什么是好的編程語言？

本文作者： skura

2019-11-21 10:56

導語：好的編程語言都有哪些特性？

本文作者是高級系統開發工程師 Torbear Gannholm。Torbear 有著 30 多年的開發經驗，對技術很深刻的理解。對于什么是好的編程語言，他發表了一篇文章分享了自己的觀點。以下是他的全文：

這篇文章改編自我在 Cygni 科技峰會上的一次演講。

我一直認為編程行為是在一個抽象的領域中完成的，只是后來才被翻譯成編程語言。編程應該比寫作需要更多的思考。

我基本上仍然堅持這一點，但我在谷歌擔任代碼可讀性審查員的多年經驗讓我意識到，要想很好地使用一門語言需要時間和經驗。許多 C++程序員在使用 Java 時編寫了功能完備且合理的面向對象代碼，但是 C++的臃腫卻不能很好地滿足 Java 中的優雅（即使 C++程序員可能認為它除了 Java 的「缺陷」之外大多是優雅的）。

那么程序語言的選擇有多重要呢？有沒有一種語言可以被認為是完美的？

什么是好的語言？

在學術界，關于什么是一門好語言的話題似乎相當平靜，但 Tony Hoare 在 1973 年發表了一個有趣的主題演講，名為「Hints on Programming Language design」。

如果你不知道 Tony Hoare 是誰，你可能會記得他是幾年前在公眾場合為發明了「NULL」而道歉的人。他本想避免這個，但實施起來太容易了，所以他無法抗拒。他還發明了很多好東西，比如 switch 語句和通信順序、進程的思想，它們經常出現在 Go 和 Ada 的并發范例中。他的大部分工作都花在追求無錯誤編程上，但他斷定這是一種浪費，因為業界對此根本不感興趣。

關于 PL 設計的提示首先提出，一種好的語言應該支持程序員需要完成的工作——主要是設計、文檔和調試。因此，編程語言的設計應該引導程序員將程序分解成可管理的部分，幫助程序員使代碼大部分具有可讀性，當代碼發生錯誤時，不應該太難找到并修復它們。我認為這聽起來是一個很好的方法，盡管我還想補充一點，編程在某種程度上也應該很有趣。

隨后，Tony Hoare 提出了一些好的編程語言應該具備的特性：

最重要的是簡單性。一種語言應該足夠簡單，程序員應該能夠知道關于它的一切。似乎有證據支持這一觀點。Smalltalk 非常簡單，可以在明信片上完整地描述，它可能是最有效的通用編程語言。我發現一個博客曾經總結說，完美的編程語言是你已經知道的語言。所以這就引出了一個問題，如果堅持使用你熟悉的「糟糕」的語言，而不是切換到「更好」的語言，會不會更好？好吧，首先，盡管語言在統計上有顯著的可測量的差異，但是轉換的代價似乎總是比我們想象的要花更長的時間來償還。不了解一門語言全部知識的代價也可能是非常昂貴的。但這些都是無聊的答案，在這篇文章中，我們尋求完美。
安全性很重要。生成的程序應該以可預測的方式運行，最好是無錯誤的。當 bug 簡單地給出錯誤的答案時，它尤其糟糕，就像在匯編程序中對一個固定的點號執行浮點操作一樣。將單位附加到數字上也是可取的，但據我所知，很少有語言允許這樣做。
快速編譯是迭代解決方案所必需的。任何經歷過 sub-second 測試運行的緊湊 TDD 周期的人都知道，不能低估此屬性的重要性。Flutter 的熱重載或類似 REPL 的探索性編程確實將生產率提高到了新的水平。
代碼應該運行得快速高效。不管處理能力增長有多快，我們仍然需要解決更大的問題。Tony Hoare 提出，一門好的語言應該反映計算機的實際工作方式，優化步驟應該產生新的源代碼。這可能不完全實用，但我認為我們至少可以思考一下，應該知道哪些代碼構造的性能特征。
可讀性：能夠理解別人的代碼在做什么。顯然，尤其在你的代碼被讀的次數比寫的次數多得多的情況下，這一點尤為重要。

市場可以保持非理性的時間比你保持償付能力的時間長。

這是經濟學家 John Maynard Keynes 的名言。它說明了這樣一個觀點：我們并不總是認可最好的產品，有可能完美的語言已經被創造出來，但我們并沒有使用它。

