第四章 语言的编程设计 程序设计语言是用来写计算机程序的语言。语言的基础是一组标记和规则。根据规则，由标记组成的标记串通常是语言。在程序设计语言中，这些标记串是程序。语法、语义和语用有三个因素。语法表示程序的结构或形式，即构成语言的每个标记之间的组合规律，但不涉及这些标记的具体含义或用户。语义表示程序的含义，即按各种方法表示的每个标记的具体含义，但不涉及用户。 分类： 1.机器语言：机器语言是机器可以直接识别的程序语言或指令代码，不需要翻译。每个操作代码在计算机内部都有相应的电路来完成，或指机器可以直接理解和接受的程序语言或指令代码。机器语言使用绝对地址和绝对操作代码。不同的计算机有自己的机器语言，即指令系统。从使用的角度来看，机器语言是最低的语言。 编程语言用于定义计算机程序的形式语言，并向计算机发出指令。每年都的计算机语言，每年都会产生大量的新编程语言。编程语言可分为机器语言、汇编语言和高级语言三类。机器语言由机器指令集组成，可直接由机器执行。写机器语言的程序不容易阅读和记忆。本质上，汇编语言也直接操作硬件。由于使用助记符，写作和阅读比机器语言更方便。在高级语言中，将多个汇编程序句合并成更简单的编程句，自动完成堆栈、寄存器分配管理等工作，更方便程序员开发程序。 机器语言是一种机器指令系统的集合，由二进制代码表示的计算机可以直接识别和执行。它是计算机设计师通过计算机的硬件结构赋予计算机的操作功能。机器语言具有灵活、直接执行和快速的特点。不同类型的计算机的机器语言是不相通的，根据计算机指令编制的程序，不能在另一台计算机上执行。 指令是机器语言的句子，是一组有意义的二进制代码。指令的基本格式如操作代码字段和地址代码字段，指示指令的操作性质和功能，地址代码给出操作数或操作数的地址。 编程人员应首先记住所使用计算机的所有指令代码和代码的含义。编程时，程序员必须处理每个指令和数据的存储、分配和输入，并记住编程过程中每个步骤中使用的工作单元的状态。这是一项非常繁琐的工作。编写程序通常需要几十倍或几百倍的时间。而且编制的程序都是0和1的指令代码，直观性差，容易出错。除了计算机制造商的专业人士，绝大多数程序员不再学习机器语言。 2.汇编语言 汇编语言（assembly language）它是电子计算机、微处理器、微控制器或其它可编程设备的低级语言，也称为符号语言。用助记符代替机器指令的操作码，用地址符号或标号代替指令或操作数的地址。在不同的设备中，汇编语言对应于不同的机器语言指令集，为机器指令。特定的汇编语言和特定的机器语言指令集是一一对应的，不能直接移植到不同的平台之间。 汇编语言， 也就是说，第二代计算机语言用一些易于理解和记忆的字母代替特定的指令，如使用ADD代表数字逻辑的加减， MOV代表数据传输等。通过这种方法，人们可以很容易地阅读已完成的程序或理解程序正在执行的功能以及现有程序bug维修和操作都变得更加简单方便。当计算机硬件不知道字母符号时，需要一个特殊的程序将这些字符转换为计算机可以识别的二进制数。由于汇编语言只是机器语言的简单编译，因此没有从根本上解决机器语言的特定性，因此汇编语言与机器本身的编程环境密切相关，难以推广和移植，但仍保持机器语言的优秀执行效率，由于其可读性和简单性，汇编语言仍然是常用的编程语言之一。 与大多数其他程序设计语言不同，汇编语言在程序设计中得到了广泛的应用。在今天的实际应用中，它通常用于底层、硬件操作和高要求的程序优化。驱动程序、嵌入式操作系统和实时操作程序都需要汇编语言。 由于汇编指令系统庞大，需要建立指令系统，指令数量大，格式复杂，记忆力差。指令中最困难的是指令支持的搜索方式，其本质是如何获得指令中的操作数。对理器是如何找到他需要的数据。然而，对于计算机底部的汇编语言，这种搜索模式将涉及大量的计算存储格式和 复杂的存储管理模式密切相关，难以理解。最后，汇编指令也与如何影响标志位有关，但处理器标志位非常复杂，因此很难掌握其机制。传送指令.逻辑运算移.位指令.位操作.控制转移.串操作.输入输出 3.高级语言 高级语言（High-level programming language）与机器语言相比（machine language）是指令集系统。在这种语言下，它的语法和结构更像汉字或普通英语，普通人更容易学习，因为它远离硬件的直接操作。高级语言通常根据其基本类型、代系、实现模式和应用范围进行分类。 计算机语言可分为高级语言和低级语言。与汇编语言相比，高级语言主要是编程接近自然语言和数学公式。它基本上脱离了机器的硬件系统，以一种更容易理解的方式编写程序。编写的程序称为源程序。 高级语言不是指特定的语言，而是包括许多编程语言，如流行语言java，c，c ，C#，pascal，python，lisp，prolog，FoxPro，易语言、C语言等，这些语言的语法和命令格式不同。 高级语言与计算机的硬件结构和指令系统无关。它具有较强的表达能力，可以方便地表达数据的操作和程序的控制结构，更好地描述各种算法，易于学习和掌握。但高级语言编译生成的程序代码一般比汇编程序语言设计的程序代码长，执行速度慢。因此，汇编语言适用于编写对速度和代码长度要求较高的程序和直接控制硬件的程序。高级语言、汇编语言和机器语言都是用来编写计算机程序的语言。 高级语言程序看不见机器的硬件结构不能用于编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。为此，一些高级语言提供了与汇编语言的呼叫接口。汇编语言编写的程序可以作为高级语言的外部过程或函数，并使用堆栈传输参数或参数的地址。 特点：因为明确的目标性以及理解容易，一个新手很容易去学习高级编程语言。