Transcript 1-1.2 程式語言的分類(15/16)

第一章 認識程式語言
1-1.認識程式語言
人與人之間的溝通必須要使用共通的語言（例如：國語、閩南語、
英語…等），而人想要與電腦溝通，則一樣必須要用電腦看得懂的語
言，即所謂的電腦程式語言（例如：Assemble、Basic、C、C++、
JAVA、Pascal、Delphi、Visual Basic、ASP語言及ASP.NET2.0、
VB2008、VC#2008等新一代的程式語言）。而這些程式語言都只是
「軟體」的一個子集合。
1-1.1 何謂軟體(1/3)
軟體(software)就是程式，它是由一連串的指令所組成，其主要功能就
是達成某一特定的目的。在電腦系統中軟體是用來控制硬體，如果只
有硬體而沒有軟體，則電腦被視為一堆廢鐵。因此，軟體與硬體缺一
不可。就像人一樣，身軀(硬體)與精神(軟體)也是缺一不可的。如圖11所示：
1-1.1 何謂軟體(2/3)
一般而言，軟體可分為兩大類分別為：「系統軟體」和「應用軟體」。
「系統軟體」用於控制電腦系統，例如作業系統軟體(MS-DOS、
Windows、UNIX及Vista)，程式語言軟體(Visual C#、Visual C, C語言
及JAVA等)、以及工具程式(FTP,MSN,WINZIP等等)。「應用軟體」非
常廣泛，幾乎各行各業都可以用得上，如學校中的選課系統、成績處
理系統、人事薪資系統及企業中的生產管理、庫存管理、航空定位系
統等自行開發軟體。另有工具性應用軟體如WORD,EXCEL等等套裝軟
體，不勝枚舉。如圖1-2所示。
1-1.1 何謂軟體(3/3)
1-1.2 程式語言的分類(1/16)
一般而言，程式語言可分為兩大類：一為低階語言，另一為高階語言。而低階
語言又可分為機械語言與組合語言。高階語言則可分為程序導向語言與非程序
導向語言及自然語言。如圖1-3所示：
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由於電腦只看懂機械語言，因此，我們利用高階語言在撰寫程式之後，電腦並
無法直接的執行，必須要透過翻譯程式來翻譯為電腦可以接受的語言。一般而
言，從撰寫原始程式到執行時，必須要經過一連串的步驟，例如編譯、連結、
產生執行檔及執行結果。如圖1-4所示。
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執行步驟：原始程式編譯目的程式連結產生執行檔載入到記憶體
執行結果其說明如下所示：
(1)翻譯程式可分為三種：
直譯程式(Interpreter)
接受高階語言所寫之程式，並且在直譯之後就可以直接被執行。例如：BASIC
語言。
編譯程式(Compiler)
接受高階語言所寫之程式，將其轉換成可被機器接受之目的程式(目的
碼)。例如：C語言。
組譯程式(Assembler)
接受組合語言所寫之程式，將其轉換成可被機器接受之目的程式(目的碼)。例
如：Assembly語言。
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(2)連結程式(Linker)
使用者撰寫程式碼轉換(編譯或組譯)成目的程式之後，並不能馬上被執行，
因為使用者的程式可能需要連結其他的副程式或函式庫。因此，連結程式就是
負責把使用者的主程式或相關的庫存副程式連接起來，成為一個可執行的程式。
(3)載入程式(Loader)
將連結好的可執行程式，載入到主記憶體中，以便執行。
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在了解程式執行流程之後，接下來，我們再依照程式語言的特性進行分類：
第一代語言---機器語言(Machine languages)
這是一種比較接近電腦的語言，亦即電腦可以直接執行的機器碼，由於電
腦內部是使用0與1兩種狀態來表示資料及邏輯開關的控制，因此，我們將
電腦內部由 0與1所組成的資料稱之為「機器語言(machine languages)」。
也因為它是一種以0與1所構成二進位形式的碼，故並不適合人類閱讀與學
習，也不適合用來進行程式設計。如圖1-5所示：
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優點：
它是以邏輯狀態0和1直接命令電腦，不需翻譯就可以直接執行，所以速度最快。