第一候選語言

task body Controller is
    begin
      loop
         My_Runway.Wait_For_Clear; -- wait until runway is available (blocking call)
         select -- wait for two types of requests (whichever is runnable first)
            when Request_Approach'count = 0 => -- guard - no tasks queuing on Request_Approach
            accept Request_Takeoff (ID: in Airplane_ID; Takeoff: out Runway_Access)
            do -- start of synchronized part
               My_Runway.Assign_Aircraft (ID); -- reserve runway (potentially blocking call if protected
               Takeoff := My_Runway; -- assign "out" parameter value to tell which runway
            end Request_Takeoff; -- end of the synchronised part
      or
         accept Request_Approach (ID: in Airplane_ID; Approach: out Runway_Access) do
            My_Runway.Assign_Aircraft (ID);
            Approach := My_Runway;
         end Request_Approach;
      or -- terminate if no tasks left who could call
         terminate;
      end select;
   end loop;
end;

上世紀 80 年代，上述觀點被大肆宣傳，設計師 Jean Ichbiah 認為，十年內，世界上只會有兩種編程語言，一種是 Lisp，另一種是 Ada。這不是一個完全不合理的想法。Ada 是在非常堅實的需求集合和與大量團隊設計競爭下產生的，這是因為當時計算機語言是一門大生意。Tony Hoare 和 Niklaus Wirth 實際上是另一支半決賽隊伍的顧問，獲勝的隊伍的語言更加復雜，他試圖簡化他們的意見。Ichbiah 沒有想到的是，第一個 Ada 非常復雜，甚至連編譯器都有性能問題，所以它有點延遲，然后，第二個編程語言——C 和 Unix 出現了。

但是，由于美國國防部希望創造一種語言來取代他們擁有的 160 種左右的語言，因此在 1991 年 Ada 成為北約系統的強制性語言（盡管例外情況經常被允許）。事實證明，Ada 實際上是一種設計精良的語言，除了軍事系統外，它在太空任務、空中交通管制和法國高速列車上也得到了證明。在危急情況下，Ada 應該是最佳選擇。對于 C 程序中的每 100 個錯誤，對應的 Java 程序中大約有 50 個錯誤，而 Ada 版本中只有 4 個錯誤。Ada 還有一種方言 Spark，在這里你可以正式證明你的程序的正確性。在生產率方面，Ada 與 Java 差不多。所以，除了復雜性，Ada 似乎非常完美。由于 Ada 在設計上的一致性，所以即使你不知道構造的具體細節，也可以很好地了解代碼所做的事情。并且，Ada 有優秀的文檔，文檔中包含了為什么每個特征會存在。那些用 Ada 編寫代碼的人似乎也很喜歡這一點。

Ada 繼續發展，并在 2012 年獲得了合同。不幸的是，似乎不太可能出現 Ada 的復興。

第二候選語言

-- Type annotation (optional, same for each implementation)
factorial :: (Integral a) => a -> a
-- Using recursion (with the "ifthenelse" expression)
factorial n = if n < 2
                     then 1
                     else n * factorial (n - 1)
-- Using recursion (with pattern matching)
factorial 0 = 1
factorial n = n * factorial (n - 1)
-- Using recursion (with guards)
factorial n
      | n < 2 = 1
      | otherwise = n * factorial (n - 1)
-- Using a list and the "product" function
factorial n = product [1..n]
-- Using fold (implements "product")
factorial n = foldl (*) 1 [1..n]
-- Point-free style
factorial = foldr (*) 1 . enumFromTo 1

似乎每年都有至少一個博主問：今年是否終于是世界恢復理智、Haskell 終于起飛的一年？Haskell 的搜索結果似乎一致稱贊這種語言。難道我們使用其它語言的程序員只是不理智嗎？

當然，Haskell 是一種非常有趣的語言，但它非常抽象。你真的需要六種不同的方法來實現階乘嗎？我想說，也許 Haskell 的主要關注點在于抽象代數和對數學的興趣上。有些人確實在生產中使用 Haskell，所以我也看了他們的說法：

創建二進制兼容的 libs 是很困難的，這意味著你基本上希望從頭開始編譯所有內容，這可能會在一個大項目上花費數小時。
很難預測性能，一個小的重構會導致代碼運行速度減慢幾個數量級，甚至有經驗的程序員也很難診斷它。
你需要監控你的內存使用情況，因為它會在一些輸入上突然爆炸。
盡管有人聲稱，當 Haskell 代碼編譯時，它往往是正確的，但這似乎不像支持者所希望的那樣正確。
默認情況下，所有東西都是無副作用的，因此如果你確實需要改變內部代碼，則必須重寫上面的所有層（例如，沒有調試打印語句）。
Haskell 遇到了一個「神秘元組問題」，因為盡管類型的定義非常嚴格，但是每個函數中的組件可以有不同的名稱。

