摘要：两个事件把Python和Matlab两个词引入人们的视野，在讨论它们的有关话题的时候，需要对计算机程序语言做一个概括了解。在人类已经迈入信息化时代，即将进入人工智能时代的时候，芯片及相关的技术作为硬件的支撑，已得到人们的高度关注。但是，作为软件支撑的计算机程序语言、数据库系统和操作系统还未得到人们应有的重视，本文试图用通俗的语言，介绍一些关于计算机程序语言的那些事儿，并回答关于Python和Matlab的有关问题。
关于计算机程序语言的介绍和讨论，引发原因来自于以下两个事件。
此事也让流行起来的Python程序语言加了一把普及之火，大家都在问Python是什么？它能干什么？为什么地产大佬要学习它？目前网上网下的Python讲座和培训机构多如牛毛，甚至有些培训机构已把培训对象瞄准中小学生、少年儿童，并喊出了“Python编程从娃娃抓起”的口号。
Python是一种通用程序语言，Matlab是一种具有程序语言功能的软件平台，都涉及到计算机程序语言和软件编程的问题。要回答两个事件引发的诸多疑问，首先需要了解一下什么是计算机程序语言，了解程序语言的分类和特点，宏观地看一看Python和Matlab在其中所处的位置，以及它们的相互比较。这样一来，上述所有疑问就可以迎刃而解了。最后出于对我国信息技术产业的产业链、供应链安全的考虑，延伸探讨一下国产计算机程序语言的发展之路。
一、计算机程序语言简介
计算机程序语言是指人向计算机发送任务命令的语言。这种语言不同于人们日常使用的自然语言，计算机程序员可以读懂这种语言，计算机硬件也可以识别它并执行它。程序员按照程序语言编写的文件就是计算机程序，编写过程就叫做计算机编程，或者叫做程序设计。
人们学习一门计算机语言，就是要学习该语言的语句格式(类似于自然语言的语法)，包括常量、变量、运算符、分隔符、语句、段落、注释、子程序、宏定义和调用等等详细的语言规则。掌握了这些规则后，人们就可以编写针对不同应用的计算机程序了。
计算机程序语言有很多种，有些语言更贴近计算机硬件的特点，执行效率很高，速度很快，例如机器语言；有些更贴近于人的语言习惯，对人友好，易学，易记，易编程，例如高级语言；有些介于对硬件友好和对人友好之间的折中点，兼顾方便编程和执行效率。而且，不同程序语言推出的年代不同，各有不同的特色，各有不同的适用场合。长时间的积累和广阔的应用造成了程序语言大花园百花齐放，百家争鸣。不能一概而论地对这些程序语言进行评论，用户和市场才是最好的评判老师。
全世界计算机程序语言有个排行榜——TIOBE编程社区指数（The TIOBE ProgrammingCommunity Index），这是一个程序语言流行度指标。该指数每月更新一次，指数基于全球技术工程师、培训课程和第三方供应商的数量等来计算。流行的各大搜索引擎，如谷歌、必应、雅虎、维基百科、亚马逊、YouTube 和百度等都用来获取数据，最后形成每月的程序语言排行榜。
上图中， Python维持与去年相同的位置，排在第3位。Python于2007、2010、2018、2020年四度获得TIOBE程序语言年度大奖，它的关注度(下图绿线)在逐年攀升，已与关注度最高(下图黑线)但逐年下降的Java在2021年初重合，Python大有超越Java之势。Matlab由2020年同比20位跳升到今年的16位。目前，C、Java、Python和C++是计算机程序语言的四杰。
通常把贴近计算机硬件的语言称为低级语言，贴近计算机用户与人类自然语言接近的语言称为高级语言。如下图所示，程序语言由低级到高级分为四个层次：即机器语言、汇编语言、高级语言[3]和壳层脚本语言。高级语言还可以细分为面向对象的语言、可视化语言、专用语言等等。
评价程序语言优劣主要有两个标准：1.程序语言易记、易读、易学习。这是程序语言对计算机程序员的友好度；2.编写的程序执行速度快、效率高。这是程序语言对计算机硬件友好所带来的好处，但它带来了对程序员的不友好。对计算机硬件友好的程序语言一般是难记、难读、难学习。这两个评价标准是对立统一的两个方面，一般评价时要取其折中点。下图中，机器语言和壳层脚本语言是对硬件友好和对程序员友好的两个极端，前者执行效率很高但太难掌握，只适用于专业的计算机设计人员。后者执行效率不是很高但很容易学习和掌握，很适合一般程序员和非专业的人员编程使用。
