大学计算机课件：现代编程语言与技术探究

现代编程语言与技术探究欢迎来到现代编程语言与技术探究课程！本课程旨在引领学生深入了解当今软件开发领域的核心编程语言及其相关技术我们将系统地介绍各种编程语言的特性、应用场景以及发展趋势，为学生构建扎实的编程基础，提升解决实际问题的能力通过本课程的学习，学生将能够更好地适应快速变化的IT行业，为未来的职业发展做好充分准备课程介绍目标与内容课程目标课程内容12使学生掌握现代编程语言的基涵盖编程语言发展史、常见现本概念、语法和常用库；熟悉代编程语言（Python、Java、软件开发的基本流程和工具；JavaScript、Go、Rust等）、培养解决实际问题的能力和创编程范式、软件工程基本原则新思维、版本控制、持续集成/持续部署、容器化技术、云计算、微服务架构、API设计、数据库技术、大数据处理技术以及人工智能与机器学习简介课程形式3理论讲解、案例分析、实践操作、小组讨论、项目实战相结合，注重培养学生的动手能力和团队协作精神编程语言发展史概览早期时代1从机器语言到汇编语言的演进，简化了编程的复杂性，但仍然依赖于硬件高级语言的诞生2Fortran、COBOL等高级语言的出现，提高了编程效率和可移植性面向对象编程3C++、Java等语言的兴起，带来了模块化和可重用性的优势现代编程语言4Python、Go、Rust等语言的涌现，强调简洁、安全和并发机器语言与汇编语言机器语言汇编语言特点计算机能够直接识别和执行的二进制使用助记符代替机器指令，提高了可机器语言和汇编语言都属于低级语言代码，由0和1组成不同的计算机硬读性需要通过汇编器转换成机器语，直接操作硬件，执行效率高，但可件平台具有不同的机器语言言才能执行移植性差，编程复杂高级语言的诞生与演变高级语言编译型语言12更加抽象和人性化，使用需要通过编译器将源代码自然语言的语法和逻辑，转换成机器代码才能执行易于理解和编写例如，例如，C、C++、Java等Fortran、C、Java、Python等解释型语言3不需要编译，而是通过解释器逐行解释执行例如，Python、JavaScript等高级语言的演变推动了软件开发的进步，使得程序员能够更加专注于业务逻辑，而不是底层硬件细节编译型语言与解释型语言编译型语言解释型语言对比源代码需要通过编译器一次性转换成源代码不需要编译，而是通过解释器编译型语言适合对性能要求较高的场机器代码，然后才能执行执行效率逐行解释执行可移植性好，但执行景，解释型语言适合快速开发和跨平高，但可移植性相对较差例如，C效率相对较低例如，Python、台部署的场景、C++、Go等JavaScript等静态类型与动态类型静态类型动态类型类型推断在编译时确定变量的类型类型在运行时确定变量的类型更加一些现代语言（如Go、Rust）支错误在编译阶段就能发现，有助灵活，但类型错误只能在运行时持类型推断，可以在编译时自动于提高代码的可靠性例如，才能发现例如，Python、推断变量的类型，既保证了类型Java、C++等JavaScript等安全，又提高了开发效率现代编程语言的特点简洁性与表达能力语法简洁易懂，能够用更少的代码表达更复杂的逻辑安全性与可靠性提供更强的类型检查、内存管理和错误处理机制，减少程序出错的可能性并发性与异步编程支持高效的并发和异步编程，能够充分利用多核处理器的性能模块化与组件化易于将代码组织成模块和组件，提高代码的可重用性和可维护性简洁性与表达能力简洁的语法强大的表达能力示例现代编程语言通常具有简洁的语法，现代编程语言提供了丰富的特性和工例如，Python的列表推导式可以用一减少了冗余的代码，提高了代码的可具，能够用更少的代码表达更复杂的行代码实现复杂的数据处理操作读性逻辑安全性与可靠性类型安全内存安全错误处理静态类型语言可以在编译时检查一些语言（如Rust）提供了安全现代编程语言通常提供完善的错类型错误，动态类型语言通常提的内存管理机制，避免了内存泄误处理机制，例如异常处理和错供更强的类型检查机制漏和悬挂指针等问题误码返回并发性与异步编程并发1多个任务同时执行，可以充分利用多核处理器的性能异步编程2允许程序在等待I/O操作完成时继续执行其他任务，提高了程序的响应速度现代语言的支持3Go的goroutine和channel、Python的asyncio、JavaScript的Promise等都提供了强大的并发和异步编程支持模块化与组件化模块化1将代码组织成独立的模块，每个模块负责特定的功能组件化2将模块组合成更大的组件，组件可以独立部署和维护好处3提高代码的可重用性、可维护性和可测试性常见现代编程语言介绍Python简介特点应用场景一种高级、通用、解释型编程语言语法简洁、易于学习、可读性强、拥Web开发、数据分析、人工智能、自由Guido