那些使用 Haskell 的用戶聲稱對此非常滿意，但是一位生產用戶說，當他們為了自己私人用途編寫代碼時，他們更喜歡使用 Python。

除了類型安全性，Haskell 似乎真的沒有踩雷，所以我們可能根本沒有錯過完美的語言。繼續向前！

在一門語言中我想要什么樣的特性？

為了回答這個問題，我看了一下我使用過的語言，并嘗試指定一些我喜歡的特性。如果我設計了一種語言，我會考慮使用以下這些特性。

Cobol

PERFORM LOOP VARYING MyCounter FROM 1 BY 1 UNTIL 10 ...
RECORD
01 namn PIC A(80).
02 personnr PIC 999999-9999.

Cobol 最初是美國國防部管理行政事務的權宜之計。與所有臨時解決方案一樣，60 年后，它仍在強勁發展，主要是用在銀行和政府部門。它穩步發展，最新的版本是 2014 年的。從 for 循環可以看出 Cobol 非常冗長。它考慮的是讓非編程業務專家也能夠讀取代碼。雖然我很欣賞這個目標，但我不會模仿這么冗長的內容。另一方面，record 的定義也很棒！你只需指定自己擁有哪些字段以及它們是以何種模式寫入的，計算機就會為你處理所有的讀寫操作。這是一個聲明性語法的例子，我特別喜歡模式中的一些可視組件。

FORTRAN

integer, dimension(10, 10, 10)::a
integer, dimension(-5:5)::b
c = a(1, 3:7, 5) + b(3:-1:-1)

我們程序員可能會嘲笑 FORTRAN 是一種過時的語言，但是一旦你進入世界上任何一個物理機構，FORTRAN 很可能就占據了至高無上的地位。事實證明，FORTRAN 與物理學家思考工作的方式非常吻合，而且它還傾向于生成最有效的可執行文件。高效率的一個原因是缺少指針，這使得編譯器可以進行更積極的緩存優化。FORTRAN 當然也經過多年的發展，最新的規范是從 2018 年開始的。

另一種在物理系大量使用的語言是 Python，不幸的是它的運行速度非常慢。為了改進這些問題，2009 年開始的一項工作提出了編程語言 Julia，它的目標是像 Python 一樣簡單，像 FORTRAN 一樣快?？偟膩碚f，它在這方面很成功，而且它也是一種非常好用的語言。

我從 FORTRAN 中得到的是數組/向量功能。默認情況下，索引開始于 1，但也可以自主定義為從任何地方開始。在上面的代碼中，我們看到索引從-5 到 5 的向量 b，向量 c 是一個 5 元素向量，其中元素是 a 和 b 向量切片中相應元素的總和。

其他語言

我使用了很多其他語言，所以在這里快速瀏覽其中一些語言，也許有些語言有鼓舞人心的效果：

BASIC 在 Apple II 上可用，它是一個簡化的 FORTRAN，pre-vectors。
Pascal 是在那之后來的。結構化編程的典范，使用起來相當愉快。我記得 REPEAT..UNTIL 結構通常更符合邏輯。其它有用的特性有記錄結構和將數值限制在范圍內的能力等。
Forth 玩起來很有趣，但沒什么用。我記得最清楚的是，幾乎沒有什么是預先定義的，你在某種程度上定義了你自己的語言。
PostScript 被用在 Irix 窗口系統 NeWS 上，我用了相當多的時間來嘗試和定制它，主要是為了好玩。我還是覺得很有趣。PostScript 堆棧在一些算法中非常有用，編寫代碼有點像做拼圖。它有 postfix 符號來操作堆棧的頂部元素，所以「253 add mul」將變成 16
Tcl 在某種程度上是對 csh 邏輯異常的一種反應，因此它被設計成具有非常邏輯和統一的語法，這是一件好事。它可以用作 tclsh 的 shell，但我認為在 wish 中與優秀的窗口工具包 Tk 一起使用更為常見。我仍然隨身攜帶著一個輕量級但功能相當不錯的編輯器，它是用 427 行寬敞的愿望代碼編寫的。1998 年，我使用瀏覽器的 tclplugin 創建了一個 SPA。
我學這個計劃是因為每個人都應該在某個時候嘗試一下 Lisp。這很有趣，但我真的沒有任何理由用它來做任何實質性的事情。括號太多了，我沒有任何頓悟?，F在我在探索 Shen，它有一些非常好的語法特性，嵌入式 Prolog 和一個可選的基于順序邏輯的類型系統。
有一次，當我正努力用 AWK 處理一些文本時，一位同事建議我試試 Perl，書中的第一個例子起到了這個作用，于是我開始了一段和 Perl 的短暫戀情。當我試圖理解我以前編寫的一些程序時，它很快就不起作用了。在 Perl 中，如果你知道 magic 操作符，那么任何東西都是一行。因此，Perl 將提醒你不要為各種問題發明很多操作符。

