1、編程語言的發(fā)展趨勢及未來方向程序設(shè)計離不開編程語言，但是編程語言在國內(nèi)的大環(huán)境中似乎一直是個 二等公民。國內(nèi)的計算機(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，甚至在許多人眼中"語言的討論"完全是不 入流的，但其實"編程語言"與"工具"、"框架"或是"開發(fā)方法”等事物一樣，都 對生產(chǎn)力有著重要的影響。事實上，語言的發(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，演變。期間一些新的 語言誕生了，而另一些在當(dāng)時看來陽

2、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#8程語言的首席 架構(gòu)師，也參與了 .NET Framework,以及VB.NET F#?語言的設(shè)計與開發(fā)。 幾個月前，Anders在比利時的TechDays 2010及荷蘭DevDays 2010分別進(jìn)行 了一場演講，闡述了他眼中對于編程語言的發(fā)展趨勢及未來方向，本文便對他 的觀點進(jìn)行了總結(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。 A

3、nders談到，如今的計算機(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。從那時算起，如今的機(jī)器已經(jīng)有大約10萬倍的外部存儲容量，1萬倍的內(nèi)存大小，CPUS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P(guān)ascal代碼，會發(fā)現(xiàn)它們的差別其實并不大。Anders認(rèn)為編程語言的發(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蟮鹊龋?是遠(yuǎn)沒有好上1000倍。事實上，近幾十年來的努力主要體現(xiàn)在框架及工具等方 面（如下圖）。例如.NET Framework里有超過一萬個類及十萬個方法，與 Turbo Pascal相比的確有了超過1000倍的增長。

4、同樣類似，現(xiàn)在的IDE包含了無數(shù) 強大的功能，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) 的確很不明顯。在過去5、60年的編程歷史中，編程語言的抽象級別不斷提高，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。我們一開始使用匯編，然后使用面向過程的語言 （如Pascal和C）,然后是面向?qū)?象語言（如C+）,隨后便進(jìn)入了托管時代，語言運行于受托管的執(zhí)行環(huán)境上（如C#, Java）,它們的主要特性有自動的垃圾收集，類型安全等等。Anders認(rèn)為這樣的趨勢還會繼續(xù)保持下去，我們還會看到抽象級別越來越高的語言，而語 言的設(shè)計者則必須理解并預(yù)測下一個抽象級別是

5、什么樣子的。另一方面， 如.NET, Java等框架的重要性提高了許多，編程語言往往都傾向于構(gòu)建于現(xiàn)有 的工具上，而不會從頭寫起。現(xiàn)在出現(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，每次從頭開始的代價 頭在太Hj 0在Anders眼中，如今影響力較大的趨勢主要有三種（如下圖），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 火熱的"動態(tài)語言"（其最重要的方面便是"元編程”能力）以及多核環(huán)境下的"并發(fā) 編程。此外隨著語言的發(fā)展

6、，原本常用的“面向?qū)ο?quot;語言，"動態(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)計語言也是一個愈發(fā)明顯的趨勢。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+將等。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)會掩蓋了我們的“最終目標(biāo)"。在Anders看來，命令式編程通常會讓

7、 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 JVM股有太多發(fā)揮空間，只能老老實實地根據(jù)指令一步 步的向目標(biāo)前進(jìn)。例如，并行執(zhí)行程序會變得十分困難，因為像"執(zhí)行目的”這樣更高層次的信息已經(jīng)丟失了。因此，編程語言的趨勢之一，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主要提出了兩個方面，第一個方面是 DSL（Domain Specific Language ,領(lǐng)域特定語言）。DSL不是什么新鮮的玩意兒,

8、 我們平時經(jīng)常接觸的SQL CSS正則表達(dá)式等等都屬于 DSL）有的DSL可能更加專注于一個方面，例如 Mathematica, LOG你等。這些語言的目標(biāo)都是特定 的領(lǐng)域，與之相對的則是 GPPL(General Purpose Programming Language ,通 用目的編程語言)。Martin Fowler將DSL分為外部DSLM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，甚至不會像GPPL樣需要源文件。與之相對的則是內(nèi)部 DSL內(nèi)部 DSL其實更像是種別稱，它代表一類特別 API及使用模式。XSLT SQ導(dǎo)等都可以算作

9、是外部DSL1外部DSL一般會直接針對特定的領(lǐng) 域設(shè)計，而不考慮其他方面。James Gosling曾經(jīng)說過：每個配置文件最終都 會變成一門編程語言。一開始您可能只會用它表示一點點東西，慢慢地您便會 想要一些規(guī)則，而這些規(guī)則則變成了表達(dá)式，后來您可能還會定義變量，進(jìn)行 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。 現(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 公司提供的一個叫做 MPS(Meta Programming System)的產(chǎn)

10、品。最近微軟也提出了自己的 Oslo項目，而在Eclipse世界里也有Xtext ,所以其實如今在這方面也有不少 人在嘗試。由于外部DSL的獨立性，在某些情況下也會出現(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會以XMLT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及使用模式，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"偽裝”成一種DSL它往往會利用一

