編程語言的發(fā)展趨勢(shì)及未來方向

1、.編程語言的發(fā)展趨勢(shì)及將來方向程序設(shè)計(jì)離不開編程語言，但是編程語言在國(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"語言不重要，重要的是思想"，"語言一通百通"等觀點(diǎn)，甚至在許多人眼中"語言的討論"完全是不入流的，但其實(shí)"編程語言"與"工具"、"框架"或是"開發(fā)方法"等事物一樣，都對(duì)消費(fèi)力有著重要的影響。事實(shí)上，語言的開展歷史比其他方面更為悠久，并且在過去十幾年，甚至最近幾年中都仍然在不斷的碰撞，演變。期間一些新的語言誕生了

2、，而另一些在當(dāng)時(shí)看來陽春白雪的語言和編程范式也重新獲得了人們的重視。Anders Hejlsberg是微軟的Technical Fellow，擔(dān)任C#編程語言的首席架構(gòu)師，也參與了.NET Framework，以及VB.NET和F#等語言的設(shè)計(jì)與開發(fā)。幾個(gè)月前，Anders在比利時(shí)的TechDays 2020及荷蘭DevDays 2020分別進(jìn)展了一場(chǎng)演講，闡述了他眼中對(duì)于編程語言的開展趨勢(shì)及將來方向，本文便對(duì)他的觀點(diǎn)進(jìn)展了總結(jié)。大約25到30年前，Anders開發(fā)了著名的Turbo Pascal，這是一套集語言、編譯器及開發(fā)工具于一體的產(chǎn)品，這也是Anders進(jìn)入編程語言這一領(lǐng)域的起點(diǎn)。An

3、ders談到，如今的計(jì)算機(jī)和當(dāng)年他開發(fā)的Turbo Pascal所用的Z-80已經(jīng)不可同日而語。從那時(shí)算起，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倍的進(jìn)步。但是，假設(shè)我們比較如今的Java代碼及當(dāng)年P(guān)ascal代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的差異其實(shí)并不大。Anders認(rèn)為編程語言的開展非常緩慢，期間當(dāng)然出現(xiàn)了一些東西，例如面向?qū)ο蟮鹊?，但是遠(yuǎn)沒有好上1000倍。事實(shí)上，近幾十年來的努力主要表達(dá)在框架及工具等方面如以以下圖。例如.NET Framework里有超過一萬個(gè)類及十萬個(gè)方法，與Turbo Pascal相比確實(shí)有了超過1000倍的增長(zhǎng)。同樣類似，如今

4、的IDE包含了無數(shù)強(qiáng)大的功能，例如語法提示，重構(gòu)，調(diào)試器等等。與此相比，編程語言的改進(jìn)確實(shí)很不明顯。在過去5、60年的編程歷史中，編程語言的抽象級(jí)別不斷進(jìn)步，人們都在努力讓編程語言更有表現(xiàn)力，這樣我們可以用更少的代碼完成更多的工作。我們一開場(chǎng)使用匯編，然后使用面向過程的語言如Pascal和C，然后是面向?qū)ο笳Z言如C+，隨后便進(jìn)入了托管時(shí)代，語言運(yùn)行于受托管的執(zhí)行環(huán)境上如C#，Java，它們的主要特性有自動(dòng)的垃圾搜集，類型平安等等。Anders認(rèn)為這樣的趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)保持下去，我們還會(huì)看到抽象級(jí)別越來越高的語言，而語言的設(shè)計(jì)者那么必須理解并預(yù)測(cè)下一個(gè)抽象級(jí)別是什么樣子的。另一方面，如.NET，Ja

