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2 编程范式 | Programming Paradigm

约 1295 个字 14 行代码 5 张图片 预计阅读时间 4 分钟

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Takeaway

从汇编与 C/C++ 代码的对比中理解结构化编程，进而理解编程范式与抽象。

在上一节中，我们提到了 类 (class)。在编程语言的世界里，这个词来自于 面向对象程序设计 (OOP, Object-Oriented Programming)。OOP 是一种 编程范式 (programming paradigm)。在讨论 OOP 之前，我们先来聊聊编程范式。

C++ 是一种多范式 (multi-paradigm) 的编程语言。也就是说，它包含了许多种编程范式的特性。

编程范式说明了编程语言的不同特点；分类依据包括语言的代码组织方式、运行时模型、语法风格等1。我们提到的 OOP，就是按照「代码组织方式」分类的一种编程语言的特点。

为了让大家更好地感受到何为「按代码组织方式分类」，我们简单回顾一下相关的历史。

我们知道，在通用计算机被发明时，代码都是用 机器码 (machine code) 编写的；在机器码中，指令由一堆 01 串来表示。为了方便阅读和调试，人们引入了 助记符 (mnemonics) 和 labels 等来以更易理解的方式表示机器指令，从而发明了 汇编语言 (assembly)。

汇编语言以及之后出现的 BASIC, Fortran 等编程语言的早期版本都是 非结构化的 (non-structured) 编程语言。这是什么意思呢？我们来看一看我们熟悉的分支和循环语句在汇编中是如何表示的：

上面两张图依次是 C++ 源码和编译出的汇编代码。可以看到：

  • 如果 a <= 10：
    • 汇编代码的第 5 行 cmp (compare) 将 DWORD PTR [rbp-4]（前面的几行把传入参数 a 放到了这里）与 10 作比较
    • 第 6 行 jle (jump if less or equal) 根据上面比较的结果，在 a <= 10 的情形下 跳转 至 .L2，也就是第 10 行
    • 第 10 行 mov (move) 将 0 赋值给寄存器 eax，而 eax 就是函数的返回值
    • 第 12 和 13 行完成函数的返回
  • 如果 a > 10：
    • 汇编代码的第 5 行 cmp (compare) 将 DWORD PTR [rbp-4]（传入参数 a）与 10 作比较
    • 第 6 行 jle 由于 a > 10 因此不生效，不进行跳转
    • 第 7 行 mov 将返回值 eax 赋值为 1
    • 第 8 行 jmp (jump) 跳转到 .L3，也就是第 12 行
    • 第 12 和 13 行完成函数的返回

也就是说，汇编中并不存在直接完成「分支」的语言结构，而是通过比较和跳转指令的组合来完成相应的效果的。

类似地，下面的两张图也是 C++ 源码和编译出的汇编代码。汇编代码完成循环操作的方式留做练习。

提示

汇编代码的 2~4 行将 DWORD PTR [rbp-20] 的初始值设置为传入参数 a；第 5 行将表示局部变量 ans 的 DWORD PTR [rbp-4] 的初始值设置为 0。

第 11 行的 jg 是 jump if greater 的意思。第 12 行将表示局部变量 ans 的 DWORD PTR [rbp-4] 赋值给寄存器 eax，即完成返回值的设置。13~14 行完成函数的返回。

可以看到，在汇编语言中，并不存在诸如分支、循环之类的语言结构；早期的 BASIC 等编程语言中即使存在表示类似含义的关键字，但是由于不存在代码块之类的结构，因此分支、循环之类的控制流仍然需要通过 jmp 或者 goto 等含义类似的语句来完成，例如 BASIC 可能有这样的代码：

10 let a = 6
20 let b = 7
30 if a < b goto 60
40 print(a)
50 goto 70
60 print(b)
70 end

可以看到，在上面的代码中，虽然有 if，但是为了完成分支的效果，仍然需要 goto 来帮助。也就是说，在这种语言中的代码是以 单条代码 为单位的，而不是像 C++ 中以 语句块 为单位的：

1
2
3
4
5
6
7
a = 6;
b = 7;
if (a < b) {
    print(b);
} else {
    print(a);
}

请注意，上面这段 C++ 代码中 3~7 行是一个完整的语句 (selection-statement stmt.select.general#1)。

也就是说，我们熟悉的 C 和 C++ 等编程语言都是 结构化编程语言 (structured programming languages)，因为它们有诸如分支、循环、语句块、函数之类的语言结构。

当我们讨论从非结构化到结构化编程到底发生了什么改变时，我们很容易看到：编程语言从「更贴近计算机行为」向「更接近人类思维」的方向迈了一步。这就是我们所说的 抽象 (abstraction)。计算机的行为是具体的、与机器和环境高度相关的，而人类思维是更加普遍的、远离细节的；「抽象」的好处就是能够提升程序或者编程语言的通用性、易读性、易写性、可移植性，而坏处是可能会损失一些更加精细的控制，也有可能会影响到编译时或运行时的性能。

回顾一下这张图吧！

结构化编程在上世纪 70 年代末 80 年代初被广泛认知；90 年代开始广泛认识 OOP。C++ 支持的 泛型编程 (generic programming) 也是一种编程范式，我们将在后面的章节里讨论这种编程范式。编程范式还有很多，例如著名的函数式编程等。感兴趣的同学可以自己看一看！

相关链接

本节部分内容参考了翁恺老师 2021~2022 年的「程序设计方法学」课程。

  1. Programming paradigm | Wikipedia ↩

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