“主要的编程范型”及其语言特性关系（多图）
“主要的編程范型”(The principal programming paradigms)這幅圖，其實出現(xiàn)得不算早，作者在2007年完成了該圖的1.0版，到2008年更新至v1.08版本。本次提供的是翻譯成中文的版本（老實說，筆者翻譯水平相當(dāng)有限，若有不當(dāng)之處，請各位盡量指出，必盡快補(bǔ)正）。
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這幅圖的原作者Peter Van Roy，是《Concepts, Techniques, and Models of Computer Programming》一書的作者，這本書(CTM)是少有的、能跟SICP并稱的書了。
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該圖原文檔(PDF)下載：
http://www.info.ucl.ac.be/~pvr/paradigmsDIAGRAMeng108.pdf
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該圖中文翻譯文件(PDF)下載：
http://www.delphibbs.com/keylife/images/u40/paradigmsDIAGRAMeng108_CN.zip
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圖：主要的編程范型(點擊看大圖)
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（圖1）主要的編程范型-縮略圖
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一、從數(shù)據(jù)到編程
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Peter在“主要的編程范型”中，首先分清了數(shù)據(jù)描述語言與描述式編程語言。他把數(shù)據(jù)描述語言——例如XML——作為獨立部分劃分出來，然后指出這類語言主要考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描象，理論上基于人們對結(jié)構(gòu)（記錄/Record、結(jié)構(gòu)/Struct）的理解。接下來，作者在此基礎(chǔ)上引入第一種“程序設(shè)計特性”，即procedure，由此得到“初階函數(shù)式編程”這一個基本的程序設(shè)計范型。
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從這里可見Peter在程序設(shè)計語言分類上與以前的其它方法的不同之處：Peter并不在乎語言出現(xiàn)的時間關(guān)系，也不在乎語言的流行程度的影響。他著力于觀察語言特性發(fā)展之間的脈絡(luò)。而必須要對上述內(nèi)容補(bǔ)充說明的是，Peter在“初階函數(shù)式編程”所說的函數(shù)，事實上是早期業(yè)界對“函數(shù)(function)”的定義，即：例程分為過程、函數(shù)兩種，二者區(qū)別僅在于前者不返回值，后者返回值。所以事實上，在這里Peter強(qiáng)調(diào)的是一種“普通例程”的特性。
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二、最重要的分類依據(jù)：cells(state)
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接下來，Peter將一個最重要的概念"state"引入進(jìn)來。而這個state也是Peter對語言進(jìn)行分類并考察它們的進(jìn)化變化的主要依據(jù)。但是，Peter所引用的這個state概念，以及在這里使用的專用名詞“cells”相當(dāng)?shù)亓钊嗣曰?#xff0c;所以在這個圖的補(bǔ)充說明中，Peter對此專門做了解釋：“狀態(tài)是記憶信息的一種能力，更精確地說，是及時存貯值序列的能力。”
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你覺得這個概念象什么？對了，的確，非常象是“變量”。事實上，狀態(tài)在編程核心概念的“數(shù)據(jù)-邏輯”抽象中，它表明的正是“數(shù)據(jù)的可變性”，亦即是說：數(shù)據(jù)的可變性表現(xiàn)為狀態(tài)。更進(jìn)一步地說：當(dāng)數(shù)據(jù)被命名時，它稱為變量或常量；當(dāng)數(shù)據(jù)未命名時，它成為游離的、無名稱和時序含義的存儲單元，即“cells”。這也是Peter使用“cells”這個專用名詞的原因：在本圖的討論中，需要從“變量/常量”這樣的概念中，剝離掉“未命名或命名的、確定的或非確定的，以及串行的或并發(fā)的”這三方面的性質(zhì)。
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當(dāng)不考慮一個存儲位置上的命名特性時，它就既非變量、常量，也非某個確定的運算對象（例如“對象”等高級的抽象概念），而只是一種更加泛義的“狀態(tài)”，而存儲這個狀態(tài)本身的，則因為沒有位置、時序等概念，而稱為“cells”。
三、命令式語言的誕生：狀態(tài)維護(hù)
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《程序設(shè)計語言》這本書解釋過命令式語言的本質(zhì)特性，即：用算法改變數(shù)據(jù)。如果用兩個以上的邏輯（例如兩行代碼）去影響同一個存儲位置(cells)，并使它的狀態(tài)改變，最終在該cell產(chǎn)生運算結(jié)果的，那么它就是一種命令式語言。
