我是編程語(yǔ)言翻譯家族的一員， 我們這個(gè)家族最重要的工作就是將一個(gè)語(yǔ)言描述的源程序翻譯成另外一種語(yǔ)言描述的目標(biāo)程序, 聽(tīng)起來(lái)有些抽象， 通俗一點(diǎn)就是把你們碼農(nóng)寫(xiě)的源碼變成可以執(zhí)行的程序。

我們這個(gè)家族可以說(shuō)是伴隨這計(jì)算機(jī)的發(fā)展而不斷發(fā)展壯大的， 現(xiàn)在已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)不可缺少的一部分， 如果回顧一下發(fā)家史， 還是挺有趣的。

1.機(jī)器語(yǔ)言

我聽(tīng)說(shuō)計(jì)算機(jī)剛發(fā)明那會(huì)兒， 人們就是撥弄各種開(kāi)關(guān)、操作各種電纜把程序給“輸入”到計(jì)算機(jī)中去。

這所謂的程序， 可真的是0110000111這樣的二進(jìn)制， 我真是佩服這些程序的設(shè)計(jì)者和操作員們， 太不可思議了。

這種原始的方式也決定了難于誕生超大型程序， 因?yàn)樘珡?fù)雜了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)能過(guò)人腦能思考的極限。

[[187115]]

后來(lái)人們做了點(diǎn)改進(jìn)， 把程序打到穿孔紙帶上， 讓機(jī)器直接讀穿孔紙帶， 這下子就好多了， 終于不用撥弄開(kāi)關(guān)了。

[[187116]]

但程序的本質(zhì)還是沒(méi)有變化， 依然是在使用二進(jìn)制來(lái)編程。

如果這個(gè)樣子一直持續(xù)下去， 估計(jì)這個(gè)世界上的程序員會(huì)少的可憐： 編程的門(mén)檻太高了。

比如說(shuō)你的腦子里得記住這樣的指令：

• 0000 表示從內(nèi)存中往CPU寄存器裝載數(shù)據(jù)
• 0001 表示把CPU寄存器的值寫(xiě)入內(nèi)存
• 0010 表示把兩個(gè)寄存器的值相加

你還得記住每個(gè)寄存器的二進(jìn)制表示：

• 1000 表示寄存器A
• 1001 表示寄存器B

綜合起來(lái)就像這樣：

• 0000 1000 000000000001 它的意思是說(shuō)， 把編號(hào)為1的內(nèi)存中的值裝載到寄存器A當(dāng)中
• 0010 1000 1001 的意思是把寄存器A和寄存器B的值加起來(lái)，放到寄存器A中。

整天生活在這樣的世界里， 滿腦子都是0和1， 要是我估計(jì)就抑郁了。

當(dāng)時(shí)的程序員像熊貓一樣稀少， 不， 肯定比熊貓更少， 他們都要二進(jìn)制寫(xiě)程序， 對(duì)我們翻譯家族沒(méi)有任何的需求。

2. 匯編語(yǔ)言

既然二進(jìn)制這么難記， 人們很快就想到： 能不能給這些指令起個(gè)好聽(tīng)的名稱呢?

• 0000 ： LOAD
• 0001 : STORE
• 0010 : ADD

寄存器也是一樣的：

• 1000 : AX
• 1001 : BX

這下讀來(lái)容易多了：

• ADD AX BX

人們給這些幫助記憶的助記符起了個(gè)名字： 匯編語(yǔ)言。

但是計(jì)算機(jī)是無(wú)法執(zhí)行匯編語(yǔ)言的， 因?yàn)橛?jì)算機(jī)這個(gè)笨家伙只認(rèn)二進(jìn)制， 所以還得翻譯一下才行。

于是我們家族的一個(gè)重要成員： 匯編器 隆重登場(chǎng)了， 他專門(mén)負(fù)責(zé)匯編語(yǔ)言寫(xiě)的程序翻譯為機(jī)器語(yǔ)言， 這個(gè)翻譯的過(guò)程比較簡(jiǎn)單，幾乎就是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

匯編語(yǔ)言解放了人們的部分腦力， 可以把更多的精力集中在程序邏輯上了。 越來(lái)越多的人學(xué)會(huì)了使用匯編來(lái)編程， 寫(xiě)出了很多偉大的軟件。

匯編的優(yōu)點(diǎn)是貼近機(jī)器， 運(yùn)行效率極高， 但是缺點(diǎn)也是太貼近機(jī)器， 直接操作內(nèi)存和CPU寄存器， 不能結(jié)構(gòu)化編程， 每次函數(shù)調(diào)用還得把手動(dòng)把棧幀給管理好， 這對(duì)于一般的程序員來(lái)講太難了!

我的祖先們把穿孔紙帶和匯編語(yǔ)言都稱為低級(jí)語(yǔ)言， 把這個(gè)時(shí)代稱為機(jī)器語(yǔ)言編程時(shí)代。

生活在這個(gè)時(shí)代的祖先們是很幸福的， 因?yàn)榉g工作十分簡(jiǎn)單。

但是用匯編寫(xiě)程序的人還是太少， 找我們做翻譯的也很少， 翻譯家族也只是溫飽而已。

3.高級(jí)語(yǔ)言

人類的欲望是無(wú)止境的， 他們一直在探索用一種更高級(jí)的語(yǔ)言來(lái)寫(xiě)程序的可能性， 這種高級(jí)語(yǔ)言應(yīng)該面向人類編寫(xiě)和閱讀， 而不是面向機(jī)器去執(zhí)行。

人類想要的高級(jí)語(yǔ)言是這樣的：

聲明各種類型的變量來(lái)表示數(shù)據(jù)，而不是用寄存器。 例如 :

• int value = 100

能使用復(fù)雜的表達(dá)式來(lái)告訴電腦自己的意圖：

• salary = 1000 + salary * 12

可以用各種控制語(yǔ)句來(lái)控制流程：

• if .. else , while(....) ....

