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Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么?

开发技术 开发技术 1周前 (07-31) 12次浏览

编程语言是什么?

其实,程序指的就是一系列指令,用来告诉计算机做什么,而编写程序的关键在于,我们需要用计算机可以理解的语言来提供这些指令。

虽然借助 Siri(Apple)、Google Now(Android)、Cortana(Microsoft)等技术,我们可以使用汉语直接告诉计算机做什么,比如“Siri,打开酷狗音乐”,但使用过这些系统的读者都知道,它尚未完全成熟,再加上我们语言充满了模糊和不精确因素,使得设计一个完全理解人类语言的计算机程序,仍然是一个有待解决的问题。

为了有效避开所有影响给计算机传递指令的因素,计算机科学家设计了一些符号,这些符号各有其含义,且之间无二义性,通常被它们为编程语言。编程语言中的每个结构,都有固定的使用格式(称为语法)以及精确的含义(称为语义)。换句话说,编程语言指定了成套的规则,用来编写计算机可以理解的指令。习惯上,我们将这一条条指令称为计算机代码,而用编程语言来编写算法的过程称为编码。

本教程要讲解的 Python 就是一种编程语言,除此之外,你肯定也听说过其他一些编程语言,如 C、C++、Java、Ruby 等。至今,计算机科学家已经开发了成百上千种编程语言,且随着时间演变,这些编程语言又产生了多个不同的版本。但无论是哪个编程语言,也无论有多少个版本,虽然它们在细节上可能有所不同,无疑它们都有着固定的、无二义性的语法和语义。

以上提到的编程语言,都是高级计算机语言,设计它们的目的是为了方便程序员理解和使用。但严格来说,计算机硬件只能理解一种非常低级的编程语言,称为机器语言。
比如说,让计算机对 2 个数做求和操作,那么 CPU 可能要执行以下指令:

  1. 将位于内存空间位置在 2001 的数加载到 CPU 中;
  2. 再将位于内存空间位置在 2002 的数也加载到 CPU中;
  3. 在 CPU中,对这 2 个数做求和操作;
  4. 将结果存储在位置为 2003 的内存空间。

可以看到,对 2 个数执行求和操作需要做这么多工作,且这还只是笼统地描述,实际会更加复杂。
而使用 Python 这样的高级语言,对 2 个数求和可以很自然地用 c = a + b 表示,但由此带来的问题是,我们需要设计一种方法,将高级语言翻译成计算机可以执行的机器语言,有两种方法可以实现,分别是使用编译器和解释器。
使用编译器将自身等效转换成机器语言的高级语言,通常称为编译型语言;而使用解释器将自身转换成机器语言的高级语言,称为解释型语言,Python 就是解释型编程语言的一种。

 

编译型语言和解释型语言的区别

我们编写的源代码是人类语言,我们自己能够轻松理解;但是对于计算机硬件(CPU),源代码就是天书,根本无法执行,计算机只能识别某些特定的二进制指令,在程序真正运行之前必须将源代码转换成二进制指令。

所谓的二进制指令,也就是机器码,是 CPU 能够识别的硬件层面的“代码”,简陋的硬件(比如古老的单片机)只能使用几十个指令,强大的硬件(PC 和智能手机)能使用成百上千个指令。

然而,究竟在什么时候将源代码转换成二进制指令呢?不同的编程语言有不同的规定:

  • 有的编程语言要求必须提前将所有源代码一次性转换成二进制指令,也就是生成一个可执行程序(Windows 下的 .exe),比如C语言、C++、Golang、Pascal(Delphi)、汇编等,这种编程语言称为编译型语言,使用的转换工具称为编译器。
  • 有的编程语言可以一边执行一边转换,需要哪些源代码就转换哪些源代码,不会生成可执行程序,比如 Python、JavaScript、PHP、Shell、MATLAB 等,这种编程语言称为解释型语言,使用的转换工具称为解释器。

简单理解,编译器就是一个“翻译工具”,类似于将中文翻译成英文、将英文翻译成俄文。但是,翻译源代码是一个复杂的过程,大致包括词法分析、语法分析、语义分析、性能优化、生成可执行文件等五个步骤,期间涉及到复杂的算法和硬件架构。解释器与此类似,有兴趣的读者请参考《编译原理》一书,本文不再赘述。

Java 和 C# 是一种比较奇葩的存在,它们是半编译半解释型的语言,源代码需要先转换成一种中间文件(字节码文件),然后再将中间文件拿到虚拟机中执行。Java 引领了这种风潮,它的初衷是在跨平台的同时兼顾执行效率;C# 是后来的跟随者,但是 C# 一直止步于 Windows 平台,在其它平台鲜有作为。

 

Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么?
图 1 编译型语言和解释型语言的执行流程



那么,编译型语言和解释型语言各有什么特点呢?它们之间有什么区别?