图5.四类程序语言对用户友好度的示意图
1.机器语言(Machine Language)：机器语言主要是由计算机CPU的指令集(Instruction Set)构成的语言。机器语言的一个语句就是一条指令，是一串二进制代码，所以机器语言能够被计算机直接执行。机器语言很贴近计算机硬件，执行速度很快，程序很紧凑，占用内存很少。
学习机器语言就等同于学习计算机的指令集，用机器语言编程就等同于用指令集中的指令来编写程序。机器语言程序只能在对应指令集的计算机上运行，不能在不同指令集的计算机上运行。学习二进制代码表示的指令，编写、阅读和修改由二进制代码组成的程序，是一件十分困难和繁琐的工作。故而机器语言被称为低级语言。今天，除了计算机生产厂家的专业设计人员以外,绝大多数程序员已经不再去学习机器语言了。
机器语言的特点：难学、难记，由它编制的程序难阅读、难修改、易出错，但是占用内存很少，执行速度很快。
2.汇编语言(Assembly Language)：为了克服机器语言难学、难记，由它编写的程序难阅读、难修改、易出错的缺点，人们把二进制代码表示的指令用英文缩写词、字母和数字等助记符来表示，机器语言的一个语句是一串二进制代码，对应地在汇编语言中，这个语句就变成了由助记符组成的容易记忆的句子。可以说,汇编语言是用助记符替代表达的机器语言。所以，汇编语言是一种符号语言。
图6.汇编语言程序、汇编程序和机器语言程序的示意图
汇编语言程序要在计算机上执行，需要借助一个称为汇编程序的专门软件工具，把汇编语言程序(源程序)转换成机器语言程序(目标程序)，如上图所示。请注意汇编语言程序和汇编程序的区别，前者是转换对象，是要在计算机上运行并执行相应功能的程序，后者只是一个程序转换工具。
学习汇编语言就等同于学习计算机的指令的符号表达方法，以及汇编语言的语法。用汇编语言编程就是按照其语法，用指令助记符逐行写出程序语句。汇编语言程序也只能在对应指令集的计算机上运行，不能在不同指令集的计算机上运行。汇编语言也是一种低级语言。汇编语言用来编制计算机外部设备的驱动程序、系统软件和过程控制软件等,其目标程序占用内存空间少,运行速度快,有着高级语言不可替代的用途，特别是在小型单片机项目开发中，大多使用汇编语言。
汇编语言的特点：较难学、较难记，由它编制的程序较难阅读、较难修改。但是，还是比机器语言改善很多，占用内存很少，执行速度很快。
3.高级语言(High-levelLanguage)：不论是机器语言还是汇编语言都是面向计算机硬件的语言，所以对硬件的友好度高，对程序员的友好度低。具体地说就是难学、难记、难阅读、难修改、易出错。这对计算机的推广应用极为不利。因此，人们就寻求设计对程序员和计算机用户友好度高的程序语言。这种程序语言要求与人类自然语言相接近，并且能为计算机所接受，具体要求是语意确定、规则明确和通用易学。这种与自然语言相近并为计算机所接受的计算机语言称为高级语言。高级语言是面向用户的程序语言，用它编写的程序可以在不同指令集的计算机上运行，只要经过面向不同指令集的编译程序编译后，就可以在不同的计算机上执行。所以，高级语言是跨平台的程序语言。
图7.高级语言程序、编译程序和机器语言程序的示意图
如上图所示，高级语言程序要在计算机执行，需要借助一个称为编译程序的专门软件工具，把高级语言程序(源程序)转换成机器语言程序(目标程序)。请注意高级语言程序和编译程序的区别，前者是转换对象，是要在计算机上运行并执行相应功能的程序，后者只是一个程序转换工具。
高级语言的特点：易学、易记，由它编写的程序易阅读、易修改、易纠错，但是占用内存较多，执行速度比低级语言稍慢。
4.壳层脚本语言(Shell Script Language)：这是一种为计算机编写外壳层程序的程序语言，这种外壳层程序被称为壳层脚本(Shell Script)。壳层脚本中包含许多命令，这些命令要经过一个在操作系统上运行的命令解释器来解释执行，这个命令解释器被称为壳层(Shell)。Shell也可看作是一种人(用户)和机(计算机)接口界面，简称人机界面。壳层脚本语言也可看做是高级语言。
Shell基本上可以分为两大类，一类是图形界面Shell(GUI Shell)。另一类是命令行Shell(CLI Shell)。传统意义上的Shell一般指的是命令行Shell。但现在带图形界面交互式的Shell也很多，它也可以称为平台式的Shell，或者具有综合开发环境(IDE)式的Shell,例如可视化的专用开发平台Matlab、程序开发环境Visual Basic Script等。
