高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言概述

常用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言

常用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言

語言 特點(diǎn)
FORTRAN 數(shù)值計(jì)算
COBOL 事務(wù)處理
PASCAL 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)
LISP 函數(shù)式程序設(shè)計(jì)
PROLOG 邏輯程序設(shè)計(jì)
C 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
Smalltalk 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)
Java Internet應(yīng)用，可移植性
Python 解釋型

高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的優(yōu)點(diǎn)

相對(duì)機(jī)器語言或匯編語言，高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言

  • 更接近于數(shù)學(xué)語言和工程語言，更直觀、自然和易于理解
  • 更容易驗(yàn)證其正確性、改錯(cuò)
  • 編寫程序的效率更高
  • 更容易移植

程序設(shè)計(jì)語言的定義

標(biāo)識(shí)符是語法概念，名字是語義概念

語法

  • 程序本質(zhì)上是一定字符集上的字符串
  • 語法：一組規(guī)則，用它可以形成和產(chǎn)生一個(gè)合式(well-formed)的程序
  • 詞法規(guī)則：?jiǎn)卧~符號(hào)的形成規(guī)則
    • 單詞符號(hào)是語言中具有獨(dú)立意義的最基本結(jié)構(gòu)
    • 一般包括：常數(shù)、標(biāo)識(shí)符、基本字、算符、界符等
    • 描述工具：有限自動(dòng)機(jī)
    • 語法規(guī)則：語法單位的形成規(guī)則
    • 語法單位通常包括：表達(dá)式、語句、分程序、過程、
  • 函數(shù)、程序等;
    • 描述工具：上下文無關(guān)文法

E→i
E→E+E
E→E*E（不能理解成乘號(hào)）
E→(E)
語法規(guī)則和詞法規(guī)則定義了程序的形式結(jié)構(gòu)
定義語法單位的意義屬于語義問題

語義

  • 語義
    一組規(guī)則，用它可以定義一個(gè)程序的意義
  • 描述方法
    • 自然語言描述
      二義性、隱藏錯(cuò)誤和不完整性
    • 形式描述
      操作語義
      指稱語義
      代數(shù)語義

語用

程序語言的基本功能和層次結(jié)構(gòu)

  • 程序，本質(zhì)上說是描述一定數(shù)據(jù)的處理過程
  • 程序語言的基本功能
    描述數(shù)據(jù)和對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算

層次結(jié)構(gòu)

程序

| |

子程序或分程序、過程、函數(shù)

| |

語句

| |

表達(dá)式

| |

數(shù)據(jù)引用 運(yùn)算符 函數(shù)調(diào)用

程序語言成分的邏輯和實(shí)現(xiàn)意義

  • 抽象的邏輯的意義
    • 數(shù)學(xué)意義
  • 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的意義
    • 具體實(shí)現(xiàn)

高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言的一般特性

高級(jí)語言的分類

  • 強(qiáng)制式語言(Imperative Languge)/過程式語言
    • 命令驅(qū)動(dòng)，面向語句
    • FORTRAN、C、Pascal，Ada
  • 應(yīng)用式語言(Applicative Language)
    • 注重程序所表示的功能，而不是一個(gè)語句接一個(gè)語句地執(zhí)行
    • LISP、ML
  • 基于規(guī)則的語言( Rule-based Language)
    • 檢查一定的條件，當(dāng)它滿足值，則執(zhí)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)作
    • Prolog
  • 面向?qū)ο笳Z言(Object-Oriented Language)
    • 封裝、繼承和多態(tài)性
    • Smalltalk，C++，Java

程序結(jié)構(gòu)

FORTRAN

  • 一個(gè)程序由一個(gè)主程序段和若干輔程序段組成
  • 輔程序段可以是子程序、函數(shù)段或數(shù)據(jù)塊
  • 每個(gè)程序段由一系列的說明語句和執(zhí)行語句組成，各段可以獨(dú)立編譯
  • 模塊結(jié)構(gòu)，沒有嵌套和遞歸
  • 各程序段中的名字相互獨(dú)立，同一個(gè)標(biāo)識(shí)符在不同的程序段中代表不同的名字
PROGRAM …//主程序
…
end
SUBROUTINE …//輔程序1
…
end
FUNCTION …//輔程序2
…
end

PASCAL

  • PASCAL程序本身可以看成是一個(gè)操作系統(tǒng)調(diào)用的過程，過程可以嵌套和遞歸
  • 一個(gè)PASCAL過程
      過程頭；
      說明段（由一系列的說明語句組成）；
      begin
      執(zhí)行體（由一系列的執(zhí)行語句組成）；
      end

