乐创DIY C语言讲义​——1.2节

1.2 计算机软件发展

计算机软件，就是我们通常意义上所说的程序。一块计算机芯片（中央处理器，CPU）被设计好之后，芯片公司会推出相应的指令系统提供给用户，以便于用户可以根据自己的需求来编写程序。这种指令系统是由芯片的架构，内核所决定的，因此可以说，只要指令系统相同的计算机芯片，就是同一架构的芯片。而这套指令系统也就是我们日常所说的汇编语言。有趣的是，计算机芯片最早是没有汇编语言这个概念的。

最早的芯片被设计出来之后，芯片公司会提供一些二进制的操作命令给用户，用户根据这些文档就可以编写出自己所需要的程序了。如，某块芯片的加法操作指令是“000b”，向寄存器传输指令是“001b”，寄存器A的编号是“10101b”，寄存器B的编号是“10110b”，指令格式是“操作指令”+“目标操作数“+”操作数。“那假设我们要把寄存器A的内容和寄存器B的内容相加，并且放到寄存器A里面。由上面的条件可以得出：相加的操作指令为”000b“，寄存器A的编号是”10101b“，寄存器B的编号是”10110b“，那么把它们按照格式编排起来就是”0001010110110b“，此时这条指令下载到计算机里面，就可以完成上述的功能。这种利用二进制编码操作的方式叫做”机器语言“。可以毫不假设地说，任何编程语言、数据库、操作系统如果需要在计算机上面运行，它们必须被转化成某个具体计算机的机器语言。而计算机刚刚发展起来的时候，存储设备也是个大问题，当时用来存储程序的主要设备是纸条，在一卷纸带上面，均匀地用针打上孔，就可以把程序记录下来了，如果程序的二进制是”1“，就打上一个孔，如果是”0“，就不打孔。打孔纸带如图1-2-1所示。

图1-2-1 打孔纸带

不难看出，随着计算机指令系统的日趋庞大，依靠二级制操作命令编程的方式已经无法满足计算机软件的发展了，因此一种更为高效的方式诞生了，这种方式非常简单粗暴。芯片厂商想到，我们可以将这些复杂的二进制命令，用另一种大家都看得懂的方式表现出来，如加法操作指令是“000b”，可以用一个大家都看得懂的英文单词“ADD“表示它，寄存器A的编号是”10101b“，可以用”RA“来表示它，同样寄存器B可以用”RB“表示。以后操作者在编程的时候，只要记住这些单词即可以了，记住单词往往比记住一串数字容易地多。这种单词在后来被称为”助记符“，这种用助记符的编程语言统称为汇编。那这个年代的程序员用汇编很容易写出上面例子中的加法程序，即”ADD RA, RB“，将这个语句输入到厂家所赠送的汇编器里面，就可以生成出”0001010110110b“这样的机器语言出来。

1969年，两个程序员肯·汤普森（Ken Thompson）和丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）写出了第一个版本的Unix，从此计算机软件史翻开了新的篇章。虽然新的篇章被翻开了，但是后续的操作系统移植却变成了一个非常头疼的问题，因为这个版本的Unix使用汇编语言编写的，而由于每家芯片公司的汇编语言又不一样，因此移植起来非常困难。其实在汇编语言盛行的同时，还流传着一种高级一点的语言，B语言，但B语言的无数据类型特性使得其在PDP-11机器（当时的一台小型机名称）上无法以比较优雅的方式访问字符类型，因而从1971年开始，丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）开始对B语言进行改造，其中最重要的是引入了数据类型的概念，这些改造最终使B语言演化为了计算机发展历史上最为重要的编程语言——C语言。到了 1973 年，UNIX 系统的绝大部分源代码都用C语言进行了重写，这为提高 UNIX 系统的可移植性打下了基础（之前操作系统多采用汇编语言，对硬件依赖性强），也为提高系统软件的开发效率创造了条件。可以说，UNIX 系统与C语言是一对孪生兄弟，具有密不可分的关系。

图1-2-2 肯·汤普森（Ken Thompson）和丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）

目前，操纵系统已经深入到我们生活的方方面面，如智能手环上面的RTOS（实时操作系统），智能手机上的安卓或者IOS，办公时候的Windows等。但是，正如我们上面所说，这些硬件不用操作系统也可以正常运行，为何一定要加入操作系统这一个额外的软件在上面呢？有人可能会说，没有操作系统就没有了这些漂亮的UI界面了。关于这个回答肯定是不对的，早期如我们玩的游戏机，如黑白机等，他们是没有操作系统的，仅仅靠一些C语言代码运行在一些内存较低的8位CPU上面，还是可以做一些那个年代值得惊艳的界面。引入操作系统的原因，我总结了一下：