11、些“流暢化”的技巧，例如像jQuery那樣把一些方法通過"點"連接起來，而另一 些也會利用元編程的方式。內(nèi)部 DSL還有一些優(yōu)勢，例如可以訪問語言中的代 碼或變量，以及利用代碼補全，重構(gòu)等母語言的所有特性。DSL的可讀性往往很高。例如，要篩選出單價大于20的產(chǎn)品，并對所屬種類進(jìn)行分組，并降序地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，則可能是這樣的：Dictionary string,Grouping groups=new Dictionary string,Grouping() ; foreach(Product pin products)if(p.Uni

12、tPrice=20)if( !groups.ContainsKey(p.CategoryName)Grouping r=new Grouping。；r.CategoryName=p.CategoryName ； r.ProductCount=0 ;groupsp.CategoryName=r ； groupsp.CategoryName.ProductCount+ ; L ist Grouping result=new List Grouping(groups.Values);result.Sort(delegate(Grouping x,Grouping y)return x.Product

13、Count y.ProductCount?-1 : x.ProductCount y.ProductCount?1 : 0; ) ; /pre顯然 這些代碼編寫起來需要一點時間，且很難直接看出它的真實目的，換言之 “What"幾乎完全被"How”所代替了。這樣，一個新的程序員必須花費一定時間才 能理解這段代碼的目的。但如果使用LINQ,代碼便可以改寫成：prevarresult=products.Where(p=p.UnitPrice=20).GroupBy(p=p.CategoryName).Ord erByDescending(g=g.Count().Select(g=

14、newCategoryName=g.Key,ProductCo unt=g.Count() ; /pre這段代碼更加關(guān)注的是"What"而不是"How",它不會 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查詢語句來改寫：prevar result=from pin products where p.UnitPrice=20 group pby p.CategoryName into gorderby g.Count()descending select newCatego

15、ryName=g.Key,ProductCount=g.Count() ; /pre編譯器會簡單地 將LINQ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誕生，如當(dāng)年的LISP便是個函數(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 開始吸收和整理

16、這些研究內(nèi)容，想要把它們?nèi)谌敫鼮橥ㄓ玫木幊陶Z言。現(xiàn)在的 編程語言，如C供Python、Ruby、Scala等等，它們都受到了函數(shù)式編程語言 的影響。使用命令式編程語言寫程序時，我們經(jīng)常會編寫如x=x+1這樣的語句，此時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行而 改變。可變狀態(tài)非常強大，但隨之而來的便是被稱為 “副作用"的問題，例如一 個無需參數(shù)的void方法，它會根據(jù)調(diào)用次數(shù)或是在哪個線程上進(jìn)行調(diào)用對程序 產(chǎn)生影響，它會改變程序內(nèi)部的狀態(tài)，從而影響之后的運行效果。而在函數(shù)式 編程中則不會出現(xiàn)這個情況，因為所有的狀態(tài)都是不可變的。事實上對函數(shù)式 編程的討論更像

17、是數(shù)學(xué)、公式，而不是程序語句，如x=x+1對于數(shù)學(xué)家來說，似乎只是個永不為真的表達(dá)式而已。函數(shù)式編程十分容易并行，因為它在運行時不會修改任何狀態(tài)，因此無論 多少線程在運行時都可以觀察到正確的結(jié)果。假如兩個函數(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，因此真實世界中的函 數(shù)式編程往往都會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)或是危險的副作用， 與之相反，如C獻(xiàn)Java必須使用readonly或是final來做到這一點。此時， 使

18、用函數(shù)式編程語言時的思維觀念便會有所不同了。F#是微軟隨VS 2010推出的一門函數(shù)式編程語言，它基于 OCaml的核心部 分，因此是一門強類型編程語言，并支持一些如模式匹配，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#中如果要計算一個列表所有元素之和，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 Ido 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)鍵字來聲明一個可變的狀

19、態(tài)。事實上，在F#中更典型做法是：prelet rec sumSquaresF l=match lwith|-0|head : tail-sqr head+sumSquaresF tail/pre在數(shù)學(xué)里我們經(jīng)常使用遞歸，把一個公式分解成幾個變化的形式，以此進(jìn)行遞歸的定義。純函數(shù)式的代碼其"數(shù)學(xué)性"較強，如果您分析上面這段代碼，會發(fā)現(xiàn)它幾乎就是標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)定義。在編程時我們也 使用遞歸的做法，編譯器會設(shè)法幫我們轉(zhuǎn)化成尾調(diào)用或是循環(huán)語句。動態(tài)語言與兀編程動態(tài)語言不會嚴(yán)格區(qū)分"編譯時"和"運行時”。對于一些靜態(tài)編程語言(如 C#),往往是先進(jìn)行編譯，

