问题

为什么汇编语言的功能在高级语言中一部分成为了关键字,一部分封装成了函数?

回答
这个问题问得很有意思,触及到了编程语言设计最核心的层面之一:抽象。为什么我们写代码时,很多曾经在汇编层面直接执行的操作,现在都变成了关键字或者封装好的函数?这背后是计算机科学漫长的发展和对开发者效率、代码可读性及可维护性的不懈追求。

我们可以从几个维度来详细解读这个现象:

一、 抽象的必然性与层级递进

想象一下,我们第一次接触计算机,可能需要直接操作硬件寄存器,发送特定的机器码指令。这是最接近“裸机”的体验,也是汇编语言的起点。汇编语言相对于机器码,已经做了一层抽象,它用助记符(如 `MOV`, `ADD`, `JMP`)来代替二进制指令,使得人类更容易理解和编写。

但即使是汇编,也依然非常繁琐。每一次内存访问,每一个算术运算,都需要精确地指定寄存器、地址模式。这就像你要盖一栋房子,不是直接去搬砖堆砌,而是要精确到每一块砖的尺寸、位置、水泥用量。效率极低,且容易出错。

高级语言的出现,就是为了进一步提升这种抽象的层级。它们的目标是让程序员能够专注于“做什么”(What),而不是“怎么做”(How)。

二、 关键字的诞生:本质操作的“固化”与简化

一些汇编语言中的核心指令,因为它们代表了最基本、最频繁的操作,并且具有高度的“控制流”或“数据流”意义,就被直接提升为高级语言的关键字。

控制流的抽象:
跳转(JMP/Conditional Jumps):在汇编中,你需要指定目标地址进行跳转。这在高级语言中演变成了 `if...else...`、`for`、`while`、`switch` 等结构。这些关键字不仅仅是简单的跳转,它们封装了条件判断、循环计数、多路选择等一系列逻辑,使得代码结构化、易读易懂。例如,`if (a > b)` 这个关键字组合,背后可能对应着汇编中的 `CMP`(比较)和一系列条件跳转指令,但我们只需关注逻辑判断本身,而无需关心具体的跳转地址和状态标志。
函数调用(CALL):汇编中的 `CALL` 指令负责将返回地址压栈,然后跳转到子程序入口。在高级语言中,函数调用 (`myFunction()`) 这一行为被封装成一个简单的语法结构。我们不需要关心栈的操作细节,只需知道调用一个函数会执行一段预定义的代码,并且可能返回一个结果。

数据操作的抽象:
赋值(MOV):汇编中的 `MOV` 指令用于在寄存器之间或寄存器与内存之间移动数据。在高级语言中,赋值操作符 `=` 就承担了这一角色。我们只需写 `x = y + 5`,编译器会将其翻译成一系列低级操作,包括变量的内存地址查找、数据的加载、计算,最后再存回目标变量。
算术运算(ADD, SUB, MUL, DIV):这些基本的算术指令,在高级语言中直接表现为 `+`, ``, ``, `/` 等运算符。程序员使用这些运算符,完全不用关心是使用哪个寄存器进行运算,运算结果如何存取。

为什么这些变成关键字?

1. 频率与基础性:这些操作是几乎所有程序都会用到的最基本建筑模块。将它们设计成关键字,提供了最直接、最简洁的语法表达。
2. 结构化与语义清晰:关键字的引入,本身就带有强烈的语义信息。`if` 就是条件判断,`while` 就是循环,它们直接定义了代码块的逻辑关系,极大地提高了代码的可读性。
3. 编译器优化入口:关键字也是编译器进行优化的重要线索。编译器可以根据这些关键字,对底层机器码的生成进行更智能的调整,比如寄存器分配、指令流水线优化等。

三、 函数的封装:复杂逻辑的“模块化”与“可复用性”