缺點：
(1)不同的處理機(CPU)，使用不同的機器語言，所以可攜性較差。
(2)只有兩種狀態0與1。因此，不僅難學、難懂、也不容易維護。
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2. 第二代語言---組合語言(Assembly languages)
這是一種介於高階語言與機器語言之間的語言，由於機器語言在使用上不方便，
因此，工程師們便從機器語言中找出規則，以英文字、數字符號來重組機器語
言，使它們變成較容易記憶的語言，這種語言便稱為「組合語言(Assembly
languages)」。
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它是利用特定功能的符號指令稱為助譯碼(Mnemonics code)，例如：ADD代
表「相加」、LDA代表「載入」、MOV代表「搬移」；這些指令比起機器語
言來說會較有意義、容易學習，而負責翻譯的程式則稱之為組合程式
(Assembler)或組譯器。由於每一種計算機(電腦)皆有其獨特的機器語言，因此
每一種機器的組合語言各有不同。所以，可攜性(Portability)較差，並且較難撰
寫及維護，因此，一般使用者較少使用組合語言來設計程式。如圖1-6所示：
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3.第三代語言---程序導向語言(Procedure-Oriented Language)
這是一種類似自然語言，它較具有結構性，可以方便讓使用者撰寫程式。但是，
在撰寫完成之後必須要再經過編譯器(Compiler)或直譯器(Interpreter)轉換成
「機器語言」之才交給電腦執行。常見的編譯器有C、直譯器有BASIC均屬此
類。如圖1-7所示：
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4.第四代語言---非程序導向語言(NonProcedure-Oriented Language )
由於程序導向語言在開發專案時成本較高、維護不易及重覆使用性低的缺點。
因此，後來又發展出「非程序導向語言」，其設計上的優點就是，只要告訴電
腦”要做什麼(What to do)”，而不必告訴它”如何做(How to do)”。並且部份
的程式碼會自動產生(例如：ASP.NET 2.0)，因此，可以大大的縮減專案開發
的時間，並且程式在維護上也更有效率。常見的非程序導向語言有下面兩種：
(1)結構化查詢語言(SQL)
(2)物件導向語言(Object-Oriented Programming,OOP)
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(1)結構化查詢語言(SQL)
比程序導向語言更容易使用的語言，使用者只需將步驟寫出來，而不必管電腦
要如何去執行，這樣的電腦語言稱為查詢語言(Query Language)；這種語言減
輕了使用者程式設計的負擔，常見的是資料庫查詢語言如：SQL Server、
Oracle、Informix等。如圖1-8所示：
1-1.2 程式語言的分類(12/16)
1-1.2 程式語言的分類(13/16)
(2)物件導向語言(Object-Oriented Programming,OOP)
所謂物件導向程式語言（Object-Oriented Programming簡稱OOP），是把程
式設計的概念具體化、物件化，並以該物件的角度去分析和解決問題，它不但
突破了以往程序導向語言只能循序單向的設計缺失，更因物件的簡便、維護容
易及可重覆使用…等特性，而使得程式開發的速度加快，因此成為最新一代程
式語言的主流。常見的物件導向式語言有Visual BASIC 2005、Visual C++、
VB.NET、ASP.NET、Visual C#...等等。如圖1-9所示：
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1-1.2 程式語言的分類(15/16)
5. 第五代語言---自然語言(Natural languages)
就是我們日常所用的語言，如英文(English )、中文(Chinese)等，這是最接近
人類所使用的語言。由於此種語言文法和語意上較為複雜，因此在電腦處理上