C 語言—更壞也更好

如前所述，編程語言曾經是一門大生意。有人會創建一臺計算機，為它設計一個操作系統，然后語言編譯器是可選的附加組件。但后來 Unix 出現了，在構建計算機之后，你所要做的就是創建一個相當簡單的 C 編譯器，并以復制成本獲得 Unix 源代碼。既然你有 C 編譯器，你也可以免費把它裝進去。因此 C 語言成為世界上最成功的計算機病毒。

人們會不遺余力地說服自己，這簡直是免費的午餐。但僅僅因為 Unix 是用 C 編寫的，并不意味著用 C 編寫應用程序是件好事。與當時可用的 FORTRAN、Pascal 和其他語言相比，C 語言可能是一個讓你想自殺的極好的工具。

從另一方面來說，C 語言是最接近我們可能得到的通用語言的東西，回顧過去，很難想象編程語言、操作系統和許多軟件在沒有 C 語言的情況下是免費的。

我已經成功地避免了 C++，這是我非常慶幸的。它就像是豬身上的口紅，層層疊疊的有著不必要的復雜性。有趣的是，當 GO 被顯式地替換為 C++時，結果喜歡 C++的程序員發現，C++ 在復雜程度上很高，這使得他們感覺自己是宇宙的主宰，除了 Haskell 之外，他們永遠不會換用任何其他語言。

DSL-解析器/生成器

在 20 世紀 90 年代末，有一些小小的活動來創建特定于領域的語言，因此有一個解析器/生成器是非常有幫助的。我使用了 yacc/lex（和 GNU 等價物 bison/flex）以及 Javacc。我對以前版本的 ANTLR 并不太感興趣，但是最新的 ANTLR4 非常好，它只是處理你編寫規則的方式，其主要思想當然是用描述性聲明的方式描述語法。

structureLiteral: LeftBrace (keyValue Comma?)* RightBrace;
keyValue: Key valueProduction;

在某種程度上，我希望它將開始逐漸衰敗，將所有內容編碼為 XML、YAML 或 JSON，只是為了免費獲得解析，并且需要創建更具表現力的語法，所以我肯定認為一種語言應該包含各種類型的解析器/生成器。

SQL-必不可少的惡魔？

with areas as (
       select c.name, count(*) size from closest c
            left join infinites i on c.name = i.name
        where i.name is null
        group by c.name
) select max(size) from areas;

每當我懷著恐懼的心情去寫一些 SQL 語句時，我總是拿著一份「SQL for Dummies」，尤其是在有 joins 之類的時髦東西的時候。但是你可以用 SQL 做一些非常強大的事情，只需考慮用一種「普通」的編程語言來做同樣的事情。我的靈感來自于 Cygni 的一位同事，他有時使用 SQL 作為應用程序代碼，上面的代碼來自 aventofcode 2018，在那里我開始使用 SQL 來解決問題。過了一會兒我就放棄了，因為 SQL 不擅長迭代，特別是我使用的 mariadb 版本，但是我也很欣賞 SQL 的優點。

有一些人喜歡批評 SQL，最顯著的是「第三個宣言」，其中描述了一系列優秀的數據庫語言，稱為「D」，這些語言也擴展到了一般編程?！窪」的一個版本是「Tutorial D」，它是為教學目的而開發的，目前正在 reldb 中使用。

我認為在語言中有一些關系概念或數據結構是一個好主意，即使在 C 語言中做一些類似 LINQ 的事情。但是，我首先要從 SQL 中獲得的是空值處理的性能。

JavaScript-是愛是恨？

let parse = {
s: function(s) { return [Number(s)]; },
x: function(s) {
return s.split("/").map(Number); },
p: function(s) { return s.split("/"); }
}
let args = parse[m.charAt(0)](m.substr(1));

JavaScript 是許多人討厭的語言，但也有很多人喜歡它。我喜歡從一個解決方案中以聲明的方式創建函數圖。但我討厭當出了問題的時候，我不知道問題在哪里。

Java

class Car {
int topSpeed() { return 200; }
}

class SportsCar extends Car {
int topSpeed() { return 350; }
}

Car myCar = new SportsCar();
System.out.println(myCar.topSpeed());

