高级编程语言的发展历程
高级编程语言的发展历程（一）
2010-07-20
高级编程语言的创始纪上写道：“初，世间无语言，仅电路与连线。及大牛出，天地开，始有FORTRAN，LISP。ALGOL随之，乃有万种语。”我们都知道，LISP是基于递归函数的，FORTRAN是做科学计算的。现在的C等等，都比较像FORTRAN而不像LISP。可是很少有人知道，最初，FORTRAN是不支持函数递归调用的，而LISP 是一生下来就支持的，所有高级语言里面的递归调用，都是逐渐从LISP那里学来的。这段尘封的历史非常有趣，值得八卦一番。
一般人学编程，除了写Hello World之外，人生写的第二个程序，不是阶乘就是菲波拉契数列，要不就是汉洛塔。而这几个程序，基本上都是因为函数的递归调用才显得简单漂亮。没有递归的日子里，人民非常想念您。可是，第一版的FORTRAN就居然居然不支持递归。细心的读者要问了，不支持递归的语言能图灵完全么？当然可以，图灵机就是没递归的典型的例子。但是没递归调用的程序会很难写，尤其像汉诺塔这种。那么，FORTRAN他怎么就悍然不支持递归呢，让我们回到1960年。
话说当年，IBM是计算机行业的领军者。那时候的计算机，都是比柜子还大的大家伙，至于计算能力嘛，却比你的手机还弱。那时候计
算机所做的最多的事情，不是发邮件打游戏，而是作计算。作计算嘛，自然需要一种和数学语言比较接近的编程语言。于是，1960年，IBM就捣鼓出了FORTRAN，用行话说，就是公式翻译系统。这个公式翻译系统，就成了世界上第一个编程语言。这个编程语言能做数学计算，能作条件判断，能GOTO。用现在的眼光看，这个语言能构模拟图灵机上的一切操作，所以是图灵完全的。学过数值计算的同学都知道，科学计算无非就是一大堆数学计算按照步骤进行而已。所以，一些控制判断语句，数学公式加上一个数组，基本上就能完成所有的科学计算了。IBM觉得这个语言够用了，就发布了FORTRAN语言规范，并且在自家的大型机上实现了这个语言。
在实现这个语言的时候，IBM的工程师要写一个FORTRAN编译器（请注意那时候的大型机没有操作系统）。那时候的编译器都是用机器语言或者很低级的汇编语言写成的，所以编译器要越简单越好。这些工程师觉得，弄一个让用户运行时动态开辟内存的机制太麻烦了，所以干脆，强迫用户在写程序的时候，就要定好数组的大小，变量的类型和数目。这个要求并不过分，因为在科学计算中，数组的维度，用到的变量等，在计算之前，就是可以知道大小的。用现在的话说，就是不能动态开辟内存空间，也就相当于没有malloc的C，或者没有new的C++。这样的好处是，一个程序要多少内存，编译的时候就知道的一清二楚了。这个主意看上去很聪明，不过IBM的工程师比你想得更加聪明，他们想，既然一个程序或者子程序要多少内存在编译的时候都知道了，我们干脆就静态的把每个子程序在内存中的
编程语言翻译位置，子程序中参数，返回值和局部变量放的位置，大小都定好，不久更加整齐高效么。是的，我们都知道，在没有操作系统管理的情况下，程序的内存策略越简单越好，如果内存放的整整齐齐的，计算机的管理员就能够很好的管理机器的内存，这样也是一件非常好的事情。（再次强调，当年还没有操作系统呢，操作系统要等到1964年发布的IBM360才有，具体开发一个操作系统之难度可参考《人月神话》）。
可是，聪明的读者一下子就看出来了，这样静态的搞内存分配，就递不成归不了了。为啥呢？试想，我有个Fib函数，用来计算第N个菲波拉契数。这个函数输入一个整数，返回一个整数，FORTRAN编译器帮我把这个函数给静态分配了。好，我运行Fib(5)起来，FORTRAN帮我把5存在某个专门给输入参数的位置。我在Fib(5)里面递归的调用了Fib(4)，FORTRAN一看，哈，不还是Fib么，参数是4，我存。这一存，新的参数4，就把原来的5给覆盖掉了，新的返回值，也把原来的返回值给覆盖掉了。大事不好了，这么一搞，新的调用的状态居然覆盖了老的调用，这下，就没法返回原来的
