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编程语言的巅峰

2018-11-12 08:30 码农翻身刘欣

“哇塞,怎么可能这么简单!”


当C语言老头儿还是小伙子的时候,第一次见到了汇编,发出了这么一声感慨。


在C语言看来,这汇编的指令实在是太简单了,简单到了令人发指的地步,只有这么几类指令:


数据传输类:

就是把数据从一个位置复制到另外一个位置,比如从内存到寄存器,或者从寄存器到内存, 或者从寄存器到寄存器。


算术和逻辑运算类:

无非就是加减乘除,AND, OR,  左移,右移


控制类:

比较两个值,跳转到某一个位置。


汇编老头儿非常地骄傲, 他经常嚣张地说:“别看我的指令这么简单,但是配合我的寄存器和内存, 却能完成你们这些所谓的高级语言的所有功能!”


这寄存器是什么鬼? C语言脑海中只有内存和指针,根本就没有什么寄存器的概念, 实际上,这是属于CPU阿甘的,容量有限,但是速度超级快的存储部件。

32位CPU寄存器

图片来源: http://pascalturbo.net/cpu-registers/


数组


C看着汇编这单薄的小身板,想到自己那优雅的if , 漂亮的while, for ,还有那极为重要的函数调用,心里不由得泛起嘀咕:我的程序怎么可能被编译成这么简单的汇编?


虽然心里有点瞧不上,但C小伙还是挺恭敬的:“前辈,在我这里有个数组的概念,编译成汇编是什么样?”


int num[10];

num[0] = 100;

num[1] = 200;


除了机器语言,那就属汇编最老,连C语言的第一个编译器都是用汇编写的,当之无愧的前辈。


汇编老头儿没想到C小伙儿连这个问题都没弄清楚,说道:“我这里只认寄存器和内存,你这所谓数组,就是内存的一段连续的空间嘛,我只要知道开始地址就可以了。”



C小伙儿一看,好家伙,连变量名num都不要了。 不过说得也是, 汇编老头只要记住初始地址,顺着地址就能找到所有东西。


“咦,这个什么0x000083d0不就相当于我的指针么? ”


“是啊,不过在我这里,都是地址,忘掉指针吧!”


条件分支


C小伙又想到了自己的if else,在汇编中该怎么处理?


if(x < y ){
   return y - x;
else {
   return x -y ;
}


汇编老头儿说:“你们这些高级语言啊,就爱搞复杂化,怎么不用goto呢?”


C小伙说:“goto 被迪杰斯特拉认为是有害的,会破坏结构化,不建议使用!”


“唉,简单就是美,你们这些高级语言懂不了,我这里很简单,就是比较和跳转指令,从一个地方跳到另外一个地方执行就行了。”


汇编老头儿一遍感慨,一遍写道:


我们假设

%eax 寄存器保存的是y的值,

%edx 寄存器保存的是x的值。


  cmpl %eax, %edx ;  比较x和y

  jge   .L1       ;  如果x >= y,跳转到.L1处去执行

  subl  %edx,%eax ;  计算y-x,结果存到eax寄存器中

  jmp  .done      ;  跳转到.done标签处

.L1:

  subl %eax, %edx ;  计算 x-y

  movl %edx, %eax ; 把结果存到eax寄存器中

.done:            ; 计算结束,结果保存在eax寄存器中


(码农翻身注:这个例子来源于《深入理解计算机系统》)


C小伙儿看了半天,终于搞明白了这段汇编程序的含义,这所谓的jge也就是做一个判断,然后跳转到特定位置去执行,就像是if 和 goto 的结合。


汇编老头儿看到C小伙儿懂了, 问道:“你想想你的while 循环,for 循环,是不是if 和 goto 的包装而已?”


C小伙儿想了一会:“确实是这样!”


“这不就结了,我的汇编看起来简单,但是却能表达你所有的流程控制语句,不管什么if else, while, for ,switch ,对吧?”


C小伙儿觉得汇编老头儿说的都是歪理:“这goto是简单,可是程序读起来就非常复杂了啊!”


汇编老头儿说:“你算是说道了点子上,所谓高级语言,主要是方便人类的编写和阅读的,是为了提升人类的效率。 在我这里,主要是让CPU阿甘执行的,那傻小子,速度飞快,什么也不懂,你只要告诉它指令就行,越简单越好。”


没想到CPU阿甘听到了对它的嘲讽,不满地说:“老伙计,又在背后说我的坏话,我执行了亿万条指令以后,早就悟出了程序的局部性原理,这你懂不懂?”


(码农翻身注:详情参见《CPU阿甘》)


函数调用


C小伙看到不能难倒汇编老头儿,想到了自己可以定义函数,精神一振,问道:“函数调用你怎么处理啊?”


int funcA(int a){
    ......
    funcB(10)
    ......
}

int funcB(int b){
    ......
    funcC();
    ......
}


看看,这funcA调用funcB, funcB又调用funcC,函数嵌套调用,你那简单的指令能处理? C小伙儿心里暗想。


汇编老头儿不慌不忙:“你可算是问了一个有价值的问题,不过这也难不倒我,我需要内存配合一下就行了。”



“看到里边的栈帧没有,每个栈帧都表示一个函数的调用!”


“那这栈帧中有什么东西?” C小伙儿问道。


“细节太复杂,给你画个示意图看看吧!”



“不对啊,你这栈帧中有输入参数,有返回值,可是没有函数代码啊?代码去哪儿了?”


“真是幼稚! 这是运行时在内存中对函数的表达,那代码肯定是在代码段啊。” 汇编老头儿嘲讽道。


代码段的指令不断被CPU阿甘执行,遇到函数调用,就建立新的栈帧,函数调用结束,栈帧就会销毁,废弃。然后返回上一个栈帧。


C小伙儿意识到自己犯了一个大错误,他老是想着代码的静态结构,而忽略了运行时的表示。


编程语言的巅峰


他急于挽回面子,赶紧给C++打电话求援:“兄弟,快过来,治一下这个汇编老头儿!”


C++了解了事情的经过,说道:“兄弟,不行啊,别看我有class, 但是最终我也得变成过程化的程序,翻译成汇编,和你是一样一样的。”


(码农翻身注: 参见《面向对象圣经》)


“那Python呢, Java 呢?”  C小伙儿有点气急败坏。


“他们更不行了,是虚拟机中的语言,他们连汇编老头儿的面儿都见不着,再说那虚拟机也是用你老兄C语言写的啊!”


C小伙呆住了,可不是,自己是很多系统级软件和编程语言的基础,已经非常贴近硬件了,自己治不了汇编老头儿,别人肯定也不行啊。


C小伙儿又想到了应用层那复杂的业务逻辑,他们都是由Python,Java, JavaScript等高级语言编写的,还用到了什么OOD,设计模式,函数式,响应式编程...... 但是它们都是一层层的抽象,帮助程序员更好地编写程序,在最底层,还是汇编啊。


他叹了一口气,对汇编老头说:“前辈,我服了,您可真是编程语言的巅峰啊。”


“不敢当,还有一个语言比我更厉害!”


“是谁?”


“机器语言! 只有0和1!不信你看看这程序员专属的键盘。”



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