1.2 計算機軟件發(fā)展
計算機軟件，就是我們通常意義上所說的程序。一塊計算機芯片（中央處理器，CPU）被設(shè)計好之后，芯片公司會推出相應(yīng)的指令系統(tǒng)提供給用戶，以便于用戶可以根據(jù)自己的需求來編寫程序。這種指令系統(tǒng)是由芯片的架構(gòu)，內(nèi)核所決定的，因此可以說，只要指令系統(tǒng)相同的計算機芯片，就是同一架構(gòu)的芯片。而這套指令系統(tǒng)也就是我們?nèi)粘Ｋf的匯編語言。有趣的是，計算機芯片最早是沒有匯編語言這個概念的。
最早的芯片被設(shè)計出來之后，芯片公司會提供一些二進制的操作命令給用戶，用戶根據(jù)這些文檔就可以編寫出自己所需要的程序了。如，某塊芯片的加法操作指令是“000b”，向寄存器傳輸指令是“001b”，寄存器A的編號是“10101b”，寄存器B的編號是“10110b”，指令格式是“操作指令”+“目標操作數(shù)“+”操作數(shù)?！澳羌僭O(shè)我們要把寄存器A的內(nèi)容和寄存器B的內(nèi)容相加，并且放到寄存器A里面。由上面的條件可以得出：相加的操作指令為”000b“，寄存器A的編號是”10101b“，寄存器B的編號是”10110b“，那么把它們按照格式編排起來就是”0001010110110b“，此時這條指令下載到計算機里面，就可以完成上述的功能。這種利用二進制編碼操作的方式叫做”機器語言“?？梢院敛患僭O(shè)地說，任何編程語言、數(shù)據(jù)庫、操作系統(tǒng)如果需要在計算機上面運行，它們必須被轉(zhuǎn)化成某個具體計算機的機器語言。而計算機剛剛發(fā)展起來的時候，存儲設(shè)備也是個大問題，當時用來存儲程序的主要設(shè)備是紙條，在一卷紙帶上面，均勻地用針打上孔，就可以把程序記錄下來了，如果程序的二進制是”1“，就打上一個孔，如果是”0“，就不打孔。打孔紙帶如圖1-2-1所示。
圖1-2-1 打孔紙帶
不難看出，隨著計算機指令系統(tǒng)的日趨龐大，依靠二級制操作命令編程的方式已經(jīng)無法滿足計算機軟件的發(fā)展了，因此一種更為高效的方式誕生了，這種方式非常簡單粗暴。芯片廠商想到，我們可以將這些復(fù)雜的二進制命令，用另一種大家都看得懂的方式表現(xiàn)出來，如加法操作指令是“000b”，可以用一個大家都看得懂的英文單詞“ADD“表示它，寄存器A的編號是”10101b“，可以用”RA“來表示它，同樣寄存器B可以用”RB“表示。以后操作者在編程的時候，只要記住這些單詞即可以了，記住單詞往往比記住一串數(shù)字容易地多。這種單詞在后來被稱為”助記符“，這種用助記符的編程語言統(tǒng)稱為匯編。那這個年代的程序員用匯編很容易寫出上面例子中的加法程序，即”ADD RA, RB“，將這個語句輸入到廠家所贈送的匯編器里面，就可以生成出”0001010110110b“這樣的機器語言出來。
1969年，兩個程序員肯·湯普森（Ken Thompson）和丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）寫出了第一個版本的Unix，從此計算機軟件史翻開了新的篇章。雖然新的篇章被翻開了，但是后續(xù)的操作系統(tǒng)移植卻變成了一個非常頭疼的問題，因為這個版本的Unix使用匯編語言編寫的，而由于每家芯片公司的匯編語言又不一樣，因此移植起來非常困難。其實在匯編語言盛行的同時，還流傳著一種高級一點的語言，B語言，但B語言的無數(shù)據(jù)類型特性使得其在PDP-11機器（當時的一臺小型機名稱）上無法以比較優(yōu)雅的方式訪問字符類型，因而從1971年開始，丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）開始對B語言進行改造，其中最重要的是引入了數(shù)據(jù)類型的概念，這些改造最終使B語言演化為了計算機發(fā)展歷史上最為重要的編程語言——C語言。