我真的很喜歡 Java。它的效率比 C 高 30%-200%，錯誤率是 C 的一半。如果我們看一下我們在「PL 設計提示」一開始所設定的標準，我認為它覆蓋了它們。

很難選擇特定的特性，因為我認為是組合包實現了這一點——許多成功所必需的東西正是很多人喜歡抱怨的。我認為這是偉大的，但對于其他一些語言來說卻不是這樣。另一個需要考慮的是包的結構。

我認為 Java 的一個錯誤是它沒有簡單數據對象的記錄或結構類型。

當我說完這番話，總有人問我為什么不提 C#，原因很簡單，因為我沒有充分使用 C# 語言，不理解它與 Java 的區別（除了它讓我惱火的所有方面）。撇開我的偏好不談，他們似乎有著非常相似的生產率配置文件，而且我不知道有什么足夠的客觀原因來選擇其中一個（除了平臺問題，因為反正沒有人使用.NET core）。另一方面，視覺語言的效率似乎提高了 30%。

XSLT

<xsl:template match="section[name=’top’]/rule">
        <ul class='{@class}'>
              <li style='list-style: none'>
                     <xsl:apply-templates />
              </li>
       </ul>
</xsl:template>

XSLT 是我一直以來最喜歡的語言，它讓我頭腦中的各種燈都亮了起來，是引發我對編程語言進行分析的原因。我想用類似 XSLT 的風格來編程，不管這意味著什么。當然，所有的數據在任何時候都應該是 XML 格式的，但是這被整個 XMLSchema 的胡說八道以及用供應商產品替代 freedom 的其他做法扼殺了。

回到 XSLT，看看這種語言的力量。實際上，這里沒有太多的代碼。match 語句簡潔地指出，每當我們遇到「rule」元素，當它是具有值為「top」屬性的「section」元素的子元素時，我們應該從這個模板中得到一個結果。現在，你通常會編寫多少代碼來確定類似的內容？XSLT 幾乎沒有代碼來產生結果，它只是直接寫在那里。

我使用 XSLT 的一個「亮點」是我的視角改變了。我不是用命令編寫程序，而是用機器運行輸入，所以輸入實際上是控制輸出的程序。

XSLT 的另一個特點是它非常明顯的同質化，也就是說，程序本身只是另一個程序可能輸出的數據。這是一個有趣的特性，但是如果你真的用它來編寫程序，可能會變得很難維護。

rCh := make(chan result)
        for _, n := range numbers {
                go decomp(n, rCh)
       }
       rs := []result{<-rch code="">

Go 可能與 Haskell 完全相反，因為它缺少語言理論上必須具備的幾乎所有特性。它是一種僵硬、枯燥和缺乏想象力的語言，對程序的高效開發非常有幫助。盡管缺乏特征，但對于實踐中存在的每一個問題，在 Go 中都有一個優雅實用的解決方案。

Go 是為了更好地適應谷歌開發的語言類型，主要對 C++的復雜度和編譯速度的反應。它編譯速度非?？欤哂欣厥展δ?，并利用 CSP 并發模型允許輕松、安全地使用并發。

在用 Go 編程的同事們表示，他們更喜歡使用 Go，并不再糾結于如何用不同的語言「優雅地」完成任務。

我從 Go 中得到的啟發是，不去追求某種理論上的「特征完整性」是可以的。

Dart

void part1(List<Nanobot> bots) {
        var largestRangeBot = bots.reduce((a,b) => a.range > b.range ? a : b);
        bool inRange(Nanobot b) {
              return manhattanDistance(largestRangeBot, b) <= largestRangeBot.range;
}
var numInRange = bots.where((b) => inRange(b)).length;
stdout.writeln(numInRange);
}

當使用 V8 引擎的 javascript 開發人員開始考慮如何使程序運行得更快時，他們意識到必須從 javascript 中去掉一些難以加速的垃圾。Dart 看起來并沒有什么特別之處，它就好像 Java 和 Javascript 有了一個嬰兒，它最終成為一種大家都已經知道的語言。

你為什么要用 Dart？好吧，事實證明，去掉 Javascript 中的垃圾，從 Java 中加入一些好的部分，最終得到了一種語言，這種語言比它的「雙親」工作起來愉快多了，而且效率更高。盡管 web 社區幾乎完全放棄了它，但你可以使用 Dart 并將其轉換為 Javascript，代碼的效率往往比任何人手工編寫的代碼都要高。它在谷歌內部被大量使用，因此不會有陷入困境的風險。還有一個殺手級的移動開發環境叫做 Flutter。