較不容易，所以並不合適給予電腦處理，目前只用在人工智慧研究之一。如圖
1-10所示：
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1-1.3 高階語言的種類(1/5)
既然低階語言在學習上較為困難，因此，一般的學習者都是利用高階語言來開發系
統，而目前較常用的高階語言有下列數種。依發展的年代說明如下：
1.FORTRAN(FORmula TRANslator) 語言
FORTRAN是人們使用電腦的第一種高階語言，其數值計算特別強，主要用
於科學與工程應用。
2.COBOL 語言
COBOL為COmmon Business Oriented Language的縮寫，意為通用商業語言。
3.ALGOL(ALGOrighm Language) 語言
ALGOL為ALGOrithm Language的縮寫，意為演算法語言。其功能與FORTRAN
類似，較FORTRAN有效率，處理非數字能力較差。
1-1.3 高階語言的種類(2/5)
4.PL/1 語言
PL/1為Programming Language / 1 的縮寫。包含FORTRAN, ALGOL,
COBOL, Assembly的特點，為功能最強的語言。適用於商業及工程科學。
5.BASIC 語言
BASIC是Beginners All purpose Symbolic Instruction Code的縮寫，
意為初學者通用符號指令碼。早期的BASIC缺乏結構化，因此不如其他語言
有威力。今天的BASIC已經改善，並增加模組的功能。目前流行的BASIC有
PC-BASIC，Turbo-BASIC，QBASIC，Quick BASIC，Visual Basic(VB)
等，其中以VB最被看好。
6.PASCAL 語言
PASCAL語言它是一種結構良好的程式語言，具有動態性的資料型態、遞迴
性副程式功能、具有集合型態、及區域性結構等特性。它是最結構化的語言。
1-1.3 高階語言的種類(3/5)
7.C 語言
C語言於西元1972年美國貝爾實驗室所創，它具有高階語言的優點，並有
低階語言的效率。它具結構化、執行速度快、可攜性高，可在多種不同機
器上執行，適合用來設計作業系統及開發應用軟體。它可執行於MS-DOS、
Windows、UNIX等作業系統，小從個人電腦大至超級電腦，C語言程式均
能執行，最適合用來做為教學用的程式語言。它隨著未來32位元個人電腦
的作業系統，將日漸流行。
8.C++
C語言的物件導向版本，主要用於設計Windows應用軟體。
9.JAVA
程式架構像C++，但是它拿掉了C++最困難的指標部份，它能發揮網路及多
媒體的內建支援，其主要用於設計網際網路上執行的程式語言。
1-1.3 高階語言的種類(4/5)
10.RPG(Report Program Generator)
表格化的程式語言，主要作報表印出之用。
11.LISP與PROLOG
AI人工智慧語言，具有遞迴特性的語言，為一非程序式的語言。
12.ADA
美國國防部發展的語言。
13.LOGO
具有遞迴特性的語言，小孩子用來學習繪圖的語言。例如：CAI電腦輔助軟體。
1-1.3 高階語言的種類(5/5)
14.APL
為一種有效率的互動式程式語言，應用於解決數學上問題的語言。
15.FORTH
符式語言，後序式語言，執行速度最快。
16.SNOBOL
應用於非數字(字串)資料處理。
17.HTML
為Hyper Text Markup Language超文字標示語言的縮寫，特點是具有超連結
的功能，主要用於設計HomePage。
1-1.4 演算法(Algorithm) (1/5)
所謂演算法 (Algorithm)就是解決問題的方法，它是利用文字敘述或圖形或虛
擬碼的方式，來表示解決問題的步驟。我們在撰寫演算法時，必須要正確並且
精簡的描述次序，不可以順序顛倒或加入一些不必要的敘述。因此，我們最好
在撰寫時應該以較少的步驟來解決問題，不但可以大大的減少電腦執行所需的
時間。
1-1.4 演算法(Algorithm) (2/5)
一、撰寫演算法應遵守以下五點原則：
1.輸入：不一定要有輸入。
2.輸出：至少一個輸出。
3.確定性：指令必須明確，不可模稜兩可。
4.有限性：演算法不能有無窮迴路，必須能終止執行。
5.有效性：演算法必須簡單到一張紙、一支筆即可追蹤出其執行結果。
1-1.4 演算法(Algorithm) (3/5)