编译型语言


对于编译型语言,开发完成以后需要将所有的源代码都转换成可执行程序,比如 Windows 下的.exe文件,可执行程序里面包含的就是机器码。只要我们拥有可执行程序,就可以随时运行,不用再重新编译了,也就是“一次编译,无限次运行”。

在运行的时候,我们只需要编译生成的可执行程序,不再需要源代码和编译器了,所以说编译型语言可以脱离开发环境运行。

编译型语言一般是不能跨平台的,也就是不能在不同的操作系统之间随意切换。

编译型语言不能跨平台表现在两个方面:

(1) 可执行程序不能跨平台


可执行程序不能跨平台很容易理解,因为不同操作系统对可执行文件的内部结构有着截然不同的要求,彼此之间也不能兼容。不能跨平台是天经地义,能跨平台反而才是奇葩。

比如,不能将 Windows 下的可执行程序拿到 Linux 下使用,也不能将 Linux 下的可执行程序拿到 Mac OS 下使用(虽然它们都是类 Unix 系统)。

另外,相同操作系统的不同版本之间也不一定兼容,比如不能将 x64 程序(Windows 64 位程序)拿到 x86 平台(Windows 32 位平台)下运行。但是反之一般可行,因为 64 位 Windows 对 32 位程序作了很好的兼容性处理。

(2) 源代码不能跨平台


不同平台支持的函数、类型、变量等都可能不同,基于某个平台编写的源代码一般不能拿到另一个平台下编译。我们以C语言为例来说明。

【实例1】在C语言中要想让程序暂停可以使用“睡眠”函数,在 Windows 平台下该函数是 Sleep(),在 Linux 平台下该函数是 sleep(),首字母大小写不同。其次,Sleep() 的参数是毫秒,sleep() 的参数是秒,单位也不一样。

以上两个原因导致使用暂停功能的C语言程序不能跨平台,除非在代码层面做出兼容性处理,非常麻烦。

【实例2】虽然不同平台的C语言都支持 long 类型,但是不同平台的 long 的长度却不同,例如,Windows 64 位平台下的 long 占用 4 个字节,Linux 64 位平台下的 long 占用 8 个字节。

我们在 Linux 64 位平台下编写代码时,将 0x2f1e4ad23 赋值给 long 类型的变量是完全没有问题的,但是这样的赋值在 Windows 平台下就会导致数值溢出,让程序产生错误的运行结果。

让人苦恼的,这样的错误一般不容易察觉,因为编译器不会报错,我们也记不住不同类型的取值范围。

解释型语言


对于解释型语言,每次执行程序都需要一边转换一边执行,用到哪些源代码就将哪些源代码转换成机器码,用不到的不进行任何处理。每次执行程序时可能使用不同的功能,这个时候需要转换的源代码也不一样。

因为每次执行程序都需要重新转换源代码,所以解释型语言的执行效率天生就低于编译型语言,甚至存在数量级的差距。计算机的一些底层功能,或者关键算法,一般都使用 C/C++ 实现,只有在应用层面(比如网站开发、批处理、小工具等)才会使用解释型语言。

在运行解释型语言的时候,我们始终都需要源代码和解释器,所以说它无法脱离开发环境。

当我们说“下载一个程序(软件)”时,不同类型的语言有不同的含义:

  • 对于编译型语言,我们下载到的是可执行文件,源代码被作者保留,所以编译型语言的程序一般是闭源的。
  • 对于解释型语言,我们下载到的是所有的源代码,因为作者不给源代码就没法运行,所以解释型语言的程序一般是开源的。

相比于编译型语言,解释型语言几乎都能跨平台,“一次编写,到处运行”是真是存在的,而且比比皆是。那么,为什么解释型语言就能快平台呢?

这一切都要归功于解释器!

我们所说的跨平台,是指源代码跨平台,而不是解释器跨平台。解释器用来将源代码转换成机器码,它就是一个可执行程序,是绝对不能跨平台的。

官方需要针对不同的平台开发不同的解释器,这些解释器必须要能够遵守同样的语法,识别同样的函数,完成同样的功能,只有这样,同样的代码在不同平台的执行结果才是相同的。

你看,解释型语言之所以能够跨平台,是因为有了解释器这个中间层。在不同的平台下,解释器会将相同的源代码转换成不同的机器码,解释器帮助我们屏蔽了不同平台之间的差异。

关于 Python


Python 属于典型的解释型语言,所以运行 Python 程序需要解释器的支持,只要你在不同的平台安装了不同的解释器,你的代码就可以随时运行,不用担心任何兼容性问题,真正的“一次编写,到处运行”。

