——基于對(duì)C#之父Anders Hejlsberg演講的總結(jié)

文 / 趙劼

程序設(shè)計(jì)離不開編程語(yǔ)言，但是編程語(yǔ)言在國(guó)內(nèi)的大環(huán)境中似乎一直是個(gè)二等公民。國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)教育和工程培訓(xùn)，似乎一直在宣傳“語(yǔ)言不重要，重要的是思想”、“語(yǔ)言一通百通”等觀點(diǎn)，甚至在許多人眼中，語(yǔ)言的討論完全是不入流的，但其實(shí)編程語(yǔ)言與工具、框架或開發(fā)方法等一樣，都對(duì)生產(chǎn)力有著重要的影響。事實(shí)上，語(yǔ)言的發(fā)展歷史比其他方面更為悠久，并且在過去十幾年，甚至最近幾年中都依然在不斷的碰撞和演變。期間一些新的語(yǔ)言誕生了，而另一些在當(dāng)時(shí)看來陽(yáng)春白雪的語(yǔ)言和編程范式也重新獲得了重視。

Anders Hejlsberg是微軟的Technical Fellow，擔(dān)任C#編程語(yǔ)言的首席架構(gòu)師，也參與了.NET Framework、VB.NET和F#等語(yǔ)言的設(shè)計(jì)與開發(fā)。幾個(gè)月前，Anders在比利時(shí)TechDays 2010及荷蘭DevDays 2010分別作了一場(chǎng)演講，闡述了他眼中的編程語(yǔ)言的發(fā)展趨勢(shì)及未來方向，本文便對(duì)他的觀點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。

大約25~30年前，Anders開發(fā)了著名的Turbo Pascal，這是一套集語(yǔ)言、編譯器及開發(fā)工具于一體的產(chǎn)品，也是Anders進(jìn)入編程語(yǔ)言領(lǐng)域的起點(diǎn)。Anders談到，當(dāng)年Turbo Pascal所用的Z-80和如今的計(jì)算機(jī)已經(jīng)不可同日而語(yǔ)。與那時(shí)相比，如今的機(jī)器已經(jīng)有大約10萬倍的外部存儲(chǔ)容量，1萬倍的內(nèi)存大小，CPU速度也有大約1000倍的提高。但是，如果我們比較如今的Java代碼及當(dāng)年的Pascal代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的差別其實(shí)并不大。Anders認(rèn)為編程語(yǔ)言的發(fā)展非常緩慢，期間當(dāng)然出現(xiàn)了一些東西，例如面向?qū)ο蟮龋沁h(yuǎn)沒有好上1000倍。事實(shí)上，近幾十年來的努力主要體現(xiàn)在框架及工具等方面（如圖1）。例如.NET Framework里有超過一萬個(gè)類和十萬個(gè)方法，與Turbo Pascal相比的確有了超過1000倍的增長(zhǎng)。類似的，現(xiàn)在的IDE包含了無數(shù)強(qiáng)大的功能，例如語(yǔ)法提示、重構(gòu)、調(diào)試器等。與此相比，編程語(yǔ)言的改進(jìn)的確很不明顯。

在過去50~60年的編程歷史中，編程語(yǔ)言的抽象級(jí)別不斷提高，人們都在努力讓編程語(yǔ)言更有表現(xiàn)力，這樣就可以用更少的代碼完成更多的工作。我們一開始使用匯編，然后使用面向過程的語(yǔ)言（如Pascal和C），然后是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言（如C++），隨后便進(jìn)入了托管時(shí)代，語(yǔ)言運(yùn)行于受托管的執(zhí)行環(huán)境上（如C#和Java），它們的主要特性有自動(dòng)垃圾收集、類型安全等。Anders認(rèn)為這樣的趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)下去，還會(huì)有抽象級(jí)別越來越高的語(yǔ)言。另一方面，編程語(yǔ)言往往都傾向于構(gòu)建于現(xiàn)有的工具上，而不會(huì)從頭寫起?，F(xiàn)在出現(xiàn)的編程語(yǔ)言，例如F#、Scala和Clojure等，都是基于現(xiàn)有框架構(gòu)建的，每次從頭開始的代價(jià)實(shí)在太高。

在Anders眼中，如今影響力較大的趨勢(shì)主要有三個(gè)（如圖2），分別是聲明式的編程風(fēng)格（包括領(lǐng)域特定語(yǔ)言、函數(shù)式編程）、動(dòng)態(tài)語(yǔ)言（最重要的方面是元編程能力）以及多核環(huán)境下的并發(fā)編程。此外隨著語(yǔ)言的發(fā)展，原本常用的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言、動(dòng)態(tài)語(yǔ)言或是函數(shù)式等邊界也變得越來越模糊，例如各種主要的編程語(yǔ)言都受到函數(shù)式語(yǔ)言的影響。因此，多范式程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言也是一個(gè)愈發(fā)明顯的趨勢(shì)。

