編程語言漫談

寫在前邊：我們知道現有語言的編程范式有：過程式，面向對象，函數式，邏輯式。隨著軟件工業化程度的普及，以及軟件的復雜度越來越高，編程語言的發展歷程也是從最初的過程式（命令式）語言c，發展到以java語言為代表的面向對象編程語言。而邏輯編程語言(以prolog為代表）和函數式語言(lisp系列）還多用在學術和人工智能領域中。

近幾年，隨著多核，雲計算時代的到來。函數式編程語言逐漸浮出水面，最經典的語言以scheme、common-lisp、ml、clojure、go為代表。最近的jdk8也逐步加入了functional、closure、lambda等語法，而且scala的作者也越來越推崇編碼者以函數式語言的思維來coding。可見編程語言的發展也是滿足時代的變化不斷變化著。從其中的發展歷程中我們可以看到：技術的發展都是在圍繞著解決“軟件的復雜度”這個基本的需求而發展的。

一、 編程語言概述

編程語言是計算機的符號，是人和計算機交流的語言。我們學習一門新的編程語言時，應該觀察這門語言的那些特性呢？《SICP》一書的作者列舉了一下三點：基本元素（primitive elements）

組合手段（means of combination）

抽象手段（means of abstraction）

以上3個特性，基本上涵蓋了所有編程語言的特性，並且也是一個語言設計者從開始就要考慮的。我對這三點的理解：“基本元素”表示語言的基本符號（基本數據類型，關鍵字等）也就是詞法部分。“組合手段”利用基本元素通過組合的過程構建大型程序的手段，不同的語言提供的組合手段是不同的。“抽象手段”表示抽象，抽象是解決軟件復雜度的重要手段，讓軟件的可讀性，可擴展，可重復利用等得到提升。

下邊會從組合元素和抽象手段來對比語言特性。

二、 組合手段

匯編語言：算是最簡單的詞法和語法形式了，被稱作低級語言。匯編器通過直譯的過程將匯編代碼翻譯為native code(cpu指令集）。 提供的基本元素有：數字，字符，-，+，*，/ ， case,if, break, go，指令等基本元素；通過這些元素組合成計算機執行序列符號。c語言相比匯編語言更高級，讓程序員脫離和cpu,寄存器,內存直接打交道的工作，提供了更多的組合手段：比如數組，結構體等數據結構。

java語言自稱是面向對象語言，所以比c語言更進一步，通過強大的類型系統手段來組合屬性和方法。

go語言和ML語言非常相仿，“接口”，"高階函數“，”閉包“，"duck type","返回多值”，並提供goroutine等來組合。

prolog語言完全是模式匹配的邏輯語言。他的思想基於：世間所有的定理都給予一個最簡單的定理推理而來，就像數學的基礎是“1+1=2”,然後才能推導出“萬有引力”，“相對論”等定律。

lisp方言以s-expression（著名的S表達式）來組合數據和函數。在lisp中不區分數據和函數，一切皆為數據。

題外話：lisp方言是和圖靈機的思想一脈相承的，編碼的時候完全感受不到計算機體系結構。而其他語言更多的是馮·洛伊曼的計算,存儲思想而設計，要麼是“堆棧”結構，要麼是“寄存器”結構；

三、 抽象手段

從c語言開始，以函數為單元提供了對程序的抽象。這樣大大的提高了程序的可復用，模塊化等。讓團隊合作編碼也成為可能。面向對象編程：基本上隱藏了計算機的細節，開發者通過對象來抽象具體業務。但嚴格意義上來說java也屬於imperative-lang的范疇而且都是傳值調用。相比來說,python,ruby更面向對象一些，python融合了面向對象和函數式編程范式，更接近自然語言些。

以lisp為代表的函數式語言：以函數為基本和唯一的抽象；common-lisp也基於宏開發了一套object-oriented的編程方式。我比較傾向於函數式編程理念：函數的無副作用（不用考慮線程安全，特別是對於變態的Haskell），高階函數，閉包,lambda等。

