程序设计语言：概念和结构

　　本书是国外比较成功的一本讨论程序设计语言的教科书，已在一些学校使用多年。书的主要内容包括：引论、命令式程序设计、面向对象的程序设计、函数式程序设计、其他程序设计范型以及语言的描述六大部分。本书适合作为计算机及其相关专业本科高年级学生的教材或教学参考书，或作为研究生的基础课程教材或参考书，也适合其他相关的技术人员参考。本书的学习基础是学过用过一种或几种程序设计语言（最好是Pascal/C/C++），有一定程序设计经验，并对数据结构等计算机基础知识有所理解。

　　裘宗燕知名译者，翻译严谨，喜与读者交流。裘宗燕教授是北京大学数学学院信息科学系的，关心的主要学术领域包括计算机软件理论、程序设计方法学、程序设计语言和符号计算。已出版多部著作和译著，包括《程序设计语言基础》（译著，1990），《Mathematica数学软件系统的应用与程序设计》（1994），《从问题到程序——程序设计与C语言引论》（1999）>>更多作品

第一部分   引      言
第1章   程序设计语言的位置 2
1.1   走向高级语言 2
1.1.1   机器语言是晦涩难懂的 3
1.1.2   汇编语言是低级的 3
1.1.3   高级语言的优点 5
1.2   规模的问题 6
1.2.1   人的错误因素 6
1.2.2   程序设计语言扮演的角色 7
1.3   程序设计范型 7
1.3.1   命令式程序设计 8
1.3.2   函数式程序设计 9
1.3.3   面向对象的程序设计 11
1.3.4   逻辑程序设计 12
1.3.5   语言的选择 12
1.4   语言实现：在裂谷上架桥 12
1.4.1   编译 13
1.4.2   解释 14
1.4.3   编译器和解释器：对比 15
练习 15
引文注记 16
第2章   语言的描述：语法结构 18
2.1   表达式的记法 20
2.1.1   前缀记法 20
2.1.2   后缀记法 21
2.1.3   中缀记法：优先级和结合性 21
2.1.4   混合记法 22
2.2   抽象语法树 22
2.3   词语法 24
2.4   上下文无关文法 25
2.4.1   文法介绍 25
2.4.2   上下文无关文法的定义 26
2.4.3   BNF：Backus-Naur范式 26
2.4.4   语法分析树描绘了具体语法 27
2.4.5   语法的歧义性 28
2.4.6   悬空的else的歧义性 28
2.4.7   导出 29
2.5   表达式的文法 30
2.5.1   中缀表达式中的表列 30
2.5.2   从抽象语法到具体语法 31
2.6   文法的各种变形 33
2.6.1   扩充的BNF 33
2.6.2   语法图 35
练习 35
引文注记 38
第二部分   命令式程序设计
第3章   语句：结构化程序设计 41
3.1   结构化程序设计的必要性 41
3.1.1   静态程序和动态计算 41
3.1.2   命令式语言的设计原则 42
3.1.3   一个例子 42
3.1.4   不变式：程序设计 43
3.2   语法制导的控制流 44
3.2.1   语句的复合 44
3.2.2   选择：条件语句 45
3.2.3   循环结构：while和repeat 46
3.2.4   定性迭代：for循环 48
3.2.5   选择：case语句 48
3.2.6   case语句的实现 49
3.3   设计考虑：语法 50
3.3.1   序列：分隔符和终止符 50
3.3.2   避免悬空的else 52
3.4   处理循环中的特殊情况 53
3.4.1   循环中的break和continue语句 54
3.4.2   return语句 56
3.4.3   goto语句 56
3.5   使用不变式做程序设计 56
3.5.1   前条件和后条件 57
3.5.2   实例：线性搜索 58
3.6   部分正确性的证明规则 60
3.6.1   断言和公式 61
3.6.2   复合语句的证明规则 61
3.6.3   条件语句的证明规则 62
3.6.4   有关while语句的规则 62
3.6.5   关于赋值的规则 62
3.6.6   化简规则 63
3.6.7   Pascal中的语句 63
3.7   C语言的控制流 63
3.7.1   赋值运算符 64
3.7.2   表达式里的赋值 65
3.7.3   C语言的for循环：非定性迭代 65
3.7.4   循环中的break和continue语句 66
练习 66
引文注记 70
第4章   类型：数据表示 72
4.1   类型的作用 72
4.1.1   值和它们的类型 73
4.1.2   类型表达式 73
