閑聊計算機語言

任何最複雜的計算(比如求解非線性偏微分方程組)最終都歸結為算術運算(加減乘除
)。電子計算機就是能執行二進製算術運算的工具。二進製(0，1)算術運算在電子計
算機中是由數字電路(門電路)等來物理實現。在電子計算機中有兩種運算：定點運
算和浮點運算。定點運算就是整數運算。而浮點運算是帶小數點的數的運算。馮-諾

曼式計算機(現在大多數計算機還是這種形式)是指令和數據不分的。比如，11001010 
在程序的不同位置可以是指令也可以是數據。起初人們直接用機器指令來編寫程序，
這當然是很繁複的勞動。後來人們用匯編語言(如，MOV，INT 等)來代替機器指令。
再後來人們開發出很多高級語言。計算機高級語言的出現，使非專業的人員都能編
程和使用計算機，大大地促進了計算機普及使用，而且也促進了計算機理論的發展。
現有一千多種計算機語言，但其中隻有十幾種被廣泛使用。在計算機語言領域，人
們的創造力是無限的。有以函數為對象的語言，如ML；有以表(LIST)為對象的語言，
如LISP；有以

OBJECT 為對象的語言，如SMALLTALK，等等。就程序語言來說，可以分為三類：函數
語言，如ML；邏輯語言，如PROLOG；IMPERATIVE語言，如C。(有些語言，如XML，不
是程序語言。)  人們是用編譯方法將高級語言轉換成機器碼，而編譯器的設計是基
於自動機理論。現有四種自動機：有限自動機，堆棧自動機，線性有界(LINEAR BOUNDED)
自動機和圖靈(TURING)機。其中以圖靈機功能最強。圖靈機由磁帶，讀寫頭和控製
器等組成。圖靈機計算模型雖然簡單，但它的功能和每秒運算數億次的電子計算機
是一樣的，而且至今人們還沒有找到比圖靈機功能更強的計算模型。
編譯器的設計必須麵對如下的事實：
1) 不是所有的語言都有編譯器存在。設有一字母集合A。由集合A中的字母組成的所
有單詞的集合B是一個可數無窮集合。由集合B中的所有子集(單詞組)組成的集合(語
言)將是一個不可數無窮集合(集合的冪集)。而圖靈機隻能處理可數無窮集合，所以
說不是所有的語言都有編譯器存在。
2) 最佳編譯器是不存在的。早在世界上第一個編譯器出現以前，就有人證明最佳編
譯器是不存在的。證明的思路也很簡單：如果最佳編譯器存在，圖靈的HALTING問題
也就解決了。因為最佳編譯器可以將死循環程序變成：
L1      SOME CODE
           GOTO  L1
隻要發現程序中有上述程序，就可判斷該程序是死循環。事實上圖靈的HALTING問題
是不能解決，所以說最佳編譯器是不存在的。
早期廣泛應用的程序語言都是PROCEDURE語言，比如 COBOL，FORTRAN，C 等。
PROCEDURE語言的運行就像流水帳一樣，當然不適用於大型係統的設計。於是，近二
十多年發展的OBJECT-ORIENTED語言，比如 C++，JAVA 等得到廣泛應用。在OBJECT-ORIENTED語
言中，OBJECT自帶數據和方法，並且可以重複使用。不過，OBJECT也有機器碼兼容
問題，因此人們進一步發展COMPONENT和INTERFACE設計。
顯然，不是所有的東西都可以設計成OBJECT(比如SECURITY就不能設計成一個OBJECT)。
所以人們進一步發展ASPECT-ORIENTED語言。
應用程序在運行時也會出錯，但錯誤原因在機器碼上。這使得糾錯(DEBUG)變成很複
雜。有人研究用示範的方法讓計算機自動生成執行程序，但至今在這方麵的研究進
展很慢。編譯完的程序還必須鏈接。鏈接過程也是很複雜。早些年，“程序的增量
鏈接”還是美國斯丹福大學計算機係研究課題。最後的執行程序也有它的結構，比
如 COFF 結構。這結構分為頭部和執行碼。頭部的數據顯示有關執行程序的信息。
在頭部和執行碼之間通常有中斷(微軟用 INT 3)，以便於操作係統加載DLL和DEBUG。