图8.壳层脚本语言用来编程Shell Script并通过Shell解释运行的示意图
壳层脚本语言是一种解释性的语言。它既是一种程序语言，也是一种命令语言。例如Python、VB script、Java script、Install shield script、Action Script等,它不像C、C++等高级程序语言，需要经过编译程序翻译成二进制代码,才可以在计算机上执行。脚本语言不需要编译，它直接调用可执行的系统命令、外部程序、库程序和工具库等完成相关任务，脚本语言有循环控制和任务调度方面的语句，这些任务调度和控制的工作由Shell解释器来完成。
有些脚本语言由于具有解释执行、内存管理、动态管理的能力，可以完成较为复杂的项目，也可以用来编写应用程序，因此，这些脚本语言也可以看成是通用的高级的编程语言，例如Perl、Python、Ruby等。
壳层脚本语言的特点：简捷、易学、易记，由它编写的程序简短、易阅读、易修改。但是它不像通用高级语言，可以满足各方面的编程需要，它只适用于有些方面的工作，例如重复性的系统管理、交互式的事务处理、交互式的数据提取和分析等。
5.程序语言的分类：程序语言的种类很多，它们在计算机不同发展时期推出，针对不同应用，它们有着不同的设计理念。并且随着应用过程，程序语言之间在不断地互相借鉴、融合发展。任何一种程序语言不可能是万能的适用于各个方面，它们都有各自的优点和缺点。所以，未来还会不断有新的编程语言推出，特别是适合人工智能应用的程序语言，很值得我们期待。
以下把现有的程序语言简单地分为四类，脚本语言分类举例参考了后附的参考资料5。笔者没有对这些程序语言逐一作深入学习和研究，归入的类别可能不准确，敬请读者纠错指正。
图10.各种程序语言的大致分类
二、Python软件介绍
Python是一个脚本语言，也是一个结合了解释性、编译性、互动性和面向对象的高级语言。它的创始人是荷兰人吉多.范罗苏姆(Guido van Rossum)，他毕业于阿姆斯特丹大学，毕业后在荷兰数学和计算机科学研究学会(CWI）任职。由于不满足于当时CWI研究和使用的ABC语言，他希望设计一种程序语言，既能像C语言那样，可以管理和调用计算机的内部资源和功能接口等，又可以像shell那样，能轻轻松松地进行编程。1989年圣诞节期间，他为了打发圣诞节的无趣，决心开发一个新的脚本解释程序，作为ABC语言的一种继承和提升。自此，Python程序设计语言就诞生了。他是一个名叫Monty Python喜剧团体的爱好者，因而选用了Python(大蟒蛇)作为该程序语言的名字。
Python是一个免费开源的程序语言项目，是自由开放源码软件(Free Libre and Open Source Software，简称FLOSS)的一份子。Python用户可以自由地发布这个软件的拷贝、阅读它的源代码、对它做修改、把它的一部分用于其它自由软件中，也可以在别人的工作基础上来开发自己的项目。Python用户编写几行语句就能实现其它语言程序成百上千行语句所实现的功能。因此，Python用“人生苦短，Python是岸”作为广告词，Python社区的人气越来越旺，Python的程序库也越来越丰富。Python已经被移植在接近30种平台上，包括Linux、Windows、Macintosh、Solaris、OS/2、Amiga、AROS、AS/400、Palm OSAcom RISC OS、VxWorks、Windows CE、PocketPC、Symbian以及Google基于linux开发的android平台等等。
Python最初用于编写自动化脚本(shell)，随着版本的不断更新和语言新功能的添加，现在可以用于通用、独立的大型程序项目的开发。由于Python语言的简洁性、易读性以及可扩展性，这是Python语言目前大受欢迎的重要原因。在国外用Python做科学计算的研究机构日益增多，一些知名大学已经采用Python来教授程序语言和程序设计课程。
Web编程：Python有很多免费数据函数库、免费Web网页模板、与Web服务器进行交互的库，可以实现Web开发， Web框架搭建，目前比较有名气的Python Web框架为Django。