4.1.3   本章中的类型 73
4.1.4   静态布局决策 74
4.1.5   有关类型名. 数组和记录的预览 75
4.2   基本类型 76
4.2.1   枚举 76
4.2.2   整型和实型 77
4.2.3   布尔表达式的短路求值 77
4.2.4   子域 78
4.2.5   基本类型的布局 78
4.2.6   程序设计的风格：字符和类型转换 78
4.3   数组：元素的序列 79
4.3.1   数组类型 79
4.3.2   数组的布局 81
4.3.3   数组边界和存储分配 82
4.3.4   数组的值和初始化 83
4.4   记录：命名的域 84
4.4.1   记录类型有一组特定的域 84
4.4.2   变量声明分配存储空间 84
4.4.3   对记录的操作 84
4.4.4   数组和记录的比较 85
4.5   联合和变体记录 85
4.5.1   变体记录的布局 86
4.5.2   变体记录损害类型安全 87
4.6   集合 88
4.6.1   集合的值 88
4.6.2   集合类型 88
4.6.3   集合类型的实现 88
4.6.4   集合的运算 88
4.7   指针：效率和动态存储分配 89
4.7.1   指针类型 90
4.7.2   指针操作 90
4.7.3   数据结构的增长和缩减 90
4.7.4   悬空指针和存储流失 91
4.7.5   指针作为代理 92
4.8   两种字符串列表 95
4.8.1   Pascal的一种表示 95
4.8.2   C语言的一种表示 96
4.9   类型和错误检查 97
4.9.1   变量约束：变量的类型 98
4.9.2   类型系统：表达式的类型 98
4.9.3   类型检查的基本规则 99
4.9.4   类型名和类型等价 99
4.9.5   静态和动态类型检查 101
练习 102
引文注记 104
第5章   过程活动 105
5.1   对过程的介绍 106
5.1.1   过程调用 106
5.1.2   过程的要素 106
5.1.3   递归：过程的多个活动 109
5.1.4   过程的价值 109
5.2   参数传递方式 110
5.2.1   值调用 110
5.2.2   引用调用 111
5.2.3   值结果调用 113
5.3   名字的作用域规则 114
5.3.1   词法作用域和动态作用域 114
5.3.2   词法作用域与局部变量的重命名 115
5.3.3   宏展开与动态作用域 116
5.3.4   按名调用与词法作用域 117
5.4   源文本中的嵌套作用域 118
5.4.1   声明的作用域 118
5.4.2   嵌套作用域：C中的变量声明 119
5.4.3   嵌套作用域：Pascal中的过程声明 121
5.5   活动记录 122
5.5.1   活动间的控制流 122
5.5.2   活动记录的元素 124
5.5.3   堆存储分配和释放 127
5.5.4   堆栈分配和释放 127
5.5.5   在编译时分配静态变量 128
5.6   词法作用域：在C中的过程 128
5.6.1   C程序的存储布局 129
5.6.2   局部变量的存储 129
5.6.3   C的过程调用和返回 130
5.6.4   运行时的变量访问 131
5.6.5   过程作为参数 131
5.6.6   悬空指针 132
5.6.7   尾递归消除 132
5.7   词法作用域：嵌套过程和Pascal 135
5.7.1   可见性规则 135
5.7.2   访问非局部变量：控制链和访问链 136
5.7.3   过程的调用和返回 138
5.7.4   过程作为参数 139
5.7.5   用于快速访问的区头向量 139
练习 141
引文注记 143
第三部分   面向对象程序设计
第6章   数据和操作 147
6.1   程序构造的结构 147
6.1.1   过程：提高计算的层次 148
6.1.2   程序静态文本的模块划分 149
6.1.3   用户定义数据类型 150
6.1.4   几种方法的比较 151
6.2   信息隐藏 152
6.2.1   动机：区分行为与实现 152
6.2.2   数据不变式 154
6.2.3   数据的可见性 154
6.2.4   实现的隐藏和程序开发 154
6.3   使用模块设计程序 155
6.3.1   表达式求值程序的设计 155
6.3.2   程序组织 157
6.3.3   讨论：程序组织 161
6.4   模块和用户定义类型 161
6.4.1   导出名字和导入名字 161
6.4.2   导出类型 162
6.5   C++的类声明 164