5、va等框架的重要性進(jìn)步了許多，編程語言往往都傾向于構(gòu)建于現(xiàn)有的工具上，而不會(huì)從頭寫起。如今出現(xiàn)的編程語言，例如F#，以及Java領(lǐng)域的Scala，Clojure等等，它們都是基于現(xiàn)有框架構(gòu)建的，每次從頭開場(chǎng)的代價(jià)實(shí)在太高。在Anders眼中，如今影響力較大的趨勢(shì)主要有三種如以以下圖，它們分別是"聲明式的編程風(fēng)格"包括"領(lǐng)域特定語言"及"函數(shù)式編程"、過去的五年非常熾熱的"動(dòng)態(tài)語言"其最重要的方面便是"元編程"才能以及多核環(huán)境下的"并發(fā)編程。此外隨著語言的開展，本來常用的"面向

6、對(duì)象"語言，"動(dòng)態(tài)語言"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言都受到函數(shù)式語言的影響。因此，"多范式"程序設(shè)計(jì)語言也是一個(gè)愈創(chuàng)造顯的趨勢(shì)。聲明式編程與DSL目前常見的編程語言大都是命令式Imperative的，例如C#，Java或是C+等等。這些語言的特征在于，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等等，甚至這部分細(xì)節(jié)會(huì)掩蓋了我們的"最終目的"。在Anders看來，命令式編

7、程通常會(huì)讓代碼變得非常冗余，更重要的是由于它提供了過于詳細(xì)的指令，這樣執(zhí)行代碼的根底設(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)指令一步步的向目的前進(jìn)。例如，并行執(zhí)行程序會(huì)變得非常困難，因?yàn)橄?quot;執(zhí)行目的"這樣更高層次的信息已經(jīng)喪失了。因此，編程語言的趨勢(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DSLDomain Specific Language，領(lǐng)域特定語言。DSL不是什么新穎的玩意兒，

8、我們平時(shí)經(jīng)常接觸的SQL，CSS，正那么表達(dá)式等等都屬于DSL。有的DSL可能更加專注于一個(gè)方面，例如Mathematica，LOGO等等。這些語言的目的都是特定的領(lǐng)域，與之相對(duì)的那么是GPPLGeneral Purpose Programming Language，通用目的編程語言。Martin Fowler將DSL分為外部DSL及內(nèi)部DSL兩種。外部DSL有自己的特定語法、解析器和詞法分析器等等，它們往往是一種小型的編程語言，甚至不會(huì)像GPPL那樣需要源文件。與之相對(duì)的那么是內(nèi)部DSL。內(nèi)部DSL其實(shí)更像是種別稱，它代表一類特別API及使用形式。XSLT，SQL等等都可以算作是外部DSL。

9、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)變成一門編程語言。一開場(chǎng)您可能只會(huì)用它表示一點(diǎn)點(diǎn)東西，漸漸地您便會(huì)想要一些規(guī)那么，而這些規(guī)那么那么變成了表達(dá)式，后來您可能還會(huì)定義變量，進(jìn)展條件判斷等等，而最終它就變成了一種奇怪的編程語言，這樣的情況屢見不鮮。如今有一些公司也在關(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公司提供的一個(gè)叫做MPSMeta Programming System的產(chǎn)品。最近微軟也提出了自己的Oslo

10、工程，而在Eclipse世界里也有Xtext，所以其實(shí)如今在這方面也有不少人在嘗試。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)人員本身編寫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法。而內(nèi)部DSL，正像之前提到的那樣，它往往只是代表了一系列特別的API及使用形式，例如LINQ查詢語句及Ruby on Rails中的Active Record聲明代碼等等。內(nèi)部DSL可以使用一系列API來"假裝"成一種DSL，它往往會(huì)利用一些"流暢化"的技巧，

11、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)，例如可以訪問語言中的代碼或變量，以及利用代碼補(bǔ)全，重構(gòu)等母語言的所有特性。DSL的可讀性往往很高。例如，要挑選出單價(jià)大于20的產(chǎn)品，并對(duì)所屬種類進(jìn)展分組，并降序地列出每組的分類名稱及產(chǎn)品數(shù)量。假設(shè)是用命令式的編程方式，那么可能是這樣的：preDictionary string,Grouping groups=new Dictionary string,Grouping；foreachProduct pin productsifp.UnitPrice=20if！group

