假如你來發(fā)明編程語言
聰明的人類發(fā)現(xiàn)把簡單的開關(guān)組合起來可以表達(dá)復(fù)雜的bool邏輯，在此基礎(chǔ)之上構(gòu)建了 CPU ，因此 CPU 只能簡單的理解開關(guān)，用數(shù)字表達(dá)就是0和1。
創(chuàng)世紀(jì)：聰明的笨蛋
CPU 相當(dāng)原始，就像單細(xì)胞生物一樣，只能把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方、簡單的加一下，沒有任何高難度動(dòng)作，這些操作雖然看上去很簡單很笨，但 CPU 有一個(gè)無與倫比的優(yōu)勢(shì)，那就是一個(gè)字：快，這是人類比不了了的，CPU 出現(xiàn)后人類開始擁有第二個(gè)大腦。就是這樣原始的一個(gè)物種開始支配起另一個(gè)叫做程序員的物種。
干活的是大爺
一般來說兩個(gè)不同的物種要想交流，比如人和鳥，就會(huì)有兩種方式：要不就是鳥說人話，讓人聽懂;要不就是人說鳥語，讓鳥聽懂;就看誰厲害了。
最開始 CPU 勝出，程序員開始說鳥語并認(rèn)真感受 CPU 的支配地位，好讓 CPU 大爺可以工作，感受一下最開始的程序員是怎么說鳥語的：
程序員按照 CPU 的旨意直接用0和1編寫指令，你沒有看錯(cuò)，這破玩意就是代碼了，就是這么原生態(tài)，然后放到打孔紙帶上輸入給CPU，CPU 開始工作，這時(shí)的程序可真的是看得見摸得著，就是有點(diǎn)浪費(fèi)紙。
這時(shí)程序員必須站在 CPU 的角度來寫代碼，畫風(fēng)是這樣的：
- 1101101010011010
- 1001001100101001
- 1100100011011110
- 1011101101010010
乍一看你知道這是什么意思嗎?你不知道，心想：“這是什么破玩意?”，但 CPU 知道，心想“這就簡直就是世界上最美的語言”。
天降大任
終于有一天程序員受夠了說鳥語，好歹也是靈長類，嘰嘰喳喳說鳥語太沒面子，你被委以重任：讓程序員說人話。
你沒有苦其心志勞其筋骨，而是仔細(xì)研究了一下 CPU，發(fā)現(xiàn) CPU 執(zhí)行的指令集來來回回就那么幾個(gè)指令，比如加法指令、跳轉(zhuǎn)指令等等，因此你把機(jī)器指令和對(duì)應(yīng)的具體操作做了一個(gè)簡單的映射，把機(jī)器指令映射到人類能看懂的單詞，這樣上面的01串就變成了：
- sub $8, %rsp
- mov $.LC0, %edi
- call puts
- mov $0, %eax
這樣，程序員不必生硬的記住1011.....，而是記住人類可以認(rèn)識(shí)的ADD SUB MUL DIV等這樣的單詞即可。
匯編語言就這樣誕生了，編程語言中首次出現(xiàn)了人類可以認(rèn)識(shí)的東西。
這時(shí)程序員終于不用再“嘰嘰喳喳。。”，而是升級(jí)為“阿巴阿巴。。”，雖然人類認(rèn)知“阿巴阿巴”這幾個(gè)字，但這和人類的語言在形式上差別還是有點(diǎn)大。
細(xì)節(jié) VS 抽象
盡管匯編語言已經(jīng)有人類可以認(rèn)識(shí)的單詞，但匯編語言和機(jī)器語言一樣都屬于低級(jí)語言。
所謂低級(jí)語言是說你需要關(guān)心所有細(xì)節(jié)。
關(guān)心什么細(xì)節(jié)呢?我們說過，CPU 是非常原始的東西，只知道把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方，簡單的操作一下再從一個(gè)地方搬到另一地方。
因此，如果你想用低級(jí)語言來編程的話，你需要使用多個(gè)“把數(shù)據(jù)從一個(gè)地方搬到另一個(gè)地方，簡單的操作一下再從一個(gè)地方搬到另一地方”這樣的簡單指令來實(shí)現(xiàn)諸如排序這樣復(fù)雜的問題。
有的同學(xué)可能對(duì)此感觸不深，這就好比，本來你想表達(dá)“去給我端杯水過來”：
如果你用匯編這種低級(jí)語言就得這樣實(shí)現(xiàn)：
我想你已經(jīng) Get 到了。
彌補(bǔ)差異
CPU 實(shí)在太簡單了，簡單到不能了理解任何稍微抽象一點(diǎn)諸如“給我端杯水”這樣的東西，但人類天生習(xí)慣抽象化的表達(dá)，人類和機(jī)器的差距有辦法來彌補(bǔ)嗎?
