相信每一個計算機科班出身的同學或許都有這樣的經歷：在大三的某一天，彷彿打通了全身筋脈一般把三年的所學：“數電裡的與非門——計算機體系結構——組合語言——語言——Java語言”。所有知識全部串聯了起來。所有這些語言的出現都彷彿都有了必然性和追根溯源的歷史感。

**閱讀指引**

讀懂此文，需要以下基礎：

1。 至少寫過50000行的程式碼；

2。 彙編基礎（靜態資料段，程式碼段，堆疊段）。

有以下或者類似知識就更好了：

1。 MFC反射的實現

2。 JAVA的直譯器執行原理

3。 使用過javascript，Python，PHP：感受過程式碼和型別系統在執行時的自由程度的不同

4。 計算機組成原理

**序 —— 一些問題**

1。 程式設計語言的目的是什麼？

2。 為什麼大多數語言有控制流？逐行執行+跳轉。這與我們的需求差很遠（例如一個教務管理系統、一個自動打車APP）

3。 為什麼型別申明在C語言中要與控制流隔離開來？

4。 現在主流語言最基本的元素是？

5。 有沒有語言它的型別結構，在執行時也可以改變？

動態性？

什麼是動態性？

1。 編譯後確定了什麼資訊，之後不再改變；

2。 執行時可以改變、新增什麼；

3。 執行時是否儲存著型別資訊。

程式中的資訊分為幾類？

1。 資料資訊

a） 編譯時Meta-Data元資料（型別框架、空間佔用）

b） 執行時Meta-Data元資料（繼承體系、用於new或者反射）（特別區別編譯與執行的Meta-Data的不同。）

c） 堆疊段中地址偏移（C++的switch case中不能宣告變數、共享記憶體）

d） 靜態段中地址

2。 指令資訊

a） 程式碼段（動態性需要作業系統或者虛擬機器支援，例如動態連結庫，動態類載入，lisp語言自生成程式碼）

**語言舉例**

**組合語言**

組合語言沒有動態性嗎？

沒有。首先，暫存器、資料段、堆疊、程式碼段完全由程式設計師控制。完完全全是寫死了的。然後，根據馮諾伊曼機的規則；取指令，執行，取指令，執行……

既然都有資料段了，還要堆疊段來做什麼？這不是多餘？

一開始本沒有堆疊，直到60年代出現了module模組化，才有了堆疊。彙編中的模組叫子程式，不過仍舊靠程式設計師全權控制。

堆疊和模組化的優點有？

1。 遞迴

2。 功能分離到模組，可複用

3。 封裝作用域

堆疊和模組化的缺點有？

1。 時間上：儲存現場、還原現場的代價（另，高階語言編譯“消除尾遞迴”節約部分成本）

2。 空間上：爆棧的危險

*

程式設計正規化是什麼？

就是一套指導思想行為準則。

（例如，C是過程式，Haskell是函式式，JAVA是面向物件，Python是簡單的大雜燴，shell是呼叫命令的，lua是呼叫c程式的，PHP是寫頁面的，ProLog是線性邏輯推理的。