同时高级编程语言因为发展的历史，拥有很多函数库，用户可以根据自身的需求在代码中加入头文件来调用这些函数来实现自己的功能，当然使用者也可以根据自己的喜好编写函数来在后续的代码中调用。 作为一种通用的编程语言，高级编程语言的语言结构与计算机本身的硬件和指令系统无关。它具有较强的可读性，可以方便地表达程序的功能，更好地描述所使用的算法。同时，它更 容易被初学者所掌握，很容易学习。而且很容易学会掌握。然而，由于高级编程语言是一种编译语言，其运行速度低于汇编程序。同时，由于高级语言冗长，代码的执行速度也较慢。 高级编程语言，作为用户级编程工具，用户不需要理解硬件结构，但使用逻辑语言来实现预期目标，但由于高级编程语言结构高于汇编，因此不能直接访问硬件资源系统程序，因此，高级编程语言必须使用汇编语言编写程序来访问硬件地址。 高级编程语言分类 1.BASIC BASIC（Beginners’ All-purpose Symbolic Instruction Code，翻译培基)，意思是初学者通用符号指令代码，是初学者设计的程序设计语言。BASIC是一种直译式的编程语言，在完成编写后不须经由编译及连结等手续即可执行，但如果需要单独执行时仍然需要将其建立成执行档。 2.PASCAL Pascal为了纪念17世纪法国著名的哲学家和数学家Blaise Pascal它来自瑞士Niklaus Wirth教授于20世纪60年代末设计成立。Pascal语言语法严谨，层次分明，程序易写，可读性强，是第一个结构化编程语言。Pascal语言广泛应用于各种软件，程序分为名称（program后自拟)、设置（var后规定)，开始（begin)、程序(正文)，读取（read/read ln）、结束（end），结构层次强，严谨紧密。 特点 丰富的数据结构和构建数据结构的方法。除了整形、实型、布尔型和数组外，还提供字符、枚举、子域、记录、集合、文件、指针等类型。这些数据结构可以很容易地描述各种事务元。 控制结构简洁灵活。具体结构句包括复合句、如果句、情况句、While 语句、Repeat 语句、For 处理记录变量的语句和缩写形式———With 语句。 它可以第一种结构化程序设计语言。 编译效率高。 编译程序有利于编写程序设计语言。 严格的结构化形式。 检错能力强。 Pascal结构化编程强调非结构化语言Fortran无与伦比的美与乐趣，Unix小就是美，没有消息就是好消息。 由于上述特点，Pascal语言可以很容易地用来描述各种算法和数据结构。特别是对于程序设计的初学者，Pascal语言有利于培养良好的程序设计风格和习惯。 IOI(奥林匹克国际信息学竞赛)Pascal语言是三种程序设计语言之一，NOI(全国奥林匹克信息学竞赛)Pascal语言和C语言，c 在大学里，语言作为竞赛中使用的程序设计语言Pascal语言常被用作学习数据结构和算法的教学语言。 在发展高级语言的过程中，PASCAL这是一个重要的里程碑。1971年，瑞士联邦技术学院尼克劳斯·沃尔斯（N.Wirth）教授发明了另一种简单明晰的电脑语言，这就是以电脑先驱帕斯卡的名字命名的PASCAL语言。PASCAL语言语法严谨，编程语言。沃尔斯一生也写了很多关于程序设计、算法和数据结构的作品，因此他在1984年获得了图灵奖。 缺点 传统PASCAL标准库缺乏对网络编程的支持，只有通过自己的方式graph单元很难实现更好的图形界面（GUI），这些缺点大多需要嵌入汇编语言代码才能解决，缺乏与机器语言的界面。 另一方面，编程语言作为一种面向过程的语言，0世纪90年代兴起的面向对象语言相比，不利于大型软件的开发。 尽管Pascal非常流行（然而在八十到九十年代时比21世纪更加流行），依据维尔特的对这种语言的定义来构建Pascal，广泛批评使其不适合非教学场合。 C语言的推广Brian Kernighan早在1981年就在他的论文中《Why Pascal Is Not My Favourite Programming Language》对Pascal严厉批评。 3.C语言 C语言是一种面向过程的抽象通用程序设计语言，广泛应用于底层开发。C语言能以简易的方式编译、处理低级存储器。C语言只产生少量的机器语言，不需要任何运行环境的支持行的高效率程序设计语言。尽管C语言提供了许多低级处理的功能，但仍然保持着跨平台的特性，以一个标准规格写出的C语言程序可在包括类似嵌入式处理器以及超级计算机等作业平台的许多计算机平台上进行编译。 C语言是一门面向过程的计算机编程语言，与C++、Java等面向对象编程语言有所不同。C语言的设计目标是提供一种能以简易的方式编译、处理低级存储器、仅产生少量的机器码以及不需要任何运行环境支持便能运行的编程语言。C语言描述问题比汇编语言迅速、工作量小、可读性好、易于调试、修改和移植，而代码质量与汇编语言相当。C语言一般只比汇编语言代码生成的目标程序效率低10%～20%。因此，C语言可以编写系统软件。 当前阶段，在编程领域中，C语言的运用非常之多，它兼顾了高级语言和汇编语言的优点，相较于其它编程语言具有较大优势。计算机系统设计以及应用程序编写是C语言应用的两大领域。同时，C语言的普适较强，在许多计算机操作系统中都能够得到适用，且效率显著。 4.C++ C++是C语言的继承，它既可以进行C语言的过程化程序设计，又可以进行以抽象数据类型为特点的基于对象的程序设计，还可以进行以继承和多态为特点的面向对象的程序设计。C++擅长面向对象程序设计的同时，还可以进行基于过程的程序设计，因而C++就适应的问题规模而论，大小由之。 C++不仅拥有计算机高效运行的实用性特征，同时还致力于提高大规模程序的编程质量与程序设计语言的问题描述能力。 特点：支持数据封装和数据隐藏 在C++中，类是支持数据封装的工具，对象则是数据封装的实现。C++通过建立用户定义类支持数据封装和数据隐藏。 