Python 几乎支持所有常见的平台,比如 Linux、Windows、Mac OS、Android、FreeBSD、Solaris、PocketPC 等,你所写的 Python 代码无需修改就能在这些平台上正确运行。也就是说,Python 的可移植性是很强的。

总结


我们将编译型语言和解释型语言的差异总结为下表:

 

类型 原理 优点 缺点
编译型语言 通过专门的编译器,将所有源代码一次性转换成特定平台(Windows、Linux 等)执行的机器码(以可执行文件的形式存在)。 编译一次后,脱离了编译器也可以运行,并且运行效率高。 可移植性差,不够灵活。
解释型语言 由专门的解释器,根据需要将部分源代码临时转换成特定平台的机器码。 跨平台性好,通过不同的解释器,将相同的源代码解释成不同平台下的机器码。 一边执行一边转换,效率很低。

Python是什么? 

编程语言有“高低”之分,而高级语言又有很多种,比如 C++、Java、C#、PHP、JavaScript 等,Python 也是其中之一。从本节开始,我们将正式开始学习 Python 这门高级编程语言,但是在此之前,我们有必要先讨论一下“Python 是什么”。

Python 英文原意为“蟒蛇”,直到 1989 年荷兰人 Guido van Rossum (简称 Guido)发明了一种面向对象的解释型编程语言,并将其命名为 Python,才赋予了它表示一门编程语言的含义。

而在上文我们已经解释了什么是解释型编程语言。

Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么?

说道 Python,它的诞生是极具戏曲性的,据 Guido 的自述记载,Python 语言是他在圣诞节期间为了打发时间开发出来的,之所以会选择 Python 作为该编程语言的名字,是因为他是一个叫 Monty Python 戏剧团体的忠实粉丝。


Python 语言是在 ABC 教学语言的基础上发展来的;遗憾的是,ABC 语言虽然非常强大,但却没有普及应用,Guido 认为是它不开放导致的。

基于这个考虑,Guido 在开发 Python 时,不仅为其添加了很多 ABC 没有的功能,还为其设计了各种丰富而强大的库,利用这些 Python 库,程序员可以把使用其它语言制作的各种模块(尤其是C语言和 C++)很轻松地联结在一起,因此 Python 又常被称为“胶水”语言。

这里的库和模块,简单理解就是一个个的源文件,每个文件中都包含可实现各种功能的方法(也可称为函数)。


从整体上看,Python 语言最大的特点就是简单,该特点主要体现在以下 2 个方面:

  • Python 语言的语法非常简洁明了,即便是非软件专业的初学者,也很容易上手。
  • 和其它编程语言相比,实现同一个功能,Python 语言的实现代码往往是最短的。

对于 Python,网络上流传着“人生苦短,我用 Python”的说法。

因此,看似 Python 是“不经意间”开发出来的,但丝毫不比其它编程语言差。事实也是如此,自 1991 年 Python 第一个公开发行版问世后:

  • 2004 年起 Python 的使用率呈线性增长,不断受到编程者的欢迎和喜爱;
  • 2010 年,Python 荣膺 TIOBE 2010 年度语言桂冠;
  • 2017 年,IEEE Spectrum 发布的 2017 年度编程语言排行榜中,Python 位居第 1 位。

直至现在(2019 年 12 月份),根据 TIOBE 排行榜的显示,Python 也居于第 3 位,且有继续提升的态势(如下图表示)。

表 2 TIOBE 2019 年 12 月份编程语言排行榜(前 20 名)
2019年12月 2018年12月 编程语言 市场份额 变化
1 1 Java 17.253% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? +1.32%
2 2 C 16.086% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? +1.80%
3 3 Python 10.308% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? +1.93%
4 4 C++ 6.196% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -1.37%
5 6 C# 4.801% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? +1.35%
6 5 Visual Basic .NET 4.743% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -2.38%
7 7 JavaScript 2.090% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.97%
8 8 PHP 2.048% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.39%
9 9 SQL 1.843% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.34%
10 14 Swift 1.490% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? +0.27%
11 17 Ruby 1.314% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? +0.21%
12 11 Delphi/Object Pascal 1.280% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.12%
13 10 Objective-C 1.204% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.27%
14 12 Assembly language 1.067% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.30%
15 15 Go 0.995% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.19%
16 16 R 0.995% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.12%
17 13 MATLAB 0.986% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.30%
18 25 D 0.930% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? +0.42%
19 19 Visual Basic 0.929% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.05%
20 18 Perl 0.899% Python编程基础(一)编程语言是什么?编译型语言和解释型语言的区别|Python是什么? -0.11%



显然,Python 已经将 C++ 语言甩在了后边,直逼 C 语言和 Java,而且未来有可能超越它们,成为编程语言排行榜冠军。

我们不妨再看一下 Python 历年来的市场份额变化曲线,Python 的未来大势可期。

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Python 历年来市场份额变化曲线

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