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)計與開發(fā)。幾個月前，Anders在比利時的TechDays 2010及荷蘭DevDays 2010分別進行了一場演講，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進入編程語言這一領(lǐng)域的起點。Anders談到，如今的計算機和當(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，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P(guān)ascal代碼，會發(fā)現(xiàn)它們的差別其實并不大。Anders認為編程語言的發(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沁h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。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)ο笳Z言(如C++)，隨后便進入了托管時代，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實在太高。

　　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，原本常用的“面向?qū)ο?rdquo;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++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”這樣的實現(xiàn)細節(jié)，例如for循環(huán)，i += 1等等，甚至這部分細節(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，只能老老實實地根據(jù)指令一步步的向目標(biāo)前進。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，我們平時經(jīng)常接觸的SQL，CSS，正則表達式等等都屬于DSL。有的DSL可能更加專注于一個方面，例如Mathematica，LOGO等等。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，甚至不會像GPPL那樣需要源文件。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，SQL等等都可以算作是外部DSL。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)則則變成了表達式，后來您可能還會定義變量，進行條件判斷等等，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)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：

　　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：

　　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：

　　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#、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#或Java必須使用readonly或是final來做到這一點。此時，使用函數(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：

　　只不過，F(xiàn)#中的一切默認都是不可變的，開發(fā)人員需要使用mutable關(guān)鍵字來聲明一個可變的狀態(tài)。事實上，在F#中更典型做法是：

　　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)語言與元編程

　　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#)，往往是先進行編譯，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：

　　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)，則for循環(huán)和相加操作都只是簡單的CPU指令，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CPU中，“空間”也意味著“速度”，所以較大的值便需要較長時間進行處理，這里便損失了一部分效率。此外JavaScript在計算a加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)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。不過他同樣認為，如今JavaScript語言的性能已經(jīng)足夠快了，完全有能力作為Web客戶端的統(tǒng)治性語言。

　　動態(tài)語言的關(guān)鍵之一便是“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#或Java里使用ORM時，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，他和他的團隊也在努力改進靜態(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 a Service)”。傳統(tǒng)的編譯器是一個黑盒，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CPU上執(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任務(wù)放在多個CPU上執(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。不過在.NET 4.0中提供了一套強大的框架，即.NET并行擴展(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并行擴展中的任務(wù)并行庫(Task Parallel 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認為很多時候還是需要編程語言來關(guān)注這方面的事情。比如“隔離性(Isolation)”，即編譯器如何發(fā)現(xiàn)這段代碼是獨立的，便可以將其安全地并發(fā)執(zhí)行。某段代碼創(chuàng)建了一個對象，在分享給其他人之前，我們對它的改變是安全的，但是一旦將其共享出去以后便完全不同了。因此理想中的類型系統(tǒng)應(yīng)該可以跟蹤到這樣的共享，如Linear Types——這在學(xué)術(shù)界也有一些研究。編程語言也可以在函數(shù)的純潔性(Purity)方面下功夫，如關(guān)注某個函數(shù)是否有副作用，有些時候編譯器可以做這方面的檢查，它可以禁止某些操作，以此保證我們寫出無副作用的純函數(shù)。另外便是不可變性(Immutability)，目前的語言，如C#或VB，我們需要額外的工作才能寫出不可變的代碼。Anders認為合適的做法應(yīng)該是在語言層面上更好的支持不可變性。這些都是在并發(fā)方面需要考慮的問題。
 

　　Anders還提到了他在思考并發(fā)語言特性時所遵循的原則：一個語言特性不應(yīng)該針對某個特定的并發(fā)模型，而應(yīng)該是一種通用的，可用于各種不同的并發(fā)場景的特性，就像隔離性、純潔性及不可變性那樣。語言擁有這樣的特性之后，就可以用于構(gòu)建各種不同的API，各種并發(fā)方式都可以利用到核心的語言特性。

　　總結(jié)

　　Anders認為，對于編程語言來說，現(xiàn)在出現(xiàn)了許多有趣的東西，也是個令人激動的時刻。在過去，大約是1995到2005年，的確可以說是一個編程語言的黃金時期。當(dāng)Java出現(xiàn)的時候，編程語言的門檻變得平坦了，一切都是Java，似乎其他編程語言都完蛋了，程序設(shè)計者也沒什么可做的。不過大家又逐漸發(fā)現(xiàn)，其實這遠沒有結(jié)束。現(xiàn)在回顧起來，會發(fā)現(xiàn)這段時間又出現(xiàn)了許多有趣的編程語言，這其實也代表了我們在編程領(lǐng)域上的進步。