高級程序設計語言概述

經常使用的高級程序設計語言

經常使用的高級程序設計語言

語言 特色
FORTRAN 數值計算
COBOL 事務處理
PASCAL 結構化程序設計
LISP 函數式程序設計
PROLOG 邏輯程序設計
C 系統程序設計
Smalltalk 面向對象程序設計
Java Internet應用，可移植性
Python 解釋型

高級程序設計語言的優勢

相對機器語言或彙編語言，高級程序設計語言

• 更接近於數學語言和工程語言，更直觀、天然和易於理解
• 更容易驗證其正確性、改錯
• 編寫程序的效率更高
• 更容易移植

程序設計語言的定義

標識符是語法概念，名字是語義概念

語法

• 程序本質上是必定字符集上的字符串
• 語法：一組規則，用它能夠造成和產生一個合式(well-formed)的程序
• 詞法規則：單詞符號的造成規則
  • 單詞符號是語言中具備獨立意義的最基本結構
  • 通常包括：常數、標識符、基本字、算符、界符等
  • 描述工具：有限自動機
  • 語法規則：語法單位的造成規則
  • 語法單位一般包括：表達式、語句、分程序、過程、
• 函數、程序等;
  • 描述工具：上下文無關文法

E→i
E→E+E
E→E*E（不能理解成乘號）
E→(E)
語法規則和詞法規則定義了程序的形式結構
定義語法單位的意義屬於語義問題

語義

• 語義
  一組規則，用它能夠定義一個程序的意義
• 描述方法
  • 天然語言描述
    二義性、隱藏錯誤和不完整性
  • 形式描述
    操做語義
    指稱語義
    代數語義

語用

程序語言的基本功能和層次結構

• 程序，本質上說是描述必定數據的處理過程

• 程序語言的基本功能
  描述數據和對數據的運算

  層次結構

  程序

| |

子程序或分程序、過程、函數

| |

語句

| |

表達式

| |

數據引用 運算符 函數調用

程序語言成分的邏輯和實現意義

• 抽象的邏輯的意義
  • 數學意義
• 計算機實現的意義
  • 具體實現

高級程序設計語言的通常特性

高級語言的分類

• 強制式語言(Imperative Languge)/過程式語言
  • 命令驅動，面向語句
  • FORTRAN、C、Pascal，Ada
• 應用式語言(Applicative Language)
  • 注重程序所表示的功能，而不是一個語句接一個語句地執行
  • LISP、ML
• 基於規則的語言( Rule-based Language)
  • 檢查必定的條件，當它知足值，則執行適當的動做
  • Prolog
• 面嚮對象語言(Object-Oriented Language)
  • 封裝、繼承和多態性

  • Smalltalk，C++，Java

    程序結構

FORTRAN

• 一個程序由一個主程序段和若干輔程序段組成
• 輔程序段能夠是子程序、函數段或數據塊
• 每一個程序段由一系列的說明語句和執行語句組成，各段能夠獨立編譯
• 模塊結構，沒有嵌套和遞歸
• 各程序段中的名字相互獨立，同一個標識符在不一樣的程序段中表明不一樣的名字

PROGRAM …//主程序
…
end
SUBROUTINE …//輔程序1
…
end
FUNCTION …//輔程序2
…
end

PASCAL

• PASCAL程序自己能夠當作是一個操做系統調用的過程，過程能夠嵌套和遞歸
• 一個PASCAL過程

過程頭；
      說明段（由一系列的說明語句組成）；
      begin
      執行體（由一系列的執行語句組成）；
      end

做用域

• 同一個標識符在不一樣過程當中表明不一樣的名字
• 做用域：一個名字能被使用的區域範圍

• 名字做用域規則——"最近嵌套原則"

  最近嵌套原則

• 一個在子程序B1中說明的名字X只在B1中有效（局部於B1）
• 若是B2是B1的一個內層子程序且B2中對標識符X沒有新的說明，則原來的名字X在B2中仍然有效

• 若是B2對X從新做了說明，那麼，B2對X的任何引用都是指從新說明過的這個X

program main
var A, B:real;
…
procedure P1
var B:boolean;
…
begin
…
end
procedure P2
var A:integer;
…
begin
…
end
begin
…
end

P2的代碼可以調用P1

JAVA

• 面向對象的高級語言
  • 類（Class）
  • 繼承(Inheritance)
  • 多態性(Polymorphism)和動態綁定(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 ( ) {
…
}
}

數據結構與操做

數據類型一般包括三要素

• 用於區別這種類型數據對象的屬性
• 這種類型的數據對象能夠具備的值
• 能夠做用於這種類型的數據對象的操做

初等數據類型

• 數值類型
  • 整型、實型、複數、雙精度
  • 運算：+，-，*，/等
• 邏輯類型
  • true、false
  • 布爾運算：∨，∧，┑等
• 字符類型：符號處理