到了 1973 年，UNIX 系統(tǒng)的絕大部分源代碼都用C語言進行了重寫，這為提高 UNIX 系統(tǒng)的可移植性打下了基礎(chǔ)（之前操作系統(tǒng)多采用匯編語言，對硬件依賴性強），也為提高系統(tǒng)軟件的開發(fā)效率創(chuàng)造了條件?？梢哉f，UNIX 系統(tǒng)與C語言是一對孿生兄弟，具有密不可分的關(guān)系。
圖1-2-2 肯·湯普森（Ken Thompson）和丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）
目前，操縱系統(tǒng)已經(jīng)深入到我們生活的方方面面，如智能手環(huán)上面的RTOS（實時操作系統(tǒng)），智能手機上的安卓或者IOS，辦公時候的Windows等。但是，正如我們上面所說，這些硬件不用操作系統(tǒng)也可以正常運行，為何一定要加入操作系統(tǒng)這一個額外的軟件在上面呢？有人可能會說，沒有操作系統(tǒng)就沒有了這些漂亮的UI界面了。關(guān)于這個回答肯定是不對的，早期如我們玩的游戲機，如黑白機等，他們是沒有操作系統(tǒng)的，僅僅靠一些C語言代碼運行在一些內(nèi)存較低的8位CPU上面，還是可以做一些那個年代值得驚艷的界面。引入操作系統(tǒng)的原因，我總結(jié)了一下：
（1）、CPU硬件性能的增強，需要有一個強大的管理軟件來調(diào)度，使得硬件性能不被浪費；
（2）、計算機外設(shè)的增多，需要有一個強大的系統(tǒng)軟件把這些驅(qū)動程序高效、安全管理，并為應(yīng)用軟件提供標準統(tǒng)一的接口；
（3）、內(nèi)存管理與虛擬化，可以將多個應(yīng)用程序同時獨立地運行在計算機上。
（4）、出于安全的考慮，需要將物理硬件和應(yīng)用軟件隔離開，之前我們說到，C語言是可以直接操作硬件的，且沒有一些高級語言的內(nèi)存管理器，如果不用操作系統(tǒng)隔離開，某些程序員用C語言這樣的語言編程引發(fā)的內(nèi)存泄漏將會引起硬件錯誤。
也許20世紀70年代注定是計算機歷史上知識大爆發(fā)的時代，因為此時，不僅出現(xiàn)了Unix操作系統(tǒng)，還出現(xiàn)了首個計算機網(wǎng)絡(luò)，即后來的“英特網(wǎng)”。而Linux操作系統(tǒng)設(shè)計的初衷，就把強大的網(wǎng)絡(luò)功能嵌入到整個操作系統(tǒng)的設(shè)計中來了，以至1983年，Unix商業(yè)化之后，此后8年時間內(nèi)，一直沒有可以與之媲美的操作系統(tǒng)出現(xiàn)。說到Unix系統(tǒng)的商業(yè)化，這里也有幾個小故事。Thompson 在1975/1976學(xué)年來到了加州伯克利分校做客座教授，并且?guī)Я诵┭芯可黄鹄^續(xù)進行Unix的后續(xù)開發(fā)，在伯克利，很多新的特性加入到了Unix操作系統(tǒng)中，并發(fā)布了一些早期的BSD版本。BSD (Berkeley Software Distribution)是由加州大學(xué)伯克利分校基于Unix發(fā)布包進行二次開發(fā)和發(fā)布的。BSD為Unix帶來了很多的新的特性，特別是1983年發(fā)布的4.2版本的BSD，該版本實現(xiàn)了TCP/IP協(xié)議棧。而與此同時，Unix逐步走上了閉源的商業(yè)化之路，收費的Unix也被稱為System V。而流傳于伯克利大學(xué)的BSD卻依舊保持著獨立的開源化發(fā)展，由此以后，原本的BSD Unix走上了獨立的發(fā)展之路，先后發(fā)展了OpenBSD，F(xiàn)reeBSD，NetBSD等眾多版本，為后續(xù)的自由軟件運動，注入了一些Unix的基因。這里再說一點，很多商業(yè)軟件也是基于BSD 開發(fā)的，比如蘋果的IOS。