Fib(5)了，这样一搞，怎么递归啊？
IBM这些写编译器的老前辈们，不是不知道这个问题，而是压根就鄙视提出这个问题的人：你丫科学计算递归什么呀，通通给我展开成循环，展不开是你数学没学好，想用递归，你就不要用FORTRAN 了。那时候IBM乃是老大，只有他们家才生产大型机，老大发话，下面的消费者只能听他的。
既然软件不支持，硬件也就可以偷工减料嘛，所以，硬件上，就压根没有任何栈支持。我们都知道，计算机发展史上，软件和硬件是相互作用的。我们现在也很难猜测，是IBM的软件工程师因为IBM的硬件工程师没有在硬件上设计出堆栈所以没有能在FORTRAN里面设计出递归调用呢，还是IBM的硬件工程师觉得既然软件没要求，我就不设计了呢？不管怎么样，我们看到的是，1960年前，所有的机器的硬件都没有直接支持栈的机制。熟悉CPU的都知道，现代CPU 里面，都有两个至关重要的地址寄存器，一个叫做PC，用来标记下一条要执行的指令的位置，还有一个就是栈顶指针SP。如果没有后者，程序之间的调用就会非常麻烦，因为需要程序员手工维护一个栈，才能保证程序之间调用最后还能正确的返回。而当年，因为FORTRAN压根就不支持递归，所以支持FORTRAN的硬件，就省去了栈指针了。如果一个程序员想要递归调用，唯一的实现方法，就是让程序员借用一个通用寄存器作为栈指针，自己硬写一个栈，而且不能用FORTRAN。
因为FORTRAN不支持递归调用，按照自然规律，自然会有支持递归的语言在同时代出现。于是，很快的，LISP和ALGOL这两个新语言就出道了。我们只说LISP.它的。创始人John McCarchy是MIT教授，也是人工智能之父，是学院派人物。他喜欢丘齐的那一套Lambda演算，而非图灵的机械构造。所以，LISP从一开始，就支持递归的调用，因为递归就是，lambda演算的灵魂.但是有两大问题摆在McCarchy面前。一是他的LISP理论模型不到一个可
以跑的机器，二是他的LISP模型中有一个叫做eval的指令，可以把一个字符串当成指令在运行时求值，
而这个，当时还没有人解决过。按照Paul Graham大叔在他的Hackers and Painters里面的说法，McCarchy甚至压根就不想实现这个eval指令，因为当IBM的一个叫Steve Russell的工程师宣称要实现eval的时候，McCarthy还连连摇手说理论是理论，实际是实际，我不指望这个能被实现。可是，Russell居然就把这两个问题一并给解决了（这哥们也是电子游戏创始人，史上第一个电子游戏就是他写的，叫Space War）。他的方法，说来也简单，就是写了一个解释器，让LISP在这个解释器里面跑。这个创举，让传统上编译－>运行的高级语言流程，变成了编写->解释执行的流程，也就是著名的REPL流程。他做的事情，相当于在IBM的机器上用机器码写了一个通用图灵机，用来解释所有的LISP指令。这个创举，就让LISP从理论走到了实践。
因为有了运行时的概念，LISP想怎么递归，就可以怎么递归，只要运行时支持一个软件实现的栈就可以了。上面我也说了，也就是写解释器的人麻烦一点而已，写LISP程序的人完全就可以不管下层怎么管理栈的了。同时，有了解释器，也解放了原来动态分配空间的麻烦，因为现在所有的空间分配都可以由解释器管理了，所以，运行时环境允许你动态的分配空间。对空间分配的动态支持，随之就带来了一项新技术：垃圾收集器。这个技术出现在LISP里面不是偶然的，是解释器的自然要求和归宿。在FORTRAN上本来被绕过的问题，就在LISP里面用全新的方法被解决了。LISP的划时代意义和解释器

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