還可以定義函數(shù)來(lái)封裝、復(fù)用一段業(yè)務(wù)邏輯：

• int get_primes(int max) {.....}

但是高級(jí)語(yǔ)言和低級(jí)語(yǔ)言之間存在著巨大的鴻溝， 怎么把高級(jí)語(yǔ)言翻譯成可以執(zhí)行的機(jī)器語(yǔ)言是個(gè)非常難的問(wèn)題!

人類在黑暗中摸索了很久，這才迎來(lái)一絲光明， 1957年，第一個(gè)高級(jí)語(yǔ)言的編譯器才在IBM704的機(jī)器上運(yùn)行成功。 更重要的是喬姆斯基對(duì)自然語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的研究， 把語(yǔ)言文法做了分類，有了0型文法，1型文法， 2型文法，3型文法， 這一下子給我們的翻譯工作奠定了理論基礎(chǔ)。

由于翻譯的復(fù)雜性， 除了匯編器之外， 很多新成員加入進(jìn)來(lái)， 我們的家族迅速發(fā)展壯大， 甚至形成了一個(gè)專門(mén)翻譯的流水線， 這個(gè)流水線的家族成員分工合作， 把高級(jí)語(yǔ)言翻譯成低級(jí)語(yǔ)言。

我主要做的工作就是第一步詞法分析， 大家經(jīng)常給我開(kāi)玩笑說(shuō)： 你這是大刀向源程序頭上砍去。

這其實(shí)挺形象的，比如高級(jí)語(yǔ)言的源程序是這樣：

total = 1000 + salary * 12

我拿著“大刀”， 唰唰唰把他們砍成一個(gè)個(gè)的片段， 每個(gè)片段叫做Token。

1. 標(biāo)識(shí)符 total

2. 賦值符號(hào) =

3. 數(shù)字 1000

4. 加號(hào) +

5. 標(biāo)識(shí)符 salary

6. 乘號(hào) *

7. 數(shù)字12

程序中的空格就被我無(wú)情的刪除了， 我還會(huì)建立一個(gè)符號(hào)表讓后面的人去使用：

接下來(lái)我二叔就會(huì)接管， 他非常厲害， 會(huì)做語(yǔ)法分析，據(jù)說(shuō)他用了一個(gè)叫什么上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)法的理論， 竟然能把我生成的Token 按照語(yǔ)法規(guī)則組建成一棵樹(shù)

然后三舅就做語(yǔ)法分析， 他會(huì)看看這些標(biāo)志符的類型，作用域是不是正確，運(yùn)算是否合法， 取值范圍有沒(méi)有問(wèn)題等等。

我大舅的工作最重要， 把中間代碼生成， 代碼優(yōu)化，以及最后的代碼生成都給承包了。

比如大舅根據(jù)語(yǔ)法樹(shù)生成的中間代碼如下：

• temp1 = id2 * 12
• temp2 = 1000 + temp1
• id1 = temp2

(注意：id2 就是salary, id1 就是 total)

然后他再優(yōu)化一下：

• temp1 = id2 * 12
• id1 = 1000 + temp1

然后翻譯成匯編：

• MOV id2 AX
• MUL 12 AX
• ADD 1000 AX
• MOV AX id1

已經(jīng)非常接近運(yùn)行了!

但是等等， 這id1 (total), id2 (salary) 只是兩個(gè)符號(hào)， 計(jì)算機(jī)根本不知道是什么東西， 計(jì)算機(jī)只關(guān)心內(nèi)存和寄存器， 所以還得給這兩個(gè)家伙分配空間， 得到他們的地址。

如果這兩個(gè)變量是在別的文件中定義的， 還需要做一件特別的事情： 鏈接!

通過(guò)鏈接的方式，把變量的真正地址獲取到， 然后修改上面的id1, id2, 這樣才能形成一個(gè)可以執(zhí)行的程序。

在翻譯的過(guò)程中，如果有任何步驟出了錯(cuò)誤， 我們就會(huì)通知程序員， 告訴他哪個(gè)地方寫(xiě)錯(cuò)了， 改正后重新再來(lái)。

這就是我們家族的工作， 非常重要，沒(méi)有我們的翻譯工作， 人類就無(wú)法使用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編程， 像C, C++,Pascal, C#, Java 這樣影響力巨大的語(yǔ)言就不會(huì)出現(xiàn)， 現(xiàn)在的軟件編程行業(yè)也不會(huì)這么興旺發(fā)達(dá)。

我們家族和操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等軟件一起，成為了計(jì)算機(jī)世界底層的基礎(chǔ)軟件。

其實(shí)我們都明白，現(xiàn)在所謂的高級(jí)語(yǔ)言一點(diǎn)也不高級(jí)，只有經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的專業(yè)人士才能使用 ， 也許在未來(lái)會(huì)出現(xiàn)完全用自然語(yǔ)言來(lái)寫(xiě)程序， 到那個(gè)時(shí)候我們家族會(huì)是什么樣子? 估計(jì)只有上天才知道了。

【本文為51CTO專欄作者“劉欣”的原創(chuàng)稿件，轉(zhuǎn)載請(qǐng)通過(guò)作者微信公眾號(hào)coderising獲取授權(quán)】

戳這里，看該作者更多好文