编程语言漫谈

安宇雨 - 随手采集
2019-09-26 17:04:31
随手采集
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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.而且最近的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：
   *  primitive elements. （基本元素）
   *  means of combination. （组合手段）
   *  means of abstraction.  (抽象手段）        
   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：primitive elements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。means of combination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。means of abstraction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primitive elements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。