編程語言的本質是什麼

作爲程序員，我們會接觸到各種各樣的語言：

我們會用 Javascript、Typescript 來寫前端應用，用 Java、Go 等來寫後端應用，也會用 Python 來寫一些工具腳本。

每種語言都有自己的語法和擅長的領域，那不同的編程語言的區別是什麼呢？編程語言的本質是什麼呢？

這篇文章我們嘗試探究一下。

從硬件到語言

不同的語言最終都是控制計算機的一些硬件來工作的，從硬件層面來看他們是沒有區別的。各種語言只不過描述邏輯的方式、 api 的封裝方式不同而已，底層都跑在同一套硬件上。

那硬件層面做了啥呢？

就拿打印機來說，它本身是一個機械的結構，但是控制機械工作的確是通過電子的方式，也就是 0 和 1 的電信號，一般控制它工作的芯片都有不同的引腳，傳高低電平代表不同的含義，那麼就可以通過高低電平來控制打印機做不同的工作。

控制硬件工作的程序就叫做驅動程序，它把硬件的能力做了封裝，提供了各種 api。這樣，我們就可以通過程序控制各種硬件了。

這些硬件中最特殊的是 CPU，其他硬件提供的指令都是控制該硬件工作的，而 CPU 提供的指令確是可以描述各種邏輯，可以讀寫內存，進而控制其他硬件。

這樣我們就不用直接控制其他硬件，而是可以通過 CPU 來間接的控制各種硬件，所以，它叫做中央處理器。這些機器指令叫做指令集，由它所描述的邏輯，就是機器語言。

硬件是通過電子來控制機械，提供了驅動程序，然後又通過 CPU 來實現各種通用的邏輯，進而控制其他硬件。CPU 提供的指令集所描述的邏輯，就叫做機器語言，這是我們寫的程序最底層的樣子。

爲什麼要有操作系統

計算機上肯定不能只跑一個程序，那是最早的計算機，現在的計算機都是支持多個程序的併發的。但是不管跑了多少了程序，都是在同一個硬件上跑，只是做了順序、優先級等的安排，這種叫做調度，實現多個程序的調度的程序就是操作系統。

既然是爲了讓多個程序都能跑在同一個硬件上，那得先給這個跑起來的程序一個名字，就叫做進程。進程調度是 CPU 最主要做的事情。進程要用各種硬件，那也就還需要內存調度、I/O 調度等。

總之，操作系統主要做的事情就是支持了程序的併發執行，把各種資源統一管理了起來，實現了進程、內存、IO 等等調度。

同時，爲了安全性，操作系統會把程序的運行狀態分爲用戶態和內核態，只有內核態可以訪問驅動，來控制硬件，然後提供了系統調用給用戶態來用，因爲如果任何程序都能隨意操作硬件，那就不安全了，所以要管控起來。

爲什麼講編程語言會講到操作系統呢？

因爲我們寫的應用層的代碼都是在操作系統上跑的，用的各種 api 也最終都是操作系統提供的系統調用來實現的。

但我們不是直接使用系統調用，而是用各種語言的標準庫，這些標準庫就是對系統調用做了進一步的封裝，比如創建進程、訪問網絡、訪問內存等等。Node.js 的 api、JDK 的 api 都是基於系統調用封裝的。

操作系統實現了多個程序在同一套硬件上的併發執行，爲了安全，還把程序的運行分爲了內核態和用戶態，提供了系統調用來使用操作系統能力，各種語言對系統調用做了封裝，這樣，我們就能通過這些 API 來控制計算機了。

