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页数:322

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出版时间:2009-8

价格:32.00元

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isbn号码:9787111274568

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《编程语言设计与实现》 内容简介 本书深入探讨了编程语言的设计原理、核心概念以及实际的实现技术。它不仅着眼于现代编程语言的演进，更追溯了语言设计的基本哲学和数学基础，为读者构建一个全面而深刻的理解框架。本书旨在培养读者对编程语言背后机制的洞察力，从而能够更有效地学习、使用乃至创造新的编程语言。 第一部分：编程语言的理论基石 本部分首先从根本上剖析了编程语言的本质，阐述了其作为一种抽象工具在人机交互中的关键作用。我们将从形式语言的角度出发，介绍自动机理论、文法（如Chomsky文法体系）以及它们与编程语言结构的关系。读者将学习如何使用数学模型来描述语言的语法规则，并理解这些模型如何直接影响到编译器的设计。 形式语言与文法： 字母表、字符串与语言： 定义了构成语言的基本元素，以及这些元素如何组合成有意义的序列。 文法的类型： 详细介绍0型、1型、2型（上下文无关文法）、3型（正则文法）等不同类型的文法，并解释它们在描述不同语言特性时的适用性。 上下文无关文法（CFG）： 作为描述大多数现代编程语言语法结构的核心工具，我们将深入剖析CFG的定义、推导、归约等概念，并通过实例展示如何用CFG来描述控制结构、表达式、声明等语言成分。 生成式和识别式： 探讨如何通过文法生成符合规范的语句，以及如何构建解析器来识别输入的程序是否符合语法规则。 自动机理论与语言识别： 有限自动机（FA）： 介绍确定性有限自动机（DFA）和非确定性有限自动机（NFA），以及它们与正则文法的对应关系，这对于词法分析至关重要。 下推自动机（PDA）： 阐述PDA如何与上下文无关文法关联，为语法分析提供理论基础。 计算模型与可计算性： 图灵机： 作为通用计算能力的理论模型，我们将探讨图灵机的构成、工作原理，以及它与编程语言的计算能力之间的关系。 可计算性理论： 介绍停机问题、递归可枚举集等概念，帮助读者理解哪些问题是计算机可以解决的，哪些是不可能解决的，以及编程语言在理论上的局限性。 Church-Turing论题： 探讨各种计算模型之间的等价性，以及图灵完备性对于编程语言的重要性。 第二部分：编程语言的设计范式与核心特性 本部分将转向编程语言的设计层面，介绍不同设计范式如何塑造语言的风格和能力，以及一些核心语言特性是如何被设计和实现的。 编程范式： 命令式编程： 强调如何通过一系列指令来改变程序状态，包括过程式和面向对象编程。 声明式编程： 关注“做什么”而非“如何做”，包括函数式编程和逻辑式编程。 函数式编程： 深入探讨不可变性、纯函数、高阶函数、递归等概念，以及它们如何带来代码的清晰性、可测试性和并发性。 面向对象编程（OOP）： 详细讲解类、对象、封装、继承、多态等核心概念，以及它们在构建大型、可维护软件系统中的作用。 逻辑式编程： 介绍基于逻辑推理的编程模型，如Prolog语言。 多范式编程： 探讨现代语言如何融合多种编程范式，提供更灵活的编程选择。 类型系统： 静态类型与动态类型： 分析两种类型系统的优缺点，以及它们对程序健壮性和开发效率的影响。 类型检查： 介绍编译时类型检查和运行时类型检查的机制，以及类型推断等高级技术。 类型安全： 探讨如何设计类型系统以防止类型错误，确保程序的正确性。 强类型与弱类型： 区分不同类型的强制类型转换行为。 内存管理： 手动内存管理： 分析C/C++等语言中的指针、堆与栈的使用，以及内存泄漏和野指针等问题。 自动内存管理（垃圾回收）： 介绍各种垃圾回收算法（如引用计数、标记-清除、复制、分代回收），以及它们如何简化程序员的负担。 资源管理： 讨论RAII（Resource Acquisition Is Initialization）等模式在C++中的应用。 