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   作為程序員我們經(jīng)常被問(wèn)這個(gè)是怎么實(shí)現(xiàn)的，那個(gè)是怎么實(shí)現(xiàn)的，可是你知道經(jīng)常使用的編程語(yǔ)言是怎么被實(shí)現(xiàn)出來(lái)的嗎？
  

   今天就聊聊這個(gè)問(wèn)題。
  

   聰明的人類發(fā)現(xiàn)把簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)組合起來(lái)可以表達(dá)復(fù)雜的bool邏輯，在此基礎(chǔ)之上構(gòu)建了 CPU ，因此 CPU 只能簡(jiǎn)單的理解開(kāi)關(guān)，用數(shù)字表達(dá)就是0和1。
  

創(chuàng)世紀(jì)：聰明的笨蛋

   CPU 相當(dāng)原始，就像單細(xì)胞生物一樣，只能把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方、簡(jiǎn)單的加一下，沒(méi)有任何高難度動(dòng)作，這些操作雖然看上去很簡(jiǎn)單很笨，但 CPU 有一個(gè)無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，那就是一個(gè)字：快，這是人類比不了了的，CPU 出現(xiàn)后人類開(kāi)始擁有第二個(gè)大腦。
  

   就是這樣原始的一個(gè)物種開(kāi)始支配起另一個(gè)叫做程序員的物種。
  

干活的是大爺

   一般來(lái)說(shuō)兩個(gè)不同的物種要想交流，比如人和鳥(niǎo)，就會(huì)有兩種方式：要不就是鳥(niǎo)說(shuō)人話，讓人聽(tīng)懂；要不就是人說(shuō)鳥(niǎo)語(yǔ)，讓鳥(niǎo)聽(tīng)懂；就看誰(shuí)厲害了。
  

   最開(kāi)始 CPU 勝出，程序員開(kāi)始說(shuō)鳥(niǎo)語(yǔ)并認(rèn)真感受 CPU 的支配地位，好讓 CPU 大爺可以工作，感受一下最開(kāi)始的程序員是怎么說(shuō)鳥(niǎo)語(yǔ)的：
  

   程序員按照 CPU 的旨意直接用0和1編寫(xiě)指令，你沒(méi)有看錯(cuò)，這破玩意就是代碼了，就是這么原生態(tài)，然后放到打孔紙帶上輸入給CPU，CPU 開(kāi)始工作，這時(shí)的程序可真的是看得見(jiàn)摸得著，就是有點(diǎn)浪費(fèi)紙。

   這時(shí)程序員必須站在 CPU 的角度來(lái)寫(xiě)代碼，畫(huà)風(fēng)是這樣的：
  

    
     1101101010011010100100110010100111001000110111101011101101010010

   乍一看你知道這是什么意思嗎？你不知道，心想：“這是什么破玩意？”，但 CPU 知道，心想“這就簡(jiǎn)直就是世界上最美的語(yǔ)言”。
  

天降大任

   終于有一天程序員受夠了說(shuō)鳥(niǎo)語(yǔ)，好歹也是靈長(zhǎng)類，嘰嘰喳喳說(shuō)鳥(niǎo)語(yǔ)太沒(méi)面子，你被委以重任：讓程序員說(shuō)人話。
  

   你沒(méi)有苦其心志勞其筋骨，而是仔細(xì)研究了一下 CPU，發(fā)現(xiàn) CPU 執(zhí)行的指令集來(lái)來(lái)回回就那么幾個(gè)指令，比如加法指令、跳轉(zhuǎn)指令等等，因此你把機(jī)器指令和對(duì)應(yīng)的具體操作做了一個(gè)簡(jiǎn)單的映射，把機(jī)器指令映射到人類能看懂的單詞，這樣上面的01串就變成了：
  

    
     sub $8, %rspmov $.LC0, %edicall putsmov $0, %eax

   這樣，程序員不必生硬的記住1011.....，而是記住人類可以認(rèn)識(shí)的ADD SUB MUL DIV等這樣的單詞即可。
  

   匯編語(yǔ)言就這樣誕生了，編程語(yǔ)言中首次出現(xiàn)了人類可以認(rèn)識(shí)的東西。

   這時(shí)程序員終于不用再“嘰嘰喳喳。。”，而是升級(jí)為“阿巴阿巴。。”，雖然人類認(rèn)知“阿巴阿巴”這幾個(gè)字，但這和人類的語(yǔ)言在形式上差別還是有點(diǎn)大。
  

