变量、存储、绑定与作用域的深入解析

### 变量、存储、绑定与作用域的深入解析 在编程的世界里，变量、存储、绑定与作用域是至关重要的概念，它们影响着程序的运行和开发。下面将详细探讨这些概念。 #### 1. 表达式的副作用与命令表达式 在编程中，有些表达式会产生更新变量的副作用。我们先来看命令表达式。假设需要编写一个表达式来计算多项式 $c_nx^n + \cdots + c_2x^2 + c_1x + c_0$，给定 $x$、$n$ 和系数数组 $c_i$。解决方案可以是递归或迭代的。递归方案需要定义和调用递归函数，我们可能希望避免这种方式。而迭代方案面临的问题是，虽然迭代命令很常见，但迭代表达式并不常见，所以需要一种包含命令的表达式，即命令表达式。 例如，下面的假设命令表达式可以计算上述多项式： ```c { float p = c[n]; for (int i = n - 1; i >= 0; i--) p = p * x + c[i]; p } ``` 这里假设使用类似 C 的符号。在详细说明声明并执行 “{” 后的命令后，“}” 之前的子表达式将被计算，以确定命令表达式产生的值。 在 ADA 中，函数过程的主体实际上就是一个命令表达式。这允许在计算函数结果时使用赋值和迭代，但也可能使函数调用产生副作用（可能是无意的）。实际上，任何类型的命令表达式都可能产生副作用。 例如，考虑 C 函数调用 “getchar(f)”，它从文件 f 中读取一个字符并返回该字符。这个函数调用对文件变量 f 有副作用。因此，以下代码： ```c enum Gender {female, male}; Gender g; if (getchar(f) == 'F') g = female; else if (getchar(f) == 'M') g = male; else ... ``` 具有误导性，因为读取了两个不同的字符并分别与 'F' 和 'M' 进行比较。 副作用可能会给表达式计算带来不确定性。考虑任何形式为 “$E_1 \otimes E_2$” 的表达式，其中 $\otimes$ 是二元运算符，并且 $E_1$ 有影响 $E_2$ 计算的副作用，反之亦然；该表达式的计算结果取决于子表达式 $E_1$ 和 $E_2$ 的计算顺序。一些编程语言允许以任意顺序计算子表达式，从而产生不确定性。其他语言则通过坚持从左到右计算子表达式来避免这种不确定性。 总的来说，表达式中的副作用往往会使程序难以理解，无节制地使用副作用是不良的编程习惯。 #### 2. 面向表达式的语言 面向表达式的语言是一种命令式或面向对象的语言，其中表达式和命令没有区别。计算任何表达式都会产生一个值，并且可能也会有副作用。ALGOL68 和 ML（在一定程度上，类似 C 的语言）是面向表达式语言的例子。 这种设计的一个好处是避免表达式和命令之间的重复。面向表达式的语言不需要同时有函数过程和普通过程，也不需要同时有条件表达式和条件命令。 在面向表达式的语言中，赋值 “$V = E$” 可以定义为产生 $E$ 的值，并将该值存储在 $V$ 产生的变量中。由于赋值本身就是一个表达式，我们还可以写 “$V_1 = (V_2 = E)$”，换句话说，我们可以免费实现多重赋值。不过，一些面向表达式的语言对赋值的定义不同。例如，ML 赋值表达式实际上产生 0 元组 ()。 对于跳过或循环，没有明显的结果。通常，面向表达式的语言将跳过或循环定义为产生一个中性值，如 0 或 ()。 因此，面向表达式的语言通过消除表达式和命令之间的区别，实现了一定的简单性和一致性。但为什么传统的命令式语言仍然保留这种区别呢？这是一个编程风格的问题。虽然在传统语言中表达式可能有副作用，但程序员对副作用的使用在非正式场合是不被提倡的（实际上，ADA 的设计者最初曾试图禁止副作用，但未成功）。另一方面，面向表达式的语言积极鼓励使用副作用，导致了一种隐晦的编程风格，类似 C 的语言就是很好的例子： ```c while ((ch = getchar(f)) != NUL) putchar(ch); ``` #### 3. 编译器对变量的存储分配 每个变量在其生命周期内都占用存储空间。该存储空间必须在变量生命周期开始时分配，并且可以在变量生命周期结束时或之后的任何时间释放。每个变量占用的存储空间量取决于其类型，因此编译器必须知道每个变量的类型，因为编译器无法预测它将包含的实际值。在大多数编程语言中，每个变量的类型必须显式声明，或者编译器必须能够推断其类型。 ##### 3.1 全局和局部变量的存储 全局变量的生命周期是程序的整个运行时间，因此可以为每个全局变量分配一个固定的存储空间。 局部变量的生命周期是声明该变量的块的一次激活。局部变量的生命周期是嵌套的，因此可以在栈中为它们分配存储空间。 例如，考虑以下情况：变量 $x_1$ 和 $x_2$ 是 main 的局部变量，它们的生命周期是程序的整个运行时间，即 $x_1$ 和 $x_2$ 在程序运行期间一直占用存储空间。变量 $y_1$ 和 $y_2$ 是过程 $P$ 的局部变量，它们的生命周期是 $P$ 的一次激活，因此在调用 $P$ 时必须为 $y_1$ 和 $y_2$ 分配存储空间，并在 $P$ 返回时释放。同样，在调用过程 $Q$ 时必须为局部变量 $z$ 分配存储空间，并在 $Q$ 返回时释放。总体效果是，分配给局部变量的存储空间以栈的方式扩展和收缩。 一般来说，局部变量的存储