变量、类型与表达式

复习

名字、标签与地址：用名字和标签引用数据与跳转目标，不再手工数地址
汇编器：通过两遍扫描，把符号汇编成机器码
高级语言：再加一层：从“控制机器”转向“描述问题”

TL;DR

变量就是“给一块存储起的名字”
类型决定这块存储占多大、比特怎么解释、能参与哪些运算
表达式像一棵运算树，先算优先级高的部分，再把结果往上合
翻译表达式时，中间结果要用寄存器或临时位置暂存

正文

　　高级语言里最常见的三样东西，是变量、类型和表达式。我们一个一个看它们到底“是什么”。

变量：给存储起个名字

　　写 score = 95 时，我们其实在说两件事：

找一块存储，把 95 放进去
以后就用 score 这个名字来指代它

　　所以， 变量 = 名字 + 一块存储 。这和我们前面给数据贴标签是一回事，只不过这一回是高级语言替我们管理。

　　名字是给人看的。等程序真正运行，score 会变成某个地址或某个寄存器——这件事在高级语言里被藏了起来，但我们知道它一定发生过。

类型：这块存储的说明书

　　光有名字还不够。一个叫 age 的变量，装的是整数还是字符？占一个字节还是四个字节？计算机得知道。

　　这就轮到类型（type）出场。类型像一张说明书，至少回答三个问题：

占多大：1 个字节？4 个字节？
怎么解释：这串比特是整数，还是字符？（还记得前面说过，同一串比特，换个约定就换个意思）
能做哪些运算：整数能加能减，字符通常不能直接做算术

　　比如整数类型，可能占 4 个字节、按补码解释、支持加减乘除；字符类型，可能占 1 个字节、按编码解释（ASCII 或 UTF-8）、支持比较和拼接。类型错了，程序要么算出怪结果，要么干脆报错——这也是替我们挡掉错误的一层保护。

表达式：一棵运算树

　　表达式看起来只是“一串算式”，但它骨子里是一棵树。看 a + b * c：

　　乘法在下面，要先算；算完再把结果和 a 相加。这就是“先乘除、后加减”的由来—— 优先级决定了这棵树谁在底层、谁在上层。

　　括号的作用，则是强行改变树的样子：(a + b) * c 会让加法先算。

表达式怎么落到机器上

　　树是要一步一步算的。计算机一次只做一件小事，所以得把树“压平”成若干简单步骤。拿 total = a + b * c 来说：

t = b * c        ; 先算下面那棵子树
total = a + t    ; 再把顶层加起来

　　翻译成汇编，大概是这样：

      LOAD A, [b]
      LOAD B, [c]
      MUL  R, A, B        ; 假想的乘法指令，可由加法器搭出
      STORE [t], R        ; 中间结果先存起来

      LOAD A, [a]
      LOAD B, [t]
      ADD  R, A, B
      STORE [total], R

　　这里的 t 是一个 临时变量 ，专门用来暂存中间结果。你可能会问：为什么中间结果不一直留在寄存器里？因为寄存器数量有限，表达式一长、嵌套一深，就得把暂时不用的结果先放回存储器。翻译程序要做的，正是安排“哪一步用哪个寄存器、哪一步该存回内存”。

　　表达式、类型、变量，就这样一层层落成了指令。接下来，我们看高级语言里那两样最像“控制”的东西——判断和循环——是怎么落到跳转指令上的。

思考题

　　a + b * c 和 (a + b) * c 结果通常不同。它们的运算树有什么差别？如果只能按“从左到右”一条线计算，能算对吗？

小结

知识点

变量：名字加一块存储
类型：占用大小、比特解释、可用运算
表达式是一棵按优先级组织的运算树
表达式落到机器时，中间结果要用寄存器或临时变量暂存

参考资料

Wikipedia(zh)：变量：程序中的变量
Wikipedia(zh)：数据类型：类型系统的基本概念
Wikipedia(zh)：逆波兰表示法：表达式如何被拆成顺序步骤

设计师 | 南国微雪

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