在面向对象的程序设计中，将数据和对该数据进行合法操作的函数封装在一起作为一个类的定义。对象被说明为具有一个给定类的变量。每个给定类的对象包含这个类所规定的若干私有成员、公有成员及保护成员。完好定义的类一旦建立，就可看成完全封装的实体，可以作为一个整体单元使用。类的实际内部工作隐藏起来，使用完好定义的类的用户不需要知道类是如何工作的，只要知道如何使用它即可。 支持继承和重用 在C++现有类的基础上可以声明新类型，这就是继承和重用的思想。通过继承和重用可以更有效地组织程序结构，明确类间关系，并且充分利用已有的类来完成更复杂、深入的开发。新定义的类为子类，成为派生类。它可以从父类那里继承所有非私有的属性和方法，作为自己的成员。 支持多态性 采用多态性为每个类指定表现行为。多态性形成由父类和它们的子类组成的一个树型结构。在这个树中的每个子类可以接收一个或多个具有相同名字的消息。当一个消息被这个树中一个类的一个对象接收时，这个对象动态地决定给予子类对象的消息的某种用法。多态性的这一特性允许使用高级抽象。 继承性和多态性的组合，可以轻易地生成一系列虽然类似但独一无二的对象。由于继承性，这些对象共享许多相似的特征。由于多态性，一个对象可有独特的表现方式，而另一个对象有另一种表现方式。 工作原理编辑 C++语言的程序因为要体现高性能，所以都是编译型的。但其开发环境，为了方便测试，将调试环境做成解释型的。即开发过程中，以解释型的逐条语句执行方式来进行调试，以编译型的脱离开发环境而启动运行的方式来生成程序最终的执行代码。 生成程序是指将源码（C++语句）转换成一个可以运行的应用程序的过程。如果程序的编写是正确的，那么通常只需按一个功能键，即可搞定这个过程。该过程实际上分成两个步骤。 第一步是对程序进行编译，这需要用到编译器（compiler）。编译器将C++语句转换成机器码(也称为目标码)；如果这个步骤成功，下一步就是对程序进行链接，这需要用到链接器（linker）。链接器将编译获得机器码与C++库中的代码进行合并。C++库包含了执行某些常见任务的函数（“函数”是子程序的另一种称呼）。例如，一个C++库中包含标准的平方根函数sqrt，所以不必亲自计算平方根。C++库中还包含一些子程序，它们把数据发送到显示器，并知道如何读写硬盘上的数据文件。 5.Java Java是一门面向对象编程语言，不仅吸收了C++语言的各种优点，还摒弃了C++里难以理解的多继承、指针等概念，因此Java语言具有功能强大和简单易用两个特征。Java语言作为静态面向对象编程语言的代表，极好地实现了面向对象理论，允许程序员以优雅的思维方式进行复杂的编程 。 Java具有简单性、面向对象、分布式、健壮性、安全性、平台独立与可移植性、多线程、动态性等特点 。Java可以编写桌面应用程序、Web应用程序、分布式系统和嵌入式系统应用程序等 。 特点： 1.简单性 Java看起来设计得很像C++，但是为了使语言小和容易熟悉，设计者们把C++语言中许多可用的特征去掉了，这些特征是一般程序员很少使用的。例如，Java不支持go to语句，代之以提供break和continue语句以及异常处理。Java还剔除了C++的操作符过载（overload）和多继承特征，并且不使用主文件，免去了预处理程序。因为Java没有结构，数组和串都是对象，所以不需要指针。Java能够自动处理对象的引用和间接引用，实现自动的无用单元收集，使用户不必为存储管理问题烦恼，能更多的时间和精力花在研发上。 2.面向对象 Java是一个面向对象的语言。对程序员来说，这意味着要注意应中的数据和操纵数据的方法（method），而不是严格地用过程来思考。在一个面向对象的系统中，类（class）是数据和操作数据的方法的集合。数据和方法一起描述对象（object）的状态和行为。每一对象是其状态和行为的封装。类是按一定体系和层次安排的，使得子类可以从超类继承行为。在这个类层次体系中有一个根类，它是具有一般行为的类。Java程序是用类来组织的。 Java还包括一个类的扩展集合，分别组成各种程序包（Package），用户可以在自己的程序中使用。例如，Java提供产生图形用户接口部件的类（java.awt包），这里awt是抽象窗口工具集（abstract windowing toolkit）的缩写，处理输入输出的类（java.io包）和支持网络功能的类（java.net包）。 3.分布性 Java设计成支持在网络上应用，它是分布式语言。Java既支持各种层次的网络连接，又以Socket类支持可靠的流（stream）网络连接，所以用户可以产生分布式的客户机和服务器。 网络变成软件应用的分布运载工具。Java程序只要编写一次，就可到处运行。 4.编译和解释性 Java编译程序生成字节码（byte-code），而不是通常的机器码。Java字节码提供对体系结构中性的目标文件格式，代码设计成可有效地传送程序到多个平台。Java程序可以在任何实现了Java解释程序和运行系统（run-time system）的系统上运行。 在一个解释性的环境中，程序开发的标准“链接”阶段大大消失了。如果说Java还有一个链接阶段，它只是把新类装进环境的过程，它是增量式的、轻量级的过程。因此，Java支持快速原型和容易试验，它将导致快速程序开发。这是一个与传统的、耗时的“编译、链接和测试”形成鲜明对比的精巧的开发过程。 5.稳健性 Java原来是用作编写消费类家用电子产品软件的语言，所以它是被设计成写高可靠和稳健软件的。Java消除了某些编程错误，使得用它写可靠软件相当容易。 Java是一个强类型语言，它允许扩展编译时检查潜在类型不匹配问题的功能。Java要求显式的方法声明，它不支持C风格的隐式声明。