二、描述演算法有下列三種方法：
(一)文字敘述
演算法可用文字加以描述，但採用口語化文字加以描述的缺點在於冗長且
較不精確，在撰寫、閱讀、會意時可能會有誤差，因此一般較不常用。
(二)流程圖
『流程圖』是將解決問題的步驟用圖形加以描述，可協助程式設計者設計出
周詳的程式，可增加程式的可讀性，對於初學者而言可幫助奠定良好的程式設
計基礎，例如：1+2+3+…+10的流程圖。如圖1-11所示。此種方法在以往很流
行，但其缺點是，只能表達細部邏輯，較難表示整個程式的結構，所以最近也
採用『虛擬碼』來輔助。
1-1.4 演算法(Algorithm) (4/5)
1-1.4 演算法(Algorithm)(5/5)
(三)虛擬碼
虛擬碼兼具文字描述及流程圖的優點，其方式是用文字摻雜程式語言，來
描述解題步驟與方法。例如：1+2+3+…+10虛擬碼可以描述如下：
(1)設Count=1,Total=0;
(2)TotalTotal+Count;
(3)CountCount+1;
(4)若Count > 10 則至步驟(5)，否則回步驟(2)
(5)印出Total
1-1.5 撰寫程式的步驟(1/3)
一般在撰寫程式時，程式設計師都會遵照下列步驟執行：
1-1.5 撰寫程式的步驟(2/3)
1-1.5 撰寫程式的步驟(3/3)
1-1.6我們為什麼要寫程式呢？
我們為什麼要花那麼多時間來撰寫程式呢？其主要的目的：它可以快速解決
「複雜的問題」。為什麼呢？我們可以從下面的概念圖來說明，如圖1-13所示：
甲同學：請電腦幫我計算1加到10的總合。
或許你會認為這簡單的問題，你我都會算，何必寫程式呢？
但是，當甲同學：如果又說請電腦幫我計算1加到50000時，我想我們就無法
馬上計算出結果。由上面的例子，我們可以非常清楚的得知，程式語言幫忙人
類解決複雜的問題。
1-2 .NET Framework簡介
1-2.1 .NET Framework 的架構
1-2.2 共通語言規範
在Visual Studio 2005的.NET Framework平台中，它大約可以相容25種不同
的程式語言，例如：VB2005, C#,J#,C++等。而程式設計師不要需要學會每一
種程式語言，只要學會其中一種語言即可，並遵守共通語言規範的情況下，每
一種程式語言都可以相互轉換為與平台無關的中介語言(MSIL)。其最主要的目
的就是不同的程式語言可以相互使用所須要的資源，而不會有轉換上的問題。
1-2.3 共通語言執行環境(1/2)
「Runtime」指的是電腦在編譯某種程式語言的執行時期。而只要以程式語言
撰寫出來的程式，就必須要Runtime來執行，而且不同的程式語言所使用的
Runtime也不相同。因為Runtime提供了程式語言所必須配備的函式與物件，
而各種語言的函式與物件都不盡相同，所以各種語言都有著自己的Runtime，
無法共用。
1-2.3 共通語言執行環境(2/2)
但是.NET Framework以共通語言執行環境(CLR)來解決了這個共用問題，
IL（Intermediate Language）這個中介語言（介於程式碼與機器碼之間的語言，
包含物件載入、方法呼叫、流程控制、邏輯運算等多項基本指令），即為程式
所轉換而來的。不論程式是以那種程式語言所撰寫的，亦能轉譯為相同的IL中
介語言，但CPU（中央處理器）並無法直接接受IL中介語言的指令，必須經過
再次編譯，才能成為CPU真正看得懂的機器碼，而轉任轉譯角色的工作者就是
JIT（Just in Time）編譯器了，JIT編譯器能夠很快地將IL中介語言轉譯成機器
碼，這也是它的特點之一。
1-2.4 基礎類別庫(1/2)
不同的程式語言有自己的「Runtime」，而物件類別資料庫也是一樣。各
種語言所用的物件類別標準不一，「基礎類別庫」提供了所有.NET程式語言
的應用物件，將各種語言的物件類別作整合，建立一個所有語言都可共用的物
件類別資料庫，例如繪圖、多媒體、郵件管理等物件類別。
各種語言有自己的優點，您可以截長補短，發揮各語言的長處，反正我們
不必擔心語言之間的相容問題。.NET Framework可以說已經把各種語言作了
統一與整合的處理，程式設計師也能在短時間內發展出大規模的網路服務系統，
這在增加產量與提高效率方面都有相當大的幫助。.NET Framework類別函式
庫-專案預設匯入的名稱空間如下所示：
1-2.4 基礎類別庫(2/2)