网络编程：网络编程在社会生活和项目开发中无处不在，哪里有通讯哪里就有网络，网络编程已成为一切开发的基石。Python可以很好地支持编程人员从协议、封包、解包等网络底层深入地理解网络，并完成网络编程工作。
爬虫开发：在爬虫领域Python几乎处在霸主地位，它可以抓取网络上一切数据资源，通过自动化过程进行有针对性数据处理，获得想要的分析结果。
云计算：Python是从事云计算开发必须掌握的一门程序语言。目前很火的云计算框架OpenStack就是由Python开发的，如果想要深入学习并进行二次开发，就需要具备Python的编程技能。
人工智能：NASA和Google早期大量使用了Python，为Python积累了丰富的科学运算库，当AI时代来临后，Python从众多程序语言中脱颖而出，各种人工智能算法都基于Python编写，尤其PyTorch之后，Python作为AI时代头牌语言的位置基本确立[10]。
自动化运维：Python是一门综合性的语言，能满足绝大部分自动化运行维护的需求，前端和后端都可以做出相应的管理程序。
金融分析：Python具有丰富的金融分析和数据分析的知识模块，包括Numpy、Pandas、Scipy等。这些可以应付常见的金融分析策略需求，例如双均线、周规则交易、羊驼策略、Dual Thrust交易等等。
科学运算：Python是一门很适合做科学计算的程序语言，从1997年开始，NASA就大量使用Python进行各种复杂的科学运算，随着NumPy、SciPy、Matplotlib、Enthought librarys等众多程序库的开发，使得Python越来越适合做科学计算、绘制高质量的2D和3D图像。
在该领域Python与Matlab直接竞争。
图14. Python科学运算和数据分析的图例
游戏开发：在网络游戏开发中，Python也有很多应用，相比于Lua或C++，Python比Lua有更高阶的抽象能力，它可以用更少的代码描述游戏的业务逻辑。
桌面软件：Python在图形处理上功能也很强大，可以用PIL、Tkinter、PyQT开发各种桌面软件和图形处理软件。
目前，除了很多职业程序员转向了用Python编程，还有很多非程序员也在学习Python，主要考虑了Python易学性和功能的完备性，特别是工商界、金融界人士可能看中了Python在爬虫开发、金融分析方面的优势，工程和科研人员看中了Python在科学运算方面的优势。
美国禁止我国部分军工高校和科研院所使用Matlab软件，必将迫使大家寻求备用科学运算软件，免费开源的Python语言将是首要的选择之一。
三、Matlab软件介绍
Matlab是美国MathWorks公司的一款商业化的高级计算机语言和具有交互式环境的数学软件。它用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等。Matlab包含大量算法库，拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便实现用户所需的各种计算功能。Matlab也可以用来代替底层程序语言，如C和C++。在相同计算要求情况下，使用Matlab编程的工作量会大大减少[9]。
国内许多知名高校都在使用Matlab，包括清华、北大、西安交大等理工科大学，当然哈工大和哈工程也不例外。它是教师、学生、科研人员和工程师进行教学、科研和工程项目的必备工具。美国限制我国科教人员使用Matlab，对我国乃至世界科教事业都将造成一定影响。
四、Python与Matlab的比较
关于科学计算和可视化数据分析，可能人们首先会想到Matlab软件。然而除了Matlab的一些专业性很强的工具箱还无法被替代之外，Matlab的大部分常用功能都可以在Python社区里找到相应的扩展库。把Python与Matlab相比，用Python做科学计算有如下优点[11]。
首先，Matlab是一款商用软件，并且价格不菲。而Python是免费开源的，众多开源的科学计算库都提供了Python的调用接口。用户可以在任何计算机上免费安装Python及其绝大多数扩展库。
其次，Python与Matlab相比，Python是一门更易学、更严谨的程序设计语言。它能让用户编写出更易读、易维护的程序来。