6.5.1   类声明中的数据和操作 164
6.5.2   将类名作为定义的类型使用 166
6.5.3   公用. 私用和保护成员 167
6.6   C++的动态存储分配 168
6.6.1   指向对象的指针 168
6.6.2   用建构函数和析构函数进行动态
存储分配 169
6.6.3   链表的单元 169
6.7   模板：参数化类型 172
6.8   C++对象的实现 173
6.8.1   一个简单实现 173
6.8.2   函数体的在线展开 174
6.8.3   类声明中的私用变量 174
练习 175
引文注记 178
第7章   面向对象程序设计 179
7.1   什么是对象 179
7.1.1   对象的外部和内部视图 179
7.1.2   形状的属性 180
7.2   面向对象的思想 181
7.2.1   将对象组织为类层次结构 181
7.2.2   对象响应消息, 对象具有状态 182
7.3   继承 184
7.3.1   接收者决定一个消息的含义 185
7.3.2   信息隐藏是为了可扩充性 186
7.3.3   添加子类 187
7.3.4   对象和类 189
7.4   用C++语言做面向对象的程序设计 189
7.4.1   C++语言回顾 189
7.4.2   基类和派生类 190
7.4.3   公用基类 190
7.4.4   虚函数 191
7.4.5   C++中形状实例的细节 193
7.4.6   初始化和继承 194
7.5   一个扩充的C++例子 194
7.5.1   素数筛 194
7.5.2   基类 196
7.5.3   派生类 196
7.5.4   基类和派生类的初始化 196
7.5.5   子类型和超类型 197
7.5.6   虚函数 198
7.5.7   生成过滤器对象 199
7.5.8   剩余的程序 199
7.6   派生类和信息隐藏 199
7.6.1   公用和私用的基类 200
7.6.2   私用性原理 200
7.6.3   继承成员的可访问性 201
7.7   Smalltalk中的对象 202
7.7.1   系统类 202
7.7.2   类定义中的元素 203
7.7.3   消息语法 205
7.8   Smalltalk对象的self 207
7.8.1   发送给self的消息 208
7.8.2   发送给super的消息 208
练习 209
引文注记 212
第四部分   函数式程序设计
第8章   函数式程序设计的要素 215
8.1   一个很小的表达式语言 215
8.1.1   Little Quilt操作什么 215
8.1.2   为方便而做的扩充 217
8.1.3   评论：Little   Quilt的设计 219
8.2   类型：值和运算 220
8.2.1   构造和检查值的操作 221
8.2.2   基本类型 221
8.2.3   类型的积 221
8.2.4   ML中的类型 223
8.3   函数声明 224
8.3.1   函数作为算法 225
8.3.2   函数声明和应用的语法 225
8.3.3   递归函数 226
8.4   表达式的求值方式 226
8.4.1   最内求值 227
8.4.2   选择性求值 227
8.4.3   递归函数的求值 228
8.4.4   从左到右的最外求值 228
8.4.5   短路求值 230
8.5   词法作用域 231
8.5.1   val约束 231
8.5.2   fun约束 232
8.5.3   嵌套的约束 233
8.5.4   同时约束 233
8.6   类型检查 234
8.6.1   类型推理 234
8.6.2   类型名和类型等价 235
8.6.3   重载：多重含义 235
8.6.4   强制：隐式类型转换 236
8.6.5   多态性：参数化类型 236
练习 237
引文注记 240
第9章   一个有类型语言中的函数式
程序设计 241
9.1   表的探查 241
9.1.1   表上的运算 242
9.1.2   定义在表上的两个函数：append
和reverse 242
9.2   函数的分情况声明 244
9.2.1   函数应用 245
9.2.2   模式 246
9.2.3   模式和情况分析 246
9.3   函数作为一级的值 248
9.3.1   将函数映射到表的各个元素上 249
9.3.2   匿名函数 251
9.3.3   选择性复制 251
9.3.4   积累结果 252
9.4   ML：隐含类型 253
9.4.1   类型推理 253
9.4.2   参数化多态性 254
9.5   数据类型 254
