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编程语言漫谈

时间:2021-07-01 10:21:17 帮助过:7人阅读




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(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: 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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