聲明式編程與DSL

目前常見的編程語(yǔ)言大都是命令式（Imperative）的，例如C#、Java或C++等。這些語(yǔ)言的特征在于，代碼里不僅表現(xiàn)了“做什么（What）”，而更多表現(xiàn)出“如何（How）完成工作”這樣的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，例如for循環(huán)、i += 1等，甚至這部分細(xì)節(jié)會(huì)掩蓋我們的最終目標(biāo)。在Anders看來，命令式編程通常會(huì)讓代碼變得十分冗余，更重要的是由于它提供了過于具體的指令，這樣執(zhí)行代碼的基礎(chǔ)設(shè)施（如CLR或JVM）沒有太多發(fā)揮空間，只能老老實(shí)實(shí)地根據(jù)指令一步步地向目標(biāo)前進(jìn)。例如，并行執(zhí)行程序會(huì)變得十分困難，因?yàn)橄瘛皥?zhí)行目的”這樣更高層次的信息已經(jīng)丟失了。因此，編程語(yǔ)言的趨勢(shì)之一，便是能讓代碼包含更多的“What”，而不是“How”，這樣執(zhí)行環(huán)境便可以更加聰明地去適應(yīng)當(dāng)前的執(zhí)行要求。

關(guān)于聲明式的編程風(fēng)格，Anders主要提出了兩個(gè)方面，第一個(gè)方面是DSL（Domain Specific Language，領(lǐng)域特定語(yǔ)言）。DSL不是什么新鮮的玩意兒，我們平時(shí)經(jīng)常接觸的SQL、CSS、正則表達(dá)式等都屬于DSL。有的DSL可能更加專注于一個(gè)方面，例如Mathematica、LOGO等。這些語(yǔ)言的目標(biāo)都是特定的領(lǐng)域，與之相對(duì)的則是GPPL（General Purpose Programming Language，通用目的編程語(yǔ)言）。Martin Fowler將DSL分為外部DSL和內(nèi)部DSL兩種。外部DSL有自己的特定語(yǔ)法、解析器和詞法分析器等，它們往往是一種小型的編程語(yǔ)言，甚至不會(huì)像GPPL那樣需要源文件。與之相對(duì)的則是內(nèi)部DSL。內(nèi)部DSL其實(shí)更像是種別稱，它代表一類特別API及使用模式。

XSLT、SQL等都可以算作是外部DSL。外部DSL一般會(huì)直接針對(duì)特定的領(lǐng)域設(shè)計(jì)，而不考慮其他方面。James Gosling曾經(jīng)說過：每個(gè)配置文件最終都會(huì)變成一門編程語(yǔ)言。一開始你可能只會(huì)用它表示一點(diǎn)點(diǎn)東西，慢慢地你便會(huì)想要一些規(guī)則，而這些規(guī)則則變成了表達(dá)式，后來你可能還會(huì)定義變量，進(jìn)行條件判斷等，而最終它就變成了一種奇怪的編程語(yǔ)言。這樣的情況屢見不鮮?，F(xiàn)在有一些公司也在關(guān)注DSL的開發(fā)。例如以前在微軟工作的Charles Simonyi提出了Intentional Programming的概念，還有JetBrains公司提供了叫做MPS（Meta Programming System）的產(chǎn)品。最近微軟也提出了自己的Oslo項(xiàng)目，而在Eclipse世界里也有Xtext，所以如今在這方面已經(jīng)有不少嘗試。由于外部DSL的獨(dú)立性，在某些情況下也會(huì)出現(xiàn)特定的工具，輔助領(lǐng)域?qū)＜一蚴情_發(fā)人員編寫DSL代碼。還有一些DSL會(huì)以XML方言的形式提出，利用XML方言的好處在于有不少現(xiàn)成的工具可用，這樣可以更快地定義自己的語(yǔ)法。

內(nèi)部DSL往往只代表一系列特別的API及使用模式，例如LINQ查詢語(yǔ)句及Ruby on Rails中的Active Record聲明代碼等。內(nèi)部DSL可以使用一系列API來“偽裝”成一種DSL，利用一些流暢化的技巧，例如像jQuery那樣把一些方法通過“點(diǎn)”連接起來，而另一些也會(huì)利用元編程的方式。內(nèi)部DSL還有一些優(yōu)勢(shì)，例如可以訪問語(yǔ)言中的代碼或變量，以及利用代碼補(bǔ)全、重構(gòu)等母語(yǔ)言的所有特性。

DSL的可讀性往往很高。例如，要篩選出單價(jià)大于20的產(chǎn)品，并對(duì)所屬種類進(jìn)行分組，降序列出每組的分類名稱及產(chǎn)品數(shù)量。如果是用命令式的編程方式，可能是這樣的：

var groups = new Dictionary();

foreach (Product p in products)

{

if (p.UnitPrice >= 20)

{

if (!groups.ContainsKey(p.CategoryName))

{

Grouping g = new Grouping();

g.Name = p.CategoryName;

g.Count = 0;

groups[p.CategoryName] = g;