9.5.1   值构造符 255
9.5.2   微分：一个传统实例 257
9.5.3   多态数据类型 258
9.5.4   讨论 259
9.6   ML的异常处理 259
9.7   在Standard ML中实现Little Quilt 261
9.7.1   一些辅助函数 262
9.7.2   拼块的表示 263
9.7.3   sew运算 263
9.7.4   turn运算 264
9.7.5   拼块的显示 266
9.7.6   Little   Quilt中的表达式 267
练习 269
引文注记 271
第10章      表的函数式程序设计 272
10.1   Scheme, 一种Lisp方言 272
10.1.1   为什么用Scheme 273
10.1.2   如何与Scheme解释器交互 273
10.1.3   怎样写表达式 274
10.1.4   怎样定义函数 275
10.1.5   匿名函数值 275
10.1.6   条件式 275
10.1.7   let结构 276
10.1.8   引号 277
10.2   表的结构 278
10.2.1   表元素 278
10.2.2   表的运算 279
10.3   表的操作 280
10.3.1   一个有用的函数 281
10.3.2   连接两个表 281
10.3.3   将函数映射到表的所有元素上 282
10.3.4   关联表 283
10.3.5   子表达式的表 284
10.3.6   一个参数化的函数 285
10.4   启发性的实例：微分 286
10.4.1   语法制导的微分 286
10.4.2   常量 287
10.4.3   变量 287
10.4.4   对和式与乘积的微分规则 287
10.4.5   和式的微分 287
10.4.6   乘积的微分 289
10.4.7   对微分程序的总结 289
10.5   表达式化简 290
10.6   表的存储管理 292
10.6.1   cons分配单元 293
10.6.2   相等的概念 293
10.6.3   分配和释放 295
练习 296
引文注记 298
第五部分      其他范型
第11章   逻辑式程序设计 300
11.1   用关系做计算 301
11.1.1   关系 301
11.1.2   规则和事实 301
11.1.3   查询 302
11.2   Prolog初步 304
11.2.1   项 304
11.2.2   与Prolog交互 305
11.2.3   存在性查询 305
11.2.4   全称性的事实和规则 306
11.2.5   否定作为失败 307
11.2.6   合一 308
11.2.7   算术 309
11.3   Prolog的数据结构 309
11.3.1   Prolog中的表 309
11.3.2   项作为数据 310
11.4   程序设计技术 312
11.4.1   猜测和验证 312
11.4.2   用变量作为项里的占位符 314
11.4.3   差表 317
11.5   Prolog的控制 318
11.5.1   合一和替换 319
11.5.2   将规则应用于目标 320
11.5.3   Prolog搜索树 322
11.5.4   目标的顺序将改变解 323
11.5.5   规则顺序影响对解的搜索 324
11.5.6   出现检查问题 326
11.6   割 326
11.6.1   割作为第一个条件 327
11.6.2   割的作用 328
11.6.3   应用割的程序设计 329
11.6.4   否定等同于失败 332
练习 333
引文注记 334
第12章   并发程序设计导引 336
12.1   硬件的并行性 336
12.1.1   输入/输出的并行执行 336
12.1.2   中断和分时 337
12.1.3   多处理器组织结构 338
12.1.4   反应式系统 338
12.2   流：隐式的同步 338
12.2.1   进程网络 339
12.2.2   管道实例 339
12.3   作为交错的并发性 340
12.3.1   线程的交错 341
12.3.2   Ada中的并发作业 341
12.4   进程的活性性质 343
12.4.1   资源共享限制并发性 343
12.4.2   哲学家就餐问题 343
12.4.3   死锁：无法继续 344
12.4.4   活锁：没有进程能够取得进展 344
12.4.5   公平性 344
12.4.6   避免死锁的发生 345
12.5   共享数据的安全访问 345
12.5.1   “非确定”的进程 345
