程序设计语言的层次体系

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程序设计语言的层次体系
为说明了程序设计语言的层次体系图中将程序设计语言分为低级语言和高级语言两类“级”是指程序员与计算机对话的复杂程度例如就查询语言来说程序员(经常是用户管理人员)只需要涉及到计算机“做什么”而不必涉及到计算机“怎样做”在高级语言中程序员必须提供详细说明“做什么”和“怎样做”的指令而软件工具将帮助简化程序员的工作低级语言要求程序员详细说明由计算机执行的每一级操作在使用高级程序设计语言时程序员不必记住数据在主存中的存储单元这是由系统自动做的而在使用低级语言时程序员必须在程序中提供相应的逻辑以便监视数据在主存中的物理位置
低级语言？
虽然人们用COBOL、PASCAL和FORTRAN来谈论程序设计但是只有一种语言能够在给定的计算机上执行那就是所谓的机器语言所有其他语言都要被编译(翻译成机器语言)并且最终用机器语言来执行
机器语言是很繁琐的因为指令(又称操作码或OP码)和运算数据的单元是用二进制(一串0和1)来表示的符号语言(有时称作汇编语言或汇编级的语言)具有一个本质上与机器语言一一对应的指令系统汇编语言的优点是它用助记符号而不是用0和1来表示指令例如汇编语言中直接用“A”来表示“加”指令而不用一串0和1来表示
在1970年之前机器级和汇编级语言常常用于应用程序的开发特别用于系统软件的开发当时信息服务人员认为目标程序利用计算机的效率高自那时以来使用高级语言无论在发挥人或是计算机的效率上都超过了机器语言由于这一原因多数现行的程序设计都是用高级语言来完成的
高级语言？
1.面向过程的语言
面向过程的语言(POL)是极其灵活的可以用来刻画几乎所有科学的和商业的过程程序顺序地编写指令而系统则根据用户的规定进行处理例如工资系统就是使用POL来编定的除非由程序逻辑控制去做其他事情否则程序中的每一条指令都是按顺序执行的在一个工资单生成系统中执行程序指令的特定顺序取决于被处理的职工的工资计算方法(是按月发工资还是按工时计算工资)对每个职工都要重复该程序流程的顺序有三种主要的POL：科学计算的、商用的以及多用途的下面我们分别讨论每一种POL
(1)科学计算的语言科学计算的语言是代数或公式化的语言这种语言是为了满足典型的科学计算处理要求(矩阵操作、精度计算以及其他方面)而设计的第一个而且仍然是最为流行的科学计算语言是FORTRAN(公式翻译程序的缩写)尽管在没有商业语言时(在计算机不支持任何其他语言的情况下)FORTRAN已作为一种商用语言来使用了但是FORTRAN的商业处理能力是有限的
APL语言很快地抓住了一些用户(主要是工程师)APL是唯一使用带有专用符号的交互式键盘来编写程序的语言
(2)商用语言目前很流行的第一个商用语言是COBOL(面向商业的公用语言的缩写)它是一种功能很强而又极为冗长的语言发展COBOL语言的前提是：该语言的语句应该近似于英语有些程序员发现语言使用起来很麻烦然而COBOL语言尚处于方兴未艾的时期而且被广泛地接受今天人们正在继续对它进行改进在若干年内COBOL仍将是一种流行的商用语言但是使用该语言的相对百分比将会下降COBOL最适合于具有循环处理周期的环境(例如打印工资支票)以及数据操纵量相当大的环境
美国国家标准研究所(ANSI)已经对COBOL和其他语言建立了标准建立这些标准的目的是使得在一台计算机上编写的程序可以移植到另一台(即另一个厂商制造的)机器上去不幸的是ANSI标准很少被遵循；因此COBOL程序只是部分可移植的
报表程序生成程序(RPG)可能是仅次于COBOL的最为流行的商业语言了最初设计的RPG是在IBM公司数据录入级的计算机上使用的它用于一些成批处理环境的小型商业工作RPG与其他POL不同之处在于程序员还必须通过选择所要求的程序设计特色来说明某些处理要求(例如何时打印小计记录的选择等等)