• 指針類型

  標識符與名字

• 標識符
  • 以字母開頭的，由字母數字組成的字符串
• 名字
  • 標識程序中的對象
• 名字的意義和屬性
  • 值：單元中的內容
  • 屬性：類型和做用域
• 名字的說明方式
  • 由說明語句來明確規定的
    • int score
  • 隱含說明
    • FORTRAN 以I,J,K,…N爲首的名字表明整型,不然爲實型
  • 動態肯定
    • 走到哪裏，是什麼，算什麼

名字的綁定能夠發生在編譯過程當中也能夠發生在運行過程當中

• 標識符
  • 以字母開頭的，由字母數字組成的字符串
• 標識符與名字二者有本質區別
  • 標識符是語法概念
  • 名字有確切的意義和屬性

數據結構

數組

• 邏輯上，數組是由同一類型數據組成的某種n維矩形結構，沿着每一維的距離，稱爲下標
• 數組可變與不可變
  • 編譯時可否肯定其存貯空間的大小
• 訪問
  • 給出數組名和下標值，如A[10, i+ j]
• 存放方式
  • 按行存放,按列存放
• 數組A[10,20]的A[1，1]的地址爲a，每一個元素佔1字節，各維下標從1開始，按行存放，那麼
  A[i，j]地址爲：
  a+(i-1)*20+(j-1)
• 通用的數組元素地址計算公式

數組元素地址計算

• 設A爲n維數組，按行存放，每一個元素寬度爲w
  • low i 爲第i維 的下界
  • up i 爲第i維 的上界
  • n i 爲第i維 可取值的個數(n i = up i -low i + 1),
  • base爲A的第一個元素相對地址
• 元素A[i 1 ,i 2 ,…,i k ]相對地址公式
  ( ((…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

內情向量

• 內情向量
• 登記維數，各維的上、下限，首地址，以及數組（元素）的類型等信息

記錄

• 由已知類型的數據組合在一塊兒的一種結構
• 記錄或者結構的元素，也叫作域(field)

record { char name[20];
integer age;
bool married;
}

• 訪問：複合名 cards[k].name
• 存儲：連續存放
• 域的地址計算
  • 相對於記錄結構起點的相對數OFFSET

字符串、表格、棧

• 字符串：符號處理、公式處理
• 表格：本質上是一種記錄結構
• 線性表：一組順序化的記錄結構
• 棧：一種線性表，後進先出，POP, PUSH

抽象數據類型

• 抽象數據類型(Abstract Data Type)
• A set of data values and associated operations that
  are precisely specified independent of any particular
  implementation.
• 抽象數據類型由數據集合、及其相關的操做組成，這些操做
  有明確的定義，並且定義不依賴於具體的實現
• 一個抽象數據類型包括
  • 數據對象集合
  • 做用於這些數據對象的抽象運算的集合
  • 這種類型對象的封裝，即，除了使用類型中所定義
    的運算外，用戶不能對這些對象進行操做
• 程序設計語言對抽象數據類型的支持
  • Ada經過程序包(package)提供了數據封裝的支持

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;
//規範說明

//程序包體

package body STACKS is
procedure push(S: in out STACK; E: in ELEM);
begin
……實現細節
end push;
procedure pop (S: in out STACK; E: out ELEM);
begin
……實現細節
end pop;
end;

• 一個抽象數據類型包括
  • 數據對象集合
  • 做用於這些數據對象的抽象運算的集合
  • 這種類型對象的封裝，即，除了使用類型中所定義
    的運算外，用戶不能對這些對象進行操做
• 程序設計語言對抽象數據類型的支持
  • Ada經過程序包(package)提供了數據封裝的支持
  • Smalltalk、C++和Java經過類(Class)對抽象數據類型提供支持

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

語句與控制結構

表達式

• 表達式由運算量（也稱操做數，即數據引用或函數調用）和算符（運算符，操做符）組成
• 形式：中綴、前綴、後綴X*Y -A P↑或者p->
• 表達式造成規則
• 變量（包括下標變量）、常數是表達式。
• 若E 1 、E 2 爲表達式，θ是一個二元算符，則E 1 θE 2 是表達式。
• 若E是表達式，θ爲一元算符，則θE（或Eθ）是表達式。
• 若E是表達式，則（E）是表達式

算符的優先次序

• 通常的規定
  • PASCAL：左結合A+B+C=(A+B)+C
  • FORTRAN：對於知足左、右結合的算符可任取一種，如A+B+C就能夠處理成(A+B)+C，也能夠處理成A+(B+C)
• 注意兩點
  • 代數性質能引用到什麼程度視具體的語言而定
  • 在數學上成立的代數性質在計算機上未必徹底成立
  • A + B = B +A

語句

賦值語句

• A := B
• 名字的左值：該名字表明的存儲單元的地址
• 名字的右值：該名字表明的存貯單元的內容

控制語句

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

功能

• 執行語句：描述程序的動做
• 說明語句：定義各類不一樣數據類型的變量或運算，定義名字的性質

語句的分類

• 形式
• 簡單句：不包含其餘語句成分的基本句

A = B + C ;
goto 105 ;

• 複合句：句中有句的語句

while (i >= 0) {
j = i * 10;
i++;
}