这些严格的要求保证编译程序能捕捉调用错误，这就导致更可靠的程序。 可靠性方面最重要的增强之一是Java的存储模型。Java不支持指针，它消除重写存储和讹误数据的可能性。类似地，Java自动的“无用单元收集”预防存储漏泄和其它有关动态存储分配和解除分配的有害错误。Java解释程序也执行许多运行时的检查，诸如验证所有数组和串访问是否在界限之内。 异常处理是Java中使得程序更稳健的另一个特征。异常是某种类似于错误的异常条件出现的信号。使用try/catch/finally语句，程序员可以找到出错的处理代码，这就简化了出错处理和恢复的任务。 6.安全性 Java的存储分配模型是它防御恶意代码的主要方法之一。Java没有指针，所以程序员不能得到隐蔽起来的内幕和伪造指针去指向存储器。更重要的是，Java编译程序不处理存储安排决策，所以程序员不能通过查看声明去猜测类的实际存储安排。编译的Java代码中的存储引用在运行时由Java解释程序决定实际存储地址。 Java运行系统使用字节码验证过程来保证装载到网络上的代码不违背任何Java语言限制。这个安全机制部分包括类如何从网上装载。例如，装载的类是放在分开的名字空间而不是局部类，预防恶意的小应用程序用它自己的版本来代替标准Java类。 7.可移植性 Java使得语言声明不依赖于实现的方面。例如，Java显式说明每个基本数据类型的大小和它的运算行为（这些数据类型由Java语法描述）。 Java环境本身对新的硬件平台和操作系统是可移植的。Java编译程序也用Java编写，而Java运行系统用ANSIC语言编写。 8.高性能 Java是一种先编译后解释的语言，所以它不如全编译性语言快。但是有些情况下性能是很要紧的，为了支持这些情况，Java设计者制作了“及时”编译程序，它能在运行时把Java字节码翻译成特定CPU（中央处理器）的机器代码，也就是实现全编译了。 Java字节码格式设计时考虑到这些“及时”编译程序的需要，所以生成机器代码的过程相当简单，它能产生相当好的代码。 9.多线索性 Java是多线索语言，它提供支持多线索的执行（也称为轻便过程），能处理不同任务，使具有线索的程序设计很容易。Java的lang包提供一个Thread类，它支持开始线索、运行线索、停止线索和检查线索状态的方法。 Java的线索支持也包括一组同步原语。这些原语是基于监督程序和条件变量风范，由C.A.R.Haore开发的广泛使用的同步化方案。用关键词synchronized，程序员可以说明某些方法在一个类中不能并发地运行。这些方法在监督程序控制之下，确保变量维持在一个一致的状态。 10.动态性 Java语言设计成适应于变化的环境，它是一个动态的语言。例如，Java中的类是根据需要载入的，甚至有些是通过网络获取的。 6.Ada语言 Ada是一种表现能力很强的通用程序设计语言，它是美国国防部为克服软件开发危机，耗费巨资，历时近20年研制成功的。它被誉为第四代计算机语言的成功代表。与其他流行的程序设计语言不同，它不仅体现了许多现代软件的开发原理，而且将这些原理付诸实现。因此，Ada语言的使用可大大改善软件系统的 清晰性， 可靠性， 有效性， 可维护性。 7.Logo语言 LOGO语言“logo”一词源于希腊文，原意为“文字”或“思考”、“想法”。是一种过程性语言，是在1976年由美国麻省理工学院（MIT）佩帕特（Seymour Papert）教授指导下的一个研究小组在LISP语言基础上，专门为儿童研制开发的编程语言。Logo语言虽然结构简单、却有丰富的表达方式，体现了现代计算机科学许多最新概念 20世纪60年代，美国麻省理工学院人工智能实验室的西摩尔·帕伯特专为孩子们设计了一种叫LOGO的计算机语言，是一种易学、易懂、易于掌握的结构化程序设计语言，出发点是将原本较为枯燥的程序设计形象化，希望学生不要机械地记忆事实，使学生在掌握了为数不多的LOGO原始命令后，能在发现和探索中学习，通过操纵屏幕上的海龟来学习编写程序，强调创造性的探索能给学生严密的计算思维和有趣的学习体验。它具有三部分功能：一是编辑功能，可以进行命令与过程的编辑，使学生们了解成年人是怎样进行文字编辑工作的；二是驱使海龟移动业绘出各种图形的功能，即海龟作图功能；三是字表处理与数值处理的功能。 LOGO语言是一种结构化程序设计语言。它是交互式的，为人们提供了良好的编程环境；它是模块化的，便于程序的修改与扩充；它是过程化的，包含了过程、参数、变量等重要概念，并允许递归调用；它有丰富的数据结构类型；有生动的图形处理功能。它不仅具备多种优秀程序设计语就能掌握LOGO的基本绘图指令，高年级学LOGO程序设计自然不是难事。 8.脚本语言 脚本语言（Script languages,scripting programming languages,scripting languages）是为了缩短传统的编写-编译-链接-运行（edit-compile-link-run）过程而创建的计算机编程语言。虽然许多脚本语言都超越了计算机简单任务自动化的领域，成熟到可以编写精巧的程序，但仍然还是被称为脚本。几乎所有计算机系统的各个层次都有一种脚本语言。包括操作系统层，如计算机游戏，网络应用程序，文字处理文档，网络软件等。在许多方面，高级编程语言和脚本语言之间互相交叉，二者之间没有明确的界限。一个脚本可以使得本来要用键盘进行的相互式操作自动化。一个Shell脚本主要由原本需要在命令行输入的命令组成，或在一个文本编辑器中，用户可以使用脚本来把一些常用的操作组合成一组序列。主要用来书写这种脚本的语言叫做脚本语言。很多脚本语言实际上已经超过简单的用户命令序列的指令，还可以编写更复杂的程序。 1、脚本语言(JavaScript，VBscript等)介于HTML和C,C++,Java,C#等编程语言之间。 