BASIC设计者的最意图体现在该语言的名字上——初学者通用的符号指令码(BaginersAll-PurposeSymbolicInstructionalCode)最初它被当作讲授程序设计的一个工具但是在这个“初学者”语言的能力被充分扩充后它变得如此流行以致目前BASIC是小型计算机系统上用于应用程序设计的一种重要语言在大系统上也使用扩展BASIC但不是用于生产系统由于BASIC通常也用来进行少量的科学计算因此有人可能把它划归为多用途POL一类
(3)多用途语言多用途语言对于商业和科学计算是同等有效的最为明显的多用途语言是程序计算语言1/(即PL/T)PL/1是在1956年由IBM公司普制出来的但是与任何一种语言一样它需要几年的时间来排错许多公司(主要是IBM公司的用户)已经采用PL/1作为它们所使用的唯一的POL在刚刚引入PL/1时由于它克服了现有程序设计语言的许多缺点而受到欢迎然而PL/1仍然没有得到(原先期望那样)普遍地接受其原因并非它的质量和能力而是由于许多公司已花了巨大投资用COBOL和FORTAN编制了大量应用软件同时也由于使用这两种语言的势头还在增长
以最快速度发展起来的语言是PASCAL它是以17世纪的数学家BlaisePascal来命名的PASCAL被看成是一种最新的POL尽管只有1%-2%的商业生产程序是用PAS-CAL写的但是它的能力、灵活性以及自我说明结构是不可忽略的致使这个语言被广泛接受(而且接受面还在继续增大)的原因或许是因为绝大多数的学院和大学的计算机科学教程主张将PASCAL作为未来的POL随着毕业生将这种主张带进商业界目前它已经引起了各界的兴趣ADA是新近引入的一种语言它是美国国防部开发的一种多用途语言尽管只有少数人知道和理解ADA的用法然而对于它能否被广泛接受(不仅在军界对其他部门也一样)这一点它的设计者们是很乐观的
2.面向问题的语言
面向问题的语言是专门为了满足某种特定应用或解决特定问题的一组语句面向问题有的语言不要求像面向过程的语言的那种详细说明例如有几种面向问题的语言就是专为统计分析而设计的这种语言的用户将注意力更多地集中在输入和输出上而不是在数学上数学是嵌入在语言中的
已经为几十种应用设计了各种面向问题的语言这些语言正在被用户使用这些应用是：离散和连续模拟(例如GPSS、SIMSCRIPT、GASP-IV)程控机器刀具(例如APT)辅助工程师进行建筑和桥梁上的受力点分析(例如GOGO)辅助系统分析(例如SAS)以及辅助办公人员进行字处理(例如SCRIBE)
面向问题的语言具有做统计、字处理和任何语言所满足的应用的灵活性然而一种面向问题的语言总是局限于某种应用
3.查询语言
与其他高级语言相比用户和用户管理人员更喜欢使用查询语言然而根据不同的情况某个用户可能会发现某种特定的面向问题的语言对他更有用查询的语言是朝着用户环境发展的典范一个用户管理人员经过几个小时的培训和实践就能有效地使用一种查询语言然后他用很短的时间就能从一个信息系统中抽取信息或产生出一张报表而通常这点时间只够用来向一个系统分析员或程序员说明技术要求用户只需说明做什么而查询语言软件将自动规定怎样做
查询语言利用高级的、类似英语的命令来检索和编排满足管理查询和制表要求的数据用查询语言可以交互式地完成一次询问(直接与计算机通信)执行程序产生的输出直接在终端上显示出来或者产生一份硬拷贝查询语言具有以下特色：类似于英语的命令对数据的有限的数学运算操作对报表的自动编排、排序以及按关键字挑选记录等
下面的例子说明一种查询语言及其使用方法一个人事经理查看所示的报表为了实现这个报表这个经理使用一种叫做EASYTRIEVE(由PansophicSystem公司销售的一个软件产品)的查询语言来编制他请求的“程序”说明了这个程序