編程範式與描述方式

我們講了如何通過機器語言來控制 CPU 進而控制其他硬件，講了操作系統的功能和它提供的系統調用是怎麼被編程語言封裝的，這些都是我們能夠控制計算機的基礎。

但是我們現在還停留在機器語言呢，用這個來寫邏輯也太麻煩了，既要考慮怎麼表達邏輯，又要考慮計算機是怎麼執行的，比如要訪問那個寄存器、讀寫哪個內存等。

能不能簡化一些呢？

首先想到的是把機器語言做成一些有含義的字符串，叫做彙編語言，這樣描述起來就簡單很多。

但是這依然要考慮表達的邏輯、計算機執行細節這兩個方面，而執行細節其實與邏輯沒關係，而且不同機器和操作系統的執行細節也可能不同。

能不能我只管怎麼表達邏輯，然後通過一種方式來轉成帶有執行細節的機器語言呢？

這種就是高級語言了，它的特點就是沒有具體的執行細節，只關心邏輯的表達，實現這種轉換的就是編譯器。（當然，也可以做成一個解釋執行其他程序的中間程序，叫做解釋器）

而描述邏輯這件事情有不同的方式，比如我可以通過一個個函數來組織邏輯，把數學那套思維拿過來，這叫函數式，也可以通過一個個對象來組織邏輯，這叫做面向對象，這些不同的描述邏輯的思路就是編程範式。

編程語言主要就是實現了某幾種編程範式，這樣，程序員就可以通過不同的方式來描述邏輯，由編譯器去轉成帶有計算機執行細節的機器代碼。

不同語言實現的編程範式不同，也就是描述邏輯的方式不同，這是語言之間最大的區別。 至於能做什麼，這個不是區別，只要對系統調用封裝一下，做成一些庫就可以支持。

比如 Javascript 最開始只可以在瀏覽器上跑，描述渲染邏輯，但後來有了 Node.js 後，它同樣可以用來描述一些腳本或者服務端邏輯。

像現在的跨端引擎，不就是對操作系統能力做了封裝，通過 Js 來描述邏輯，然後由 native 來調用操作系統能力麼？

還有 electron、hybrid 等等，這些都是 Javascript 的 runtime，他們擴展的是 api，並沒有擴展 js 語言本身。

那什麼擴展了 Javascript 語言本身呢？是 Typescript 這種編譯成 Javascript 的語言，它提供了類型系統，可以靜態檢查出程序中的一些錯誤。

爲了分離邏輯的表達和程序執行的細節，我們實現了高級語言，這樣程序員只需要專注邏輯的表達，然後通過編譯器 / 解釋器來轉換成帶有執行細節的機器語言代碼。而邏輯表達有不同的方式，比如面向對象、函數式等，每種編程語言會實現其中的幾種，這是語言之間最大的區別。語言只是表達邏輯用的，至於能做什麼，則是 api 的事情，只要對系統能力做下封裝，就可以擴展其他的 api，進而可以寫該領域的邏輯，比如 Node.js、Electron、跨端引擎等都是 api 的擴展。

總結

我們從硬件、操作系統、編程範式三個層次來探討了編程語言的本質：

• 硬件是用電子控制機械，通過驅動程序來驅動硬件工作，而 CPU 可以描述通用的邏輯，進而控制其他硬件，我們就是通過控制 CPU 來間接控制各種硬件的，所以它叫做中央處理器。它提供的指令集所表達的邏輯叫做機器語言。

• 操作系統實現了程序的併發執行，讓一套硬件上可以同時跑多個程序，叫做進程。操作系統支持了進程、內存、IO 等各種調度。爲了安全，把程序的執行分成了用戶態和內核態兩個狀態，內核態纔可以通過驅動控制硬件，然後把它做成了系統調暴露給用戶態。各種語言的標準庫就是通過系統調用來使用操作系統的能力的。

• 機器語言是我們控制計算機最根本的方式，但是它要邏輯的表達和計算機執行細節兩方面，爲了分離兩者，我們做了編譯器 / 解釋器來完成這種轉換，這樣我們只需要表達邏輯即可，這叫做高級語言。描述邏輯有不同的方式，叫做編程範式，每種編程語言都實現了某幾種編程範式。不同編程語言的區別只是表達邏輯的方式不同，至於可用的 api，這個可以通過庫或者 runtime 來擴展。

所以，如果讓你做一門編程語言，你要做什麼呢？

• 你要先選擇一種編程範式，用它來表達邏輯，然後要設計細節的語法。

• 之後實現編譯器 / 解釋器來讓它能夠轉成控制計算機運行的機器語言。

• 之後要實現對操作系統能力做了封裝的標準庫。

• 然後如果你要表達不同領域的邏輯，則要實現不同領域的一些庫，比如圖形領域的、桌面端的、web 服務器的等等。

這是實現編程語言的思路，也是我們理解編程語言的思路。

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/4OP-YXXuPy20w1MCp8Mxrw