12、s.ContainsKeyp.CategoryNameGrouping r=new Grouping；r.CategoryName=p.CategoryName；r.ProductCount=0；groupsp.CategoryName=r；groupsp.CategoryName.ProductCount+；List Grouping result=new List Groupinggroups.Values；result.SortdelegateGrouping x,Grouping yreturn x.ProductCount y.ProductCount?-1：x.ProductCou

13、nt y.ProductCount?1：0；/pre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。但假設(shè)使用LINQ，代碼便可以改寫成：prevar result=products.Wherep=p.UnitPrice=20.GroupByp=p.CategoryName.OrderByDescendingg=g.Count.Selectg=newCategoryName=g.Key,ProductCount=g.Count；/pr

14、e這段代碼更加關(guān)注的是"What"而不是"How"，它不會(huì)明確地給出過濾的"操作方式"，也沒有涉及到創(chuàng)立字典這樣的細(xì)節(jié)。這段代碼還可以利用C#3.0中內(nèi)置的DSL，即LINQ查詢語句來改寫：prevar result=from pin products where p.UnitPrice=20 group pby p.CategoryName into gorderby g.Countdescending select newCategoryName=g.Key,ProductCount=g.Count；/pre編譯器會(huì)簡(jiǎn)單地將LIN

15、Q差距語句轉(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那么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，它幾乎和編程語言本身同時(shí)誕生，如當(dāng)年的LISP便是個(gè)函數(shù)式編程語言。除了LISP以外還有其他許多函數(shù)式編程語言，如APL、Haskell、ML等等。關(guān)于函數(shù)式編程在學(xué)術(shù)界已經(jīng)有過許多研究了，大約在5到10年前許多人開場(chǎng)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言。如今的編程語言，如C#、Python、Ruby、Scala等等，它們都受

16、到了函數(shù)式編程語言的影響。使用命令式編程語言寫程序時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)編寫如x=x+1這樣的語句，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?？勺儬顟B(tài)非常強(qiáng)大，但隨之而來的便是被稱為"副作用"的問題，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)展調(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)式編程中那么不會(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)式編程非

17、常容易并行，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。假設(shè)兩個(gè)函數(shù)完全無關(guān)，那么它們是并行還是順序地執(zhí)行便沒有什么區(qū)別了。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別離出來。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，如C#或Java必須使用readonly或是final來做到這一點(diǎn)。此時(shí)，使用函數(shù)式編程語言時(shí)的思維觀念便會(huì)有所不同了。F#是微軟隨VS 2020推出的一門函數(shù)式編程語言，它基于OCaml的核

18、心部分，因此是一門強(qiáng)類型編程語言，并支持一些如形式匹配，類型推斷等現(xiàn)代函數(shù)式編程語言的特性。在此之上，F(xiàn)#又增加了異步工作流，度量單位等較為前沿的語言功能。在F#中假設(shè)要計(jì)算一個(gè)列表所有元素之和，也可以使用命令式的風(fēng)格來編寫代碼：prelet sumSquaresI l=let mutable acc=0 for xin ldo acc-acc+sqr xacc/preacc只不過，F(xiàn)#中的一切默認(rèn)都是不可變的，開發(fā)人員需要使用mutable關(guān)鍵字來聲明一個(gè)可變的狀態(tài)。事實(shí)上，在F#中更典型做法是：prelet rec sumSquaresF l=match lwith|-0|head：tai