換句話說就是有沒有一種辦法可以自動(dòng)把人類抽象的表達(dá)轉(zhuǎn)為 CPU 可以理解的具體實(shí)現(xiàn)，這顯然可以極大增強(qiáng)程序員的生產(chǎn)力，現(xiàn)在，這個(gè)問題需要你來解決。
套路，都是套路
思來想去你都不知道該怎么把人類的抽象自動(dòng)轉(zhuǎn)為 CPU 能理解的具體實(shí)現(xiàn)，就在要放棄的時(shí)候你又看了一眼 CPU 可以理解的一堆細(xì)節(jié)：
電光火石之間靈光乍現(xiàn)，你發(fā)現(xiàn)了滿滿的套路，或者說模式。大部分情況下 CPU 執(zhí)行的指令平鋪直敘的，就像這樣：
這些都是告訴 CPU 完成某個(gè)特定動(dòng)作，你給這些平鋪直敘的指令起了個(gè)名字，姑且就叫陳述句吧，statement。
除此之外，你還發(fā)現(xiàn)了這樣的套路，那就是需要根據(jù)某種特定狀態(tài)決定走哪段指令，這個(gè)套路在人看來就是“如果。。。就。。。否則。。就。。。”：
- if ***
- blablabla
- else ***
- blablabla
在某些情況下還需要不斷重復(fù)一些指令，這個(gè)套路看起來就是原地打轉(zhuǎn)：
- while ***
- blablabla
最后就是這里有很多看起來差不多的指令，就像這里：
這些指令是重復(fù)的，只是個(gè)別細(xì)節(jié)有所差異，把這些差異提取出來，剩下的指令打包到一起，用一個(gè)代號(hào)來指定這些指令就好了，這要有個(gè)名字，就叫函數(shù)吧：
- func abc:
- blablabla
現(xiàn)在你發(fā)現(xiàn)了所有套路：
- // 條件轉(zhuǎn)移
- if ***
- blablabla
- else ***
- blablabla
- // 循環(huán)
- while ***
- blablabla
- // 函數(shù)
- func abc:
- blablabla
這些相比匯編語言已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，因?yàn)檫@已經(jīng)和人類的語言非常接近了。接下來你發(fā)現(xiàn)自己面臨兩個(gè)問題：
- 這里的blablabla該是什么呢?
- 該怎樣把上面的人類可以認(rèn)識(shí)的字符串轉(zhuǎn)換為 CPU 可以認(rèn)識(shí)的機(jī)器指令
盜夢(mèng)空間
你想起來了，上文說過大部分代碼都是平鋪直敘的陳述句，statement，這里的blablabla 僅僅就是一堆陳述句嗎?
顯然不是，blablabla 可以是陳述句，當(dāng)然也可以是條件轉(zhuǎn)移if else，也可以是循環(huán)while，也可以是調(diào)用函數(shù)，這樣才合理。
雖然這樣合理，很快你就發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)嚴(yán)重的問題：
blabalbla中可以包含 if else 等語句，而if else等語句中又可以包含blablabla，blablabla中反過來又雙可能會(huì)包含if else等語句，if else等語句又雙叒有可能會(huì)包含blablabla，blablabla又雙叒叕可能會(huì)包含if else等語句。。。
就像盜夢(mèng)空間一樣，一層夢(mèng)中還有一層夢(mèng)，夢(mèng)中之夢(mèng)，夢(mèng)中之夢(mèng)中之夢(mèng)。。。一層嵌套一層，子子孫孫無窮匱也。。。
此時(shí)你已經(jīng)明顯感覺腦細(xì)胞不夠用了，這也太復(fù)雜了吧，絕望開始吞噬你，上帝以及老天爺啊，誰來救救我!
此時(shí)你的高中老師過來拍了拍你的肩膀，遞給了你一本高中數(shù)學(xué)課本，你惱羞成怒，給我這破玩意干什么，我現(xiàn)在想的問題這么高深，豈是一本破高中數(shù)學(xué)能解決的了的，抓過來一把扔在了地上。此時(shí)一陣妖風(fēng)吹過，教材停留在了這樣一頁，上面有這樣一個(gè)數(shù)列表達(dá)：
f(x) = f(x-1) + f(x-2)
這個(gè)遞歸公式在表達(dá)什么呢?f(x)的值依賴f(x-1)，f(x-1)的值又依賴f(x-2)，f(x-2)的值又依賴。。。
一層嵌套一層，夢(mèng)中之夢(mèng)，if中嵌套 statement，statement 又可以嵌套if。。。
等一下，這不就是遞歸嘛，上面看似無窮無盡的嵌套也可以用遞歸表達(dá)啊!你的數(shù)學(xué)老師仰天大笑，too young too simple，留下羞愧的你佛手而去，看似高科技的東西竟然用高中數(shù)學(xué)就解決了，一時(shí)震驚的目瞪狗帶不知所措無地自容。有了遞歸這個(gè)概念加持，聰明的智商又開始占領(lǐng)高地了。
遞歸：代碼的本質(zhì)
不就是嵌套嘛，一層套一層嘛，遞歸天生就是來表達(dá)這玩意的 (提示：這里的表達(dá)并不完備，真實(shí)的編程語言不會(huì)這么簡單)：
- if : if bool statement else statement
- for: while bool statement
- statement: if | for | statement
上面一層嵌套一層的盜夢(mèng)空間原來可以這么簡潔的幾句表達(dá)出來啊，你給這幾句表達(dá)起了高端的名字，語法。數(shù)學(xué)，就是可以讓一切都變得這么優(yōu)雅。世界上所有的代碼，不管有多么復(fù)雜最終都可以歸結(jié)到語法上，原因也很簡單，所有的代碼都是按照語法的形式寫出來的嘛。至此，你發(fā)明了真正的人類可以認(rèn)識(shí)的編程語言。之前提到的第一個(gè)問題解決了，但僅僅有語言還是不夠的。
讓計(jì)算機(jī)理解遞歸
現(xiàn)在還差一個(gè)問題，怎樣才能把這語言最終轉(zhuǎn)化為 CPU 可以認(rèn)識(shí)的機(jī)器指令呢?
