漫话随笔

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高级语言 ​

高级语言是相对于直接面向机器的低级语言（如汇编语言）而言的。高级语言更加偏向于人类侧，对人类编写、阅读、理解、使用更加友好。

CPU 指令集和低级语言 ​

CPU（中央处理器）指令集（Instruction Set Architecture, ISA）是指 CPU 能够识别和执行的所有机器指令的集合。指令集定义了 CPU 的基本操作能力，包括数据处理、存储访问、控制流等，是硬件与软件之间的接口。

指令通常是一个二进制编码的数字，向 CPU 传递一个指令的时候，CPU 将会根据内部的数字电路执行某个操作和运算。指令集就是一个 CPU 所能支持的全部二进制编码的数字的有限集合。因此指令集与特定的 CPU 所绑定。一个 CPU 如果计划按照某个指令集来进行设计，那么，它需要支持指令里面的全部指令，这样它就可以复用该指令集生态里面的工具和资源。

常见的指令集类型有：

  • CISC（复杂指令集计算机）：如 x86 架构，指令种类丰富，单条指令功能强大，适合复杂操作。
  • RISC（精简指令集计算机）：如 ARM、MIPS、RISC-V 等，指令种类少、结构简单，执行效率高，便于流水线设计。

主流指令集架构包括：

  • x86/x86-64：广泛应用于 PC 和服务器，由 Intel 和 AMD 主导。
  • ARM：应用于移动设备、嵌入式系统，具有低功耗、高性能的特点。
  • RISC-V：开源指令集，近年来发展迅速，适用于学术和工业界。

汇编语言是对 CPU 指令集的符号化表示。由于人类不方便记忆由 01 序列组成的二进制编码，因此使用英语符号来表示某个特定的二进制数，从而降低记忆负担。汇编语言是对机器指令的一层简单映射，人们会使用汇编器来将汇编语言代码符号映射成机器码。

不同的指令集有各自对应的汇编语言，指令集与汇编语言是强绑定的关系。程序员通过汇编语言可以直接操作底层硬件，实现对 CPU 资源的精细控制。

高级语言类型 ​

汇编语言提供了简单的抽象，但是随着程序复杂度的提升，汇编器帮助开发人员的地方还是太少，因此出现了高级语言，高级语言支持更加完备的开发支持和特性，能够显著提升开发者的效率。

各个高级语言的编译器或者运行时，往往有两种类型，一种是纯编译、一种是纯解释，当然还有能够将两者合二为一的混合类型。

编译型 ​

编译器接受源代码文件进行处理，输出面向特定架构 CPU 的指令，典型的例子：C、C++、Rust、Go、Zig。这些语言可以直接面向底层硬件的特性，拥有细粒度控制下层资源的能力，能够访问下层硬件的全部特性，具有极高的运行效率。

以 C 为例，C 编译器将 C 源代码编译成为面向特定 CPU 的汇编指令，然后由该硬件厂商或者开源实现的汇编器，将汇编代码汇编成为对应架构的机器码，最终生成二进制可执行文件，二进制可执行文件可以直接运行在 CPU 上。

操作系统抽象 ​

现代的程序往往需要依赖操作系统提供的一些 API，从而获得快捷访问硬件功能的能力，另一方面，操作系统提供的进程封装，可以让应用层的程序按需加载和释放。

应用程序在被操作系统加载到内存之后，便可以直接运行在 CPU 之上，当应用程序需要操作系统的 API 的时候，通过调用特殊指令，触发跳转，从而切换到内核态的代码，执行操作系统的代码。也就是说，应用程序在执行自身的代码的时候往往无需操作系统的介入，只有当它需要调用操作系统 API 的时候，才会触发跳转以运行操作系统的代码。

解释型 ​

解释型语言的运行时不会将源代码一次性编译为机器指令，而是通过解释器逐行读取、分析和执行源代码，解释器会将每一个高级语言语法和指令，映射成为一个解释器内部的函数调用。相当于引入了一个中间代理层，上层只管发号施令，下层具体实现由解释器负责。典型代表有 Python、Ruby、Lua 等。这类语言开发效率高，跨平台能力强，适合快速开发和脚本编程，但运行速度通常较慢。

解释型语言的执行流程一般为：源代码 → 解释器 → 逐行翻译为中间指令或直接执行。同时，解释器可以实现动态类型检查、即时调试和热加载等特性。

混合型 ​

混合型语言结合了编译型和解释型语言的优点。通常，源代码首先被编译为中间代码（如字节码），然后由虚拟机（VM）或运行时环境进行解释执行。这样既能获得较好的跨平台能力，也能通过运行时优化提升执行效率，缺点是运行时环境较为复杂，占用资源较多。典型代表有 Java、C#、Dart 等。

JIT 和 AOT ​

解释性语言和混合型语言由于有中间层，可以做一些优化，从而在性能上获得提升。主要有两个策略。

  • JIT（Just-in-Time Compilation，即时编译）：在程序运行时，将中间代码动态编译为机器码，并可根据实际运行情况进行优化。可根据实际运行数据进行优化，兼顾跨平台和性能，支持动态加载和调试。首次运行时启动较慢，运行时资源消耗较大。

    典型应用：Java（JVM）、C#（.NET CLR）、JavaScript（V8）、Dart（Dart VM 开发模式）。

  • AOT（Ahead-of-Time Compilation，预编译）：就是仿效编译型语言，将解释性语言的代码进行部分的提前编译，从而获得特定 CPU 的机器码，以提升效率，但是这会导致跨平台能力下降，需要分平台进行构建。

    典型应用：Dart（Dart VM AOT 模式）、Java（Graal VM）。

实际应用中，许多现代语言和平台会结合使用 AOT 和 JIT，以兼顾启动速度、运行效率和开发体验。