HTML通常用于格式化和链接文本。而编程语言通常用于向机器发出一系列复杂的指令。 2、脚本语言与编程语言也有很多相似地方，其函数与编程语言比较相像一些,其也涉及到变量。与编程语言之间最大的区别是编程语言的语法和规则更为严格和复杂一些. 3、与程序代码的关系：脚本也是一种语言，其同样由程序代码组成。 4、脚本语言是一种解释性的语言,例如Python、vbscript,javascript,installshield script,ActionScript等等,它不象c\c++等可以编译成二进制代码,以可执行文件的形式存在，脚本语言不需要编译，可以直接用，由解释器来负责解释。 5、脚本语言一般都是以文本形式存在,类似于一种命令。 举个例子说：如果建立了一个程序,叫aaa.exe，可以打开.aa为扩展名的文件，为.aa文件的编写指定了一套规则(语法)，当别人编写了.aa文件后，自己的程序用这种规则来理解编写人的意图，并作出回应，那么，这一套规则就是脚本语言。 6、相对于编译型计算机编程语言：用脚本语言开发的程序在执行时，由其所对应的解释器（或称虚拟机）解释执行。系统程序设计语言是被预先编译成机器语言而执行的。脚本语言的主要特征是：程序代码即是脚本程序，亦是最终可执行文件。脚本语言可分为独立型和嵌入型，独立型脚本语言在其执行时完全依赖于解释器，而嵌入型脚本语言通常在编程语言中（如C，C++，VB，Java等）被嵌入使用。 7、和系统程序设计语言相比：不同是脚本语言是被解释而系统程序设计语言是被编译。被解释的语言由于没有编译时间而提供快速的转换，通过允许用户运行时编写应用程序，而不需要耗时的编译/打包过程。解释器使应用程序更加灵活，脚本语言的代码能够被实时生成和执行。脚本语言通常都有简单、易学、易用的特性，目的就是希望能让程序设计师快速完成程序的编写工作。 并行程序设计 为了提高计算机的运行速度和系统的处理能力，在总体设计和逻辑设计中广泛采用并行操作技术，使各部件并行工作。要求操作系统具有并发性及资源共享，于是采用了并行程序设计，它是能够同时执行2个以上运算或逻辑操作的程序设计技术。采用了并行程序设计技术后，可使分时和多道程序更全面地利用计算机资源，使系统效率提高，开销减小 (所占内存小，花费的处理时间短) 能同时执行两个以上运算或逻辑操作的程序设计方法。所谓并行性，严格地说，有两种含义：一是同时性，亦即平行性，指两个或多个事件在同一时刻发生;二是并发性，指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。程序并行性分为控制并行性和数据并行性。并行程序的基本计算单位是进程。并行程序有多种模型，包括： 共享存储; 分布存储 (消息传递); 数据并行;面向对象。与并行程序设计相适应的硬件也有不同类型，如多处理机，向量机，大规模并行机和机群系统等，相应有不同的并行程序设计方法。具体解题效率还与并行算法有关。 OpenMP OpenMP提供的这种对于并行描述的高层抽象降低了并行编程的难度和复杂度，这样程序员可以把更多的精力投入到并行算法本身，而非其具体实现细节。对基于数据分集的多线程程序设计，OpenMP是一个很好的选择。同时，使用OpenMP也提供了更强的灵活性，可以较容易的适应不同的并行系统配置。线程粒度和负载平衡等是传统多线程程序设计中的难题，但在OpenMP中，OpenMP库从程序员手中接管了部分这两方面的工作。 但是，作为高层抽象，OpenMP并不适合需要复杂的线程间同步和互斥的场合。OpenMp的另一个缺点是不能在非共享内存系统(如计算机集群)上使用。在这样的系统上，MPI使用较多。 第五章 数据 数据(data)是事实或观察的结果，是对客观事物的逻辑归纳，是用于表示客观事物的未经加工的原始素材。 数据可以是连续的值，比如声音、图像，称为模拟数据。也可以是离散的，如符号、文字，称为数字数据。 在计算机系统中，数据以二进制信息单元0,1的形式表示。 数据是指对客观事件进行记录并可以鉴别的符号，是对客观事物的性质、状态以及相互关系等进行记载的物理符号或这些物理符号的组合。它是可识别的、抽象的符号。 它不仅指狭义上的数字，还可以是具有一定意义的文字、字母、数字符号的组合、图形、图像、视频、音频等，也是客观事物的属性、数量、位置及其相互关系的抽象表示。例如，“0、1、2…`”、“阴、雨、下降、气温”“学生的档案记录、货物的运输情况”等都是数据。数据经过加工后就成为信息。 在计算机科学中，数据是指所有能输入到计算机并被计算机程序处理的符号的介质的总称，是用于输入电子计算机进行处理，具有一定意义的数字、字母、符号和模拟量等的通称。计算机存储和处理的对象十分广泛，表示这些对象的数据也随之变得越来越复杂。 信息 信息与数据既有联系，又有区别。数据是信息的表现形式和载体，可以是符号、文字、数字、语音、图像、视频等。而信息是数据的内涵，信息是加载于数据之上，对数据作具有含义的解释。数据和信息是不可分离的，信息依赖数据来表达，数据则生动具体表达出信息。数据是符号，是物理性的，信息是对数据进行加工处理之后所得到的并对决策产生影响的数据，是逻辑性和观念性的；数据是信息的表现形式，信息是数据有意义的表示。数据是信息的表达、载体，信息是数据的内涵，是形与质的关系。数据本身没有意义，数据只有对实体行为产生影响时才成为信息。 计算机常用编码方式 1.ASCII ASCII 码使用指定的7 位或8 位二进制数组合来表示128 或256 种可能的字符。标准ASCII 码也叫基础ASCII码，使用7 位二进制数（剩下的1位二进制为0）来表示所有的大写和小写字母，数字0 到9、标点符号，以及在美式英语中使用的特殊控制字符 。