再例如，UML是描述規格specification的，XML是儲存資料的。

再再例如，CSS是描述網頁表現的，HTML是描述網頁內容的。

javascript比較神奇，不敢說。）

**JAVA語言**

（推薦《本地Java程式碼的靜態編譯和動態編譯問題》）

JAVA語言比C++語言多了什麼？

1。 虛擬機器

a） 跨平臺

b） 動態編譯

c） 動態特性

2。 沒有指標

3。 沒有類的多繼承，有介面的多繼承。

4。 統一的庫

從編譯來說，JAVA比C++邁出了一大步。

它的跨平臺特性和執行時的靈活性，為JAVA自己以及未來語言都提供了很多可能性。

虛擬機器的好處有什麼？

1。 跨平臺：在OS與位元組碼間隔了一層。實現了程式設計師無負擔的跨平臺。

2。 動態編譯：許多資訊不必在編譯後確定，為動態特性提供可能，稍後詳細說。

3。 執行時維護著型別資訊，甚至可以載入新的型別。（CORBRA依賴這個實現）

JAVA編譯執行的過程是怎樣的？

1。 編譯後產生一個基於堆疊的位元組碼。

2。 JRE在不同的OS上提供支援。

3。 起初的JRE是解釋執行的，效率低下。

a） 獲取待執行的下一個位元組碼。

b） 解碼。

c） 從運算元堆疊獲取所需的運算元。

d） 按照 JVM 規範執行操作。

e） 將結果寫回堆疊。

JAVA是如何解決執行效率低下的問題呢？

使用JIT（Just-in-time）編譯器進行動態編譯。

JIT（Just-in-time）是怎樣執行的呢？如何解決了效率的問題？

如上圖：

1。 每次按照一個function來編譯。轉成中間表示，並最佳化其效率，再生成可執行碼。

2。 編譯器的編譯執行緒和執行執行緒是分開的，應用程式不會等待編譯的執行。

3。 分析框架Profiler會觀察程式行為，對頻繁執行的function進一步最佳化。（例如function內部物件維持一個池不必每次生成。）

動態編譯的優點有什麼？

可以根據程式的行為，最佳化其程式碼

1。 例如頻繁執行的function——熱方法

2。 例如arrayCopy方法，如果每次都複製大段記憶體，在指令集中有特別指令可以加速。

3。 例如類層次結構，多型的最佳化。（大多數虛呼叫都有其固定的一個目標，JIT因此生成的直接呼叫程式碼比虛表呼叫程式碼的效率會更高。）

動態編譯的缺點有什麼？

1。 大量的初始編譯會影響程式啟動時間。

2。 執行時候的編譯，行為分析都需要花費時間。

3。 執行效率達到穩定需要時間。

4。 實時GUI型的程式不能忍受“動態編譯”和“GC”帶來的延遲。

JAVA如何解決實時的需求？

使用AOT（Ahead-of-time）編譯器：預先編譯成為可執行碼。

AOT（Ahead-of-time）的缺點：

對於一些動態特性的支援效率低下

1。 反射機制

2。 執行時類載入

JIT與AOT的對比

總體來說，JAVA適合怎樣的應用呢？

JAVA比較時候需要長期執行的應用，例如Web伺服器，Daemon服務。

**函式式語言**

函式式語言通常有哪些呢？

1。 函式式語言

a） Lisp

b） Scheme

c） Haskell（純函式式）

d） F#？

2。 包含了函式式特性的語言

a） Python

b） Javascript

c） JAVA

d） C？

函式式語言有哪些特性？

1。 函式無副作用，只對輸入輸出有作用

2。 高階函式，lamda演算。（這個像C函式指標，但是它是高階的，即返回值可能也是函式）

3。 沒有過程，類似規格說明的語法，更容易理解，自解釋。

4。 基於list的程式設計，函式更通用。

5。 惰性計算（這個很像“樹形DP”）

6。 有對應的數學形式化表達，有可能證明其正確性。（最終目標可能是保證程式沒有bug。）

7。 其模型適合多核或者分散式的計算。

a） 不變性（immutable）

b） 惰性計算/按需計算（lazy evaluation）

c） **最重要的是，由於函式式語言不可在同一資料上做修改，每一次運用一個函式都會在新的位置產生新的資料，這與過程式語言在同一位置對資料做多次操作不同：函式式語言的函式依賴於前一次函式產生的結果資料，過程式語言依賴於資料的位置。這裡函式式語言就暗含了計算的依賴順序，如果沒有前後順序關係，就可以併發。而過程式語言沒有指定這個順序，就需要透過加鎖、Actor、Channel等模式來指定這個順序**

總的來說，函式式語言，向著更抽象邁了一大步，更像是數學上的表達，幾乎與馮諾伊曼體系斷絕了關係。

函式式語言的劣勢？

1。 效率不高（因為其抽象，遠離了馮諾伊曼體系）

2。 平臺以及開發環境都比較簡單。

3。 缺少推廣，應用不廣泛

**邏輯程式設計**

ProLog語言，線性邏輯。人工智慧語言。沒有接觸過。

**總結**

動態性有哪些呢？

1。 多型性：執行時根據具體物件來訪問屬於它的方法。（而不理會指標的型別。）

2。 反射：執行時維繫著型別結構的Meta-Data。

3。 執行時類載入：執行後再次載入新的資料型別和指令流。

4。 動態連結：OS根據按需連結庫檔案。

編譯語言 和 解釋語言 的分界在哪裡？

語言本身並沒有編譯型別或者解釋型別。（例如：JAVA也可以靜態編譯後成可執行碼。）只有少數執行時特性是依賴於解釋型的。（可能需要執行環境的支援。）

為什麼解釋語言都需要虛擬機器或者執行環境支援？

動態編譯，執行時Meta-Data的儲存，這些功能對於每個程式都是一致的。

所以把它們分離開來，不必每個程式植入這些程式碼

非指令碼語言 和 指令碼語言

指令碼語言，我理解是負責排程其他程式碼的語言。

例如shell指令碼（呼叫命令），lua（呼叫C）。

跨平臺分為哪些層次？

1。 原始碼跨平臺（C，C++，但是因為系統呼叫介面不同，程式設計師負擔太大，但是彙編卻不是。）

2。 執行碼跨平臺（JAVA，有些語言直接從原始碼解釋執行，例如Javascript，PHP）

發展歷史（推薦《近看圖靈碗 （一。 從蘇黎世到巴黎）》）

學術上有哪些實驗性語言？

1。 Fortran

2。 ALGOL58

3。 ALGOL60

4。 Lisp

5。 smalltalk

常用語言

過程式：C，ALGOL，Pascal，

面向物件式：C++，smalltalk，JAVA，Delphi

函式式：Lisp，Scheme，Haskell，

邏輯式：Prolog

指令碼？PHP，Python，Ruby

儲存描述資訊：XML，CSS，HTML

**回答問題**

程式設計語言的目的是什麼？

1。 控制資料

2。 控制指令流

為什麼大多數語言有控制流？逐行執行+跳轉。這與我們的需求差很遠（例如一個教務管理系統。）

逐行執行，很大程度是起源於馮諾依曼體系結構。

為什麼型別申明在C語言中要與控制流隔離開來？

因為在編譯時，具體的型別資訊，要轉化成地址偏移，然後替換控制流中的型別變數。

現在主流語言最基本的元素是？

控制流 與 型別系統。

有沒有語言它的型別結構，在執行時也可以改變？

Javascript只有物件沒有類，使用prototype的方式繼承，執行時給某個物件新增新的資料成員。沒有型別體系。

許多後來的語言在執行時都儲存著型別資訊的，例如Python，JAVA。

**綜上所述**

控制流——指令流

型別系統——為了計算出變數地址資訊

區分執行時的Meta-Data與編譯時的Meta-Data

想清楚自己想要什麼，才能有的放矢，不然浪費的還是自己的時間。

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