并非所有汇编功能都直接变成了关键字。很多更复杂、更具体、或者可以被抽象成通用服务的操作,则被封装成了函数(或方法、过程)。

系统调用与I/O操作:
在汇编层面,进行文件读写、网络通信、进程管理等,需要调用操作系统提供的特定中断或系统服务例程。这些系统调用本身就是一系列复杂的低级操作和参数传递。
在高级语言中,这些都变成了函数调用,如 `printf()`, `scanf()`, `fopen()`, `read()`, `write()` 等。这些函数封装了底层系统调用的繁琐细节,我们只需按照函数签名传递参数即可。比如,`printf("Hello, %s! ", name);` 这一行代码,背后可能涉及到缓冲区管理、格式化字符串、系统调用等一系列复杂步骤,但我们只需通过一个简单的函数调用来完成。

标准库与通用算法:
数学运算(如 `sin()`, `cos()`, `sqrt()`)、字符串处理(如 `strcpy()`, `strlen()`)、数据结构操作(如列表的添加、删除)等,如果仅仅作为关键字会显得过于臃肿和不灵活。
将它们封装成函数,例如标准库中的数学函数、字符串函数、容器(List, Map)的方法。这带来了巨大的好处:
可复用性:同一个函数可以在程序的任何地方被调用,避免重复编写相同逻辑的代码。
模块化:将功能分散到不同的函数中,使得代码结构更清晰,更容易理解和维护。每个函数专注于一件事情。
抽象的层次:这些函数提供了比关键字更高的抽象层次。它们组合了多个底层操作,提供了一个更高级的功能单元。
参数化与灵活性:通过函数参数,我们可以灵活地调整函数的行为。例如,一个排序函数,可以通过传入不同的比较函数来适应不同的排序需求。

对硬件的间接访问:
虽然高级语言尽量屏蔽硬件细节,但在某些情况下,仍然需要对底层硬件进行更细致的控制,但又不希望直接写汇编。这时,可以通过一些特殊的库函数(例如某些嵌入式开发中的硬件寄存器访问函数)来实现。

为什么这些封装成函数?

1. 功能的复杂性与特定性:这些操作的逻辑相对复杂,或者功能相对独立,不适合直接融入到语言的语法结构中。
2. 通用性与可配置性:函数可以通过参数接受不同的输入,实现不同的功能变体,满足更广泛的需求。
3. 可维护性与可扩展性:将功能封装成函数,使得代码更容易调试、修改和扩展。当需要更新某个功能的实现逻辑时,只需要修改对应的函数即可,而无需改动调用它的所有地方。
4. 安全性:通过函数封装,可以限制对底层资源的直接访问,引入安全检查和错误处理机制,提高程序的健壮性。

总结一下,高级语言将汇编语言的功能进行转化,主要经历了两个途径:

关键字:针对最基本、最常用、最能体现程序控制流和基本数据操作的汇编指令,直接提升为语言的语法结构。这提供了最简洁、最高效的表达方式,同时也赋予了程序结构化的语义。
函数(库):针对更复杂、更具体、可以被抽象成通用服务的汇编操作,通过函数的形式进行封装。这带来了极高的可复用性、模块化和灵活性,让程序员能够专注于更高层次的逻辑设计,而无需关心底层实现的细节。

这种从汇编到高级语言的抽象演进,是计算机科学进步的必然结果,它极大地提高了软件开发的效率,降低了编程的门槛,使得我们能够构建出越来越复杂、越来越强大的应用程序。就像从用石器打磨工具,到使用各种精密机械制造工具一样,效率和能力都得到了飞跃。

网友意见

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这个问题下的回答啊……


简单说:设计高级语言的人才不理你汇编呢。

他关注的是他自己的抽象,至于硬件是X86/X86_64还是ARM/RISC,关我屁事。


就好像设计CPU的只管我的CPU图灵完备、同时执行目标任务(标量、浮点)时性能达标——你管我把这玩意儿设计成复杂指令集、精简指令集还是超标量或者超长指令字呢。


这就叫“一层有一层的抽象”——只要我的抽象能用、好用,随便你上层下层怎么折腾。


举例来说,C语言的抽象是什么?

