編程語言的發(fā)展趨勢及未來方向（2）：聲明式編程與DSL

　　這是Anders Hejlsberg(不用介紹這是誰了吧)在比利時(shí)TechDays 2010所做的開場演講。由于最近我在博客上關(guān)于語言的討論比較多，出于應(yīng)景，也打算將Anders的演講完整地聽寫出來。在上一部分中，Anders指出語言本身在過去的數(shù)十年里并沒有明顯的發(fā)展，并給出了他眼中編程語言發(fā)展趨勢的預(yù)測。在現(xiàn)在的第2部分中，Anders將闡述聲明式編程的理念及DSL，并演示C#中一種內(nèi)部DSL的形式：LINQ。

　　如果沒有特別說明，所有的文字都直接翻譯自Anders的演講，并使用我自己的口語習(xí)慣表達(dá)出來，對于Anders的口誤及反復(fù)等情況，必要時(shí)在譯文中自然也會(huì)進(jìn)行忽略。為了方便理解，我也會(huì)將視頻中關(guān)鍵部分進(jìn)行截圖，而某些代碼演示則會(huì)直接作為文章內(nèi)容發(fā)表。

　　(聽寫開始，接上篇)

　　這里先從聲明式(Declarative)編程談起。

　　目前我們在編寫軟件時(shí)大量使用的是命令式(Imperative)編程語言，例如C#，Java或是C++等等。這些語言的特征在于，寫出的代碼除了表現(xiàn)出“什么(What)”是你想做的事情之外，更多的代碼則表現(xiàn)出實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，也就是“如何(How)”完成工作。這部分代碼有時(shí)候多到掩蓋了我們原來問題的解決方案。比如，你會(huì)在代碼里寫for循環(huán)，if語句，a等于b，i加一等等，這體現(xiàn)出機(jī)器是如何處理數(shù)據(jù)。首先，這種做法讓代碼變得冗余，而且它也很難讓執(zhí)行代碼的基礎(chǔ)設(shè)施更聰明地判斷該如何去執(zhí)行代碼。當(dāng)你寫出這樣的命令是代碼，然后把編譯后的中間語言交給虛擬機(jī)去執(zhí)行，此時(shí)虛擬機(jī)并沒有多少空間可以影響代碼的執(zhí)行方式，它只能根據(jù)指令一條一條老老實(shí)實(shí)地去執(zhí)行。例如，我們現(xiàn)在想要并行地執(zhí)行程序就很困難了，因?yàn)楦邔哟蔚囊恍┬畔⒁呀?jīng)丟失了。這樣，我們只能在代碼里給出“How”，而不能體現(xiàn)出“What”的信息。

　　有多種方式可以將“What”轉(zhuǎn)化為更為“聲明式”的編程風(fēng)格，我們只要能夠在代碼中體現(xiàn)出更多“What”，而不是“How”的信息，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。例如，它可以決定投入多少CPU進(jìn)行計(jì)算，你的當(dāng)前硬件是什么樣的，等等。

　　我之前提到過，現(xiàn)在有兩種比較重要的成果，一是DSL(Domain Specific Language，領(lǐng)域特定語言)，另一個(gè)則是函數(shù)式編程。

　　其實(shí)DSL不是什么新鮮的玩意兒，我們平時(shí)一直在用類似的東西，比如，SQL，CSS，正則表達(dá)式，有的可能更加專注于一個(gè)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)。

　　對于DSL而言其實(shí)并沒有一個(gè)明確的定義，在這里我也不打算為它下個(gè)定義，例如UML甚至根本沒有特定的語法。不過我這里會(huì)談一些我覺得比較重要的東西。

　　Martin Fowler提出DSL應(yīng)該分為外部DSL及內(nèi)部DSL兩種，我認(rèn)為這種劃分方式還是比較有意義的。外部DSL是自我包含的語言，它們有自己特定語法、解析器和詞法分析器等等，它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。這里我會(huì)給你們看一些示例。

