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理解编程语言¶

简单地说，程序就是人类书写交由机器去执行的一系列指令，而编程语言是书写时遵照的语法规则。

编程很像教孩子，计算机就像一个孩子，一开始什么都不懂，也不会自己思考，但非常听话，你教TA怎样就怎样，一旦学会的就不会忘，可以不走样地做很多次不出错。但是如果教的不对，TA也会不折不扣照做。

对我们来说，和孩子的教育一样，关键在于理解对方的沟通语言，以及理解对方会如何理解你的表达。

计算机系统和 CPU¶

计算机本身并不复杂，大致上就是三部分：

负责执行指令的中央处理器（CPU）；
负责存放 CPU 执行所需要数据的内存；
各种外设，像硬盘、键盘、鼠标、显示设备、网卡等等这些都是。

这里面 CPU 是核心的核心，因为它相当于人的大脑，我们教给计算机的指令实际上就是 CPU 在一条一条地执行，执行过程中会读写内存里的数据，会调用各种外设的接口（通过一种叫做“设备驱动”的软件模块）来完成数据的输入输出（I/O）操作。

CPU 是一种计算机芯片，芯片可以执行的指令是在设计时就定好的，不同芯片有不同的指令集，固化在硬件里，一般无法改变。因为大小、发热和功耗等问题，芯片的指令集不能面面俱到，而是有所侧重，比如一般计算机里 CPU 芯片比较擅长整数的运算，而 GPU（图形处理芯片，也就是显卡）比较擅长浮点数的运算，计算机图形处理尤其是 3D 图形处理会涉及大量的浮点运算，所以通常交给 GPU 去做，又快又省电；后来人们发现除了 3D 图形处理，人工智能等领域的一些科学计算也多是浮点运算，所以 GPU 也被拿来做这些计算工作。而我们的手机里的芯片，是把 CPU/GPU 还有其他一些做特殊工作的芯片集成在一块硅晶片上，这样可以节省空间，也能节约功耗，这种高度集成的芯片就叫 SoC（System on Chip）。

汇编和编译器¶

那么 CPU 执行的代码长啥样呢，我们可以瞄一眼，大致长这样：

_add:                                   ## @add
push rbp
mov rbp, rsp
mov dword ptr [rbp - 4], edi
mov dword ptr [rbp - 8], esi
mov esi, dword ptr [rbp - 4]
add esi, dword ptr [rbp - 8]
mov eax, esi
pop rbp
ret

_main:                                  ## @main
push rbp
mov rbp, rsp
sub rsp, 16
mov dword ptr [rbp - 4], 0
mov edi, 27
mov esi, 15
call _add
add rsp, 16
pop rbp
ret

这叫汇编指令（assembly），和 CPU 实际执行的“机器指令（machine code）”几乎一样了，只是机器语言是二进制的，全是 01011001 这样，而汇编将其翻译成了我们稍微看得懂的一些指令和名字。机器可以直接执行的指令其实不多，在 Intel 官方的 x64 汇编文档里列出的常用指令码只有 20 多个，上图中的 mov push pop add sub call ret 等都是。我们目前并不需要搞懂这些都是干啥的，不过可以简单说一下，mov 就是把一个地方保存的数写到另一个地方，call 是调用另外一个代码段，ret 是返回 call 的地方继续执行。

所以其实计算机执行的指令大致就是：

把数放到某地方，可能在 CPU 内部也可能在内存里；
对某地方的数进行特定运算（通常是加减乘除）；
跳转到另一个地方执行一段指令；
返回原来的位置继续执行。

如此这般。

可以想象，如果要完成复杂的任务，涉及复杂的逻辑流程，用汇编代码写起来可要费好大的劲儿了。但这就是机器的语言，CPU 实际上就只会这种语言，别的它都听不懂，怎么办？

想来想去，是不是有可能我们用某种方式写下我们解决问题的方法，然后让计算机把这些方法翻译成上面那种计算机懂的指令呢？这种翻译的程序肯定不好写，但是一旦写好了以后所有人都可以用更接近人话的方式表达，计算机也能自己翻译给自己并且照做了，所谓辛苦一时享受一世，岂不美哉。程序员的典型思维就是这样：如果有个对人来说很麻烦的事情，就要试试看是不是可以让计算机来做。

这个想法早已被证明完全可行，这样的翻译程序叫做“编译器（compiler）”。现在存在于世的编程语言有数百种，每一种都对应一个编译器，它可以读懂你用这语言写的程序，经过词法分析（tokenizing）、语法分析（parsing）、语义分析（semantic analysis）、优化（optimization）和代码生成（code emission）等环节，最终输出像上面那样机器可以看懂和执行的指令。