vanRossum于1989年发明，有丰富的库和框架动化脚本等并于1991年首次发布的特点与应用场景Python特点1语法简洁、易于学习、可读性强、动态类型、拥有丰富的库和框架开发Web2Django、Flask等框架简化了Web应用的开发过程数据分析3NumPy、Pandas、Matplotlib等库提供了强大的数据处理和可视化能力人工智能4TensorFlow、PyTorch等库简化了机器学习和深度学习模型的开发的语法基础Python变量与数据类型控制流Python是一种动态类型语言Python提供了if语句、for循，不需要显式声明变量的类环、while循环等控制流语句型常见的数据类型包括整，用于控制程序的执行流程数、浮点数、字符串、列表、元组、字典等函数与模块Python支持函数和模块的定义和使用，可以将代码组织成模块化的结构，提高代码的可重用性的常用库介绍PythonNumPy PandasMatplotlib用于科学计算，提供用于数据分析，提供用于数据可视化，提了高性能的多维数组了灵活的数据结构和供了丰富的绘图功能对象和各种数学函数数据分析工具常见现代编程语言介绍Java简介特点应用场景一种高级、面向对象、跨平台的编程跨平台、面向对象、安全性高、拥有企业级应用开发、Android应用开发语言由Sun Microsystems于1995年丰富的库和框架、Web应用开发等推出的特点与应用场景Java特点企业级应用开发12跨平台、面向对象、安全性高、自动内存管理、拥有丰Java EE平台提供了丰富的API和框架，适用于开发大型富的库和框架企业级应用应用开发应用开发Android Web34Android SDK使用Java语言进行开发，Java是Android应Spring、Struts、Hibernate等框架简化了Web应用的开用开发的主要语言发过程的虚拟机（）Java JVMJVM1Java虚拟机（JVM）是Java程序运行的基础它负责将Java字节码翻译成机器代码，并在不同的平台上执行跨平台2JVM的存在使得Java程序可以在不同的操作系统上运行，实现了“一次编写，到处运行”的目标内存管理3JVM负责Java程序的内存管理，包括内存分配和垃圾回收，减轻了程序员的负担的常用框架介绍JavaSpring HibernateStruts一个全面的企业级应一个ORM框架，用于一个MVC框架，用于用开发框架，提供了将Java对象映射到数开发Web应用依赖注入、AOP等特据库表性常见现代编程语言介绍JavaScript简介特点应用场景一种高级、解释型编程语言最初用动态类型、基于原型、事件驱动、异Web前端开发、Web后端开发（于Web浏览器，现在也可以在服务器步编程Node.js）、移动应用开发（React端运行（Node.js）Native、Ionic）等的特点与应用场景JavaScript特点前端开发Web12动态类型、基于原型、事件驱动、异步编程、跨平台JavaScript是Web前端开发的主要语言，用于实现用户交互和动态效果后端开发（）移动应用开发（、）Web Node.js React Native Ionic34Node.js允许JavaScript在服务器端运行，可以用于开发ReactNative和Ionic等框架允许使用JavaScript开发跨Web API和后端服务平台移动应用的运行环境浏览器与JavaScript Node.js浏览器对比Node.jsJavaScript最初是为浏览器设计的，Node.js是一个基于Chrome V8引擎的浏览器和Node.js提供了不同的用于实现用户交互和动态效果浏览JavaScript运行时环境，允许JavaScript运行环境，适用于不同的器提供了JavaScript的运行环境，包JavaScript在服务器端运行Node.js应用场景浏览器主要用于Web前端括DOM、BOM等API提供了丰富的模块和API，可以用于开开发，Node.js主要用于Web后端开发发Web