1.5. 什么是编程？#

1.5.1. 计算机组成#

Computer 一词最早出现于 1613 年，指人类「计算员」，使用计算器做算术运算，直到 20 世纪中期，才被用于指「可编程的数字电子计算机」，简称「计算机」，中文里也被翻译成「电脑」。

一台计算机由硬件(hardware)和软件(software)组成，「硬件」指直接可见可触摸的设备，「软件」指存储、运行在硬件中的不能直接可见可触摸的数据和程序。

1.5.1.1. 硬件#

计算和控制：最典型的是中央处理器（CPU，Central Processing Unit)，主流的 CPU 家族有 X86、ARM。CPU 主要有如下元件组成：
- 算术逻辑单元(ALU, Arithmetic Logic Unit)：负责算术和逻辑运算，包含加法器、乘法器、除法器等电路；
- 控制单元(CU, Control Unit)：负责解释指令并控制其它部件执行；
- 寄存器(Registers)：存储 CPU 当前运行用到的指令、数据；
- 缓存(Cache)：在寄存器和内存之间缓存指令和数据；
存储器
- 主存储器、内存(memory)：一般指断电即丢失数据的随机访问存储（ RAM，Random Access Memory）；
- 辅存储器、外存(storage)：包括软盘、硬盘、光盘等，断电不会丢失数据的存储设备；
输入设备(Input Device)：键盘、鼠标、麦克风、扫描仪、网卡等，用于外界输入数据给计算机处理；
输出设备(Output Device)：屏幕、扬声器、打印机、指示灯、网卡等，用于计算机输出结果给外界；
总线(Bus)：连接各个设备的线缆，传输数据和控制信号；

1.5.1.2. 软件#

代码 (Code)：用编程语言写成的文本，人可以阅读和修改；
操作系统(OS, Operating System)：狭义指直接管理硬件的操作系统内核(Kernel) ，广义指硬件上的基础软件。主流的 OS 有 Windows、Linux、BSD、macOS、Android、iOS；
程序(Program)：也称为应用(application)，可供操作系统运行；
- Shell：指操作系统提供的最基本的人机交互界面应用，用于输入命令、查看结果，例如 Linux、BSD 上的 sh 命令行工具，Windows、macOS 上提供的桌面、任务栏、程序列表、文件管理器等图形工具；
- 编辑器(Editor)：一般指文本编辑器(Text Editor)，可以用来编辑代码保存到外存里；
- 编译器(Compiler)、汇编器(Assembler)、链接器(Linker)、加载器(Loader)：
  - 编译器：指将高级编程语言翻译到汇编语言的程序；
  - 汇编器：指将汇编语言翻译到机器码的程序；
  - 链接器：指将多个机器指令的程序片断合并到一起的程序；
  - 加载器：指操作系统用来加载外存上的程序进入内存的程序；
- 解释器(Interpreter)：指直接运行代码，不用显式的经过编译、汇编、链接、加载四个阶段的一类程序；

1.5.2. 高级编程语言和汇编语言#

下面是三种语言定义函数的语法，以及机器码的十六进制表示，Python 和 C 都属于高级语言。

Python 语言：

def square(n):
	return n * n

C 语言：

int square(int n)
{
	return n * n;
}

x86-64 Intel 语法的汇编语言，右边的注释是对应的十六进制机器码：

square:
  push rbp                                   ; 55
  mov  rbp, rsp                              ; 48 89 e5
  mov  DWORD PTR [rbp - 0x4], edi            ; 89 7d fc
  mov  eax, DWORD PTR [rbp - 0x4]            ; 8b 45 fc
  imul eax, eax                              ; 0f af c0
  pop  rbp                                   ; 5d
  ret                                        ; c3

1.5.3. 编程语言的实现和编写流程#

编程语言有三种实现方式：

显式编译后执行，如 C、C++ 语言；
直接解释执行，如 Python；
编译到中间形式（还没到机器码）再解释执行，如 Java。

不同的编程语言实现，其编写程序的流程也不一样，也分成三种：

「编辑 → 编译 → 执行」循环，典型如 C/C++ 和 Java。

#include <iostream>

int main(int argc, char** argv)
{
	std::cout << "Hello world!\n";
	return EXIT_SUCCESS;
}

$ g++ -o hello hello.cpp
$ ./hello
Hello world!

public class HelloWorld {
  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello world!");
  }
}

$ javac HelloWorld.java
$ java HelloWorld
Hello world!

「编辑 → 执行」循环，典型如 Python。Java 也支持这种方式用于简单程序。

#!/usr/bin/env python3

print("Hello world!")

$ python3 hello.py
Hello world!