　　這些是我們平時(shí)會(huì)遇到的一些外部DSL，如這張幻燈片上表現(xiàn)的XSLT，SQL或是Unix腳本。外部DSL的特點(diǎn)是，你在構(gòu)建這種DSL時(shí)，其實(shí)扮演的是編程語言設(shè)計(jì)者的角色，這個(gè)工作并不會(huì)交給普通人去做。外部DSL一般會(huì)直接針對特定的領(lǐng)域設(shè)計(jì)，而不考慮其他東西。James Gosling曾經(jīng)說過這樣的話，每個(gè)配置文件最終都會(huì)變成一門編程語言。你一開始可能只會(huì)用它表示一點(diǎn)點(diǎn)東西，然后慢慢你便會(huì)想要一些規(guī)則，而這些規(guī)則則變成了表達(dá)式，可能你還會(huì)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。

　　事實(shí)上，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，還有一個(gè)叫做JetBrains的公司提供一個(gè)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世界里也有個(gè)叫做Xtext的東西，所以其實(shí)在這方面現(xiàn)在也有不少人在嘗試。

　　我在觀察外部DSL時(shí)，往往會(huì)關(guān)注它的語法到底提供了多少空間，例如一種XML的方言，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，正像我之前說的那樣，它其實(shí)只是一系列特別的API及使用模式的別稱。這里則是一些LINQ查詢語句，Ruby on Rails以及jQuery代碼。內(nèi)部DSL的特點(diǎn)是，它其實(shí)只是一系列API，但是你可以“假裝”它們一種DSL。內(nèi)部DSL往往會(huì)利用一些“流暢化”的技巧，例如像這里的LINQ或jQuery那樣把一些方法通過“點(diǎn)”連接起來。有些則利用了元編程的方式，如這里的Ruby on Rails就涉及到了一些元編程。這種DSL可以訪問語言中的代碼或變量，以及利用如代碼補(bǔ)全，重構(gòu)等母語言的所有特性。

　　現(xiàn)在我會(huì)花幾分鐘時(shí)間演示一下我所創(chuàng)建的DSL，也就是LINQ。我相信你們也已經(jīng)用過不少LINQ了，不過這里我還是快速的展示一下我所表達(dá)的更為“聲明式”的編程方式。

　　public class Product

　　{

　　public int ProductID { get; set; }

　　public string ProductName { get; set; }

　　public string CategoryName { get; set; }

　　public int UnitPrice { get; set; }

　　public static List GetProducts() { /* ... */ }

　　}

　　public partial class _Default : System.Web.UI.Page

　　{

　　protected void Page_Load(object sender, EventArgs e)

　　{

　　List products = Product.GetProducts();

　　List result = new List();

　　foreach (Product p in products)

　　{

　　if (p.UnitPrice > 20) result.Add(p);

　　}

　　GridView1.DataSource = result;

　　GridView1.DataBind();

　　}

　　}

　　這里有許多Product對象，那么現(xiàn)在我要篩選出所有單價(jià)大于20的那些， 再把他們顯示在一個(gè)GridView中。傳統(tǒng)的做法就是這樣，我先得到所有的Product對象，然后foreach遍歷每個(gè)對象，再判斷每個(gè)對象的單價(jià)，最終把數(shù)據(jù)綁定到GridView里。運(yùn)行這個(gè)程序……(打開頁面)這就是就能得到結(jié)果。

　　好，那么現(xiàn)在我要做一些稍微復(fù)雜的事情?？赡芪也皇且故締蝺r(jià)超過20的Product對象，而是要查看每個(gè)分類中究竟有多少個(gè)單價(jià)超過20的對象，然后根據(jù)數(shù)量進(jìn)行排序。如果不用DSL完成這個(gè)工作，那么我可能會(huì)先定義一個(gè)對象來表示結(jié)果：

　　class Grouping

　　{

　　public string CategoryName { get; set; }

　　public int ProductCount { get; set; }

　　}

　　這是個(gè)表示分組的對象，用于保存分類的名稱和產(chǎn)品數(shù)量。然后我們就會(huì)寫一些十分丑陋的代碼：

　　Dictionary groups = new Dictionary();

　　foreach (Product p in products)