細(xì)節(jié) VS 抽象

   盡管匯編語(yǔ)言已經(jīng)有人類可以認(rèn)識(shí)的單詞，但匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言一樣都屬于低級(jí)語(yǔ)言。
  

   所謂低級(jí)語(yǔ)言是說(shuō)你需要關(guān)心所有細(xì)節(jié)。
  

   關(guān)心什么細(xì)節(jié)呢？我們說(shuō)過(guò)，CPU 是非常原始的東西，只知道把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方，簡(jiǎn)單的操作一下再?gòu)囊粋€(gè)地方搬到另一地方。
  

   因此，如果你想用低級(jí)語(yǔ)言來(lái)編程的話，你需要使用多個(gè)“把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方，簡(jiǎn)單的操作一下再?gòu)囊粋€(gè)地方搬到另一地方”這樣的簡(jiǎn)單指令來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如排序這樣復(fù)雜的問(wèn)題。
  

   有的同學(xué)可能對(duì)此感觸不深，這就好比，本來(lái)你想表達(dá)“去給我端杯水過(guò)來(lái)”：
  

   如果你用匯編這種低級(jí)語(yǔ)言就得這樣實(shí)現(xiàn)：

   我想你已經(jīng) Get 到了。

彌補(bǔ)差異

   CPU 實(shí)在太簡(jiǎn)單了，簡(jiǎn)單到不能了理解任何稍微抽象一點(diǎn)諸如“給我端杯水”這樣的東西，但人類天生習(xí)慣抽象化的表達(dá)，人類和機(jī)器的差距有辦法來(lái)彌補(bǔ)嗎？
  

   換句話說(shuō)就是有沒(méi)有一種辦法可以自動(dòng)把人類抽象的表達(dá)轉(zhuǎn)為 CPU 可以理解的具體實(shí)現(xiàn)，這顯然可以極大增強(qiáng)程序員的生產(chǎn)力，現(xiàn)在，這個(gè)問(wèn)題需要你來(lái)解決。
  

套路，都是套路

   思來(lái)想去你都不知道該怎么把人類的抽象自動(dòng)轉(zhuǎn)為 CPU 能理解的具體實(shí)現(xiàn)，就在要放棄的時(shí)候你又看了一眼 CPU 可以理解的一堆細(xì)節(jié)：
  

   電光火石之間靈光乍現(xiàn)，你發(fā)現(xiàn)了滿滿的套路，或者說(shuō)模式。
  

   大部分情況下 CPU 執(zhí)行的指令平鋪直敘的，就像這樣：
  

   這些都是告訴 CPU 完成某個(gè)特定動(dòng)作，你給這些平鋪直敘的指令起了個(gè)名字，姑且就叫陳述句吧，statement。

   除此之外，你還發(fā)現(xiàn)了這樣的套路，那就是需要根據(jù)某種特定狀態(tài)決定走哪段指令，這個(gè)套路在人看來(lái)就是“如果。。。就。。。否則。。就。。。”：
  

    
     if ***  blablablaelse ***  blablabla

   在某些情況下還需要不斷重復(fù)一些指令，這個(gè)套路看起來(lái)就是原地打轉(zhuǎn)：
  

    
     while ***  blablabla

   最后就是這里有很多看起來(lái)差不多的指令，就像這里：
  

   這些指令是重復(fù)的，只是個(gè)別細(xì)節(jié)有所差異，把這些差異提取出來(lái)，剩下的指令打包到一起，用一個(gè)代號(hào)來(lái)指定這些指令就好了，這要有個(gè)名字，就叫函數(shù)吧：

    
     func abc:  blablabla

   現(xiàn)在你發(fā)現(xiàn)了所有套路：
  

    
     // 條件轉(zhuǎn)移if ***  blablablaelse ***  blablabla
// 循環(huán)while ***blablabla
// 函數(shù)func abc:  blablabla

   這些相比匯編語(yǔ)言已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，因?yàn)檫@已經(jīng)和人類的語(yǔ)言非常接近了。
  

