第6章程序设计语言 · 计算机科学概论（第13版）教学页

CHAPTER 6 · LEARNING MAP

本章学习地图

每节末尾附“本节小结”；每节配 2 道课堂选择题（A/B/C/D），共 10 题，参考答案见页面底部。

小节	核心问题	关键概念
6.1 历史回顾	语言如何从 0/1 进化到接近人类语言？	机器/汇编/高级语言 · 翻译器 · 四大范型
6.2 传统的程序设计概念	程序由哪些基本成分构成？	变量 · 数据类型 · 赋值 · 控制语句
6.3 过程单元	函数如何实现模块化与复用？	形参/实参 · 按值/按引用传递 · return
6.4 语言实现	高级语言怎样变成机器可执行的形式？	词法分析 · 语法分析 · 代码生成
6.5 面向对象程序设计	如何用对象组织软件系统？	类与对象 · 构造器 · 继承/多态/封装
6.6 / 6.7 并发与说明性	顺序之外还有哪些程序组织方式？	并发活动 · 说明性程序设计

一条主线：要解决的问题 → 算法 → 程序设计语言 → 机器语言 → 计算机运行 → 问题得解。本章正是这条主线上承上启下的一环。

6.1 HISTORICAL PERSPECTIVE

6.1 历史回顾

程序设计语言的目标：让算法的表达既便于人理解，又便于转换为机器语言指令。

语言的三代演变：从 0/1 到接近人类语言

Generation 1 · Machine Language

机器语言

用数字编码的指令序列直接写程序——烦琐、易出错。例：0x4056 表示“把寄存器 5 的内容移到寄存器 6”。

Generation 2 · Assembly Language

汇编语言

用助记符（mnemonic）代替数字：mov R5, R6。由汇编器（assembler）转换为机器语言；但程序依赖特定机器，难以移植。

Generation 3 · High-Level Language

高级语言

原语更高级且机器无关：assign TotalCost the value Price + ShippingCharge。由翻译器（translator）转换为机器语言。

解释器 vs 编译器：解释器（interpreter）在翻译出指令的同时执行指令，不产生供将来使用的机器语言副本；编译器（compiler）先把整个程序翻译成机器语言（目标程序 object program），之后再执行。

动手试一试：同一操作的三种写法

点击下面的标签，看“把寄存器 5 与 6 的和存入寄存器 7”在三代语言中分别长什么样——体会抽象层次的跃升。

程序设计范型：组织程序的四种思路

范型 paradigm：构建程序的风格或方法论。许多现代语言是多范型的（如 Python 同时支持命令式、函数式、面向对象）。

Imperative / Procedural

命令式（过程）范型

开发一个命令序列，遵照它对数据进行操作以产生期望结果——先找到算法，再把它表示为命令序列。代表：C、Pascal。

Declarative

说明性范型

程序员描述“要解决的问题”，而不是“要遵循的算法”——应用预先设定的通用问题求解算法。代表：Prolog、SQL。

Functional

函数范型

程序由较小的预定义函数连接而成：一个函数的输出直接作为下一个函数的输入。代表：LISP、Scheme。

Object-Oriented

面向对象范型

软件系统看作对象的集合，每个对象执行与自己相关的动作并响应其他对象的请求，相互作用共同解题。代表：Java、C++。

同一问题两种风格：计算支票簿余额。函数式（LISP）：(Find_diff (Find_sum Old_balance Credits) (Find_sum Debits))——结果立即传给下一个函数；命令式则用多条语句把中间结果存入变量再逐步计算。用语言写算法：清晰度和可读性是最重要的考虑因素。

