高级程序设计语言概述

常用的高级程序设计语言

常用的高级程序设计语言

语言 特点
FORTRAN 数值计算
COBOL 事务处理
PASCAL 结构化程序设计
LISP 函数式程序设计
PROLOG 逻辑程序设计
C 系统程序设计
Smalltalk 面向对象程序设计
Java Internet应用，可移植性
Python 解释型

高级程序设计语言的优点

相对机器语言或汇编语言，高级程序设计语言

• 更接近于数学语言和工程语言，更直观、自然和易于理解
• 更容易验证其正确性、改错
• 编写程序的效率更高
• 更容易移植

程序设计语言的定义

标识符是语法概念，名字是语义概念

语法

• 程序本质上是一定字符集上的字符串
• 语法：一组规则，用它可以形成和产生一个合式(well-formed)的程序
• 词法规则：单词符号的形成规则
  • 单词符号是语言中具有独立意义的最基本结构
  • 一般包括：常数、标识符、基本字、算符、界符等
  • 描述工具：有限自动机
  • 语法规则：语法单位的形成规则
  • 语法单位通常包括：表达式、语句、分程序、过程、
• 函数、程序等;
  • 描述工具：上下文无关文法

E→i
E→E+E
E→E*E（不能理解成乘号）
E→(E)
语法规则和词法规则定义了程序的形式结构
定义语法单位的意义属于语义问题

语义

• 语义
  一组规则，用它可以定义一个程序的意义
• 描述方法
  • 自然语言描述
    二义性、隐藏错误和不完整性
  • 形式描述
    操作语义
    指称语义
    代数语义

语用

程序语言的基本功能和层次结构

• 程序，本质上说是描述一定数据的处理过程

• 程序语言的基本功能
  描述数据和对数据的运算

  层次结构

  程序

| |

子程序或分程序、过程、函数

| |

语句

| |

表达式

| |

数据引用 运算符 函数调用

程序语言成分的逻辑和实现意义

• 抽象的逻辑的意义
  • 数学意义
• 计算机实现的意义
  • 具体实现

高级程序设计语言的一般特性

高级语言的分类

• 强制式语言(Imperative Languge)/过程式语言
  • 命令驱动，面向语句
  • FORTRAN、C、Pascal，Ada
• 应用式语言(Applicative Language)
  • 注重程序所表示的功能，而不是一个语句接一个语句地执行
  • LISP、ML
• 基于规则的语言( Rule-based Language)
  • 检查一定的条件，当它满足值，则执行适当的动作
  • Prolog
• 面向对象语言(Object-Oriented Language)
  • 封装、继承和多态性

  • Smalltalk，C++，Java

    程序结构

FORTRAN

• 一个程序由一个主程序段和若干辅程序段组成
• 辅程序段可以是子程序、函数段或数据块
• 每个程序段由一系列的说明语句和执行语句组成，各段可以独立编译
• 模块结构，没有嵌套和递归
• 各程序段中的名字相互独立，同一个标识符在不同的程序段中代表不同的名字

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

PASCAL

• PASCAL程序本身可以看成是一个操作系统调用的过程，过程可以嵌套和递归
• 一个PASCAL过程

      过程头；
      说明段（由一系列的说明语句组成）；
      begin
      执行体（由一系列的执行语句组成）；
      end

作用域

• 同一个标识符在不同过程中代表不同的名字
• 作用域：一个名字能被使用的区域范围

• 名字作用域规则——"最近嵌套原则"

  最近嵌套原则

• 一个在子程序B1中说明的名字X只在B1中有效（局部于B1）
• 如果B2是B1的一个内层子程序且B2中对标识符X没有新的说明，则原来的名字X在B2中仍然有效

• 如果B2对X重新作了说明，那么，B2对X的任何引用都是指重新说明过的这个X

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

P2的代码能够调用P1

JAVA

• 面向对象的高级语言
  • 类（Class）
  • 继承(Inheritance)
  • 多态性(Polymorphism)和动态绑定(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 ( ) {
…
}
}

数据结构与操作

数据类型通常包括三要素

• 用于区别这种类型数据对象的属性
• 这种类型的数据对象可以具有的值
• 可以作用于这种类型的数据对象的操作

初等数据类型

• 数值类型
  • 整型、实型、复数、双精度
  • 运算：+，-，*，/等
• 逻辑类型
  • true、false
  • 布尔运算：∨，∧，┑等
• 字符类型：符号处理

• 指针类型

  标识符与名字

• 标识符
  • 以字母开头的，由字母数字组成的字符串
• 名字
  • 标识程序中的对象
• 名字的意义和属性
  • 值：单元中的内容
  • 属性：类型和作用域
• 名字的说明方式
  • 由说明语句来明确规定的
    • int score
  • 隐含说明
    • FORTRAN 以I,J,K,…N为首的名字代表整型,否则为实型
  • 动态确定
    • 走到哪里，是什么，算什么

