作者：禅与计算机程序设计艺术
1.背景介绍
在我看来，编程语言发展史上最重要的一章就是“语法与语义”这一章节。因为它塑造了编程语言的基础设施，是编程语言实现其功能的前提条件。
如今，计算机科学领域的理论已经越来越成熟，各种抽象、符号化的概念也逐渐被数字化，而人类理解能力的提升也让知识的表达变得更加直观。所以编程语言还是一个“符号语言”，用于描述对计算机系统的指令和数据交换。
在过去几十年里，出现了众多的编程语言，从最初的FORTRAN，到C语言，再到Python、Java等主流语言，每一种语言都吸收了前面的语言的优点，加入了新的语法特性，并努力提高语言的易用性和效率。
作为学习编程的人，无需将这些语言全面纠结于“前沿”，只需要了解其中一种或几种你感兴趣的语言即可。但如果你想知道每个编程语言的基本语法、基本结构、基本操作和应用场景的话，就必须仔细阅读各个语言的文档。
为了帮助读者更好地理解编程语言的语法与语义，下面我们一起回顾一下历史中那些著名的编程语言的基本要素和发展过程。
2.核心概念与联系
2.1 什么是编程语言？
编程语言（Programming language）是一门为人编写计算机软体和应用程序的计算机方言。一般来说，它包括了一系列命令或语法形式，用以指定一个计算机程序在执行过程中应该如何运行。程序语言是一门通用的交流语言，用来定义计算任务的输入、输出以及处理方法，使得计算机能够执行各种不同的任务。在程序语言中，至少包含以下五个基本要素：
- 数据类型
- 操作符
- 语句
- 函数
- 程序结构
2.2 编程语言的分类
按照编程语言的不同特征可以分为如下三大类：
机器语言（Machine Language）：机器语言是指直接对应于计算机硬件的二进制代码，由0和1组成的指令集合。如汇编语言、机器码语言等。机器语言是最底层的编程语言，通常只能在特定的机器或操作系统上运行。例如，早期的CPU指令集都是用机器语言编写的。
汇编语言（Assembly Language）：汇编语言是基于二进制代码的高级语言，由助记符（mnemonic）组成的汇编代码组成。汇编语言比机器语言抽象程度更高，更容易被人们阅读和理解，并且可移植性更强。汇编语言是编译型编程语言，它的源代码会经过编译器（compiler）转换成机器码后才能运行。如x86、MIPS等。
高级编程语言（High-Level Programming Languages）：高级编程语言是面向用户的计算机编程语言，是人与计算机之间沟通的中间媒介。它允许开发人员利用数据结构、控制流、函数等高阶概念，通过简洁的代码来完成日常任务。最主要的代表语言有C、C++、Java、Python等。它们提供了比低级语言更高级的抽象能力，能有效地简化编码工作，提高编程效率。
2.3 编程语言的发展历史
1957年——图灵奖
图灵奖（Turing Award），由英国计算机科学家莱斯利·图灵提出的，颁发给诺贝尔奖获得者。图灵奖的主要作用是在科技界里表彰对人类技术突破的贡献。在图灵奖之前的1957年，美国计算机科学家兰德尔·卡尔·丹尼斯（Ronald Knuth）提出了一个著名的问题——“有多少种可能的计算问题解决方案？”。这个问题被称为“著名的蒙提·派克森（Monte Carlo）问题”。
根据蒙提·派克森的计算结果，发现所有的问题都可以通过计算解决，而且不存在任何重复性的计算。因此，所有问题都可以归入“计算理论”类别下。
此时，计算机科学界的发展轨迹已然清晰。随着“图灵奖”的颁发，计算机科学领域进入了一个新的纪元——信息时代。
1965年——Unix系统
1969年，贝尔实验室的工程师约翰·托马斯·库伦在IBM的PDP-11上搭建起UNIX操作系统，它是一种小型的高性能多道程序环境，具有很强的可靠性和扩展性。它可以支持多用户同时访问，因此可以用于多任务。
1971年，加州大学伯克利分校的威廉姆·詹姆斯·Kernighan、贾登·莫里茨和丹·艾奇森三个人发明了一种新的编程语言B语言，受到广泛欢迎。它是一个声明式的高级编程语言，具有很强的抽象能力，同时又保留了过程化编程语言的灵活性。
这种新的编程语言B的目标是提高程序员的生产力，同时还能提供系统级编程的能力。实际上，它就是UNIX的基础。
1973年——C语言
1973年，贝尔实验室的研究员约瑟夫·E.希尔勒创建了UNIX操作系统的C语言编译器，用于UNIX内核的开发。这款编译器可以把C语言程序编译成目标文件，然后链接进内核。由于缺乏可移植性，C语言逐步成为高级编程语言的标杆。
C语言自诞生之后，它的影响力越来越大。1978年，它被誉为“一门通用语言”，能够为多种计算机体系结构编写程序。随着硬件的不断发展，与其相关联的操作系统也被推向了前沿。
1983年——ALGOL 58
1970年，麻省理工学院教授恩斯特·雷蒙兹、丹尼斯·里奇和奥巴马·梅耶纳一起合作，创立了ALGOL语言，用于教授用计算机进行编程。这是世界上第一个可交互式计算机程序语言，被认为是计算机科学的第一波浪潮。它极大的鼓舞了计算机编程的热情。