（1）、CPU硬件性能的增强，需要有一个强大的管理软件来调度，使得硬件性能不被浪费；

（2）、计算机外设的增多，需要有一个强大的系统软件把这些驱动程序高效、安全管理，并为应用软件提供标准统一的接口；

（3）、内存管理与虚拟化，可以将多个应用程序同时独立地运行在计算机上。

（4）、出于安全的考虑，需要将物理硬件和应用软件隔离开，之前我们说到，C语言是可以直接操作硬件的，且没有一些高级语言的内存管理器，如果不用操作系统隔离开，某些程序员用C语言这样的语言编程引发的内存泄漏将会引起硬件错误。

也许20世纪70年代注定是计算机历史上知识大爆发的时代，因为此时，不仅出现了Unix操作系统，还出现了首个计算机网络，即后来的“英特网”。而Linux操作系统设计的初衷，就把强大的网络功能嵌入到整个操作系统的设计中来了，以至1983年，Unix商业化之后，此后8年时间内，一直没有可以与之媲美的操作系统出现。说到Unix系统的商业化，这里也有几个小故事。Thompson 在1975/1976学年来到了加州伯克利分校做客座教授，并且带了些研究生一起继续进行Unix的后续开发，在伯克利，很多新的特性加入到了Unix操作系统中，并发布了一些早期的BSD版本。BSD (Berkeley Software Distribution)是由加州大学伯克利分校基于Unix发布包进行二次开发和发布的。BSD为Unix带来了很多的新的特性，特别是1983年发布的4.2版本的BSD，该版本实现了TCP/IP协议栈。而与此同时，Unix逐步走上了闭源的商业化之路，收费的Unix也被称为System V。而流传于伯克利大学的BSD却依旧保持着独立的开源化发展，由此以后，原本的BSD Unix走上了独立的发展之路，先后发展了OpenBSD，FreeBSD，NetBSD等众多版本，为后续的自由软件运动，注入了一些Unix的基因。这里再说一点，很多商业软件也是基于BSD 开发的，比如苹果的IOS。

Unix离普通人越来越远，高昂的价格不仅让很多公司望而止步，连大学生学习操作系统原理也没有一个可以讲解的对象了，因此中途还诞生过一个叫做“Minux”的操作系统，由Minux再发展，也发展出了一个独立的类“Unix”分支。后面1985年以后，自由软件运动像宗教运动一样在全球蔓延开来，也诞生了后来的Linux，这部分历史可以单独写本书，这里就不再赘述，有兴趣可以自行查阅资料。

上面的内容，详细阐明了C语言和Unix的诞生，而80年代还诞生了一个具有划时代意义的东西，那就是个人计算机，又称为IBM PC，IBM微机的诞生，标志着计算机从科研工具走向生产力工具甚至娱乐工具。此后所有的计算机都与其相兼容，被称为“IBM XT/AT兼容机”，这一部分市场到后来逐步形成了Intel硬件加Windows操作系统的标准计算机。从这时候开始，计算机迅速普及，人们对计算机的内容需求越来越多，如游戏，新闻，影音等，这就使得操作系统越来越庞大，应用软件的创作越来越高。再到后来，想要从0到有开发出一个软件，基本变得异常困难，而此时的C语言虽然有标准库的支持，但是面对如此多的应用软件需求，着重于面向过程操作的C语言用来做应用软件开发，显然有些力不从心了。

后来的软件行业，一个新的名词诞生了，即“面向对象”。“面向对象”的三大特征就是抽象、继承、多态，这里我们不解释这三个名词，大家只需要知道，“面向对象”编程可以使得编程变得简单，明了。由于这个思想的诞生，90年代以后，一大批优秀的专做面向对象编程的语言兴起了，其中最具有代表和用户最多的三种为C++，C#，Java。C++和C#，Java虽然都是为了面向对象设计的语言，但C++一般都被看作是C语言的一个扩充版，最典型的就是指针的使用可以操作任何资源，再加上C++比C语言更复杂的规则，使得其非常难用。而C#和Java虽然也是在C++的基础上发展起来的，但是它们完全摒弃了C++的硬件粘合性，它们更容易看作是运行在某个软件上面的编程软件，如C#必定是基于某个.net平台运行的，而Java也是运行在JVM（Java Virtual Machine）上的，这些语言编译之后生成的也不是直接的二进制，而是某种中间语言，运行时，它们的虚拟机平台再这种中间语言翻译成机器语言去执行。同时，使用C#和Java根本不用担心内存溢出问题，这些虚拟机上面都有GC（GarbageCollection）机制。比较有意思的是，C语言虽然比C++早，但是它的热度远远高于C++和Java。图1-2-3展示了2020年6月年世界流行的编程语言排名。

图1-2-3 2020年6月年世界流行的编程语言排名