# 或者
$ chmod a+rx hello.py
$ ./hello.py
Hello world!

# Java 也可以不用显式编译
$ java HelloWorld.java
Hello world!

「读取 → 执行」循环，也称为 REPL(read-evaluate-print-loop，print 指输出表达式的值)，典型如 Lisp 和 Smalltalk。Python 和 Java 也支持这种方式用于简单测试。

$ sbcl
* (format t "Hello world!~%")
Hello world!
NIL

$ python3
>>> print("Hello world!")
Hello world!

$ jshell
jshell> System.out.println("Hello world!")
Hello world!

从 Java 的例子可以看到「编程语言」和「编程语言的实现」是两个不同的概念，前者指语法和语义，后者指编译、执行形式。

1.5.4. 编程风格的分类#

编程风格(style)也常被称为编程范式(paradigm)，指如何组织数据和代码。一种编程语言可以以某种风格为主，同时支持多种风格，常见的编程风格如下：

命令式(Imperative)，也经常狭义指代「过程式」，明确指定计算机一步步「怎么做(how)」；
- 过程式(procedural)，如 Fortran、Basic、Pascal、C；
- 面向对象式(object-oriented)
  - 基于类(class-based)，如 C++、Java；
  - 基于原型(prototype-based)，如 JavaScript、Io；
声明式(declarative)，只给出「要做什么(what)」，让计算机（实际是设计好的算法）给出「怎么做」的具体步骤；
- 函数式(functional)，如 Haskell、OCaml；
- 逻辑式(logical)，如 Prolog；
- 响应式(reactive)，如 Verilog，Elm；

截止 2024 年，主流使用的编程语言以过程式、面向对象式为主。

1.5.5. 选择编程语言#

自从计算机诞生以来，人们发明了上千种编程语言，如下是一些有名的语言：

汇编语言(Assembly)：最古老的语言，已经很少人直接写汇编代码了；
Fortran： 1957 年诞生，常用于科学计算；
Lisp：1960 年诞生，早年常用于人工智能；
Basic：1964 年诞生，常用于编程教育；
Pascal：1970 年诞生，1980 年代最火的编程语言；
Smalltalk：1972 年诞生，常用于编程教育；
C：1972 年诞生，常用于写操作系统、编译器、数据库等基础软件；
C++：1985 年诞生，扩充了 C 语言；
Python：1991 年诞生，常用于科学计算、人工智能；
Java：1995 年诞生，常用于服务器端的服务开发；
JavaScript：1995 年诞生，常用于浏览器端的动态网页开发；

各种编程竞赛中常用 C++、Java、Python 三种语言，C++ 的性能最快但最难学，Python 的性能最慢但最易学。

1.5.6. 选择编辑器#

编辑器也非常多，部分常见的如下：

VIM（Neovim)、GNU Emacs：Linux 上最普遍使用的文本编辑器，对初学者比较难；
- Emacs 配置：Doom Emacs、Spacemacs、Centaur Emacs、purcell/emacs.d、bbatsov/prelude；
- VIM/Neovim 配置：AstroNvim、NvChad、LazyVim；
- Neovim GUI: Neovide、goneovim、Neovim Qt；
Helix、Kakoune、Vis：改进 VI 风格的代码编辑器；
Lem：使用 Common Lisp 编写的 Emacs 仿品；
micro：使用 Go 编写的代码编辑器；
Fresh：使用 Rust 编写的代码编辑器；
Visual Studio Code: 最流行的轻量级集成开发环境；
Zed：新兴的集成 AI 的代码编辑器；
Sublime Text：轻量级的代码编辑器；
Kate：Linux KDE 桌面环境曾经的默认编辑器(已换成更简单的 KWrite)；
Gedit：Linux GNOME 桌面环境曾经的默认编辑器（已换成更简单的 GNOME Text Editor)；
CudaText：使用 Free Pascal 编写的代码编辑器；
Notepad–：国产跨平台代码编辑器；
Geany、CodeLite、CodeBlocks、Redpanda C++：轻量级的集成开发环境；

VIM 和 Emacs 功能丰富但比较难，Visual Studio Code、Zed、Kate 功能丰富且易用。

1.5.7. 基本语法#

编程语言很多，语法各异，但都有一些类似的基本语法。

1.5.7.1. 数据类型#

从 CPU 的机器指令视角看，数据类型只有两大类：

标量(scalar)
- 整数
  - byte(字节)：存储单位，一个字节包含 8 比特(bit)，分有符号字节，范围 0 ~ 255，和无符号字节，范围 -128 ~ 127；
  - word(字)：计算单位，表示 CPU 一条整数指令能计算的数据长度，在 32 位 CPU 中是 4 字节（也就是 32 比特)，在 64 位 CPU 中是 8 字节（也就是 64 比特）；
- 浮点数
  - float(单精度浮点数)：4 字节；
  - double(双精度浮点数)：8 字节；
  - long double(扩展精度浮点数)：12 或 16 字节；
向量(vector)：也就是数组(array)，在内存中连续存储的多个标量；