本节小结 · 6.1

语言三代：机器语言（数字编码）→ 汇编语言（助记符 + 汇编器）→ 高级语言（机器无关，需翻译器/解释器）。

四大范型：命令式、说明性、函数式、面向对象；几乎所有语言都能表达任何算法，但清晰度与可读性不同。

Q1汇编语言用助记符表示指令，把助记符程序转换为机器语言的程序称为？

A编译器

B解释器

C汇编器

D链接器

答案 C。汇编器（assembler）把助记符形式的汇编语言转换为机器语言；编译器/解释器处理的是高级语言。

Q2下列哪种范型要求程序员“描述要解决的问题，而不是要遵循的算法”？

A命令式范型

B函数范型

C面向对象范型

D说明性范型

答案 D。说明性范型（declarative paradigm）只描述问题本身，由预先设定的通用求解算法找出解法，如 Prolog、SQL。

6.2 TRADITIONAL PROGRAMMING CONCEPTS

6.2 传统的程序设计概念

高级语言的抽象分层：简单（常量/字面量/变量）→ 中等复杂（语句/表达式/控制结构）→ 深奥（过程单元/模块/库）。

程序的三种语句

Declarative Statement

声明语句

定义程序后面要用的自定义术语。例：int WeightLimit; —— 声明名字 WeightLimit 指向一个存放二进制补码数值的存储区域。

Imperative Statement

命令语句

描述底层算法中的步骤。例：z = x + y; —— 请求把表达式 x + y 的值存入变量 z 标识的存储区域。

Comment

注释

用人性化的形式解释程序中难懂的特性，提高可读性。例：// 计算气缸的容积。

Control Statement

控制语句

可以改变程序执行顺序的命令语句——if-else 选择、while/for 循环都属于控制语句。

Overloading

重载

同一个运算符的多种用法：如 “+” 既表示数值相加，也可表示字符串拼接（取决于操作数的类型）。

脚本语言（scripting language）：命令式语言的子集，通常用来执行管理任务而不是开发复杂程序；对这种任务的表述称为“脚本”（script），语言因此得名。赋值语句（assignment statement）= 变量 + 赋值符号 + 表达式，语义是对表达式求值并把结果存入变量。

变量、数据类型与数据结构

变量（variable）：与存储位置相关联的名字——位置里的值随程序执行而改变。数据类型（data type）= 编码方式 + 可执行的操作。

数据类型	English	编码方式 / 可执行的操作
整型	integer	整数，常以二进制补码记数法存储；算术运算与大小比较
浮点型（实型）	float / real	可含小数，以浮点记数法存储；操作与整型一致
布尔型	Boolean	值仅为真或假；用于 if (LimitExceeded) 之类的条件判断

Primitive Data Type

基本数据类型

作为原语直接包含在语言中的数据类型，如整数的 int、字符的 char。

Constant & Literal

常量与字面量

常量给不变的值分配描述性名字；字面量文本用引号划界——“Smith” 是文本，Smith 是变量。

Data Structure

数据结构

数据在概念上的形态或排列。例：数组 array——相同类型元素组成的块，用索引 index 标识所需元素。

Expression

表达式

由算术运算符和逻辑运算符组合的变量、字面量和常量值——求值后得到一个结果。

本节小结 · 6.2

程序语句分三类：声明语句（定义术语）、命令语句（描述算法步骤）、注释（解释给人看）。

变量 = 名字 + 存储位置；数据类型 = 编码方式 + 可执行的操作（整型/浮点型/布尔型）；数据结构是数据的概念形态，数组用索引访问元素。

Q3语句 int WeightLimit = 100; 属于哪一类程序语句？

A命令语句

B注释

C声明语句

D控制语句

答案 C。声明语句定义程序后面要用的术语，附带赋初值不改变其“声明”的本质。

Q4数据类型（data type）指的是？

A数据的存储地址

B数据的编码方式以及可以在该数据上执行的操作

C数据的名字

D数据的输入方式

答案 B。数据类型 = 编码方式 + 可执行的操作，二者缺一不可：整型按补码编码、可做算术；布尔型只有真/假。

6.3 PROCEDURAL UNITS

6.3 过程单元

函数是命令式语言获得程序模块化表示的主要技术——完成一个任务的一组指令，可用作其他程序单元的抽象工具。

void ProjectPopulation (float GrowthRate) { int Year; // 局部变量 Population[0] = 100.0; for (Year = 0; Year <= 10; Year++) Population[Year+1] = Population[Year] + Population[Year] * GrowthRate; }