其中： 0～31及127(共33个)是控制字符或通信专用字符（其余为可显示字符），如控制符：LF（换行）、CR（回车）、FF（换页）、DEL（删除）、BS（退格)、BEL（响铃）等；通信专用字符：SOH（文头）、EOT（文尾）、ACK（确认）等；ASCII值为8、9、10 和13 分别转换为退格、制表、换行和回车字符。它们并没有特定的图形显示，但会依不同的应用程序，而对文本显示有不同的影响 。 32～126(共95个)是字符(32是空格），其中48～57为0到9十个阿拉伯数字。 65～90为26个大写英文字母，97～122号为26个小写英文字母，其余为一些标点符号、运算符号等。 同时还要注意，在标准ASCII中，其最高位(b7)用作奇偶校验位。所谓奇偶校验，是指在代码传送过程中用来检验是否出现错误的一种方法，一般分奇校验和偶校验两种。奇校验规定：正确的代码一个字节中1的个数必须是奇数，若非奇数，则在最高位b7添1；偶校验规定：正确的代码一个字节中1的个数必须是偶数，若非偶数，则在最高位b7添1 。 后128个称为扩展ASCII码。许多基于x86的系统都支持使用扩展（或“高”）ASCII。扩展ASCII 码允许将每个字符的第8 位用于确定附加的128 个特殊符号字符、外来语字母和图形符号 2.Unicode Unicode（统一码、万国码、单一码）是计算机科学领域里的一项业界标准，包括字符集、编码方案等。Unicode 是为了解决传统的字符编码方案的局限而产生的，它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码，以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。1990年开始研发，1994年正式公布 3.UTF-8 UTF-8（8位元，Universal Character Set/Unicode Transformation Format）是针对Unicode的一种可变长度字符编码。它可以用来表示Unicode标准中的任何字符，而且其编码中的第一个字节仍与ASCII相容，使得原来处理ASCII字符的软件无须或只进行少部份修改后，便可继续使用。因此，它逐渐成为电子邮件、网页及其他存储或传送文字的应用中，优先采用的编码。 UCS字符U+0000到U+007F（ASCII）被编码为字节0×00到0x7F（ASCIⅡ兼容）。这意味着只包含7位ASCIl字符的文件在ASCIⅡ和UTF-8两种编码方式下是一样的。 所有大于0x007F的UCS字符被编码为一个有多个字节的串，每个字节都有标记位集。因此，ASCIl字节（0x00-0x7F）不可能作为任何其他字符的一部分。表示非ASCIl字符的多字节串的第一个字节总是在0xC0到0XFD的范围里，并指出这个字符包含多少个字节。多字节串的其余字节都在0x80到0xBF范围里。这使得重新同步非常容易，并使编码无国界，且很少受丢失字节的影响。 UTF-8编码字符理论上可以最多到6个字节长，然而16位BMP字符最多只用到3字节长，Bigendian UCS-4字节串的排列顺序是预定的，字节0xFE和OxFF在UTF-8编码中从未用到。 4.GB-2312 国家标准GB18030-2000《信息交换用汉字编码字符集基本集的补充》是我国继GB2312-1980和GB13000-1993之后最重要的汉字编码标准，是我国计算机系统必须遵循的基础性标准之一。 GB18030-2000编码标准是由信息产业部和国家质量技术监督局在2000年 3月17日联合发布的，并且将作为一项国家标准在2001年的1月正式强制执行。 GB18030-2005《信息技术中文编码字符集》是我国制订的以汉字为主并包含多种我国少数民族文字（如藏、蒙古、傣、彝、朝鲜、维吾尔文等）的超大型中文编码字符集强制性标准，其中收入汉字70000余个。 5.音频编码 采样率和采样大小 声音其实是一种能量波，因此也有频率和振幅的特征，频率对应于时间轴线，振幅对应于电平轴线。波是无限光滑的，弦线可以看成由无数点组成，由于存储空间是相对有限的，数字编码过程中，必须对弦线的点进行采样。采样的过程就是抽取某点的频率值，很显然，在一秒中内抽取的点越多，获取得频率信息更丰富，为了复原波形，一次振动中，必须有2个点的采样，人耳能够感觉到的最高频率为20kHz，因此要满足人耳的听觉要求，则需要至少每秒进行40k次采样，用40kHz表达，这个40kHz就是采样率。我们常见的CD，采样率为44.1kHz。光有频率信息是不够的，我们还必须获得该频率的能量值并量化，用于表示信号强度。量化电平数为2的整数次幂，我们常见的CD位16bit的采样大小，即2的16次方。采样大小相对采样率更难理解，因为要显得抽象点，举个简单例子：假设对一个波进行8次采样，采样点分别对应的能量值分别为A1-A8，但我们只使用2bit的采样大小，结果我们只能保留A1-A8中4个点的值而舍弃另外4个。如果我们进行3bit的采样大小，则刚好记录下8个点的所有信息。采样率和采样大小的值越大，记录的波形更接近原始信号。 有损和无损 根据采样率和采样大小可以得知，相对自然界的信号，音频编码最多只能做到无限接近，至少目前的技术只能这样了，相对自然界的信号，任何数字音频编码方案都是有损的，因为无法完全还原。在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。因此，PCM约定俗成了无损编码，因为PCM代表了数字音频中最佳的保真水准，并不意味着PCM就能够确保信号绝对保真，PCM也只能做到最大程度的无限接近。我们而习惯性的把MP3列入有损音频编码范畴，是相对PCM编码的。