言寫的程序最多只需要經(jīng)過小幅修改就可以在新的計(jì)算機(jī)上被重新編譯。高級語言的編譯是一個真正的革命性成果。
1983 發(fā)布的 IBM PC XT 是硬件價格下降的早期例子。
程序員們的生活得到了很好的改善。相比之下，通過高級語言表達(dá)他們想要解決的問題讓事情變得輕松很多。由于半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步以及集成芯片的發(fā)明，計(jì)算機(jī)硬件的價格急劇下降。計(jì)算機(jī)的速度越來越快，能力也越來越強(qiáng)，并且還便宜了很多。從某個時間點(diǎn)往后（也許是 80 年代末期吧），事情發(fā)生了反轉(zhuǎn)，程序員變得比他們所使用的硬件更值錢了。
解釋器
隨著時間的推移，一種新的編程方式興起了。一種被稱為“解釋器”的特殊程序可以直接讀取一個程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)指令以立即執(zhí)行。和編譯器差不多，解釋器讀取程序并將它轉(zhuǎn)換成一個中間形態(tài)。但和編譯器不同的是，解釋器直接執(zhí)行程序的這個中間形態(tài)。解釋型語言在每一次執(zhí)行的時候都要經(jīng)歷這個過程；而編譯程序只需要編譯一次，之后計(jì)算機(jī)每次只需要執(zhí)行編譯好的機(jī)器指令就可以了。
順便說一句，這個特性就是導(dǎo)致人們感覺解釋型程序運(yùn)行得比較慢的原因。不過現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的性能出奇地強(qiáng)大，以至于大多數(shù)人無法區(qū)分編譯型程序和解釋型程序。
解釋型程序（有時也被成為“腳本”）甚至更容易被移植到不同的硬件平臺上。因?yàn)槟_本并不包含任何機(jī)器特有的指令，同一個版本的程序可以不經(jīng)過任何修改就直接在很多不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。不過當(dāng)然了，解釋器必須得先移植到新的機(jī)器上才行。
一個很流行的解釋型語言是 perl。用 perl 完整地表達(dá)我們的加法問題會是這樣的：
$x = 1 + 2
雖然這個程序看起來和 C 語言的版本差不多，運(yùn)行上也沒有太大區(qū)別，但卻缺少了初始化變量的語句。其實(shí)還有一些其它的區(qū)別（超出這篇文章的范圍了），但你應(yīng)該已經(jīng)注意到，我們寫計(jì)算機(jī)程序的方式已經(jīng)和數(shù)學(xué)家用紙筆手寫數(shù)學(xué)表達(dá)式非常接近了。
虛擬機(jī)
***潮的編程方式要數(shù)虛擬機(jī)（經(jīng)常簡稱 VM）了。虛擬機(jī)分為兩大類：系統(tǒng)虛擬機(jī)和進(jìn)程虛擬機(jī)。這兩種虛擬機(jī)都提供一種對“真實(shí)的”計(jì)算硬件的不同級別的抽象，不過它們的作用域不同。系統(tǒng)虛擬機(jī)是一個提供物理硬件的替代品的軟件，而進(jìn)程虛擬機(jī)則被設(shè)計(jì)用來以一種“系統(tǒng)獨(dú)立”的方式執(zhí)行程序。所以在這個例子里，進(jìn)程虛擬機(jī)（往后我所說的虛擬機(jī)都是指這個類型）的作用域和解釋器的比較類似，因?yàn)橐彩窍葘⒊绦蚓幾g成一個中間形態(tài)，然后虛擬機(jī)再執(zhí)行這個中間形態(tài)。
虛擬機(jī)和解釋器的主要區(qū)別在于，虛擬機(jī)創(chuàng)造了一個虛擬的 CPU，以及一套虛擬的指令集。有了這層抽象，我們就可以編寫前端工具來把不同語言的程序編譯成虛擬機(jī)可以接受的程序了。也許***也最知名的虛擬機(jī)就是 Java 虛擬機(jī)（JVM）了。JVM 最初在 1990 年代只支持 Java 語言，但是如今卻可以運(yùn)行 許多 流行的編程語言，包括 Scala、Jython、JRuby、Clojure，以及 Kotlin 等等。還有其它一些不太常見的例子，在這里就不說了。我也是最近才知道，我最喜歡的語言 Python 并不是一個解釋型語言，而是一個 運(yùn)行在虛擬機(jī)上的語言！
虛擬機(jī)仍然在延續(xù)這樣一個歷史趨勢：讓程序員在使用特定領(lǐng)域的編程語言解決問題的時候，所需要的對特定計(jì)算平臺的了解變得越來越少了。
就是這樣了
希望你喜歡這篇簡單介紹軟件背后運(yùn)行原理的短文。有什么其它話題是你想讓我接下來討論的嗎？在評論里告訴我吧。
新聞名稱：淺談匯編器、編譯器和解釋器
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