API和后端服务的常用框架介绍JavaScriptReact AngularVue一个用于构建用户界面的JavaScript一个用于构建Web应用的JavaScript一个用于构建用户界面的JavaScript库，由Facebook开发框架，由Google开发框架，易于学习和使用常见现代编程语言介绍Go简介特点应用场景一种由Google开发的编程语言于简洁、高效、并发性强、易于部署云计算、容器化、微服务等2009年首次发布的特点与应用场景Go特点1简洁、高效、并发性强、静态类型、编译型、易于部署云计算2Go语言在云计算领域得到了广泛应用，例如Docker、Kubernetes等容器化3Go语言非常适合开发容器化应用，可以快速构建轻量级的容器微服务4Go语言可以用于开发高性能的微服务，易于扩展和维护的并发编程支持GoGoroutine1Go语言的goroutine是一种轻量级的线程，可以并发执行大量的任务Channel2Go语言的channel用于goroutine之间的通信，可以安全地传递数据Select3Go语言的select语句可以用于监听多个channel，并在其中一个channel准备好时执行相应的操作的常用库介绍Gonet/http database/sql encoding/json用于开发Web应用和用于数据库操作用于JSON数据的编API码和解码新兴编程语言Rust简介特点应用场景一种由Mozilla开发的系统编程语言安全、并发、高性能操作系统、嵌入式系统、于2010年首次发布WebAssembly等的特点与应用场景Rust特点1安全、并发、高性能、零成本抽象、内存安全操作系统2Rust可以用于开发操作系统内核和驱动程序嵌入式系统3Rust可以用于开发嵌入式系统，具有高性能和低内存占用的优势WebAssembly4Rust可以编译成WebAssembly，用于开发高性能的Web应用的安全特性Rust所有权系统1Rust的所有权系统可以保证内存安全，避免了内存泄漏和悬挂指针等问题借用检查器2Rust的借用检查器可以在编译时检查代码的借用规则，避免了数据竞争等问题生命周期3Rust的生命周期可以保证引用的有效性，避免了悬挂引用等问题的性能优势Rust零成本抽象Rust的零成本抽象允许程序员使用高级特性，而不会引入额外的运行时开销1高性能2Rust具有接近C++的性能，可以用于开发高性能的应用内存安全3Rust的内存安全特性可以避免内存泄漏和悬挂指针等问题，提高了程序的可靠性编程范式面向对象编程简介特点应用场景一种以对象为中心的编程范式通过封装、继承、多态、抽象图形界面开发、游戏开发、企业级应封装、继承和多态等特性，实现代码用开发等的模块化和可重用性面向对象编程的基本概念类对象封装一种抽象的数据类型，用于描述类的实例，具有类定义的属性和将数据和方法封装在对象内部，对象的属性和行为行为隐藏对象的内部实现细节继承多态允许一个类继承另一个类的属性和方法，实现代码的允许使用相同的接口访问不同类型的对象，实现代码重用的灵活性类、对象、继承、多态类定义对象的模板，包含属性和方法对象类的实例，具有具体的属性值和行为继承子类继承父类的属性和方法，实现代码重用多态允许使用父类类型的引用指向子类对象，实现灵活的接口调用面向对象编程的实践封装1将数据和行为封装在对象内部，提高代码的安全性继承2使用继承实现代码的重用，减少代码的冗余多态3使用多态实现灵活的接口调用，提高代码的扩展性编程范式函数式编程简介特点应用场景一种以函数为中心的编程范式强调纯函数、不可变性、高阶函数、无副数据处理、并发编程、Web开发等纯函数、不可变性和高阶函数等概念作用函数式编程的基本概念纯函数不可变性函数的输出只依赖于输入，数据一旦创建就不能被修改没有副作用高阶函数可以接受函数作为参数或返回函数的函数纯函数、不可变性、高阶函数纯函数相同的输入总是产生相同的输出，没有副作用不可变性数据一旦创建就不能被修改，避免了并发问题高阶函数可以接受函数作为参数或返回函数的函数，提高了代码的灵活性函数式编程的实践使用纯函数1避免副作用，提高代码的可测试性使用不可变数据2避免并发问题，提高代码的可靠性使用高阶函数3提高代码的灵活