编译理论和实现架构已经发展了很多年，已经非常成熟，并在不断优化中。只要愿意学习，任何人都可以设计自己的编程语言并为之实现一个编译器。

顺便，上面的汇编代码是如下的 C 语言代码通过 LLVM/Clang 编译器的处理生成的：

int add(int a, int b) {
   return a + b;
}

int main() {
   return add(27, 15);
}

C 语言被公认是最接近机器语言的“高级编程语言”，因为 C 语言对内存数据的管理方式几乎和机器语言是一样的“手工操作”，需要编程者非常了解 CPU 对内存的管理模式。但尽管如此，C 语言还是高级编程语言，很接近我们人类的语言，基本上一看就懂。

各种各样的高级编程语言，总有一样适合你，这些语言极大地降低了计算机编程的门槛，让几乎所有人都有机会编程，而这一切都是因为有编译器这样的“自动翻译”存在，建立了人类和机器之间畅通的桥梁。

解释器和解释运行¶

前面我们介绍了编程语言编译为机器代码的原理，我们写好的程序可以被编译器翻译为机器代码，然后被机器运行。编译就好像把我们写好的文章整篇读完然后翻译为另一种语言，拿给会那个语言的人看。

还有另外一种运行程序的方法，不需要整篇文章写完，可以一句一句的翻译，写一句翻一句执行一句，做这件事的也是一个程序，叫解释器（interpreter）。解释器和编译器的主要区别就在于，它读入源代码是一行一行处理的，读一行执行一行。

解释器的好处是，可以实现一种交互式的编程，启动解释器之后，你说一句解释器就回你一句，有来有回，很亲切，出了问题也可以马上知道。现代人几乎不写信了，打电话和微信是主要的沟通模式，可能也是类似的道理吧。

Python 就是一种解释型语言，在命令行界面运行 python 主程序，就会进入一个交互式的界面，输入一行程序立刻可以得到反馈，差不多就是这个样子：

这就是 Python 的解释器界面，这种输入一行执行一行的界面有个通用的名字叫做 REPL（read–eval–print loop 的缩写），意思是这个程序可以读取（read）你的输入、计算（evaluate）、然后打印（print）结果，循环往复，直到你退出——在上图的界面中，输入 exit() 回车，就可以退出 Python 的 REPL。

我们还可以把 Python 程序源代码（source code）存进一个文件里，然后让解释器直接运行这个文件。打开命令行界面（我们假定你已经设置好了你的编程环境），执行下面的操作：

cd ~/Code
touch hello.py
code hello.py

在打开的 VSCode 中输入下面的代码：

print(f'4 + 9 = {4 + 9}')
print('Hello world!')

保存，回到命令行界面执行：

python hello.py

解释器会读取 hello.py 里面的代码，一行一行的执行并输出对应的结果。

在有的系统中，python 不存在或者指向较老的 Python，可以通过 python -V 命令来查看其版本，如果返回 2.x 的话，可以将上述命令改为 python3 hello.py。

解释器的实现方式有好几种：

分析源代码，直接执行（做某些解释器已经定义好的事情），或者
把源代码翻译成某种特定的中间代码，然后交给一个专门运行这种中间代码的程序执行，这种程序通常叫虚拟机（virtual machine），或者
把源代码编译为机器代码然后交给硬件执行。

无论哪种方式，其实也会有词法分析、句法分析、语义分析、代码优化和生成等过程，和编译器的基本架构是相似的，事实上由于实现上的复杂性，有时候编译和解释之间并没有那么硬的界限。

Python 官方解释器的工作原理是上列的第二种，即生成中间代码——叫做“字节码（bytecode）”——和虚拟机的方式；而另外有种 Python 的实现（PyPy）采用的是第三种方式，即预编译为机器码的方式。

在这本书里，绝大部分代码运行用的是 Jupyter Lab，它的目标是把 REPL 做的更好用，让我们可以在浏览器中使用，有更好的语法高亮显示，最棒的是，可以把我们交互编程的过程保存下来，与人共享。不过它背后还是 Python 解释器，和命令行界面下运行 python 没有本质区别（但用起来的愉快程度和效率还是有很大区别的）。

Jupyter Lab 通过一个可扩展的架构正在支持越来越多的文档类型和编程语言，以后学习很多别的语言也可以用它。

要使用 Jupyter Lab 需要先用 Python 的包管理工具 pip 来安装：

pip install jupyterlab

然后就可以用 jupyter lab 来运行 Jupyter Lab，在里面打开 notebook 进行交互式编程的尝试了，最好的办法是使用我们的学习用书。

小结¶

程序是人类书写交由机器去执行的一系列指令，而编程语言是书写时遵照的语法规则；
计算机 CPU 只能理解非常基础的指令，人要直接写出机器指令是困难和低效的；
编译器和解释器是一些特殊的程序，能够把我们用高级编程语言编写的程序翻译成机器指令，然后交给计算机去执行；
可以通过命令行 REPL、命令行加源文件和 Jupyter Lab 这样的可视化环境来运行 Python 程序，背后都是 Python 解释器。