强调编码的相对性的有损和无损，是为了告诉大家，要做到真正的无损是困难的，就像用数字去表达圆周率，不管精度多高，也只是无限接近，而不是真正等于圆周率的值。 使用音频压缩技术的原因 要算一个PCM音频流的码率是一件很轻松的事情，采样率值×采样大小值×声道数 bps。一个采样率为44.1KHz，采样大小为16bit，双声道的PCM编码的WAV文件，它的数据速率则为 44.1K×16×2 =1411.2 Kbps。我们常说128K的MP3，对应的WAV的参数，就是这个1411.2 Kbps，这个参数也被称为数据带宽，它和ADSL中的带宽是一个概念。将码率除以8,就可以得到这个WAV的数据速率，即176.4KB/s。这表示存储一秒钟采样率为44.1KHz，采样大小为16bit，双声道的PCM编码的音频信号，需要176.4KB的空间，1分钟则约为10.34M，这对大部分用户是不可接受的，尤其是喜欢在电脑上听音乐的朋友，要降低磁盘占用，只有2种方法，降低采样指标或者压缩。降低指标是不可取的，因此专家们研发了各种压缩方案。由于用途和针对的目标市场不一样，各种音频压缩编码所达到的音质和压缩比都不一样，在后面的文章中我们都会一一提到。有一点是可以肯定的，他们都压缩过。 频率与采样率的关系 采样率表示了每秒对原始信号采样的次数，我们常见到的音频文件采样率多为44.1KHz，这意味着什么呢？假设我们有2段正弦波信号，分别为20Hz和20KHz，长度均为一秒钟，以对应我们能听到的最低频和最高频，分别对这两段信号进行40KHz的采样，我们可以得到一个什么样的结果呢？结果是：20Hz的信号每次振动被采样了40K/20=2000次，而20K的信号每次振动只有2次采样。显然，在相同的采样率下，记录低频的信息远比高频的详细。这也是为什么有些音响发烧友指责CD有数码声不够真实的原因，CD的44.1KHz采样也无法保证高频信号被较好记录。要较好的记录高频信号，看来需要更高的采样率，于是有些朋友在捕捉CD音轨的时候使用48KHz的采样率，这是不可取的！这其实对音质没有任何好处，对抓轨软件来说，保持和CD提供的44.1KHz一样的采样率才是最佳音质的保证之一，而不是去提高它。较高的采样率只有相对模拟信号的时候才有用，如果被采样的信号是数字的，请不要去尝试提高采样率。 流特征 随着网络的发展，人们对在线收听音乐提出了要求，因此也要求音频文件能够一边读一边播放，而不需要把这个文件全部读出后然后回放，这样就可以做到不用下载就可以实现收听了；也可以做到一边编码一边播放，正是这种特征，可以实现在线的直播，架设自己的数字广播电台成为了现实。 数据结构 数据结构是计算机存储、组织数据的方式。数据结构是指相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合。通常情况下，精心选择的数据结构可以带来更高的运行或者存储效率。数据结构往往同高效的检索算法和索引技术有关。 数据结构(data structure)是带有结构特性的数据元素的集合，它研究的是数据的逻辑结构和数据的物理结构以及它们之间的相互关系，并对这种结构定义相适应的运算，设计出相应的算法，并确保经过这些运算以后所得到的新结构仍保持原来的结构类型。简而言之，数据结构是相互之间存在一种或多种特定关系的数据元素的集合，即带“结构”的数据元素的集合。“结构”就是指数据元素之间存在的关系，分为逻辑结构和存储结构。 数据的逻辑结构和物理结构是数据结构的两个密切相关的方面，同一逻辑结构可以对应不同的存储结构。算法的设计取决于数据的逻辑结构，而算法的实现依赖于指定的存储结构。 数据结构的研究内容是构造复杂软件系统的基础，它的核心技术是分解与抽象。通过分解可以划分出数据的3个层次；再通过抽象，舍弃数据元素的具体内容，就得到逻辑结构。类似地，通过分解将处理要求划分成各种功能，再通过抽象舍弃实现细节，就得到运算的定义。上述两个方面的结合可以将问题变换为数据结构。这是一个从具体（即具体问题）到抽象（即数据结构）的过程。然后，通过增加对实现细节的考虑进一步得到存储结构和实现运算，从而完成设计任务。这是一个从抽象（即数据结构）到具体（即具体实现）的过程。 数据的逻辑结构 指反映数据元素之间的逻辑关系的数据结构，其中的逻辑关系是指数据元素之间的前后件关系，而与他们在计算机中的存储位置无关。逻辑结构包括： 1.集合：数据结构中的元素之间除了“同属一个集合” 的相互关系外，别无其他关系； 2.线性结构：数据结构中的元素存在一对一的相互关系； 3.树形结构：数据结构中的元素存在一对多的相互关系； 4.图形结构：数据结构中的元素存在多对多的相互关系。 数据的物理结构 指数据的逻辑结构在计算机存储空间的存放形式。 数据的物理结构是数据结构在计算机中的表示（又称映像），它包括数据元素的机内表示和关系的机内表示。由于具体实现的方法有顺序、链接、索引、散列等多种，所以，一种数据结构可表示成一种或多种存储结构。 数据元素的机内表示（映像方法）： 用二进制位（bit）的位串表示数据元素。通常称这种位串为节点（node）。当数据元素有若干个数据项组成时，位串中与个数据项对应的子位串称为数据域（data field）。因此，节点是数据元素的机内表示（或机内映像）。 关系的机内表示（映像方法）：数据元素之间的关系的机内表示可以分为顺序映像和非顺序映像，常用两种存储结构：顺序存储结构和链式存储结构。顺序映像借助元素在存储器中的相对位置来表示数据元素之间的逻辑关系。非顺序映像借助指示元素存储位置的指针（pointer）来表示数据元素之间的逻辑关系。 数据存储结构 数据的逻辑结构在计算机存储空间中的存放形式称为数据的物理结构(也称为存储结构)。