1983年，IBM的John McCarthy教授和约翰·冯诺依曼教授一起设计出了ALGOL 58语言。它为“数据驱动”编程提供了更方便的方法。虽然算法的发明可以促进编程的发展，但是更关注的是数据的表示方法。
1970—1980年间，有很多新语言出现，如JOVIAL、APL、Visual Basic、SMALL、Ada、Self、Scheme、Fortran、Pascal、Basic、Simula、Prolog、Clipper、Oz、Object Pascal、Caml、Clean、Haskell、ML、Flix、F、Common Lisp等。有的语言甚至还为现代计算机科学研究奠定了基础。
20世纪90年代末——Java
1991年，Sun公司宣布Java为官方的商业程序设计语言。当年，Java被描述为“动态、面向对象、跨平台”的多用途语言。Java已成为现代计算机编程的重要工具。
1995年，Java的最新版本J2SE 1.2问世，该版本带来了面向对象的垃圾回收机制、动态绑定和异常处理机制。它是市场上使用最广泛的语言之一。
目前，Java已成为企业级编程语言，在移动互联网、游戏开发、金融交易平台、企业信息系统、虚拟机、物联网、智能家居等领域得到了广泛应用。
21世纪初——Web开发
2000年，万维网的运营商W3C宣布，将HTML定义为网络标准语言。随后，许多浏览器厂商和互联网服务提供商相继开发了JavaScript、VBScript、JScript、CSS以及其他各种脚本语言，使得网站开发变得更加便捷。
2004年，微软公司宣布推出.NET框架，它将Microsoft Visual Studio和Microsoft Office整合到同一个软件包中，成为一个完整的IDE，旨在改善软件开发人员的工作效率。
2005年，jQuery的发布带来了巨大的变革。它可以使得开发者更轻松地实现动态交互效果。
2006年，Facebook、Twitter、LinkedIn、Uber、Alibaba、Amazon、Google等互联网企业纷纷开发移动端app应用，带动着互联网产业的快速发展。
2011年，苹果公司发布iOS开发者计划，打响了移动互联网应用的炮火。
3.核心算法原理及具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解
本章节将会重点讲解编程语言的两个核心要素——语法与语义。
语法规则决定了代码的结构、意思，而语义规则则定义了代码的含义。当程序员按照语法规则书写程序代码时，编译器或解释器都会做相应的检查，确保代码正确地按顺序执行。如果代码存在错误，编译器或解释器会报告错误消息并提示修改，否则就会生成可执行的文件。
而语义规则则更复杂一些。语义规则定义了变量、表达式、函数调用等符号的意义，以及它们之间的关系。如果某个变量没有被定义或初始化，或者传入参数个数与函数定义时的要求不匹配，那么解释器或编译器都会报错。这样，程序就可以定位到错误的位置，并更准确地报告错误原因。
编程语言的语法与语义是非常重要的，因为它们为程序员提供了大量的灵活性和抽象能力。有了这些基本概念，我们就可以针对不同的问题选择适合的编程语言。
接下来，我们将会深入讨论编程语言的语法与语义，详细讲解每一种语言的语法规则和语义规则。
3.1 编程语言的语法规则
语法是描述句子成分和语法结构的规则。语法规则是编程语言的基石。不同的编程语言中的语法规则往往千差万别，但总体上遵循某些共同的原则。
不同的编程语言有不同的语法规则。例如，有的语言使用花括号{}来定义代码块，有的语言则采用indentation的方式来表示代码块。还有的语言规定了单行注释的符号，比如//，有的语言则没有注释的说法。
编程语言的语法规则决定了程序员写代码的行为方式。好的语法规则可以帮助程序员写出更加可读、易懂、安全、健壮的代码。
Python的语法规则
Python的语法规则较为简单。它使用缩进来表示代码块，使用空格来表示缩进，并严格遵守如下规则：
使用四个空格作为缩进。
在单行注释的地方，两侧应使用井号#作为开头。
使用ASCII字符集。
不限制标识符的长度。
支持多行字符串。
对于Python而言，使用缩进来表示代码块是一个常用规则。在Python中，代码块是以四个空格的缩进作为起始标记，并紧跟着的上下文代码构成。这种方式使得代码具有层次化、结构化的特点。
另一方面，Python不限制标识符的长度。在语法上，可以使用任意长度的标识符，只要它是有效的ASCII字符即可。例如，变量名可以是Hello_World，函数名可以是ThisFunction。
除了缩进和空格这两种规则外，Python还使用了ASCII字符集。这个限制可以防止程序在不同国家的计算机上产生乱码。另外，多行字符串的支持也是Python的一个亮点。
Java的语法规则
Java是世界上使用最广泛的编程语言之一。Java的语法规则要比Python复杂得多，但仍然遵循相同的基本原则。