名字的绑定可以发生在编译过程中也可以发生在运行过程中

• 标识符
  • 以字母开头的，由字母数字组成的字符串
• 标识符与名字两者有本质区别
  • 标识符是语法概念
  • 名字有确切的意义和属性

数据结构

数组

• 逻辑上，数组是由同一类型数据组成的某种n维矩形结构，沿着每一维的距离，称为下标
• 数组可变与不可变
  • 编译时能否确定其存贮空间的大小
• 访问
  • 给出数组名和下标值，如A[10, i+ j]
• 存放方式
  • 按行存放,按列存放
• 数组A[10,20]的A[1，1]的地址为a，每个元素占1字节，各维下标从1开始，按行存放，那么
  A[i，j]地址为：
  a+(i-1)*20+(j-1)
• 通用的数组元素地址计算公式

数组元素地址计算

• 设A为n维数组，按行存放，每个元素宽度为w
  • low i 为第i维 的下界
  • up i 为第i维 的上界
  • n i 为第i维 可取值的个数(n i = up i -low i + 1),
  • base为A的第一个元素相对地址
• 元素A[i 1 ,i 2 ,…,i k ]相对地址公式
  ( ((…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

内情向量

• 内情向量
• 登记维数，各维的上、下限，首地址，以及数组（元素）的类型等信息

记录

• 由已知类型的数据组合在一起的一种结构
• 记录或者结构的元素，也叫做域(field)

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

• 访问：复合名 cards[k].name
• 存储：连续存放
• 域的地址计算
  • 相对于记录结构起点的相对数OFFSET

字符串、表格、栈

• 字符串：符号处理、公式处理
• 表格：本质上是一种记录结构
• 线性表：一组顺序化的记录结构
• 栈：一种线性表，后进先出，POP, PUSH

抽象数据类型

• 抽象数据类型(Abstract Data Type)
• A set of data values and associated operations that
  are precisely specified independent of any particular
  implementation.
• 抽象数据类型由数据集合、及其相关的操作组成，这些操作
  有明确的定义，而且定义不依赖于具体的实现
• 一个抽象数据类型包括
  • 数据对象集合
  • 作用于这些数据对象的抽象运算的集合
  • 这种类型对象的封装，即，除了使用类型中所定义
    的运算外，用户不能对这些对象进行操作
• 程序设计语言对抽象数据类型的支持
  • Ada通过程序包(package)提供了数据封装的支持

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;
//规范说明

//程序包体

package body STACKS is
procedure push(S: in out STACK; E: in ELEM);
begin
……实现细节
end push;
procedure pop (S: in out STACK; E: out ELEM);
begin
……实现细节
end pop;
end;

• 一个抽象数据类型包括
  • 数据对象集合
  • 作用于这些数据对象的抽象运算的集合
  • 这种类型对象的封装，即，除了使用类型中所定义
    的运算外，用户不能对这些对象进行操作
• 程序设计语言对抽象数据类型的支持
  • Ada通过程序包(package)提供了数据封装的支持
  • Smalltalk、C++和Java通过类(Class)对抽象数据类型提供支持

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 ( ) {
…
}
}
编译原理

语句与控制结构

表达式

• 表达式由运算量（也称操作数，即数据引用或函数调用）和算符（运算符，操作符）组成
• 形式：中缀、前缀、后缀X*Y -A P↑或者p->
• 表达式形成规则
• 变量（包括下标变量）、常数是表达式。
• 若E 1 、E 2 为表达式，θ是一个二元算符，则E 1 θE 2 是表达式。
• 若E是表达式，θ为一元算符，则θE（或Eθ）是表达式。
• 若E是表达式，则（E）是表达式

算符的优先次序

• 一般的规定
  • PASCAL：左结合A+B+C=(A+B)+C
  • FORTRAN：对于满足左、右结合的算符可任取一种，如A+B+C就可以处理成(A+B)+C，也可以处理成A+(B+C)
• 注意两点
  • 代数性质能引用到什么程度视具体的语言而定
  • 在数学上成立的代数性质在计算机上未必完全成立
  • A + B = B +A

语句

赋值语句

• A := B
• 名字的左值：该名字代表的存储单元的地址
• 名字的右值：该名字代表的存贮单元的内容

控制语句

* 无条件转移语句
goto L
* 条件语句
if B then S
if B then S 1 else S 2
* 循环语句
while B do S
repeat S until B
for i:=E 1 step E 2 until E 3 do S
* 过程调用语句
call P(X 1 , X 2 , ... ,X n )
* 返回语句
return (E)

功能

• 执行语句：描述程序的动作
• 说明语句：定义各种不同数据类型的变量或运算，定义名字的性质

语句的分类

• 形式
• 简单句：不包含其他语句成分的基本句

A = B + C ;
goto 105 ;

• 复合句：句中有句的语句

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