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编程语言漫谈

2016-6-5 10:10    评论: 3    

写在前边:我们知道现有语言的编程范式有:过程式,面向对象,函数式,逻辑式。随着软件工业化程度的普及,以及软件的复杂度越来越高,编程语言的发展历程也是从最初的过程式(命令式)语言c,发展到以java语言为代表的面向对象编程语言。而逻辑编程语言(以prolog为代表)和函数式语言(lisp系列)还多用在学术和人工智能领域中。

近几年,随着多核,云计算时代的到来。函数式编程语言逐渐浮出水面,最经典的语言以scheme、common-lisp、ml、clojure、go为代表。最近的jdk8也逐步加入了functional、closure、lambda等语法,而且scala的作者也越来越推崇编码者以函数式语言的思维来coding。可见编程语言的发展也是满足时代的变化不断变化着。从其中的发展历程中我们可以看到:技术的发展都是在围绕着解决“软件的复杂度”这个基本的需求而发展的。

一、 编程语言概述

编程语言是计算机的符号,是人和计算机交流的语言。我们学习一门新的编程语言时,应该观察这门语言的那些特性呢?《SICP》一书的作者列举了一下三点:

  • 基本元素primitive elements
  • 组合手段means of combination
  • 抽象手段means of abstraction

以上3个特性,基本上涵盖了所有编程语言的特性,并且也是一个语言设计者从开始就要考虑的。我对这三点的理解:“基本元素”表示语言的基本符号(基本数据类型,关键字等)也就是词法部分。“组合手段”利用基本元素通过组合的过程构建大型程序的手段,不同的语言提供的组合手段是不同的。“抽象手段”表示抽象,抽象是解决软件复杂度的重要手段,让软件的可读性,可扩展,可重复利用等得到提升。

下边会从组合元素和抽象手段来对比语言特性。

二、 组合手段

汇编语言:算是最简单的词法和语法形式了,被称作低级语言。汇编器通过直译的过程将汇编代码翻译为native code(cpu指令集)。 提供的基本元素有:数字,字符,-,+,*,/ , case,if, break, go,指令等基本元素;通过这些元素组合成计算机执行序列符号。

c语言相比汇编语言更高级,让程序员脱离和cpu,寄存器,内存直接打交道的工作,提供了更多的组合手段:比如数组,结构体等数据结构。

java语言自称是面向对象语言,所以比c语言更进一步,通过强大的类型系统手段来组合属性和方法。

go语言和ML语言非常相仿,“接口”,"高阶函数“,”闭包“,"duck type","返回多值”,并提供goroutine等来组合。

prolog语言完全是模式匹配的逻辑语言。他的思想基于:世间所有的定理都给予一个最简单的定理推理而来,就像数学的基础是“1+1=2”,然后才能推导出“万有引力”,“相对论”等定律。

lisp方言以s-expression(著名的S表达式)来组合数据和函数。在lisp中不区分数据和函数,一切皆为数据。

题外话:lisp方言是和图灵机的思想一脉相承的,编码的时候完全感受不到计算机体系结构。而其他语言更多的是冯·洛伊曼的计算,存储思想而设计,要么是“堆栈”结构,要么是“寄存器”结构;

三、 抽象手段

从c语言开始,以函数为单元提供了对程序的抽象。这样大大的提高了程序的可复用,模块化等。让团队合作编码也成为可能。
面向对象编程:基本上隐藏了计算机的细节,开发者通过对象来抽象具体业务。但严格意义上来说java也属于imperative-lang的范畴而且都是传值调用。相比来说,python,ruby更面向对象一些,python融合了面向对象和函数式编程范式,更接近自然语言些。

以lisp为代表的函数式语言:以函数为基本和唯一的抽象;common-lisp也基于宏开发了一套object-oriented的编程方式。我比较倾向于函数式编程理念:函数的无副作用(不用考虑线程安全,特别是对于变态的Haskell),高阶函数,闭包,lambda等。

四、 类型系统

大家平时经常会说:javascript是一个弱类型的语言,java语言是强类型的语言。将编程语言从类型系统的角度区分语言也很有趣。一般来说弱类型语言更偏向自然语言一些,语法也很自由活泼些。而现今语言的走势也趋向与弱类型方向。