12.5.2   临界区和互斥 346
12.5.3   可串行化与安全性 347
12.6   Ada中的并发性 348
12.6.1   握手式同步 348
12.6.2   同步通信 349
12.6.3   有选择的接收 352
12.7   共享变量的同步访问 353
12.7.1   对缓冲区的直接访问 353
12.7.2   信号量：互斥 355
练习 359
引文注记 362
第六部分      语言的描述
第13章   语义方法 366
13.1   综合属性 368
13.1.1   求值顺序 369
13.1.2   总结 369
13.2   属性文法 370
13.3   自然语义 372
13.3.1   一个计算器 372
13.3.2   环境为名字约束值 373
13.3.3   let约束 373
13.3.4   基于Prolog的实现 375
13.4   指称语义 376
13.5   一个Scheme计算器 377
13.6   词法作用域中的lambda表达式 378
13.6.1   lambda表达式的自然语义 379
13.6.2   环境的一种实现 380
13.7   一个解释器 381
13.7.1   常量 381
13.7.2   加引号项 381
13.7.3   变量 382
13.7.4   条件表达式 382
13.7.5   let表达式 382
13.7.6   lambda表达式 383
13.7.7   函数应用 384
13.7.8   初始化环境 384
13.7.9   解释器的使用 385
13.8   一个扩充：递归函数 386
13.8.1   作为值的递归函数 386
13.8.2   对解释器的修改 387
练习 388
引文注记 389
第14章   静态类型和Lambda演算 390
14.1   纯lambda演算中的相等 391
14.1.1   语法约定 392
14.1.2   自由变量和约束变量 392
14.1.3   替换 393
14.1.4   beta-相等 394
14.2   再论替换 395
14.3   纯lambda项的计算 396
14.3.1   归约 397
14.3.2   不终止的归约 398
14.3.3   Church-Rosser定理 398
14.3.4   计算规则 399
14.4   作为lambda项的程序设计结构 400
14.4.1   一个应用lambda演算 400
14.4.2   Curry化 401
14.4.3   常量的归约规则 401
14.4.4   语言ML0 402
14.4.5   不动点算子 403
14.5   带类型的lambda演算 404
14.6   多态类型 406
14.6.1   取自标准ML的例子 406
14.6.2   显式的多态性 407
14.6.3   单态与多态 408
14.6.4   Core-XML的类型规则 409
练习 411
引文注记 412
第15章   语言概览 414
15.1   Pascal：一种教学语言 414
15.1.1   Pascal的程序结构 415
15.1.2   声明 415
15.1.3   类型 416
15.1.4   表达式 416
15.1.5   语句 416
15.2   C：系统程序设计 417
15.2.1   C语言程序结构 417
15.2.2   C的函数 418
15.2.3   C的变量声明 419
15.2.4   表达式 419
15.2.5   C的控制流 420
15.2.6   指针和数组 420
15.2.7   头文件 421
15.2.8   标准输入/输出 422
15.3   C++：多种程序设计风格 422
15.3.1   C++中的类 422
15.3.2   C++的继承 424
15.4   Smalltalk语言 424
15.4.1   表达式 426
15.4.2   类和实例方法 426
15.4.3   系统类 427
15.5   Standard ML 428
15.5.1   与ML解释器交互 428
15.5.2   基于模式匹配的函数定义 430
15.5.3   数据类型 430
15.5.4   异常 430
15.6   Scheme：一种Lisp方言 431
15.6.1   基本结构 432
15.6.2   表操作    433
15.7   Prolog 434
15.7.1   项 435
15.7.2   与Prolog交互 436
15.7.3   规则 436
15.7.4   查询 436
15.7.5   算术 436
15.7.6   作为数据的项 437
参考文献 438
索引 450