C 语言函数：按增长率预测未来 10 年人口。

Call / Invoke

调用

将控制权转移给函数的过程；发出请求的程序单元称为“调用单元”。函数执行完后，控制权返回原来的程序单元。

Abstraction

抽象工具

开发抽象 = 去除细节 + 归纳功能；从具体示例中提取共同特征，让函数可在别处按名复用。

Why Functions

为什么用函数

软件复用、提高清晰度与可读性；较小的函数可以独立测试——更容易发现隐藏的 bug，从而更确信整个系统正确。

参数：形参、实参与传递方式

参数（parameter）：函数内部的通用项——形参像函数体上的“槽口”，调用时实参被塞入槽口，按位置一一对应。

Formal / Actual Parameter

形式参数与实际参数

形参（formal parameter）是函数内部使用的项；实参（actual parameter）是调用时赋给形参的精确含义：第一个实参对应第一个形参。

Return Value

有返回值的函数

源于数学中的函数：输入集到输出集的关系。函数头指定返回值类型，return 语句终止函数并把值送回调用处。

Pass by Value

按值传递

把实参数据的副本传给函数——函数只改副本，调用单元中的数据受保护，不会被错误修改。

Pass by Reference

按引用传递

告诉函数实参的地址，函数可直接存取、修改调用环境中的数据——更灵活，也更需谨慎。

float CylinderVolume (float Radius, float Height) { float Volume; Volume = 3.14*Radius*Radius*Height; return Volume; } cost = CostPerVolUnit * CylinderVolume(3.45, 12.7);

有返回值的函数：计算结果可存进变量或立即参与计算。

实参顺序不能乱：PrintCheck("John Doe", 150) 正确；而 PrintCheck(150, "John Doe") 会把 150 当收款人！实参与形参按位置对应，顺序错了语义就全错。