计算机是结构化很强的,堆栈上一个二进制位的错误就会导致溢出,bus等错误。所以语言层面的自由得益于编译器或者解释器的功劳。比如java,c等语言有很强的编译时类型检测机制,强类型的好处驱使编码人员写出很少有语法,语义错误的代码,对IDE的支持也便捷,是大型技术团队的合作基石。

弱类型语言让我们获取了自由(不需要类型信息),让程序员少敲了许多键盘。自由是有代价的,编译器或解释器中内含类型推理(infer type); (类型推理是利用归一方法,基于上下文中的变量显式类型,操作符,返回值等信息,利用栈和逐渐替换的过程来推到出类型。) 弱类型虽然可以轻松编译通过(或者不需要编译而是解释执行),但也是有类型检查过程的,只是将此过程延迟到运行时了。所以弱类型语言结构化不强,编码时很难确保类型无误,IDE支持较难。但是通过一些分析器可以不断的检测语法,语义错误,相当于达到了强类型语言的IDE效果。近几年语言的方向朝着逐渐脱离计算机体系结构,向自然语言方向在演进,程序员像艺术家一样用代码自由描绘。

五、编译/解释

java语言是解释型还是编译型的呢? 这个很难说,从java source code -> class byte code 的过程式javac编译器的过程。但是 byte code 在jvm上执行的过程可能是解释执行也可能是编译执行的。解释型和编译型的内部都遵从编译原理的过程:词法分析-> 语法分析->语义解析 -> 编译器后端-> native code的过程。 但有各自的优点:

  • 解释器:加载code速度快;解释器需要维护运行时上下文等信息。所以加载必要的代码,片段解释执行。但是对于相同的代码都经过编译过程就很多余,造成时间浪费。
  • 编译器:执行速度快。而且编译器后端也更容易优化中间代码,因为优化过程式一个结构化过程:往往需要遍历整个中间代码,整体优化代码,提高运行效率。 
  • runtime:一般来说解释型语言需要在内存维护运行时上下文信息,服务于运行过程中变量的查找,绑定,scope等。 而编译语言基于寄存器堆栈模型执行代码,基本上数据绑定都在栈结构中完成,运行速度稍微快一些;

hotspot-jvm结合了解释和编译的各自优点;最先解释执行过程,如果方法被频繁执行,而且达到热点(hotspot),jvm会启动编译过程,将次代码编译为native-code,然后缓存起来,下一次的调用直接执行即可。hotspot-jvm执行基于堆栈指令bytecode, 这一点也是基于跨平台的考虑而牺牲了寄存器指令; (而基于android操作系统上的dalvik虚拟机是基于寄存器指令的);

所以说,语言的设计往往是一个权衡过程;获取的“自由”越多,"牺牲“也更大。

六、 总结

alt 最初从图灵为了解决莱布尼茨提出的:是否存在一个通用模型来解决一切计算任务这个命题,发明了图灵机理论。到冯洛伊曼仿真人脑神经元思考过程产生第一台基于存储器,运算器的计算机ENIAC,至今,计算机硬件技术并没有实质性的变化,只是随着摩尔定律的破灭,人们发展了多级高速缓存,多核,多cpu技术来支撑越来越大的计算任务。 在这个过程中,随着人们对逻辑学,符号学,算法的不断研究,用来和计算机交互的语言也越来越抽象和丰富。我们通过这个形象的符号来抽象时间和空间,通过这个形象的符号来解决软件的复杂性问题,通过这个符号来和计算机传达我们的思想。

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何亮 [Chrome 49.0|Windows 7] 2016-6-24 13:35
感觉讲的很有内涵
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来自广东广州的 Firefox 47.0|GNU/Linux 用户 2016-6-18 14:59
还行吧,随便看看
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来自重庆的 Chrome 24.0|Windows 7 用户 2016-6-11 19:09
老师布置的作业?
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来自广东广州的 Firefox 47.0|GNU/Linux 用户 2016-6-18 14:59
还行吧,随便看看
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