程式語言漫談

　　寫在前邊：我們知道現有語言的程式設計正規化有：過程式，物件導向，函式式，邏輯式。隨著軟體工業化程度的普及，以及軟體的複雜度越來越高，程式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語言為代表的物件導向程式語言。而邏輯程式語言(以prolog為代表）和函式式語言(lisp系列）還多用在學術和人工智慧領域中。近幾年，隨著多核，雲端計算時代的到來。函數語言程式設計語言逐漸浮出水面，最經典的語言以scheme,common-lisp,ml,clojure,go為代表.而且最近的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式式語言的思維來coding。可見程式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“軟體的複雜度”這個基本的需求而發展的。

　一、 程式語言概述

　　程式語言是計算機的符號，是人和計算機交流的語言。我們學習一門新的程式語言時，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：

　　* primitive elements. （基本元素）

　　* means of combination. （組合手段）

　　* means of abstraction. (抽象手段）

　　以上3個特性，基本上涵蓋了所有程式語言的特性，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：primitive elements表示語言的基本符號（基本資料型別，關鍵字等）也就是詞法部分。means of combination利用基本元素通過組合的過程構建大型程式的手段，不同的語言提供的組合手段是不同的。means of abstraction表示抽象，抽象是解決軟體複雜度的重要手段，讓軟體的可讀性，可擴充套件，可重複利用等得到提升。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

　　組合語言：算是最簡單的詞法和語法形式了，被稱作低階語言。彙編器通過直譯的過程將彙編程式碼翻譯為native code(cpu指令集）。 提供的primitive elements有：數字，字元，-，+，*，/ ， 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語言相比組合語言更高階，讓程式設計師脫離和cpu,暫存器,記憶體直接打交道的工作，提供了更多的組合手段：比如陣列，結構體等資料結構。

　　java語言自稱是面嚮物件語言，所以比c語言更進一步，通過強大的型別系統手段來組合屬性和方法。 go語言和ML語言非常相仿，“介面”，"高階函式“，”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”,然後才能推匯出“萬有引力”，“相對論”等定律。

　　lisp方言以s-expression（著名的S表示式）來組合資料和函式。在lisp中不區分資料和函式，一切皆為資料。

　　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,儲存思想而設計，要麼是“堆疊”結構，要麼是“暫存器”結構；

　三、 抽象手段

　　從c語言開始，以函式為單元提供了對程式的抽象。這樣大大的提高了程式的可複用，模組化等。讓團隊合作編碼也成為可能。

　　物件導向程式設計：基本上隱藏了計算機的細節，開發者通過物件來抽象具體業務。但嚴格意義上來說java也屬於imperative-lang的範疇而且都是傳值呼叫。相比來說,python,ruby更物件導向一些，python融合了物件導向和函數語言程式設計正規化，更接近自然語言些。

　　以lisp為代表的函式式語言：以函式為基本和唯一的抽象；common-lisp也基於巨集開發了一套object-oriented的程式設計方式。我比較傾向於函數語言程式設計理念：函式的無副作用（不用考慮執行緒安全，特別是對於變態的Haskell），高階函式，閉包,lambda等。

　四、 型別系統

　　大家平時經常會說：javascript是一個弱型別的語言，java語言是強型別的語言。將程式語言從型別系統的角度區分語言也很有趣。一般來說弱型別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型別方向.

　　計算機是結構化很強的，堆疊上一個二進位制位的錯誤就會導致溢位，bus等錯誤。所以語言層面的自由得益於編譯器或者直譯器的功勞。比如java,c等語言有很強的編譯時型別檢測機制，強型別的好處驅使編碼人員寫出很少有語法，語義錯誤的程式碼，對IDE的支援也便捷，是大型技術團隊的合作基石。

　　弱型別語言讓我們獲取了自由（不需要型別資訊），讓程式設計師少敲了許多鍵盤。自由是有代價的，編譯器或直譯器中內含型別推理(infer type); （型別推理是利用歸一方法，基於上下文中的變數顯式型別，操作符，返回值等資訊，利用棧和逐漸替換的過程來推到出型別。） 弱型別雖然可以輕鬆編譯通過（或者不需要編譯而是解釋執行），但也是有型別檢查過程的，只是將此過程延遲到執行時了。所以弱型別語言結構化不強，編碼時很難確保型別無誤，IDE支援較難。但是通過一些分析器可以不斷的檢測語法，語義錯誤，相當於達到了強型別語言的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，程式設計師像藝術家一樣用程式碼自由描繪。

　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:

　　直譯器：載入code速度快；直譯器需要維護執行時上下文等資訊。所以載入必要的程式碼，片段解釋執行。但是對於相同的程式碼都經過編譯過程就很多餘，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程式碼，因為優化過程式一個結構化過程：往往需要遍歷整個中間程式碼，整體優化程式碼，提高執行效率。

　　runtime：一般來說解釋型語言需要在記憶體維護執行時上下文資訊，服務於執行過程中變數的查詢，繫結，scope等。 而編譯語言基於暫存器堆疊模型執行程式碼，基本上資料繫結都在棧結構中完成，執行速度稍微快一些； hotspot-jvm結合瞭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，將次程式碼編譯為native-code，然後快取起來，下一次的呼叫直接執行即可。

　　hotspot-jvm執行基於堆疊指令bytecode, 這一點也是基於跨平臺的考慮而犧牲了暫存器指令； （而基於android作業系統上的dalvik虛擬機器是基於暫存器指令的）；

　　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:

　　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。到馮洛伊曼模擬人腦神經元思考過程產生第一臺基於儲存器，運算器的計算機ENIAC，至今，計算機硬體技術並沒有實質性的變化，只是隨著摩爾定律的破滅，人們發展了多級快取記憶體，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,演算法的不斷研究，用來和計算機互動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體的複雜性問題，通過這個符號來和計算機傳達我們的思想。