Unix離普通人越來越遠，高昂的價格不僅讓很多公司望而止步，連大學(xué)生學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理也沒有一個可以講解的對象了，因此中途還誕生過一個叫做“Minux”的操作系統(tǒng)，由Minux再發(fā)展，也發(fā)展出了一個獨立的類“Unix”分支。后面1985年以后，自由軟件運動像宗教運動一樣在全球蔓延開來，也誕生了后來的Linux，這部分歷史可以單獨寫本書，這里就不再贅述，有興趣可以自行查閱資料。
上面的內(nèi)容，詳細闡明了C語言和Unix的誕生，而80年代還誕生了一個具有劃時代意義的東西，那就是個人計算機，又稱為IBM PC，IBM微機的誕生，標志著計算機從科研工具走向生產(chǎn)力工具甚至娛樂工具。此后所有的計算機都與其相兼容，被稱為“IBM XT/AT兼容機”，這一部分市場到后來逐步形成了Intel硬件加Windows操作系統(tǒng)的標準計算機。從這時候開始，計算機迅速普及，人們對計算機的內(nèi)容需求越來越多，如游戲，新聞，影音等，這就使得操作系統(tǒng)越來越龐大，應(yīng)用軟件的創(chuàng)作越來越高。再到后來，想要從0到有開發(fā)出一個軟件，基本變得異常困難，而此時的C語言雖然有標準庫的支持，但是面對如此多的應(yīng)用軟件需求，著重于面向過程操作的C語言用來做應(yīng)用軟件開發(fā)，顯然有些力不從心了。
后來的軟件行業(yè)，一個新的名詞誕生了，即“面向?qū)ο蟆?。“面向?qū)ο蟆钡娜筇卣骶褪浅橄?、繼承、多態(tài)，這里我們不解釋這三個名詞，大家只需要知道，“面向?qū)ο蟆本幊炭梢允沟镁幊套兊煤唵危髁?。由于這個思想的誕生，90年代以后，一大批優(yōu)秀的專做面向?qū)ο缶幊痰恼Z言興起了，其中最具有代表和用戶最多的三種為C++，C#，Java。C++和C#，Java雖然都是為了面向?qū)ο笤O(shè)計的語言，但C++一般都被看作是C語言的一個擴充版，最典型的就是指針的使用可以操作任何資源，再加上C++比C語言更復(fù)雜的規(guī)則，使得其非常難用。而C#和Java雖然也是在C++的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但是它們完全摒棄了C++的硬件粘合性，它們更容易看作是運行在某個軟件上面的編程軟件，如C#必定是基于某個.net平臺運行的，而Java也是運行在JVM（Java Virtual Machine）上的，這些語言編譯之后生成的也不是直接的二進制，而是某種中間語言，運行時，它們的虛擬機平臺再這種中間語言翻譯成機器語言去執(zhí)行。同時，使用C#和Java根本不用擔心內(nèi)存溢出問題，這些虛擬機上面都有GC（GarbageCollection）機制。比較有意思的是，C語言雖然比C++早，但是它的熱度遠遠高于C++和Java。圖1-2-3展示了2020年6月年世界流行的編程語言排名。
圖1-2-3 2020年6月年世界流行的編程語言排名
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