一般来说，一种数据结构的逻辑结构根据需要可以表示成多种存储结构，常用的存储结构有顺序存储、链式存储、索引存储和哈希存储等。 数据的存储结构的特点是：借助元素在存储器中的相对位置来表示数据元素之间的逻辑关系；非顺序存储的特点是：借助指示元素存储地址的指针表示数据元素之间的逻辑关系。 算法 算法（Algorithm）是指解题方案的准确而完整的描述，是一系列解决问题的清晰指令，算法代表着用系统的方法描述解决问题的策略机制。也就是说，能够对一定规范的输入，在有限时间内获得所要求的输出。如果一个算法有缺陷，或不适合于某个问题，执行这个算法将不会解决这个问题。不同的算法可能用不同的时间、空间或效率来完成同样的任务。一个算法的优劣可以用空间复杂度与时间复杂度来衡量。 算法中的指令描述的是一个计算，当其运行时能从一个初始状态和（可能为空的）初始输入开始，经过一系列有限而清晰定义的状态，最终产生输出并停止于一个终态。一个状态到另一个状态的转移不一定是确定的。随机化算法在内的一些算法，包含了一些随机输入。 一个算法应该具有以下五个重要的特征： 有穷性 （Finiteness） 算法的有穷性是指算法必须能在执行有限个步骤之后终止； 确切性 (Definiteness) 算法的每一步骤必须有确切的定义； 输入项 (Input) 一个算法有0个或多个输入，以刻画运算对象的初始情况，所谓0个输入是指算法本身定出了初始条件； 输出项 (Output) 一个算法有一个或多个输出，以反映对输入数据加工后的结果。没有输出的算法是毫无意义的； 可行性 (Effectiveness) 算法中执行的任何计算步骤都是可以被分解为基本的可执行的操作步骤，即每个计算步骤都可以在有限时间内完成（也称之为有效性）。 数据库 数据库是“按照数据结构来组织、存储和管理数据的仓库”。是一个长期存储在计算机内的、有组织的、有共享的、统一管理的数据集合。 数据库是以一定方式储存在一起、能与多个用户共享、具有尽可能小的冗余度、与应用程序彼此独立的数据集合，可视为电子化的文件柜——存储电子文件的处所，用户可以对文件中的数据进行新增、查询、更新、删除等操作。 数据库是存放数据的仓库。它的存储空间很大，可以存放百万条、千万条、上亿条数据。但是数据库并不是随意地将数据进行存放，是有一定的规则的，否则查询的效率会很低。当今世界是一个充满着数据的互联网世界，充斥着大量的数据。即这个互联网世界就是数据世界。数据的来源有很多，比如出行记录、消费记录、浏览的网页、发送的消息等等。除了文本类型的数据，图像、音乐、声音都是数据。 数据库是一个按数据结构来存储和管理数据的计算机软件系统。数据库的概念实际包括两层意思： （1）数据库是一个实体，它是能够合理保管数据的“仓库”，用户在该“仓库”中存放要管理的事务数据，“数据”和“库”两个概念结合成为数据库。 （2）数据库是数据管理的新方法和技术，它能更合适的组织数据、更方便的维护数据、更严密的控制数据和更有效的利用数据。 数据库管理系统是为管理数据库而设计的电脑软件系统，一般具有存储、截取、安全保障、备份等基础功能。数据库管理系统可以依据它所支持的数据库模型来作分类，例如关系式、XML；或依据所支持的计算机类型来作分类，例如服务器群集、移动电话；或依据所用查询语言来作分类，例如SQL、XQuery；或依据性能冲量重点来作分类，例如最大规模、最高运行速度；亦或其他的分类方式。不论使用哪种分类方式，一些DBMS能够跨类别，例如，同时支持多种查询语言。 数据库管理系统是数据库系统的核心组成部分，主要完成对数据库的操纵与管理功能，实现数据库对象的创建、数据库存储数据的查询、添加、修改与删除操作和数据库的用户管理、权限管理等。它的安全直接关系到整个数据库系统的安全，其防护手段主要有： （1）使用正版数据库管理系统并及时安装相关补丁。 （2）做好用户账户管理，禁用默认超级管理员账户或者为超级管理员账户设置复杂密码；为应用程序分别分配专用账户进行访问；设置用户登录时间及登录失败次数限制， 防止暴力破解用户密码。 （3）分配用户访问权限时，坚持最小权限分配原则，并限制用户只能访问特定数据库，不能同时访问其他数据库。 （4）修改数据库默认访问端口，使用防火墙屏蔽掉对 外开放的其他端口，禁止一切外部的端口探测行为。 （5）对数据库内存储的重要数据、敏感数据进行加密存储，防止数据库备份或数据文件被盗而造成数据泄露。 （6）设置好数据库的备份策略，保证数据库被破坏后能迅速恢复。 （7）对数据库内的系统存储过程进行合理管理，禁用掉不必要的存储过程，防止利用存储过程进行数据库探测与攻击。 （8）启用数据库审核功能，对数据库进行全面的事件跟踪和日志记录。 数据中心 数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在internet网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。 在今后的发展中，数据中心也将会成为企业竞争的资产，商业模式也会因此发生改变。随着数据中心应用的广泛化，人工智能、网络安全等也相继出现，更多的用户都被带到了网络和手机的应用中。随着计算机和数据量的增多，人们也可以通过不断学习积累提升自身的能力，是迈向信息化时代的重要标志。 数据中心是全球协作的特定设备网络，用来在因特网络基础设施上传递、加速、展示、计算、存储数据信息。数据中心大部分电子元件都是由低直流电源驱动运行的。 数据中心的产生致使人们的认识从定量、结构的世界进入到不确定和非结构的世界中，它将和交通、网络通讯一样逐渐成为现代社会基础设施的一部分，进而对很多产业都产生了积极影响。不过数据中心的发展不能仅凭经验，还要真正的结合实践，促使数据中心发挥真正的价值作用，促使社会的快速变革。