从零开始的自我提升计划：计算机科学（三）

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从零开始的自我提升计划：计算机科学（三）

本系列为作者学习记录
感谢Jack-Cui视频的启发
视频地址：【计算机科学速成课】[40集全/精校] - Crash Course Computer Science

系列文章目录

从零开始的自我提升计划：计算机科学（一）
从零开始的自我提升计划：计算机科学（二）

文章目录

• 系列文章目录
• 前言
• 一、早期的编程方式
• 二、编程语言发展史
• 三、编程基础：语句和函数
• 总结

前言

本文内容包括：

1. 早期的编程方式-Early Programming
2. 编程语言发展史-The First Programming Languages
3. 编程基础：语句和函数-Programming Basics: Statements & Functions
   

一、早期的编程方式

给机器编程的需求实际上在计算机出现之前就有了，1801年出现了可编程纺织机，利用可穿孔纸卡来形成图案。穿孔纸卡也用于早期的计算机，在第1节中有提到。为了执行不同的运算，程序员需要某种控制面板，“插线板”应运而生，通过连接不同的电线，执行不同的功能，但是这意味着运行不同的程序需要重新接线，因此后面将其优化为可插拔的控制面板，让编程更方便。
随着技术进步，内存的价格下降容量上升，将程序存在内存变得可行。当内存足够时，不仅可以存储要运行的程序，还可存储程序需要的数据，包括程序运行产生的新数据，它们都存在一个结构中——“冯诺依曼结构”。

我在思考比炸弹重要得多的东西——计算机。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　——冯·诺依曼

冯诺依曼计算机的标志是，包含算术逻辑单元的处理器+数据寄存器+指令寄存器+指令地址寄存器+负责存储数据和指令的内存，第7节中的结构即为一个冯诺依曼计算机。
直到20世纪80年代，几乎所有计算机都使用穿孔纸卡读取、存储、输出数据。除了插线板和穿孔纸卡，还有一种编程方式——面板编程，即使用一堆开关和按钮替代插线板中的电线，并用指示灯来代表各种函数的状态和内存中的值。

二、编程语言发展史

在计算机早期阶段，使用二进制编写程序：需要先对程序进行高层次描述，即伪代码，然后用操作码表将其转换为二进制码。接着程序员开发出一种更可读、更高层次的语言，给每个操作码分配一个名字，成为“助记符”，其后紧跟数据，形成完整指令。后来程序员开发了一个程序，可以将文字指令自动转换为机器码，这就是“汇编器”，使编程更加容易。
汇编语言与机器指令是一一对应的，但是这样会带来很多麻烦，假设你需要增加一个变量，可能需要更改许多代码。因此世界上第一名程序员Grace Hopper设计了一个高级编程语言，名为“Arithmetic Language Version 0”，简称“A-0”。一行高级编程语言可能会转化为几十条二进制指令，为了实现这种转换，她创造了第一个编译器**，将高级语言转为CPU可以直接执行的低级语言。
可惜的是，没有任何关于A-0的代码留下，所以使用Python举例。假设我们需要将两个数字相加并保存结果，如果用汇编语言，需要从内存取值，写入寄存器等很多操作，但是使用Python语言则只需要简单的加法，不需要考虑寄存器或者内存位置，编译器会处理细节。程序员只需要创建代表内存地址的抽象，即“变量”。
FORTRAN主宰了早期计算机的编程，用其写的程序比汇编代码短20倍，它的编译器会把代码转化为机器码。但是在那时，大多数编程语言和编译器都只能在一种计算机上运行，因此计算机专家在1959年成立了一个联盟，“Committee on Data Systems Languages”，Hopper担任顾问，目的是开发一种通用的编程语言，可在不同机器上通用，最后诞生了COBOL语言，它为每个计算架构都设计了一种编译器。如今，大多数编程语言都是这种“一次编写，到处运行”的模式，不需要接触CPU特有的汇编码和机器码，降低了使用门槛，使得很多职业都可将计算机用于工作，让计算机成为大众化的工具。
在此之后，计算机编程语言迎来了发展的“黄金时期”，诞生了LISP、BASIC、C、C++、Python、Java等编程语言。

三、编程基础：语句和函数

就像口语一样，编程语言也有“语句”。例如：

a = 5

是一个编程语言语句，意为创建一个名为“a”的变量，它的值是5，这叫“赋值语句”。为了表达更复杂的含义，需要更多的语句，例如：

a = 5
b = 10
c = a + b

变量名可以随意取。
假设我们要编写一个游戏，Grace Hopper拍虫子，阻止虫子飞进计算机造成故障。关卡越高，虫子越多，需要在虫子进入继电器之前拍死虫子，且还有几个备用继电器。当开始编写这个游戏时，我们需要一些值来保存游戏数据，例如当前关卡数、分数等，所以我们需要“初始化（Initialize）”变量。
为了使游戏具有交互性，我们需要用一些“控制流语句”，例如if语句，即“条件语句”。如果希望多次执行，就需要“条件循环”，例如while循环，for循环。
为了隐藏复杂度，可把代码打包为“函数（Functions）”，有些编程语言也将其称为“方法”或者“子程序”，函数包含函数名，需要从外部传入的变量名以及返回值。在使用时直接调用函数名，传入变量，就可得到返回值。在使用时，函数之间可以相互调用，不需要知道函数内部是如何运行的，只关心其得到的结果，从而复杂度就隐藏起来了。
使用函数进行模块化编程，有许多优势。现代编程语言有许多预先写好的函数集合，称为“库”，效率更高。

总结

本文介绍了早期的编程方式、编程语言发展历史，以及一些编程基础，包括几种常见的语句。