　　{

　　if (p.UnitPrice >= 20)

　　{

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

　　{

　　Grouping r = new Grouping();

　　r.CategoryName = p.CategoryName;

　　r.ProductCount = 0;

　　groups[p.CategoryName] = r;

　　}

　　groups[p.CategoryName].ProductCount++;

　　}

　　}

　　List result = new List(groups.Values);

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

　　{

　　return

　　x.ProductCount > y.ProductCount ? -1 :

　　x.ProductCount < y.ProductCount ? 1 :

　　0;

　　});

　　我先創(chuàng)建一個(gè)新的字典，用于保存分類名稱到分組的對應(yīng)關(guān)系。然后我遍歷每個(gè)Product對象，對于每個(gè)單價(jià)大于20的對象，如果字典中還沒有保存對應(yīng)的分組則創(chuàng)建一個(gè)，然后將數(shù)量加一。然后為了排序，我調(diào)用Sort方法，于是我要提供一個(gè)委托作為排序方法，然后blablablabla……執(zhí)行之后……(打開頁面)我自然可以得到想要的結(jié)果。

　　但是，首先這些代碼寫起來需要花費(fèi)一些時(shí)間，很顯然。然后仔細(xì)觀察，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這寫代碼幾乎都是在表示“How”，而“What”基本已經(jīng)丟失了。假設(shè)我離開了，現(xiàn)在新來了一個(gè)程序員要維護(hù)這段代碼，他會(huì)需要一點(diǎn)時(shí)間才能完整理解這段代碼，因?yàn)樗麩o法直接看清代碼的目標(biāo)。

　　不過如果這里我們使用DSL，也就是LINQ，就像這樣：

　　var result = products

　　.Where(p => p.UnitPrice >= 20)

　　.GroupBy(p => p.CategoryName)

　　.OrderByDescending(g => g.Count())

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

　　products……先調(diào)用Where……blablabla……再GroupBy等等。由于我們這里可以使用DSL來表示高階的術(shù)語，用以體現(xiàn)我們想做的事情。于是這段代碼則更加關(guān)注于“What”而不是“How”。我這里不會(huì)明確地指示我想要過濾的方式，我也不會(huì)明確地說我要建立字典和分類，這樣基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)就可以聰明地，或者說更加聰明地去確定具體的執(zhí)行方式。你可能比較容易想到我們可以并行地執(zhí)行這段代碼，因?yàn)槲覜]有顯式地指定做事方式，我只是表示出我的意圖。

　　我們打開頁面……(打開頁面)很顯然我們得到了相同的結(jié)果。

　　這里比較有趣的是，內(nèi)部DSL是如何設(shè)計(jì)進(jìn)C#語法中的，為此我們?yōu)镃# 3.0添加了一系列的特性，例如Lambda表達(dá)式，擴(kuò)展方法，類型推斷等等。這些特性統(tǒng)一起來之后，我們就可以設(shè)計(jì)出更為豐富的API，組合之后便成為一種內(nèi)部DSL，就像這里的LINQ查詢語言。

　　除了使用API的形式之外，我們還可以這樣做：

　　var result =

　　from p in products

　　where p.UnitPrice >= 20

　　group p by p.CategoryName into g

　　orderby g.Count() descending

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

　　編譯器會(huì)簡單地將這種形式轉(zhuǎn)化為前一種形式。不過，這里我認(rèn)為有意思的地方在于，你完全可以創(chuàng)建一門和領(lǐng)域編程語言完全無關(guān)的語法，然后等這種語法和API變得流行且豐富起來之后，再來創(chuàng)一種新的表現(xiàn)形式，就如這里的LINQ查詢語法。我頗為中意這種語言設(shè)計(jì)的交流方式。

　　OK，現(xiàn)在我們回到下面的內(nèi)容。

　　(未完待續(xù))