作用域

  • 同一個(gè)標(biāo)識(shí)符在不同過程中代表不同的名字
  • 作用域：一個(gè)名字能被使用的區(qū)域范圍
  • 名字作用域規(guī)則——"最近嵌套原則"
最近嵌套原則
  • 一個(gè)在子程序B1中說明的名字X只在B1中有效（局部于B1）
  • 如果B2是B1的一個(gè)內(nèi)層子程序且B2中對(duì)標(biāo)識(shí)符X沒有新的說明，則原來的名字X在B2中仍然有效
  • 如果B2對(duì)X重新作了說明，那么，B2對(duì)X的任何引用都是指重新說明過的這個(gè)X
program main
var A, B:real;
…
procedure P1
var B:boolean;
…
begin
…
end
procedure P2
var A:integer;
…
begin
…
end
begin
…
end

P2的代碼能夠調(diào)用P1

JAVA

  • 面向?qū)ο蟮母呒?jí)語言
    • 類（Class）
    • 繼承(Inheritance)
    • 多態(tài)性(Polymorphism)和動(dòng)態(tài)綁定(Dynamic binding)
class Car{
int color;
int door;
int speed;
…
public push_break ( ) {
…
}
public add_oil ( ) {
…
}
}
class Trash_Car extends car {
double amount;
public fill_trash ( ) {
…
}
}

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與操作

數(shù)據(jù)類型通常包括三要素

  • 用于區(qū)別這種類型數(shù)據(jù)對(duì)象的屬性
  • 這種類型的數(shù)據(jù)對(duì)象可以具有的值
  • 可以作用于這種類型的數(shù)據(jù)對(duì)象的操作

初等數(shù)據(jù)類型

  • 數(shù)值類型
    • 整型、實(shí)型、復(fù)數(shù)、雙精度
    • 運(yùn)算：+，-，*，/等
  • 邏輯類型
    • true、false
    • 布爾運(yùn)算：∨，∧，┑等
  • 字符類型：符號(hào)處理
  • 指針類型

標(biāo)識(shí)符與名字

  • 標(biāo)識(shí)符

    • 以字母開頭的，由字母數(shù)字組成的字符串

  • 名字

    • 標(biāo)識(shí)程序中的對(duì)象

  • 名字的意義和屬性

    • 值：?jiǎn)卧械膬?nèi)容
    • 屬性：類型和作用域

  • 名字的說明方式

    • 由說明語句來明確規(guī)定的
      • int score
    • 隱含說明
      • FORTRAN 以I,J,K,…N為首的名字代表整型,否則為實(shí)型
    • 動(dòng)態(tài)確定
      • 走到哪里，是什么，算什么

名字的綁定可以發(fā)生在編譯過程中也可以發(fā)生在運(yùn)行過程中

  • 標(biāo)識(shí)符
    • 以字母開頭的，由字母數(shù)字組成的字符串
  • 標(biāo)識(shí)符與名字兩者有本質(zhì)區(qū)別
    • 標(biāo)識(shí)符是語法概念
    • 名字有確切的意義和屬性

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)組

  • 邏輯上，數(shù)組是由同一類型數(shù)據(jù)組成的某種n維矩形結(jié)構(gòu)，沿著每一維的距離，稱為下標(biāo)

  • 數(shù)組可變與不可變

    • 編譯時(shí)能否確定其存貯空間的大小

  • 訪問

    • 給出數(shù)組名和下標(biāo)值，如A[10, i+ j]

  • 存放方式

    • 按行存放,按列存放

  • 數(shù)組A[10,20]的A[1，1]的地址為a，每個(gè)元素占1字節(jié)，各維下標(biāo)從1開始，按行存放，那么
    A[i，j]地址為：
    a+(i-1)*20+(j-1)

  • 通用的數(shù)組元素地址計(jì)算公式

數(shù)組元素地址計(jì)算
  • 設(shè)A為n維數(shù)組，按行存放，每個(gè)元素寬度為w
    • low i 為第i維 的下界
    • up i 為第i維 的上界
    • n i 為第i維 可取值的個(gè)數(shù)(n i = up i -low i + 1),
    • base為A的第一個(gè)元素相對(duì)地址
  • 元素A[i 1 ,i 2 ,…,i k ]相對(duì)地址公式
    ( ((…i 1 n 2 +i 2 )n 3 +i 3 )…)n k +i k )×w +
    base-((…((low 1 n 2 +low 2 )n 3 +low 3 )…)n k +low k )×w)/Con
內(nèi)情向量
  • 內(nèi)情向量
  • 登記維數(shù)，各維的上、下限，首地址，以及數(shù)組（元素）的類型等信息

記錄

  • 由已知類型的數(shù)據(jù)組合在一起的一種結(jié)構(gòu)
  • 記錄或者結(jié)構(gòu)的元素，也叫做域(field)
record { char name[20];
integer age;
bool married;
}
  • 訪問：復(fù)合名 cards[k].name
  • 存儲(chǔ)：連續(xù)存放
  • 域的地址計(jì)算
    • 相對(duì)于記錄結(jié)構(gòu)起點(diǎn)的相對(duì)數(shù)OFFSET

