程式的基本概念-上

程式的基本概念-上

程式的基本概念

1.1. 程式和程式語言

程式（Program）告訴計算機應如何完成一個計算任務，這裡的計算可以是數學運算，比如解方程，也可以是符號運算，比如查詢和替換文件中的某個單詞。從根本上說，計算機是由數位電路組成的運算機器，只能對數字做運算，程式之所以能做符號運算，是因為符號在計算機內部也是用數字表示的。此外，程式還可以處理聲音和影像，聲音和影像在計算機內部必然也是用數字表示的，這些數字經過專門的硬體裝置轉換成人可以聽到、看到的聲音和影像。

程式由一系列基本操作組成，基本操作有以下幾類：

輸入（Input）

從鍵盤、檔案或者其他裝置獲取資料。

輸出（Output）

把資料顯示到螢幕，或者存入一個檔案，或者傳送到其他裝置。

基本運算

最基本的資料訪問和數學運算（加減乘除）。

測試和分支

測試某個條件，然後根據不同的測試結果執行不同的後續操作。

迴圈

重複執行一系列操作。

你曾用過的任何一個程式，不管它有多麼複雜，都是按這幾類基本操作一步一步執行的。程式是那麼的複雜，而編寫程式可以用的基本操作卻只有這麼簡單的幾種，這中間巨大的落差就要由程式設計師去填補了，所以編寫程式理應是一件相當複雜的工作。 編寫程式可以說是這樣一個過程：把複雜的任務分解成子任務，把子任務再分解成更簡單的任務，層層分解，直到最後簡單得可以用以上幾種基本操作來完成。

程式語言（Programming Language）分為低階語言（Low-level Language）和高階語言（High-level Language）。機器語言（Machine Language）和組合語言（Assembly Language）屬於低階語言，直接用計算機指令（Instruction）編寫程式。而C、C++、Java、Python等屬於高階語言，用語句（Statement）編寫程式，語句是計算機指令的抽象表示。

舉個例子，同樣一個語句用機器語言、組合語言和C語言分別表示如下：

一個語句的三種表示（32位x86平臺）

程式語言

表示形式

機器語言

a1 18 a0 04 0883 c0 01a3 1c a0 04 08

組合語言

mov 0x804a018,%eaxadd $0x1,%eaxmov %eax,0x804a01c

C語言

a = b + 1;

計算機只能對數字做運算，符號、聲音、影像在計算機內部都要用數字表示，指令也不例外，上表中的機器語言完全由十六進位制數字組成。最早的程式設計師都是直接用機器語言程式設計，但是很麻煩，需要查大量的表格來確定每個數字表示什麼意思，編寫出來的程式很不直觀，而且容易出錯，於是有了組合語言，把機器語言中一組一組的數字用助記符（Mnemonic）表示，直接用這些助記符寫出彙編程式，然後讓彙編器（Assembler）去查表把助記符替換成數字，也就把組合語言翻譯成了機器語言。

從上面的例子可以看出，組合語言和機器語言的指令是一一對應的，組合語言有三條指令，機器語言也有三條指令，彙編器就是做一個簡單的替換工作。例如在第一條指令中，把 mov ?,%eax

這種格式的指令替換成機器碼 a1 ?

，?表示一個地址，在彙編指令中是 0x804a018

，轉換成機器碼之後是 18 a0 04 08

（這是指令中十六進位制數的小端表示，小端表示將在 介紹）。

從上面的例子還可以看出，C語言的語句和低階語言的指令之間不是簡單的一一對應關係，一條 a = b + 1;

語句要翻譯成三條彙編或機器指令，這個過程稱為編譯（Compile），由編譯器（Compiler）來完成，顯然編譯器的功能比彙編器要複雜得多。

編寫、編譯和執行一個C程式的步驟如下：

用文字編輯器寫一個C程式，然後儲存成一個檔案，例如 program.c

（通常C程式的檔名字尾是 .c

），這稱為原始碼（Source Code）或原始檔。

執行編譯器對它進行編譯，編譯的過程並不執行程式，而是把原始碼全部翻譯成機器指令，再加上一些描述資訊，生成一個新的檔案，例如 a.out

，這個檔案稱為可執行檔案（Executable）。

可執行檔案可以被作業系統（Operating System）載入執行，計算機執行該檔案中由編譯器生成的指令。

作者：一個會寫詩的程式設計師

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來源：簡書

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