19、l-sqr head+sumSquaresF tail/pre在數(shù)學(xué)里我們經(jīng)常使用遞歸，把一個(gè)公式分解成幾個(gè)變化的形式，以此進(jìn)展遞歸的定義。純函數(shù)式的代碼其"數(shù)學(xué)性"較強(qiáng)，假設(shè)您分析上面這段代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)它幾乎就是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)定義。在編程時(shí)我們也使用遞歸的做法，編譯器會(huì)設(shè)法幫我們轉(zhuǎn)化成尾調(diào)用或是循環(huán)語句。動(dòng)態(tài)語言與元編程動(dòng)態(tài)語言不會(huì)嚴(yán)格區(qū)分"編譯時(shí)"和"運(yùn)行時(shí)"。對(duì)于一些靜態(tài)編程語言如C#，往往是先進(jìn)展編譯，此時(shí)可能會(huì)得到一些編譯期錯(cuò)誤，而對(duì)于動(dòng)態(tài)語言來說這兩個(gè)階段便混合在一起了。常見的動(dòng)態(tài)語言有JavaScript，Python，Rub

20、y，LISP等等。動(dòng)態(tài)語言和靜態(tài)語言各有一些優(yōu)勢(shì)，這也是兩個(gè)陣營(yíng)爭(zhēng)論多年的內(nèi)容。不過Anders認(rèn)為它們各自都有非常重要的優(yōu)點(diǎn)，而將來不屬于其中任何一方。他表示，從編程語言開展過程中可以觀察到兩種特點(diǎn)正在合并的趨勢(shì)，將來應(yīng)該屬于兩者的雜交產(chǎn)物。許多人認(rèn)定動(dòng)態(tài)語言執(zhí)行起來很慢，也沒有類型平安等等。例如有這樣一段代碼：prevar a=0,n=10；forvar i=0；i n；i+a+=i；/pre這段代碼在C#和JavaScript中都是合法的，但是它們的處理方式大相徑庭。在C#中，編譯器可以推斷出a和n都是32位整數(shù)，那么for循環(huán)和相加操作都只是簡(jiǎn)單的CPU指令，自然效率很高。但是對(duì)于Ja

21、vaScript等動(dòng)態(tài)類型語言來說，var只代表了"一個(gè)值"，它可以是任意類型，因此這里其實(shí)還會(huì)包含一個(gè)"類型標(biāo)記"，說明它在運(yùn)行時(shí)是什么類型的對(duì)象。所以兩者的區(qū)別之一便是，表示同樣的值在動(dòng)態(tài)語言中會(huì)有一些額外的開銷，在如今的CPU中，"空間"也意味著"速度"，所以較大的值便需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)展處理，這里便損失了一部分效率。此外JavaScript在計(jì)算a加i時(shí)，那么必須先查看兩個(gè)變量中的類型標(biāo)記，根據(jù)類型選擇出適宜的相加操作，然后加載兩個(gè)值，最后再進(jìn)展加法操作，一旦越界了還要利用double。很明顯在這里也會(huì)帶來許多

22、開銷。一般來說，動(dòng)態(tài)語言是使用解釋器來執(zhí)行的，因此還有一些解釋器需要的二進(jìn)制碼，把這些性能損失全部加起來以后，便會(huì)發(fā)現(xiàn)執(zhí)行代碼時(shí)需要10倍到100倍的性能開銷。不過近幾年出現(xiàn)的一些動(dòng)態(tài)虛擬機(jī)或引擎將此類情況改善了許多。如今大部分的JavaScript引擎使用了JIT編譯器，于是便省下理解釋器的開銷，這樣性能損失便會(huì)減小至3到10倍。而在過去的兩三年間，JIT編譯器也變得越來越高效，閱讀器中新一代的適應(yīng)性JIT編譯器，如TraceMonkey，V8，還有微軟在IE 9中使用的Chakra引擎。這種適應(yīng)性的JIT編譯器使用了一部分有趣的技術(shù)，如Inline Caching、Type Special