再次，人工智能方面Python要强于Matlab，在机器学习方面，依靠Scikit-learn，Python从模型个数和API统一性上完爆Matlab。在深度学习方面，Python的Pytorch、TensorFlow更有特点。
最后，Matlab主要专注于工程和科学计算。然而即使在计算领域，也经常会遇到文件管理、界面设计、网络通信等各种需求。而Python有着丰富的扩展库，可以轻易完成这些高级任务，开发者可以用Python实现完整应用程序所需的各种功能。
五、如何实现基础软件自主可控
程序语言和操作系统、数据库系统一样，是最重要的基础软件之一。可惜目前这些基础软件的核心技术都掌握在国外公司手中。程序语言种类很多，流派也很多，但基本上都是外国人开发出来的。上世纪80年代以来，我们一直都在学习和应用，中国软件产业体量很大，软件从业人员众多，也产生了许多软件和互联网巨头公司，但是，基本上都是在应用层面的软件上创新和发展。
形成这种现状的原因，一是在计算机技术领域国外一开始就领先于我们，他们是领跑者，我们是后来者，这是客观原因。二是在基础研究和源头创新方面，要承认我们与国外的差距，我们乐于用现成的东西，不愿意做基础研究和源头创新，这是主观原因。根据资料介绍，许多程序语言的推出，包括基础性、原创性发明，最早都是国外大学和研究机构的教授、科研人员和学生为了追求个人兴趣的率性而为，持之以恒，最后成就了一个个基础性、原创性发明的传奇。Python语言创始人吉多.范罗苏姆(Guidovan Rossum)就是这样的例子。
长期以来，我们的程序员已经很习惯于用国外基础软件完成自己的应用软件的开发。所以，80后的程序员给自己起了个很贴切的名字“码农”，他们想法很简单，哪种基础软件好学、好用、效率高，就用它在自己的软件“农场”里“堆码”。每当国外出现更好的软件技术，“码农”们雀跃一番、学习一番、应用一番。我们软件产业就这么一路走来，规模不断壮大，核心基础技术一直处于空心化状态。
经验丰富的老“码农”肯定对现有的基础软件也有自己的评判，也有自己改进的想法，但是要迈出基础和源头创新的第一步，实在太难。权衡利弊得失，唯有维持现状。因为我们从小受到的教育都是功利性的。例如多数情况下，小学生学乐器是为了考级加分，而不是为了陶冶情操；高考选专业第一考虑因素是行业薪酬是否高？就业是否容易？而不是出于个人兴趣爱好；从业人员也都想在尽可能短的时间内提升自己，获得财富和名誉，习惯于作“值不值得做”的考量、“功利得失”的权衡。所以很少有人沉下心来做自己兴趣之内的事情，更不愿从事投入大见效慢的基础性原创性的研究开发。
个人的功利算计和趋利选择并没有对错，但长此以往，社会将会为之付出代价，中美科技战中暴露了我们基础研究和源头创新能力薄弱的短板就是明证。而且，如果要依靠社会自发的力量补掉这些短板，不是短时间能完成，可能需要从教育理念，社会价值取向方面大力改革，可能需要几代人努力才能实现。
不像芯片产业受到设计工具、材料、设备和工艺等太多的技术制约，基础软件实现自主可控主要依靠人才队伍建设和知识积累。只要发挥我国体制机制的优越性，加强顶层设计和规划，政产学研共同发力，在较短时间内摆脱基础软件完全依赖国外局面，实现程序语言、数据库系统和操作系统等基础软件自主可控的目标是可以期待的。
目前，开源RISC-V可能是CPU实现自主可控的希望，开源Python可能是程序语言实现自主可控的基础，希望国内软件科技工作者和程序员努力，既以自己的兴趣爱好书写软件创新的传奇，也以“面向国家重大需求”的功利心，积极投身到软件基础研究和源头创新的伟大事业中去，加油！
结语：Python和Matlab是众多程序语言的两种，Matlab是专门的数值计算和可视化数据分析商业软件，它在数值计算这个领域库最多、用户最多、资源最多，价格也比较贵，还有被美国政府禁售的危险。它在数值计算以外领域就很少有人用了。Python是一门易学、易用的通用程序语言，而且是免费开源的，Python社区的可用资源丰富，是人气很旺并越来越旺的程序语言，大部分应用场合可以替代Matlab。Python在人工智能领域的应用也很优秀，它是中国发展自主可控的程序语言的良好基础。
参考资料：
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