动手试一试：按值传递 vs 按引用传递

同一个函数 Modify(n)（把形参加 10），分别以两种方式传递变量 x = 5。点击“执行调用”，观察调用单元的 x 是否被改变。

观察两侧“调用单元中的 x”有何不同

PASS BY VALUE

按值传递：函数拿到的是副本

调用单元 x

形参 n（副本）

—

等待执行……

PASS BY REFERENCE

按引用传递：函数拿到的是地址

调用单元 x

形参 n（即 x 的地址）

—

等待执行……

本节小结 · 6.3

函数 = 完成一个任务的一组指令；调用 = 控制权转移，执行完返回。形参是函数内的通用“槽口”，实参在调用时按位置塞入。

按值传递改副本，按引用传递改原件；有返回值的函数用 return 送回计算结果。通用性来自参数，而非写死的对象。

Q5“按值传递”（pass by value）参数时，函数对参数的修改会怎样？

A直接修改调用单元中的数据

B只修改实参的副本，调用单元的数据不受影响

C导致编译错误

D同时修改副本和原件

答案 B。按值传递只给函数一个副本，调用单元的原件受保护——这正是上面演示中左侧发生的情况。

Q6有返回值的函数通常用什么语句终止函数并把计算结果送回调用处？

Abreak

Bprint

Cyield

Dreturn

答案 D。return 语句终止函数执行，并把指定的值送回发出调用的程序单元。

6.4 LANGUAGE IMPLEMENTATION

6.4 语言实现

翻译 translation：把程序从一种语言转换成另一种语言。源程序 source program →（翻译）→ 目标程序 object program。

翻译过程：从源程序到目标程序

1 · Lexical Analyzer

词法分析器

逐个符号读源程序，识别出标记 token（单个实体的字符串），并分类为数值、单词、算术运算符等；跳过所有注释。

2 · Parser

语法分析器

把标记组合成语句：标识程序的语法结构、辨认每个成分的作用——本质上是为源程序构建语法分析树。

3 · Code Generator

代码生成器

构造机器语言指令来实现语法分析器识别出的语句；代码优化（code optimization）是它的重要任务。

动手试一试：跟踪 z = x + y; 的翻译之旅

点击“下一步”，看一条赋值语句如何依次经过词法分析、语法分析、代码生成，最终变成机器指令。

源程序

SOURCE

源程序

STEP 1

词法分析

STEP 2

语法分析

STEP 3

代码生成

三个活动并非严格顺序执行，而是交织在一起：词法分析器每识别出足够的标记，语法分析器就组合出一个完整语句，随即请代码生成器产出对应指令——流水线式地推进。

软件开发包：一体化的开发环境（IDE）

Editor

编辑器

随时编写程序；按所用语言定制：自动行缩进、关键字自动补全、语法高亮（用颜色突出关键字），使程序更易读。

Translator

翻译器

一键把程序转换成机器语言，与编辑器无缝衔接——写完即可翻译、运行。

Debugger

调试工具

跟踪故障程序的执行，发现哪里出了问题；与编辑器来回切换，修改—测试的循环非常顺畅。

翻译过程本身就是面向对象的例子：源程序、词法分析器、语法分析器、代码生成器、目标程序都可以看作对象——每个对象在完成自己任务的同时，通过来回发送“消息”（标记、分析树、指令请求）与其他对象交互。