   接下來(lái)你發(fā)現(xiàn)自己面臨兩個(gè)問(wèn)題：
  

這里的blablabla該是什么呢？
該怎樣把上面的人類可以認(rèn)識(shí)的字符串轉(zhuǎn)換為 CPU 可以認(rèn)識(shí)的機(jī)器指令

盜夢(mèng)空間

   你想起來(lái)了，上文說(shuō)過(guò)大部分代碼都是平鋪直敘的陳述句，statement，這里的blablabla 僅僅就是一堆陳述句嗎？
  

   顯然不是，blablabla 可以是陳述句，當(dāng)然也可以是條件轉(zhuǎn)移if else，也可以是循環(huán)while，也可以是調(diào)用函數(shù)，這樣才合理。
  

   雖然這樣合理，很快你就發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題：
  

   blabalbla中可以包含 if else 等語(yǔ)句，而if else等語(yǔ)句中又可以包含blablabla，blablabla中反過(guò)來(lái)又雙可能會(huì)包含if else等語(yǔ)句，if else等語(yǔ)句又雙叒有可能會(huì)包含blablabla，blablabla又雙叒叕可能會(huì)包含if else等語(yǔ)句。。。
  

   就像盜夢(mèng)空間一樣，一層夢(mèng)中還有一層夢(mèng)，夢(mèng)中之夢(mèng)，夢(mèng)中之夢(mèng)中之夢(mèng)。。。一層嵌套一層，子子孫孫無(wú)窮匱也。。。
  

   此時(shí)你已經(jīng)明顯感覺(jué)腦細(xì)胞不夠用了，這也太復(fù)雜了吧，絕望開(kāi)始吞噬你，上帝以及老天爺啊，誰(shuí)來(lái)救救我！

   此時(shí)你的高中老師過(guò)來(lái)拍了拍你的肩膀，遞給了你一本高中數(shù)學(xué)課本，你惱羞成怒，給我這破玩意干什么，我現(xiàn)在想的問(wèn)題這么高深，豈是一本破高中數(shù)學(xué)能解決的了的，抓過(guò)來(lái)一把扔在了地上。
  

   此時(shí)一陣妖風(fēng)吹過(guò)，教材停留在了這樣一頁(yè)，上面有這樣一個(gè)數(shù)列表達(dá)：
  

    
     f(x) = f(x-1) + f(x-2)

   這個(gè)遞歸公式在表達(dá)什么呢？f(x)的值依賴f(x-1)，f(x-1)的值又依賴f(x-2)，f(x-2)的值又依賴。。。
  

   一層嵌套一層，夢(mèng)中之夢(mèng)，if中嵌套 statement，statement 又可以嵌套if。。。

   等一下，這不就是遞歸嘛，上面看似無(wú)窮無(wú)盡的嵌套也可以用遞歸表達(dá)啊！
  

   你的數(shù)學(xué)老師仰天大笑，too young too simple，留下羞愧的你佛手而去，看似高科技的東西竟然用高中數(shù)學(xué)就解決了，一時(shí)震驚的目瞪狗帶不知所措無(wú)地自容。
  

   有了遞歸這個(gè)概念加持，聰明的智商又開(kāi)始占領(lǐng)高地了。
  

遞歸：代碼的本質(zhì)

   不就是嵌套嘛，一層套一層嘛，遞歸天生就是來(lái)表達(dá)這玩意的 (提示：這里的表達(dá)并不完備，真實(shí)的編程語(yǔ)言不會(huì)這么簡(jiǎn)單)：
  

    
     if : if bool statement else statementfor: while bool statementstatement: if | for | statement

   上面一層嵌套一層的盜夢(mèng)空間原來(lái)可以這么簡(jiǎn)潔的幾句表達(dá)出來(lái)啊，你給這幾句表達(dá)起了高端的名字，語(yǔ)法。
  

   數(shù)學(xué)，就是可以讓一切都變得這么優(yōu)雅。
  

   世界上所有的代碼，不管有多么復(fù)雜最終都可以歸結(jié)到語(yǔ)法上，原因也很簡(jiǎn)單，所有的代碼都是按照語(yǔ)法的形式寫(xiě)出來(lái)的嘛。
  