20、此時可能會得到一些編譯期錯誤，而對于動態(tài)語言來 說這兩個階段便混合在一起了。常見的動態(tài)語言有JavaScript , Python, Ruby,LISP等等。動態(tài)語言和靜態(tài)語言各有一些優(yōu)勢，這也是兩個陣營爭論多年的內(nèi) 容。不過Anders認(rèn)為它們各自都有十分重要的優(yōu)點，而未來不屬于其中任何一 方。他表示，從編程語言發(fā)展過程中可以觀察到兩種特點正在合并的趨勢，未 來應(yīng)該屬于兩者的雜交產(chǎn)物。許多人認(rèn)定動態(tài)語言執(zhí)行起來很慢，也沒有類型安全等等。例如有這樣一 段代碼：prevar a=0,n=10 ； for(var i=0； i n ； i+)a+=i ； /pre這段代碼在 C#ffiJavaSc

21、ript中都是合法的，但是它們的處理方式大相徑庭。在C#,編譯器可以推斷出a和n都是32位整數(shù)，則for循環(huán)和相加操作都只是簡單的 CPU旨令, 自然效率很高。但是對于JavaScript等動態(tài)類型語言來說，var只代表了 "一 個值"，它可以是任意類型，因此這里其實還會包含一個“類型標(biāo)記"，表明它在運行時是什么類型的對象。所以兩者的區(qū)別之一便是，表示同樣的值在動態(tài)語 言中會有一些額外的開銷，在如今的 CPlfr，"空間"也意味著"速度"，所以較大的值便需要較長時間進(jìn)行處理，這里便損失了一部分效率。此外 JavaScript

22、 在計算a力口 i時，那么必須先查看兩個變量中的類型標(biāo)記，根據(jù)類型選擇出合 適的相加操作，然后加載兩個值，最后再進(jìn)行加法操作，一旦越界了還要利用 double。很明顯在這里也會帶來許多開銷。一般來說，動態(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，便會發(fā)現(xiàn)執(zhí)行代碼時需要10倍到100倍的性能開銷。不過近幾年出現(xiàn)的一些動態(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，于是使省下了解釋器的開銷，這樣 性能損失便會減小至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，瀏覽器中新一代的適應(yīng)

23、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 Specialization 、 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 謂十分神奇。在Anders看來，JavaScript引擎可能已經(jīng)接近了性能優(yōu)化的極 限，我們在效率上可以提升的空間已經(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，完全有能力作為亞烷戶端的統(tǒng)治性語 言。動態(tài)語言的關(guān)鍵之一便是"

24、;元編程"，"元編程"實際上是"代碼生成"的一種 別稱，在日常應(yīng)用中開發(fā)人員其實經(jīng)常依賴這種做法了。在某些場景下使用動 態(tài)語言會比靜態(tài)語言更加自然一些。例如在C臧Java里使用ORMf, 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 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)隊也在努力改進(jìn)靜態(tài)語言的元編程能力，如他們 正在實現(xiàn)的"編譯器即服務(wù)(Compiler as aService)"。傳統(tǒng)的

25、編譯器是一個黑 盒，一端輸入代碼，而另一端便會生成.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，然后對它進(jìn)行識別和重寫。因此，開 發(fā)人員可能會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整對象模型等等。并發(fā)Anders看來，多核革命的一個有趣之處在于，它會要求并發(fā)的思維方式有 所改變。傳統(tǒng)的并發(fā)思維，是在單個 CPU1執(zhí)行多個邏輯任務(wù)，使用舊有的分 時方式或是時間片模型來執(zhí)行多個任務(wù)。但是如今的并發(fā)場景則正好相反，是 要將一個邏輯上的

26、任務(wù)放在多個 CPU1執(zhí)行。這改變了我們編寫程序的方式， 這意味著對于語言或是API來說，我們需要有辦法來分解任務(wù)，把它拆分成多 個小任務(wù)后獨立的執(zhí)行，而傳統(tǒng)的編程語言中并不關(guān)注這點。使用目前的并發(fā)API來完成工作并不容易，比如 Thread, ThreadPool , 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)與實際使用的的物理模型分離開來。以前的 API都是直接 處理線程等基礎(chǔ)元素，不過利用.NET并行擴(kuò)展中的任務(wù)并行庫(Task Pa

27、rallel Library),并行 LINQ(Parallel LINQ) 以及協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(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 行的，或是使用了多少個線程和 CPU?等。利用LINQ這樣的DSL也有助于寫出 并行的代碼，如果使用普通的for循環(huán)配合線程池來實現(xiàn)并行，則開發(fā)人員很 容易在各種API里失去方向。不過事實上，編寫并行的代碼依然很困難，尤其是要識別出可以并行的地 方。Anders認(rèn)為很多時候還是需要編程語言來關(guān)注這方面的事情(如下圖)。比如"隔離性(Isolation)”,即編譯器如何發(fā)現(xiàn)這段代碼是獨立的，便可