Java代码块使用大括号{}。
注释使用双斜线//。
Java标识符的命名规则与C语言一致，但有一处例外，不能以数字开头。
Java不支持多行字符串。
Java提供了垃圾回收机制，可以自动管理内存。
与Python一样，Java使用大括号{}来表示代码块，并使用空格来表示缩进。Java的注释使用//，Java标识符的命名规则也与C语言一致。
Java的垃圾回收机制可以自动管理内存，通过释放不再使用的内存，可以有效降低内存泄露的风险。不过，垃圾回收机制不是免费的，Java虚拟机运行的时候会占用额外的资源。
C++的语法规则
C++也是一种高级语言，它的语法规则也与Java类似。但它比Java更注重代码的效率。
C++使用{}来表示代码块，并使用空格来表示缩进。C++的注释使用双斜线//。C++标识符的命名规则与Java类似，但又有一些例外。
例如，C++允许函数重载，这意味着可以定义多个名称相同的函数，只要它们的参数列表不同。C++还允许用户自定义运算符，这为程序员提供了更多的自由度。
当然，C++的效率也比Java要高很多。C++支持指针和引用，这使得程序员可以直接操控内存，也可以在一定程度上提高程序的运行速度。
最后，C++是面向对象编程语言，它支持封装、继承和多态等概念。这些特性可以有效地组织代码，降低耦合度，提高代码的维护性。
SQL的语法规则
SQL（Structured Query Language）即结构化查询语言，用于关系数据库的查询和管理。它与SQL92相容，但也有一些差异。
SQL的语法规则与C、Java、C++类似。它使用关键字来表示代码块，并使用空格来表示缩进。SQL的注释使用--。
SQL的标识符的命名规则与C语言类似，但允许大小写字母、数字和下划线。但标识符不能以数字开头。
SQL对大小写敏感，区分大小写的关键字必须使用完全匹配的方式。
除此之外，SQL也提供了许多其它特性，例如事务管理、视图和触发器，可以提供更高级别的数据访问控制。
HTML/XML的语法规则
HTML和XML是两个最常用的Web语言。它们的语法规则与文本文件类似，但又略有不同。
HTML是超文本标记语言，它的语法规则与文本文件类似。它使用<...>标签来定义代码块，并使用空格来表示缩进。HTML的注释使用 。
XML（Extensible Markup Language）是可扩展标记语言，它可以用来定义自己的语言。它的语法与HTML类似，但也有一些差异。XML的注释使用 。
XML的标识符的命名规则与HTML类似，但又有一些例外。例如，XML标识符可以包含汉字、字母、数字、连字符(-)、句点(.)和下划线(_)。
XML还提供了DTD（Document Type Definition）定义文档类型，可以用于验证XML文档的结构。
JavaScript的语法规则
JavaScript是一种动态语言，可以用于编写客户端上的应用。它的语法规则与HTML、XML类似。
JavaScript使用关键字var、function、if、else、for、while等来表示代码块，并使用空格来表示缩进。JavaScript的注释使用//。
JavaScript的标识符的命名规则与Java、C++、Perl、PHP、Python、Ruby、MATLAB等语言兼容。
JavaScript还支持嵌套的函数、闭包、模式匹配、多种类型的数组和对象等特性，可以提高代码的可读性、灵活性和可维护性。
CSS的语法规则
CSS（Cascading Style Sheets）样式表是一种用于表现HTML（和XML）元素的语言。它的语法规则与HTML、XML类似。
CSS的语法规则与HTML、JavaScript类似，使用关键字来表示代码块，并使用空格来表示缩进。CSS的注释使用/* */。
CSS的标识符的命名规则与HTML、XML类似。
CSS还提供了各种选择器，可以选择HTML页面的特定部分，并应用不同的样式。这些选择器可以有效地实现界面美观、功能响应、页面优化等需求。
3.2 编程语言的语义规则
编程语言的语义规则是通过上下文来解释代码的含义的。不同的编程语言有不同的语义规则。
例如，Python有良好的文档记录，但它却不是完美的解释型语言。它的类型注解可以帮助程序员更准确地理解代码的含义，但它并不是编程语言的核心。
而Java是静态类型的语言，它的类型系统更加严格，这使得代码更加可靠、易于调试。Java的反射机制可以帮助程序员获取类的属性和方法信息，但并非所有编程语言都提供这种特性。
此外，不同编程语言还具有不同的运行环境。有的语言运行在服务器上，允许多线程、分布式计算；有的语言运行在桌面设备上，只能单线程运行；有的语言可以运行在移动设备上，具有特殊的性能需求。
综上所述，编程语言的语法与语义是共通的，不同编程语言之间的差异在于它们的实现策略、抽象级别、运行环境、工具链和社区氛围等因素。选择编程语言时，需要根据项目的需求和特点选择适合的语言。