   至此，你發(fā)明了真正的人類可以認(rèn)識(shí)的編程語(yǔ)言。
  

   之前提到的第一個(gè)問(wèn)題解決了，但僅僅有語(yǔ)言還是不夠的。
  

讓計(jì)算機(jī)理解遞歸

   現(xiàn)在還差一個(gè)問(wèn)題，怎樣才能把這語(yǔ)言最終轉(zhuǎn)化為 CPU 可以認(rèn)識(shí)的機(jī)器指令呢？
  

   人類可以按照語(yǔ)法寫(xiě)出代碼，這些代碼其實(shí)就是一串字符，怎么讓計(jì)算機(jī)也能認(rèn)識(shí)用遞歸語(yǔ)法表達(dá)的一串字符呢？
  

   這是一項(xiàng)事關(guān)人類命運(yùn)的事情，你不禁感到責(zé)任重大，但這最后一步又看似困難重重，你不禁仰天長(zhǎng)嘆，計(jì)算機(jī)可太難了。
  

   此時(shí)你的初中老師過(guò)來(lái)拍了拍你的肩膀，遞給了你一本初中植物學(xué)課本，你惱羞成怒，給我這破玩意干什么，我現(xiàn)在想的問(wèn)題這么高深，豈是一本破初中教科書(shū)能解決的了的，抓過(guò)來(lái)一把扔在了地上。
  

   此時(shí)又一陣妖風(fēng)掛過(guò)，書(shū)被翻到了介紹樹(shù)的一章，你望著這一頁(yè)不禁發(fā)起呆來(lái)：
  

   樹(shù)干下面是樹(shù)枝，樹(shù)枝下是樹(shù)葉，樹(shù)枝下也可以是樹(shù)枝，樹(shù)枝下還可以是樹(shù)枝、吃葡萄不吐葡萄皮，不吃葡萄倒吐葡萄皮，哎？這句不對(duì)，回到上面這句，樹(shù)干生樹(shù)枝，樹(shù)枝還可以生樹(shù)枝，一層套一層、夢(mèng)中之夢(mèng)、子子孫孫無(wú)窮匱、高中數(shù)學(xué)老師，等一下，這也是遞歸啊！！！我們可以把根據(jù)遞歸語(yǔ)法寫(xiě)出來(lái)的的代碼用樹(shù)來(lái)表示啊！

   你的初中老師仰天大笑，圖樣圖森破，看似高科技的東西竟然靠初中知識(shí)就解決了。
  

優(yōu)秀的翻譯官

   計(jì)算機(jī)處理編程語(yǔ)言時(shí)可以按照遞歸定義把代碼用樹(shù)的形式組織起來(lái)，由于這棵樹(shù)是按照語(yǔ)法生成的，姑且就叫語(yǔ)法樹(shù)吧。
  

   現(xiàn)在代碼被表示成了樹(shù)的形式，你仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，其實(shí)葉子節(jié)點(diǎn)的表達(dá)是非常簡(jiǎn)單的，可以很簡(jiǎn)單的翻譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令，只要葉子節(jié)點(diǎn)翻譯成了機(jī)器指令，你就可以把此結(jié)果應(yīng)用到葉子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)又可以把翻譯結(jié)果引用到父節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，一層層向上傳遞，最終整顆樹(shù)都可以翻譯成具體的機(jī)器指令。
  

   完成這個(gè)工作的程序也要有個(gè)名字，根據(jù)“弄不懂原則”，你給這個(gè)類似翻譯的程序起了個(gè)不怎么響亮的名字，編譯器，compiler。

   現(xiàn)在你還覺(jué)得二叉樹(shù)之類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒(méi)啥用嗎？
  

   至此，你完成了一項(xiàng)了不起的發(fā)明創(chuàng)造，程序員可以用人類認(rèn)識(shí)的東西來(lái)寫(xiě)代碼，你編寫(xiě)的一個(gè)叫做編譯器的程序負(fù)責(zé)將其翻譯成 CPU 可以認(rèn)識(shí)的機(jī)器指令。
  

后人根據(jù)你的思想構(gòu)建出了C/C++、以及后續(xù)的Java、Python，這些語(yǔ)言現(xiàn)在還有一幫人在用呢。

END

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編程語(yǔ)言是怎么被實(shí)現(xiàn)出來(lái)的？

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