本节小结 · 6.4

翻译三活动：词法分析（认标记）→ 语法分析（组语句、建语法分析树）→ 代码生成（产出机器指令并优化），三者交织进行。

IDE 把编辑器、翻译器、调试工具组合成一个包：面对需要修改和测试的程序，可以在编辑器与测试工具之间轻松来回切换。

Q7翻译过程的三个活动按正确顺序是？

A语法分析 → 词法分析 → 代码生成

B词法分析 → 语法分析 → 代码生成

C代码生成 → 词法分析 → 语法分析

D词法分析 → 代码生成 → 语法分析

答案 B。词法分析认标记 → 语法分析组语句 → 代码生成产指令；实际执行中三者交织，但逻辑顺序如此。

Q8词法分析器（lexical analyzer）的主要工作是？

A构造机器语言指令

B为源程序构建语法分析树

C识别源程序中的标记（token）并分类

D跟踪程序执行以发现故障

答案 C。词法分析器逐个符号读源程序，识别并分类标记，跳过注释；建树是语法分析器的事，产指令是代码生成器的事。

6.5 OBJECT-ORIENTED PROGRAMMING · *6.6 · *6.7

6.5 面向对象 · 6.6 并发 · 6.7 说明性

OOP：软件系统看作对象的集合——每个对象执行与自己相关的动作并响应其他对象的请求，相互作用共同解题。

Class & Object

类与对象

类（class）是一组对象的模板，描述共同特征；对象是从类构造出来的实例（instance），一个类可创建许多对象。

Constructor

构造器

与类同名的特殊方法，在构建类的对象时自动执行——完成对象的初始化。

Inheritance & Polymorphism

继承与多态

继承（inheritance）：一个类包含其他类的属性；多态（polymorphism）：多个对象以不同方式响应相同的方法调用。

Encapsulation

封装

限制对对象内部属性的访问：被封装的特性是私有的（仅对象自己可访问），其余是公有的。

*6.6 Concurrency

并发活动

同时执行多个计算任务或程序流程（而非一个接一个顺序执行），以增强程序的效率和响应能力。

*6.7 Declarative Programming

说明性程序设计

描述“是什么”而非“怎么做”：开发者专注期望的结果。形式逻辑提供通用求解算法——命题 + 与/或/非。

本节小结 · 6.5（含 *6.6 / *6.7）

OOP 四支柱：类是模板、对象是实例；构造器自动初始化；继承复用特征，多态同调异应，封装隐藏内部。

*6.6 并发 = 同时执行多个任务；*6.7 说明性 = 描述目标而非步骤，形式逻辑是底层引擎。

Q9在面向对象程序设计中，“类”（class）与“对象”（object）的关系是？

A类是对象的实例

B类是一组对象的模板，对象是从类构造的实例

C二者完全相同

D对象是类的模板

答案 B。类是模板，对象是实例；一个类可以创建许多对象。A 恰好说反了。

Q10限制对对象内部属性的访问、使被封装的特性成为私有的，这种技术称为？

A继承

B多态

C封装

D重载

答案 C。封装（encapsulation）= 限制对内部属性的访问；私有特性只有对象自己能访问，其余特性是公有的。

ANSWER KEY

课堂练习参考答案（共 10 题）

先独立完成上面的练习，再来这里核对——错题对应的小节值得回看一遍。

小节	题号	答案	一句话解析
6.1	Q1	C	汇编器（assembler）把助记符形式的汇编语言转换为机器语言。
6.1	Q2	D	说明性范型：描述“要解决什么问题”，通用求解算法负责“怎么解”。
6.2	Q3	C	声明语句定义程序后面要用的术语，赋初值不改变其声明本质。
6.2	Q4	B	数据类型 = 编码方式 + 可执行的操作，二者缺一不可。
6.3	Q5	B	按值传递只给函数一个副本，原件受保护。
6.3	Q6	D	return 终止函数并把值送回调用处。
6.4	Q7	B	词法分析认标记 → 语法分析组语句 → 代码生成产指令。
6.4	Q8	C	词法分析器逐个符号读源程序，识别并分类标记，跳过注释。
6.5	Q9	B	类是模板，对象是实例；A 说反了。
6.5	Q10	C	封装 = 限制对内部属性的访问；私有特性只有对象自己能访问。

答案速记

6.1 历史回顾

C · D

6.2 传统概念

C · B

6.3 过程单元

B · D

6.4 语言实现

B · C

6.5 面向对象

B · C

CHAPTER 6 · SUMMARY

全章总结

从 0/1 到对象：语言层次的每一次跃升，都让“人想出的办法”更容易变成“机器能执行的程序”。

小节	一句话总结	关键术语
6.1 历史回顾	机器语言 → 汇编语言 → 高级语言；四大范型组织程序	mnemonic · compiler · paradigm
6.2 传统概念	声明/命令/注释三类语句；变量、类型、数组、赋值	variable · data type · array
6.3 过程单元	函数实现模块化；形参/实参；按值与按引用传递	function · parameter · return
6.4 语言实现	词法分析 → 语法分析 → 代码生成；IDE 一体化开发	token · parse tree · IDE
6.5 面向对象	类是模板对象是实例；继承、多态、封装	class · object · encapsulation
6.6 / 6.7	并发同时执行多任务；说明性描述“是什么”	concurrency · declarative

下一章预告：第 7 章《软件工程》将讨论如何把一个大型软件系统当作工程来建造——需求分析、设计、实现、测试与维护。语言给了我们“写程序”的工具，软件工程教我们“造系统”的方法。

GLOSSARY

本章术语表（中英对照）

重点名词双语对照 + 一句话释义；建议结课时自查一遍。

机器语言machine language数字编码的指令序列

助记符mnemonic代替机器码的易记符号

汇编语言assembly language助记符系统，依赖机器

汇编器assembler汇编语言 → 机器语言

编译器compiler翻译整个程序后执行

解释器interpreter边翻译边执行

程序设计范型paradigm构建程序的风格/方法论

命令式范型imperative paradigm命令序列操作数据

说明性范型declarative paradigm描述问题而非算法

函数范型functional paradigm函数嵌套连接

面向对象范型object-oriented paradigm对象相互作用解题

变量variable名字关联的存储位置

数据类型data type编码方式 + 可执行操作

数组array同类型元素组成的块

索引index标识数组元素的整数值

常量constant不变值的描述性名字

赋值语句assignment statement把表达式的值存入变量

重载overloading同一运算符的多种用法

控制语句control statement改变程序执行顺序

函数function完成任务的指令组

形式参数formal parameter函数内部的通用项

按值传递pass by value传副本，保护原件

按引用传递pass by reference传地址，可改原件

词法分析器lexical analyzer识别标记 token

语法分析器parser构建语法分析树

类class一组对象的模板

对象object从类构造出的实例

封装encapsulation限制对内部属性的访问

本章学习地图

6.1 历史回顾

语言的三代演变：从 0/1 到接近人类语言

动手试一试：同一操作的三种写法

程序设计范型：组织程序的四种思路

6.2 传统的程序设计概念

程序的三种语句

变量、数据类型与数据结构

6.3 过程单元

参数：形参、实参与传递方式

动手试一试：按值传递 vs 按引用传递

6.4 语言实现

翻译过程：从源程序到目标程序

动手试一试：跟踪 z = x + y; 的翻译之旅

软件开发包：一体化的开发环境（IDE）

6.5 面向对象 · *6.6 并发 · *6.7 说明性

课堂练习参考答案（共 10 题）

全章总结

本章术语表（中英对照）

6.5 面向对象 · 6.6 并发 · 6.7 说明性