程式語言漫談

        寫在前邊：我們知道現有語言的程式設計典範有：過程式，物件導向，函數式，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）和函數式語言(lisp系列）也多用在學術和人工智慧領域。近幾年，隨著多核心，雲端運算時代的到來。函數式程式語言逐漸浮出水面，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等文法，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。可見程式語言的發展也是滿足時代的變化不斷變化。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

       程式語言是電腦的符號，是人與電腦溝通的語言。我們學習新的程式語言時，我們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）        以上3個特性，基本上涵蓋了所有程式語言的特性，也是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，關鍵字等）也就是詞法部分。 means of combination利用基本元素透過組合的過程建構大型程式的手段，不同的語言提供的組合手段是不同的。 means of abstraction表示抽象，抽像是解決軟體複雜度的重要手段，讓軟體的可讀性，可擴展，可重複利用等提升。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

        彙編語言：算是最簡單的詞法和語法形式了，被稱為低級作語。彙編器透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，字符，-， ，*，/ ， case,if, break, go，指令等基本元素；透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級，讓程式設計師脫離和cpu,暫存器,記憶體直接處理的工作，提供了更多的組合手段：例如數組，結構體等資料結構。

         java語言自稱是物件導向語言，所以比c語言更進一步，透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，“介面”，"高階函數“，”閉包“，"duck type","返回多值”，​​並提供goroutine等組合。

        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）來組合資料和函數。在lisp中不區分資料和函數，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電腦體系結構。而其他語言更多的是馮·洛伊曼的計算,存儲思想而設計，要么是“堆疊”結構，要么是“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程式的抽象化。這樣大大的提高了程式的可重複使用，模組化等。讓團隊合作編碼也成為可能。

        物件導向程式設計：基本上隱藏了電腦的細節，開發者透過物件來抽象化特定業務。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更面向對像一些，python融合了物件導向和函數式程式設計範式，更接近自然語言些。

        以lisp為代表的函數式語言：以函數為基本且唯一的抽象；common-lisp也基於巨集發展了一套object-oriented的程式設計方式。我比較傾向於函數式程式設計理念：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、 模式種        的語言。將程式語言從類型系統的角度區分語言也很有趣。一般來說弱型別語言偏向自然語言一些，文法也很自由活潑些。而現今語言的走勢也趨向與弱類型方向。

         計算機是結構化的，堆疊上一個二進位位元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解釋器的功勞。例如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，語意錯誤的程式碼，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得了自由（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。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。但是透過一些分析器可以不斷的偵測語法，語意錯誤，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電腦體系結構，朝著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->語意解析 -> 編譯器後端-> native code的過程。 但有各自的優點:

        解釋器：載入code速度快；解釋器需要維護運行時上下文等資訊。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：執行速度快速。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流程：往往需要遍歷整個中間程式碼，整體最佳化程式碼，提高運作效率。   

        runtime：一般來說解釋型語言需要在記憶體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。 而編譯語言則是基於暫存器堆疊模型執行程式碼，基本上資料綁定都在堆疊結構中完成，運行速度稍微快一些。

        hotspot-jvm結合了每個解釋和編譯的優點；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，將次碼編譯為native-code，然後快取起來，下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台的考慮而犧牲了寄存器指令； （而基於android作業系統上的dalvik虛擬機是基於寄存器指令的）；   

   所以說，語言的設計往往是權衡過程；獲得的「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台基於記憶體，運算器的電腦ENIAC，至今，電腦硬體技術並沒有實質的變化，只是隨著摩爾定律的破滅，人們發展了多級高速緩存，多核心，多cpu技術來支撐越來越大的運算任務。 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，用來和電腦互動的語言也越來越抽象和豐富。我們透過這個形象的符號來抽象化時間和空間，透過這個形象的符號來解決軟體的複雜性問題，透過這個符號來和電腦傳達我們的思想。

由於上傳附件及文字限制，有時部分圖片、文字可能顯示不了，詳情請見：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5ODI3NzY2MA==&mid=100000725&idx=2&sn=fde9b217a000000725&idx=2&sn=fde9b2 rd
歡迎大家一起交流。
掃描以下二維碼，獲取更多更精美文章！ (掃碼關注有意不到的驚喜的哦！！）

訂閱號碼二維碼.jpg (39.39 KB, 下載次數: 0)

下載附件

2016-6-2 18:32 上傳

關注我們微信訂閱號碼（ uniguytech100） 與服務號碼（uniguytech），獲取更多更精美文章！
也歡迎加入【大家技術網討論QQ群】，群號：256175955，請備註你個人的介紹！讓我們一起聊聊it的那些事吧！