并发与并行： 线程与进程： 区分并发和并行，介绍线程和进程的基本概念。 同步机制： 讲解互斥锁、信号量、条件变量等同步原语，以及如何避免竞态条件和死锁。 消息传递模型： 介绍actor模型等并发编程模式。 异步编程： 探讨回调函数、Promise、async/await等异步编程技术。 面向对象设计原则： SOLID原则： 详细阐述单一职责原则、开放封闭原则、里氏替换原则、接口隔离原则、依赖倒置原则，指导读者进行良好的面向对象设计。 设计模式： 介绍工厂模式、单例模式、观察者模式、装饰器模式等经典设计模式，展示它们在解决常见设计问题中的应用。 第三部分：编程语言的实现技术 本部分将聚焦于如何将编程语言的设计转化为可执行的程序，重点讲解编译器和解释器的实现原理。 编译器设计： 词法分析（Lexical Analysis）： 扫描器： 如何将源代码分解成一系列有意义的“标记”（tokens）。 正则表达式与有限自动机： 理论基础和实际应用。 工具： Lex/Flex等词法分析器生成器。 语法分析（Syntax Analysis）： 解析器： 如何根据文法规则构建抽象语法树（AST）。 自顶向下解析： LL(1)解析，递归下降解析。 自底向上解析： LR(0), SLR(1), LALR(1), LR(1)解析。 工具： Yacc/Bison等语法分析器生成器。 语义分析（Semantic Analysis）： 类型检查： 验证程序是否符合类型规则。 符号表管理： 跟踪变量、函数等的声明和作用域。 注解： 为AST添加类型信息、作用域信息等。 中间代码生成： 三地址码： 简单易于优化的中间表示。 抽象语法树（AST）： AST上的遍历和转换。 控制流图（CFG）： 分析程序执行路径。 代码优化： 数据流分析： 活跃变量分析、常数传播等。 机器无关优化： 公共子表达式消除、循环优化、内联等。 机器相关优化： 指令选择、寄存器分配。 目标代码生成： 指令集架构（ISA）： 为特定处理器架构生成机器码。 汇编代码生成： 生成可读的汇编语言。 链接与加载： 如何将编译后的目标文件组合成可执行程序。 解释器设计： 直接执行： 逐条解释执行源代码或中间代码。 字节码解释器： 虚拟机（VM）的概念，如Java虚拟机（JVM）和Python虚拟机。 即时编译（JIT）： 结合编译和解释的优点，提高执行效率。 虚拟机（VM）： 栈式虚拟机： 以栈为主要操作数存储区域。 寄存器式虚拟机： 使用寄存器进行数据操作。 虚拟机栈与堆： 内存布局。 垃圾回收在VM中的作用。 语言实现工具： 编译器/解释器生成器： ANTLR, LLVM等。 虚拟机监视工具。 第四部分：高级主题与现代语言发展 本部分将探讨一些更前沿和深入的主题，以及当前编程语言发展的一些趋势。 元编程（Metaprogramming）： 宏： 早期语言中的代码生成机制。 反射（Reflection）： 在运行时检查和修改程序结构。 编译时元编程： 模板元编程（C++）、宏（Rust）等。 领域特定语言（DSL）： 内部DSL vs 外部DSL： 嵌入现有语言与独立设计。 DSL的设计原则与应用场景。 函数式语言的深入探讨： Lambda演算： 函数式编程的数学基础。 代数数据类型（ADT）和模式匹配。 类型类（Type Classes）和Haskell中的多态。 并发与分布式系统中的语言设计： Erlang的Actor模型。 Go的Goroutines和Channels。 Rust的Ownership和Borrowing模型对并发安全的支持。 编程语言的演进趋势： 安全性与可靠性： Rust等语言的内存安全保证。 易用性与表达力： Python, Kotlin等语言的流行。 并发与并行支持的增强。 与AI和机器学习的结合。 本书通过系统性的讲解，旨在为读者提供一个深入理解编程语言本质的视角。它将帮助读者不仅掌握现有语言的特性，更能理解语言设计背后的权衡与取舍，为他们未来的学习、研究和开发工作打下坚实的基础。本书适合计算机科学专业的学生、软件工程师、语言设计者以及任何对编程语言底层机制感兴趣的读者。

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