字符串、表格、棧

  • 字符串：符號(hào)處理、公式處理
  • 表格：本質(zhì)上是一種記錄結(jié)構(gòu)
  • 線性表：一組順序化的記錄結(jié)構(gòu)
  • 棧：一種線性表，后進(jìn)先出，POP, PUSH

抽象數(shù)據(jù)類型

  • 抽象數(shù)據(jù)類型(Abstract Data Type)
  • A set of data values and associated operations that
    are precisely specified independent of any particular
    implementation.
  • 抽象數(shù)據(jù)類型由數(shù)據(jù)集合、及其相關(guān)的操作組成，這些操作
    有明確的定義，而且定義不依賴于具體的實(shí)現(xiàn)
  • 一個(gè)抽象數(shù)據(jù)類型包括
    • 數(shù)據(jù)對(duì)象集合
    • 作用于這些數(shù)據(jù)對(duì)象的抽象運(yùn)算的集合
    • 這種類型對(duì)象的封裝，即，除了使用類型中所定義
      的運(yùn)算外，用戶不能對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行操作
  • 程序設(shè)計(jì)語言對(duì)抽象數(shù)據(jù)類型的支持
    • Ada通過程序包(package)提供了數(shù)據(jù)封裝的支持
package STACKS is
type ELEM is private;
type STACK is limited private;
procedure push (S: in out STACK; E: in ELEM);
procedure pop (S: in out STACK; E: out ELEM);
…
end STACK;
//規(guī)范說明

//程序包體

package body STACKS is
procedure push(S: in out STACK; E: in ELEM);
begin
……實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
end push;
procedure pop (S: in out STACK; E: out ELEM);
begin
……實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)
end pop;
end;
  • 一個(gè)抽象數(shù)據(jù)類型包括
    • 數(shù)據(jù)對(duì)象集合
    • 作用于這些數(shù)據(jù)對(duì)象的抽象運(yùn)算的集合
    • 這種類型對(duì)象的封裝，即，除了使用類型中所定義
      的運(yùn)算外，用戶不能對(duì)這些對(duì)象進(jìn)行操作
  • 程序設(shè)計(jì)語言對(duì)抽象數(shù)據(jù)類型的支持
    • Ada通過程序包(package)提供了數(shù)據(jù)封裝的支持
    • Smalltalk、C++和Java通過類(Class)對(duì)抽象數(shù)據(jù)類型提供支持

JAVA 程序示例

class Car{
int color_number;
int door_number;
int speed;
…
public push_break ( ) {
…
}
public add_oil ( ) {
…
}
}
class Trash_Car extends car {
double amount;
public fill_trash ( ) {
…
}
}
編譯原理

語句與控制結(jié)構(gòu)

表達(dá)式

  • 表達(dá)式由運(yùn)算量（也稱操作數(shù)，即數(shù)據(jù)引用或函數(shù)調(diào)用）和算符（運(yùn)算符，操作符）組成
  • 形式：中綴、前綴、后綴X*Y -A P↑或者p->
  • 表達(dá)式形成規(guī)則
  • 變量（包括下標(biāo)變量）、常數(shù)是表達(dá)式。
  • 若E 1 、E 2 為表達(dá)式，θ是一個(gè)二元算符，則E 1 θE 2 是表達(dá)式。
  • 若E是表達(dá)式，θ為一元算符，則θE（或Eθ）是表達(dá)式。
  • 若E是表達(dá)式，則（E）是表達(dá)式

算符的優(yōu)先次序

  • 一般的規(guī)定
    • PASCAL：左結(jié)合A+B+C=(A+B)+C
    • FORTRAN：對(duì)于滿足左、右結(jié)合的算符可任取一種，如A+B+C就可以處理成(A+B)+C，也可以處理成A+(B+C)
  • 注意兩點(diǎn)
    • 代數(shù)性質(zhì)能引用到什么程度視具體的語言而定
    • 在數(shù)學(xué)上成立的代數(shù)性質(zhì)在計(jì)算機(jī)上未必完全成立
    • A + B = B +A

語句

賦值語句

  • A := B
  • 名字的左值：該名字代表的存儲(chǔ)單元的地址
  • 名字的右值：該名字代表的存貯單元的內(nèi)容

控制語句

* 無條件轉(zhuǎn)移語句
goto L
* 條件語句
if B then S
if B then S 1 else S 2
* 循環(huán)語句
while B do S
repeat S until B
for i:=E 1 step E 2 until E 3 do S
* 過程調(diào)用語句
call P(X 1 , X 2 , ... ,X n )
* 返回語句
return (E)

功能

  • 執(zhí)行語句：描述程序的動(dòng)作
  • 說明語句：定義各種不同數(shù)據(jù)類型的變量或運(yùn)算，定義名字的性質(zhì)

語句的分類

  • 形式
  • 簡(jiǎn)單句：不包含其他語句成分的基本句
A = B + C ;
goto 105 ;
  • 復(fù)合句：句中有句的語句
while (i >= 0) {
j = i * 10;
i++;
}
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