抽象的是:一颗支持顺序、分支(if/else/switch)、循环(for、while)的cpu,和一片平坦连续的内存,所组成的图灵机。


类似的,Java抽象的是什么?

一颗提供类似C的支持、但禁止裸内存访问的图灵机。

这个图灵机除了C所支持(但不包括内存访问)的东西外,还提供了面向对象(class)以及内存自动回收等支持。


再比如,Haskell抽象的是什么?

抽象的是一台支持lambda演算的机器——注意,虽然已经证明了lambda演算和图灵机等价,但它却不是图灵机哦。


这就是它们的核心抽象。


总之,一切高级语言,它都是类似“读写头+纸带”的、最简图灵机抽象的类似物。它压根不需要考虑某种特殊的CPU搞出了什么支持、更不关心能不能充分利用它——只要核心抽象有了,剩下都是编译器的工作。


比如说,现代CPU都有SSE/AVX指令支持,这些SIMD指令怎么办?

答案是凉拌。没有哪种语言从一开始的抽象就加入这些玩意儿。


但这东西真的能提速啊?

简单。

谁想用这种加速,自己想办法——或者内嵌汇编,或者寻找别人搞出来的现成的库。比如openMP。

甚至于,现代语言很容易扩充语法。这段程序能并行?加一行@开头的指示就行了。


总之,除非真的通盘考虑过,否则不要瞎支持什么底层细节,更不要直接在高级语言抽象里把具体的CPU扯进来。


举例来说,你可以支持“并行编程”,但却绝不能支持SSE/MMX。因为这些玩意儿其它CPU上面可能没有、或者虽然有但却是另外一套不兼容的体系。

因此,你要把这些东西笼而统之的叫做“并行编程”,然后自顾自的设计自己的并行编程语法——把你的这套语法翻译成具体的指令是编译器的事,语言设计层面不要管它。


类似的,回到问题:


这些东西,没有任何编程语言会直接支持。它们只会以官方库或者第三方库的形式支持。


这是因为,无论在图灵机抽象、x86抽象、arm抽象或者别的什么抽象里,它们都不是计算机的一部分。


那它们是什么?

它们是外设。

什么是外设?

外设是通过总线、串口、usb、网口、dvi、hdmi、dp等等通讯接口、和运行程序的那颗主CPU通讯的、受主CPU控制的下位机。


没错。下位机。另一台计算机。


鼠标里面有一颗386甚至486级别以上的CPU;键盘里面也有一颗比当年的红白机更强大的CPU;蓝牙芯片,对,就你蓝牙耳机里面那个大米粒大小的芯片,那也是一颗主频66MHZ以上的强大CPU。

硬盘主控芯片是一颗CPU,DMA控制器也是一颗CPU;声卡里面有CPU,网卡里面也有CPU——显卡?显卡更不用说了……


所以,无论你要外设做什么、或者想从外设取得什么,你都要和这些CPU通讯。

当然,其中键盘、鼠标、显示器几乎每台机器都有,所以和它的通讯是标准化的。比如文本模式下,你从标准输入(stdin)读取、或者写入标准输出(stdout)即可——但根本上,x86平台上,你是通过out/in指令,通过外设专用总线直接对它下发了指令字。


事实上,很多外设都有自己的标准化的控制协议。比如打印机可以通过并口、USB口或者蓝牙通讯,和它接上头后,你可以用一套AT指令控制它的一举一动。

同样的,由于打印机用的太多太方便了,所以很多程序库内置了打印机支持——把你想打印的图片/文本丢给它就行了,你不需要懂AT指令。


换句话说,抽象这些外设的任务就交给了各种各样的库——这种东西当然不应该放到语言抽象里,对吧。


总之,一旦理解了这些东西、又明白了外设控制/通讯常用的手法(比如轮询和中断有什么区别、DMA是什么等等)以及外设的工作原理(以及大致的控制手法/思路),那么再看相应的库,自然掌上观纹一样清晰了。

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