第一句说明工资数据储存在叫做“FILEA”的文件中尽管在此例中只使用了一个文件但是要求使用几个文件或一个数据库是没有更多困难的第二行描述了产生图中的报表所要求的文件中的数据元用户事先需要知道记录的格式记录格式指出每个数据元在记录中的相对位置它的类型以及它是字母的还是字母数字的第一项DEPARTMENT(部门)从记录的第98个字符位置开始占三个字符长度(N表示数字而A表示字母数字)名字字段从第17个字符位置开始占20个字符(字母数字)长度语句终止于一串9如第三语句号中所示用一个“IF”语句来规定挑选记录的关键字值经理所感兴趣的只是在部门911和914中的那些职工如果想挑选更多的记录还可以再使用若干“IF”语句
报表的EASYTRIEVE程序
（1）FILEFILEA
（2）DEPARITMENT983NNAME4720AEMPL#95NSEX127IANET904P2GROSS944P29999
（3）IFDEPARTMENT=911914
（4）SORTDEPARTMENT
（5）CONTROLDEPARTMENT
（6）TIPAYROLLFORDEPARTMENTS911914
（7）LISTDETALLDEPARTMENTNAME’EMPLOYEENAME’EMPL#EPLOYEENUMBER’MORESEXNETNETPAY’GROSSPAY’
语句(4)说明应该按部门来排序输出；也就是说部门号为911的职工应排在部门号为914的职工前面通过再使用一个“排序”语句可以将一个部门的职工按其名字的字母顺序排序
语句(5)指出应该计算总计和打印输出的那些点本例中对每个部门要求计算总计
语句(6)和(7)允许人事经理规定报表的标题以及有关的列的标题语句(6)是第一层标题
语句(7)规定了用更加明显的列标题来替换程序中缩写的标识(如将用“EMPOLOYEENAME”代替“NAME”)对于“快速和非正式”的报表可以省略语句(6)和(7)在COBOL程序中与上述人事经理的请求相等价的程序将要求150行以上的源程序语句
可以按交互式使用查询语言来请求如下的信息：自1月1日以来哪些职工的病假超过20次?今天有没有腾出高级的单间病房?某年级学生的所有数学课程的平均分是多少?按照部门标题名的字母顺序列出已超过预算的那些部门等等通过查询语言可以很容易地完成对于多少个文件和数据库的少量查询例如对于一个不知道PatBrown(伯特凡祭Ê)性别的秘书来说查询数据库将比进行麻烦的电话询问要快得多
4.应用程序生成程序
尽管应用程序生成程序的概念至今没有严格的定义但是目前已经使用的那些应用程序生成程序的目标以及各种开发步骤的目标是相同的即它是不需要过程级指令就能够说明开发一个信息系统的所有程序设计任务的一种语言某些应用程序生成程序(通过与程序员进行交互式对话)已经接近这一目标当用应用程序生成程序还在早期的开发阶段现有的应用程序生成程序并不具备面向过程语言的那种灵活性而且不能用来开发完善的信息系统然而当用于预期的用途时它将能成倍地提高程序员的生产效率当它们成熟时在信息系统的开发中应用程序生成程序将起着越来越重要的作用
未来的语言？
程序设计语言的进一步发展是自然语言要采用的那种自然语言对程序员只需要很少的(甚至不需要)程序设计训练程序员将直接写或口述程序功能说明书而与程序设计的结构和语法(产生程序指令的规则)无关
目前研究人员正在致力于开发自然语言在开始时自然语言将带有某些语法限制虽然很难用几句话来概括未来的程序设计语言但是可以预见未来的语言将是一种可以不受限制地在个人与计算机之间会话的语言
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