23、ization、Hidden Classes、Tracing等等，它們可以將開銷降低至2到3倍的范圍內(nèi)，這種效率的提升可謂非常神奇。在Anders看來，JavaScript引擎可能已經(jīng)接近了性能優(yōu)化的極限，我們?cè)谛噬峡梢蕴嵘目臻g已經(jīng)不多。不過他同樣認(rèn)為，如今JavaScript語言的性能已經(jīng)足夠快了，完全有才能作為Web客戶端的統(tǒng)治性語言。動(dòng)態(tài)語言的關(guān)鍵之一便是"元編程"，"元編程"實(shí)際上是"代碼生成"的一種別稱，在日常應(yīng)用中開發(fā)人員其實(shí)經(jīng)常依賴這種做法了。在某些場(chǎng)景下使用動(dòng)態(tài)語言會(huì)比靜態(tài)語言更加自然一些。例如在C#或Java里使

24、用ORM時(shí)，一種傳統(tǒng)做法是讓代碼生成器去觀察數(shù)據(jù)庫，并生成一大堆代碼，然后再編譯。而動(dòng)態(tài)語言并沒有編譯期和執(zhí)行期的區(qū)別，例如在Ruby on Rails中使用ActiveRecord便無須定義各式字段。Anders談到，他和他的團(tuán)隊(duì)也在努力改進(jìn)靜態(tài)語言的元編程才能，如他們正在實(shí)現(xiàn)的"編譯器即效勞Compiler as aService"。傳統(tǒng)的編譯器是一個(gè)黑盒，一端輸入代碼，而另一端便會(huì)生成.NET程序集等數(shù)據(jù)，開發(fā)人員很難參與或理解它的工作。但是在很多時(shí)候，開發(fā)人員并不一定需要編譯器來生成程序集，他們需要的是一些樹狀的表現(xiàn)形式，然后對(duì)它進(jìn)展識(shí)別和重寫。因此，開發(fā)人員可能會(huì)

25、越來越需要一些開放編譯器功能的API。這么做可以讓靜態(tài)類型語言獲得許多有用的功能，包括元編程以及可操作的完好對(duì)象模型等等。并發(fā)Anders看來，多核革命的一個(gè)有趣之處在于，它會(huì)要求并發(fā)的思維方式有所改變。傳統(tǒng)的并發(fā)思維，是在單個(gè)CPU上執(zhí)行多個(gè)邏輯任務(wù)，使用舊有的分時(shí)方式或是時(shí)間片模型來執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。但是如今的并發(fā)場(chǎng)景那么正好相反，是要將一個(gè)邏輯上的任務(wù)放在多個(gè)CPU上執(zhí)行。這改變了我們編寫程序的方式，這意味著對(duì)于語言或是API來說，我們需要有方法來分解任務(wù)，把它拆分成多個(gè)小任務(wù)后獨(dú)立的執(zhí)行，而傳統(tǒng)的編程語言中并不關(guān)注這點(diǎn)。使用目前的并發(fā)API來完成工作并不容易，比方Thread，Thread

26、Pool，Monitor等等，開發(fā)人員很難走的太遠(yuǎn)。不過在.NET 4.0中提供了一套強(qiáng)大的框架，即.NET并行擴(kuò)展Parallel Extensions，這是一種現(xiàn)代的并發(fā)模型，將邏輯上的任務(wù)并發(fā)與實(shí)際使用的的物理模型別分開來。以前的API都是直接處理線程等根底元素，不過利用.NET并行擴(kuò)展中的任務(wù)并行庫Task Parallel Library，并行LINQParallel LINQ以及協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)構(gòu)造Coordination Data Structures讓開發(fā)人員可以直接關(guān)注邏輯上的任務(wù)，而不必關(guān)心它們是如何運(yùn)行的，或是使用了多少個(gè)線程和CPU等等。利用LINQ這樣的DSL也有助于寫出并行的代碼，假設(shè)使用普通的for循環(huán)配合線程池來實(shí)現(xiàn)并行，那么開發(fā)人員很容易在各種API里失去方向。不過事實(shí)上，編寫并行的代碼仍然很困難，尤其是要識(shí)別出可以并行的地方。Anders認(rèn)為很多時(shí)候還是需要編程語言來關(guān)注這方面的事情如以以下圖。比方"隔離性Isolation"，即編譯器如何發(fā)現(xiàn)這段代碼是