四、 類型系統

大家平時經常會說：javascript是一個弱類型的語言，java語言是強類型的語言。將編程語言從類型系統的角度區分語言也很有趣。一般來說弱類型語言更偏向自然語言一些，語法也很自由活潑些。而現今語言的走勢也趨向與弱類型方向。計算機是結構化很強的，堆棧上一個二進制位的錯誤就會導致溢出，bus等錯誤。所以語言層面的自由得益於編譯器或者解釋器的功勞。比如java,c等語言有很強的編譯時類型檢測機制，強類型的好處驅使編碼人員寫出很少有語法，語義錯誤的代碼，對IDE的支持也便捷，是大型技術團隊的合作基石。

弱類型語言讓我們獲取了自由（不需要類型信息），讓程序員少敲了許多鍵盤。自由是有代價的，編譯器或解釋器中內含類型推理(infer type); （類型推理是利用歸一方法，基於上下文中的變量顯式類型，操作符，返回值等信息，利用棧和逐漸替換的過程來推到出類型。） 弱類型雖然可以輕松編譯通過（或者不需要編譯而是解釋執行），但也是有類型檢查過程的，只是將此過程延遲到運行時了。所以弱類型語言結構化不強，編碼時很難確保類型無誤，IDE支持較難。但是通過一些分析器可以不斷的檢測語法，語義錯誤，相當於達到了強類型語言的IDE效果。近幾年語言的方向朝著逐漸脫離計算機體系結構，向自然語言方向在演進，程序員像藝術家一樣用代碼自由描繪。

五、編譯/解釋

java語言是解釋型還是編譯型的呢？ 這個很難說，從java source code -> class byte code 的過程式javac編譯器的過程。但是 byte code 在jvm上執行的過程可能是解釋執行也可能是編譯執行的。解釋型和編譯型的內部都遵從編譯原理的過程：詞法分析-> 語法分析->語義解析 -> 編譯器後端-> native code的過程。 但有各自的優點:解釋器：加載code速度快；解釋器需要維護運行時上下文等信息。所以加載必要的代碼，片段解釋執行。但是對於相同的代碼都經過編譯過程就很多余，造成時間浪費。

編譯器：執行速度快。而且編譯器後端也更容易優化中間代碼，因為優化過程式一個結構化過程：往往需要遍歷整個中間代碼，整體優化代碼，提高運行效率。

runtime：一般來說解釋型語言需要在內存維護運行時上下文信息，服務於運行過程中變量的查找，綁定，scope等。 而編譯語言基於寄存器堆棧模型執行代碼，基本上數據綁定都在棧結構中完成，運行速度稍微快一些；

hotspot-jvm結合了解釋和編譯的各自優點；最先解釋執行過程，如果方法被頻繁執行，而且達到熱點(hotspot),jvm會啟動編譯過程，將次代碼編譯為native-code，然後緩存起來，下一次的調用直接執行即可。hotspot-jvm執行基於堆棧指令bytecode, 這一點也是基於跨平台的考慮而犧牲了寄存器指令； （而基於android操作系統上的dalvik虛擬機是基於寄存器指令的）；

所以說，語言的設計往往是一個權衡過程；獲取的“自由”越多，"犧牲“也更大。

六、 總結

alt 最初從圖靈為了解決萊布尼茨提出的：是否存在一個通用模型來解決一切計算任務這個命題，發明了圖靈機理論。到馮洛伊曼仿真人腦神經元思考過程產生第一台基於存儲器，運算器的計算機ENIAC，至今，計算機硬件技術並沒有實質性的變化，只是隨著摩爾定律的破滅，人們發展了多級高速緩存，多核，多cpu技術來支撐越來越大的計算任務。 在這個過程中，隨著人們對邏輯學，符號學,算法的不斷研究，用來和計算機交互的語言也越來越抽象和豐富。我們通過這個形象的符號來抽象時間和空間，通過這個形象的符號來解決軟件的復雜性問題，通過這個符號來和計算機傳達我們的思想。