人類可以按照語法寫出代碼，這些代碼其實(shí)就是一串字符，怎么讓計(jì)算機(jī)也能認(rèn)識(shí)用遞歸語法表達(dá)的一串字符呢?
這是一項(xiàng)事關(guān)人類命運(yùn)的事情，你不禁感到責(zé)任重大，但這最后一步又看似困難重重，你不禁仰天長嘆，計(jì)算機(jī)可太難了。
此時(shí)你的初中老師過來拍了拍你的肩膀，遞給了你一本初中植物學(xué)課本，你惱羞成怒，給我這破玩意干什么，我現(xiàn)在想的問題這么高深，豈是一本破初中教科書能解決的了的，抓過來一把扔在了地上。
此時(shí)又一陣妖風(fēng)掛過，書被翻到了介紹樹的一章，你望著這一頁不禁發(fā)起呆來：
樹干下面是樹枝，樹枝下是樹葉，樹枝下也可以是樹枝，樹枝下還可以是樹枝、吃葡萄不吐葡萄皮，不吃葡萄倒吐葡萄皮，哎?這句不對(duì)，回到上面這句，樹干生樹枝，樹枝還可以生樹枝，一層套一層、夢(mèng)中之夢(mèng)、子子孫孫無窮匱、高中數(shù)學(xué)老師，等一下，這也是遞歸啊!!!我們可以把根據(jù)遞歸語法寫出來的的代碼用樹來表示啊!
你的初中老師仰天大笑，圖樣圖森破，看似高科技的東西竟然靠初中知識(shí)就解決了。
優(yōu)秀的翻譯官
計(jì)算機(jī)處理編程語言時(shí)可以按照遞歸定義把代碼用樹的形式組織起來，由于這棵樹是按照語法生成的，姑且就叫語法樹吧。
現(xiàn)在代碼被表示成了樹的形式，你仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，其實(shí)葉子節(jié)點(diǎn)的表達(dá)是非常簡單的，可以很簡單的翻譯成對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令，只要葉子節(jié)點(diǎn)翻譯成了機(jī)器指令，你就可以把此結(jié)果應(yīng)用到葉子節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)又可以把翻譯結(jié)果引用到父節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，一層層向上傳遞，最終整顆樹都可以翻譯成具體的機(jī)器指令。
完成這個(gè)工作的程序也要有個(gè)名字，根據(jù)“弄不懂原則”，你給這個(gè)類似翻譯的程序起了個(gè)不怎么響亮的名字，編譯器，compiler。
現(xiàn)在你還覺得二叉樹之類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)沒啥用嗎?至此，你完成了一項(xiàng)了不起的發(fā)明創(chuàng)造，程序員可以用人類認(rèn)識(shí)的東西來寫代碼，你編寫的一個(gè)叫做編譯器的程序負(fù)責(zé)將其翻譯成 CPU 可以認(rèn)識(shí)的機(jī)器指令。后人根據(jù)你的思想構(gòu)建出了C/C++、以及后續(xù)的Java、Python，這些語言現(xiàn)在還有一幫人在用呢。
總結(jié)
世界上所有的編程語言都是遵照特定語法來編寫的，編譯器根據(jù)該語言的語法將代碼解析成語法樹，遍歷語法樹生成機(jī)器指令(C/C++)或者字節(jié)碼等(Java)，然后交給 CPU(或者虛擬機(jī))來執(zhí)行。
也因此，高級(jí)語言的抽象表達(dá)能力很強(qiáng)，代價(jià)都是犧牲了對(duì)底層的控制能力，這就是為什么操作系統(tǒng)的一部分需要使用匯編語言編寫，匯編語言對(duì)底層細(xì)節(jié)的強(qiáng)大控制力是高級(jí)語言替代不了的。
最后請(qǐng)注意，本文為通俗易懂講解編程語言犧牲了嚴(yán)謹(jǐn)性，這里的語法沒有體現(xiàn)函數(shù)、表達(dá)式等等，真實(shí)語言的語法遠(yuǎn)遠(yuǎn)比這里的復(fù)雜，此外關(guān)于編譯器也不會(huì)直接把語法樹翻譯成機(jī)器語言，而是生成一種類似機(jī)器指令的中間語言，經(jīng)過一系列復(fù)雜的優(yōu)化后最終生成真正的機(jī)器指令，真實(shí)的編譯器遠(yuǎn)比這里復(fù)雜。
希望本文對(duì)大家理解編程語言有所幫助。