}

groups[p.CategoryName].ProductCount++;

}

}

var result = new List(groups.Values);

result.Sort(delegate(Grouping x, Grouping y)

{

return

x.Count > y.Count ? -1 :

x.Count < y.Count ? 1 :

0;

});

顯然這些代碼編寫起來需要一點(diǎn)時(shí)間，且很難直接看出它的真實(shí)目的，換言之，“What”幾乎完全被“How”所代替了。這樣，一個(gè)新的程序員必須花費(fèi)一定時(shí)間才能理解這段代碼的目的。但如果使用LINQ，代碼便可以改寫成：

var result = products

.Where(p => p.UnitPrice >= 20)

.GroupBy(p => p.CategoryName)

.OrderByDescending(g => g.Count())

.Select(g => new { Name = g.Key, Count = g.Count() });

這段代碼更加關(guān)注的是“How”而不是“What”，它不會(huì)明確地給出過濾的操作方式，也沒有涉及到創(chuàng)建字典這樣的細(xì)節(jié)。這段代碼還可以利用C# 3.0中內(nèi)置的DSL，即LINQ查詢語(yǔ)句來改寫：

var result =

from p in products

where p.UnitPrice >= 20

group p by p.CategoryName into g

orderby g.Count() descending

select new { Name = g.Key, Count = g.Count() };

編譯器會(huì)簡(jiǎn)單地將LINQ差距語(yǔ)句轉(zhuǎn)化為前一種形式。這段代碼只是表現(xiàn)出最終的目的，而不是明確指定做事的方式，這樣便可以很容易地并行執(zhí)行這段代碼，如使用PINQ則幾乎不需要做出任何修改。

函數(shù)式編程

Anders提出的另一個(gè)重要的聲明式編程方式便是函數(shù)式編程。函數(shù)式編程歷史悠久，如當(dāng)年的LISP便是函數(shù)式編程語(yǔ)言。除了LISP以外還有其他許多函數(shù)式編程語(yǔ)言，如APL、Haskell、ML等。函數(shù)式編程在學(xué)術(shù)界已經(jīng)有過許多研究，大約在5~10年前許多人開始吸收和整理這些研究?jī)?nèi)容，想要把它們?nèi)谌敫鼮橥ㄓ玫木幊陶Z(yǔ)言?，F(xiàn)在的編程語(yǔ)言，如C#、Python、Ruby、Scala等，都受到了函數(shù)式編程語(yǔ)言的影響。

使用命令式編程語(yǔ)言寫程序時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)編寫如x = x + 1這樣的語(yǔ)句，此時(shí)我們大量依賴的是可變狀態(tài)，或者說是變量，它們的值可以隨程序運(yùn)行而改變，可變狀態(tài)非常強(qiáng)大，但隨之而來的便是“副作用”問題，例如一個(gè)無需參數(shù)的void方法，它會(huì)根據(jù)調(diào)用次數(shù)或是在哪個(gè)線程上進(jìn)行調(diào)用對(duì)程序產(chǎn)生影響，它會(huì)改變程序內(nèi)部的狀態(tài)，從而影響之后的運(yùn)行效果。而在函數(shù)式編程中則不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)情況，因?yàn)樗械臓顟B(tài)都是不可變的。事實(shí)上對(duì)函數(shù)式編程的討論更像是數(shù)學(xué)、公式，而不是程序語(yǔ)句，如x = x + 1對(duì)于數(shù)學(xué)家來說，似乎只是個(gè)永不為真的表達(dá)式而已。

函數(shù)式編程十分容易并行，因?yàn)樗谶\(yùn)行時(shí)不會(huì)修改任何狀態(tài)，因此無論多少線程在運(yùn)行時(shí)都可以觀察到正確的結(jié)果。假如兩個(gè)函數(shù)完全無關(guān)，那么它們是并行還是順序執(zhí)行便沒有什么區(qū)別。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)中的程序一定是有副作用的，例如向屏幕輸出內(nèi)容，向Socket傳輸數(shù)據(jù)等，因此真實(shí)世界中的函數(shù)式編程往往都會(huì)考慮如何將有副作用的代碼分離出來。函數(shù)式編程默認(rèn)是不可變的，開發(fā)人員必須做些額外的事情才能使用可變狀態(tài)或是危險(xiǎn)的副作用，與之相反，C#或Java必須使用readonly或final來做到這一點(diǎn)。此時(shí)，使用函數(shù)式編程語(yǔ)言時(shí)的思維觀念便會(huì)有所不同。……（完整文章請(qǐng)關(guān)注08期雜志）

未完的部分還有這些內(nèi)容：

動(dòng)態(tài)語(yǔ)言與元編程

并發(fā)

總結(jié)

（本文來自《程序員》雜志10年08期，更多精彩內(nèi)容敬請(qǐng)關(guān)注08期雜志）

該文章在 2012/5/4 9:36:12 編輯過