性，实现代码的重用软件工程基本原则单一职责原则开闭原则里氏替换原则接口隔离原则一个类或模块应该只负责软件实体应该对扩展开放子类应该可以替换父类，客户端不应该依赖它不需一个职责，对修改关闭而不会影响程序的正确性要的接口设计模式介绍单例模式工厂模式保证一个类只有一个实例，定义一个用于创建对象的接并提供一个全局访问点口，让子类决定实例化哪个类观察者模式定义对象之间的一对多依赖关系，当一个对象的状态发生改变时，所有依赖它的对象都会得到通知并自动更新代码质量与规范代码规范1统一的代码风格，提高代码的可读性代码审查2通过代码审查发现潜在的问题，提高代码的质量代码重构3改进代码的结构，提高代码的可维护性测试驱动开发（）TDD编写测试用例1在编写代码之前，先编写测试用例运行测试用例2运行测试用例，确保测试用例失败编写代码3编写代码，使测试用例通过重构代码4重构代码，提高代码的质量版本控制工具Git简介特点应用场景一种分布式版本控制系统，用于跟踪分布式、高效、灵活代码管理、协作开发等文件的修改历史的基本使用Gitgit initgit addgit commit初始化一个新的Git仓库将文件添加到暂存区将暂存区的文件提交到本地仓库git pushgit pull将本地仓库的提交推送到远程仓库从远程仓库拉取最新的提交分支管理策略主分支1用于发布稳定的版本开发分支2用于开发新的功能特性分支3用于开发独立的特性修复分支4用于修复Bug持续集成持续部署（）/CI/CD持续集成1频繁地将代码集成到共享仓库持续部署2自动化地将代码部署到生产环境好处3提高开发效率、减少Bug、快速发布新版本容器化技术Docker简介特点应用场景一种容器化技术，用于将应用及其依轻量级、可移植、可扩展应用部署、测试、隔离等赖打包成一个容器，可以在不同的环境中运行的基本概念Docker镜像容器只读的模板，包含应用及其镜像的运行实例，可以启动依赖、停止、删除仓库用于存储和分享镜像的应用场景Docker应用部署1将应用打包成Docker镜像，可以在不同的环境中快速部署测试2使用Docker容器进行测试，可以保证测试环境的一致性隔离3使用Docker容器隔离不同的应用，提高安全性虚拟化技术Virtual Machines虚拟机1一种虚拟化的技术，可以在一台物理机上运行多个操作系统Hypervisor2虚拟机管理器，负责管理虚拟机应用场景3服务器虚拟化、桌面虚拟化等云计算简介定义特点应用场景一种按需提供计算资源的服务模式按需付费、弹性伸缩、高可用性Web应用、大数据处理、人工智能等用户可以根据需要获取计算、存储、网络等资源，而无需购买和维护硬件云计算的服务模式、IaaS、PaaS SaaSIaaSPaaS基础设施即服务，提供计算平台即服务，提供应用开发、存储、网络等基础设施资和部署平台用户只需要开源用户可以自己安装和管发和部署应用，无需关心底理操作系统、应用等层的基础设施SaaS软件即服务，提供完整的应用用户只需要使用应用，无需关心底层的基础设施和平台现代编程技术微服务架构定义1一种将应用拆分成多个小型服务的架构每个服务都可以独立部署、扩展和维护特点2独立部署、弹性伸缩、技术多样性应用场景3大型Web应用、移动应用等微服务架构的优势与挑战优势1独立部署、弹性伸缩、技术多样性、容错性高挑战2服务发现、服务治理、分布式事务、监控和日志管理设计与管理API设计原则管理API APIAPI应用程序接口，用于不同应用之间的RESTful、易于使用、安全、可扩展API网关、API监控、API安全通信数据库技术关系型数据库与数据库NoSQL关系型数据库数据库对比NoSQL基于关系模型的数据库，使用SQL非关系型数据库，适用于存储非关系型数据库适用于结构化数据进行数据管理例如，MySQL、结构化数据例如，MongoDB、，NoSQL数据库适用于非结构化PostgreSQL、Oracle Redis、Cassandra数据大数据处理技术与HadoopSparkHadoop1一种分布式计算框架，适用于处理海量数据Spark2一种快速的分布式计算引擎，适用于实时数据处理和机器学习应用场景3数据分析、数据挖掘、机器学习等人工智能与机器学习简介人工智能1一种模拟人类智能的技术机器学习2一种使计算机能够从数据中学习的技术应用场景3图像识别、语音识别、自然语言处理等。