从编程语言的语法角度看，使用变量和常量指代数据，数据类型表现的更多样，以 C/C++ 为例：

整数：char, short, int, long, long long, int8_t, int16_t, int32_t, int64_t 等，以及对应的无符号(unsigned)版本；
- char 既表示字节，也表示 ASCII 字符，区分只在输入、输出上；
- 布尔类型 (_Bool, bool) 也是整数，但只有两个取值 true 和 false；
- 指针类型，本质也是个整数，用来表示内存地址；
浮点数：float, double, long double，符合浮点算术标准 IEEE 754；

由于长度限制，整数能表达的范围是有限的，N 比特能表达 2^N 个整数，所以无符号整数范围是 0 ~ 2^N - 1，有符号整数范围是 -2^N ~ 2^N - 1。因为有长度限制，运算时会发生溢出回绕，例如 signed char 的 127 + 1 = -128， -128 - 1 = 127，unsigned char 的 255 + 1 = 0，0 - 1 = 255。有的编程语言如 Python 的默认整数类型是利用多个机器整数拼起来的，可以表达任意小和任意大的整数，不会发生溢出回绕。

类似的，由于长度限制，浮点数能表达的范围和精度是有限的，特别是精度问题，浮点数不应该用 “==” 判断相等，例如 0.1 + 0.2 == 0.3 的结果是 false，并不相等。有的语言支持分数类型，可以用来做精确的四则运算，结果依然为分数。

除了整数和浮点数两种基本类型，大多编程语言还有以下复合类型：

结构体(struct) 、类(class)、元组(tuple)
枚举(enum)
联合(union)
字符串(string)
向量(vector)、数组(array)
链表(list)
映射(map)、词典(dictionary)、集合(set)

1.5.7.2. 控制结构#

代码语句的执行次序分成顺序、分支、循环、递归、异常五种，顺序就是一句句往下执行，递归是函数调用自身，分支、循环、异常有自己的语法，以 C++ 为例：

分支(branch)
- if … else
- continue, break
- goto
循环(loop)
- while, do … while
- for
异常(exception)
- throw, try … catch … finally

1.5.7.3. 函数#

常用的代码语句可以提取到函数(function)里，方便在代码的其它地方按名字调用，不再重复写，在上面已经展示了 square 函数。函数在不同语言里有不同称呼，如在 Perl 中称为 subroutine(子例程)，在 Pascal 中按有无返回值分为 function 和 procedure( 过程)。

1.5.7.4. 模块#

除了函数是组织代码的一种方式，另一种更高层的方式是把常用的函数和复合数据类型提取到模块(module) 供多个程序复用，在有的语言里用包(package)指代模块，进一步的，多个模块可以放在一起成为库(library)，方便分发用途相关的多个模块。

1.5.8. 数据结构 + 算法 = 程序#

《Data Structures + Algorithms = Programs》是 Pascal 语言之父、著名计算机科学家尼古拉斯·沃斯（Niklaus Wirth，1934年2月15日—2024年1月1日）编写的一本名著，揭示了编程的要点：设计一个程序，就是对输入的数据，考虑如何组织数据以及如何操作数据，最终得到期望的输出。

常用的数据结构：

array, vector: 一般内置在编程语言里；
string: 一般内置在编程语言里；
单向链表、双向链表：比 array 和 vector 能更高效的在开头和中间插入和删除元素；
stack, queue, dequeue, heap
tree, hash table
graph
matrix

常用的算法：

查找，包括字符串查找和数组、树的元素查找和插入；
数组的排序；
集合运算；
图的拓扑排序、最短路径；

1.5.9. 常用库#

日常编程中，所有语言都有类似的常用库：

文件读写，包括记录日志；
网络读写，最常用的是发送 HTTP 请求；
JSON 数据格式解析；
关系数据库的读写；
图形用户界面(GUI)；
命令行选项解析；
配置文件读写；

1.5.10. 项目构建工具#

一个项目(project)由多个源文件组成，当文件很多而且要考虑在多种操作系统下编译时，手动写命令会很麻烦，因此需要专门的构建工具来：

检测所需的库、编译器等；
编译、链接、测试；
打包、安装；

以 C/C++ 为例，有最基本的 make ，更高级的 Autotools、CMake、Boost Build，更新潮的 xmake、Meson，注重封闭(hermetic)构建的 Bazel、Buck 2、Please、Pants。

1.5.11. 版本控制系统#

开发过程中需要记录文件的版本变更，以方便回溯历史，下面是常见的版本控制系统（Version Control System)：

Subversion
1. TortoiseSVN
Git
1. SourceGit
2. gitui
3. lazygit
4. tig
5. Magit
6. gitu
Mercurial
Fossil
Perforce
PlasticSCM
Jujutsu
Sapling

什么是编程？

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