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再簡單一點（但沒有上面這樣嚴(yán)謹(jǐn)）地說：在程序中不斷地重寫變量，變量值即是程序的最終結(jié)果。
所以，在本圖中，Peter把這個衍生關(guān)系表達(dá)為：命令式=純數(shù)據(jù)+算法+狀態(tài)維護(hù)。如圖：
（圖2）命令式語言的誕生
四、在命令式編程中對“狀態(tài)”的理解：共享狀態(tài)
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無論是在串行的，還是并發(fā)的編程中，命令式編程范型對“狀態(tài)”的理解都是：共享狀態(tài)。在圖中，這一分支表現(xiàn)為全部的桃紅色（參見后圖）。
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在串行（例如單線程）的編程中，狀態(tài)是時序相關(guān)的。因為不斷地重寫“狀態(tài)（數(shù)據(jù)/cells/變量）”，所以前一行和后一行所面對都是同一個共享狀態(tài)的不同的值/副本。在這個過程中，狀態(tài)是時序相關(guān)的，所以前一分鐘與后一分鐘的狀態(tài)是不確定的——但是在同一時刻，這個狀態(tài)是確定的。
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與上面類似的，在多線程中，同一時刻，不同線程也將面臨這個值/副本。但是正是因為多線程（并發(fā)）中，線程A與線程B對于同一個cell，在同一時刻所得到的狀態(tài)也是不確定的——我們可以假想為多核CPU在對同一個內(nèi)存地址讀寫（于是就出現(xiàn)了我們所謂的“同步”問題，進(jìn)而也就出現(xiàn)了“鎖”的問題），所以在這個分支中，當(dāng)加入“線程”概念之后，新的編程范型，全都變成了“觀測-非確定性”為“yes”的情況。
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（圖3）觀測-非確定性（留意圖中加粗的黑框），以及狀態(tài)的共享
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“觀測-非確定性(Observable nondeterminism)”可以被譯為“測不準(zhǔn)”，但是用在中文中依然拗口，所以我選擇了直譯。在Peter的書(CTM)中，對該問題有一個經(jīng)典的示例，即：
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declare
? C={NewCell 0}
thread
? C:=1
end
thread
? C:=2
end
------------
Peter這段代碼的意思是說：當(dāng)線程1和線程2，在同時向C這個cell寫數(shù)據(jù)時，你并不確知上述代碼運行之后C這個位置上的值究竟是1，還是2。
五、解決這個問題的終極之道：不要寫cell！
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我們顯然發(fā)現(xiàn)，問題是因為多個線程都在“寫cell”。在命令式的解決方案中，采用的方法是“加鎖”；持鎖存取的最經(jīng)濟(jì)的方法之一是“多讀單寫”——即保證同時只有一個線程能“寫cell”。
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但是這給應(yīng)用帶來了負(fù)擔(dān)——如果一個應(yīng)用程序由多個線程（分布或不分布在多個CPU核上），在它們都要讀取同一個cell、而又有某個線程要寫該cell的時候，那么大家就都要掛起來等這個寫操作完成了。整個應(yīng)用程序在CPU使用（或者說效率）上就大大地打了折扣。
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如果這只是一個桌面程序（例如記事本），大概沒人會說什么。但如果是服務(wù)器程序（例如Web Server），那么整個網(wǎng)絡(luò)、所有的會話就都處于等待狀態(tài)了——而這個時候，服務(wù)器的CPU占用還可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于1%！
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解決問題的終極方法，就是不解決這個問題——寫cell帶來了問題，那么我們就“不寫cell”。我們由前面所有講述的內(nèi)容開始倒推，問題根本是由“命令式語言”這個編程范型本身決定的：用算法改變數(shù)據(jù)。
所以，我們回到了原始的問題：如果算法不改變cell(數(shù)據(jù)/狀態(tài)/變量)呢？
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六、函數(shù)式編程的核心概念：閉包
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當(dāng)“過程（初階的函數(shù)）”引入了“閉包”的概念后，整個“函數(shù)式語言”的體系建立了起來。所謂“閉包”，是指在函數(shù)運行的上下文中，所有的cells與函數(shù)之外無關(guān)，這些cells的狀態(tài)僅與函數(shù)——這個運算邏輯相關(guān)，則這個上下文環(huán)境“整體地”被稱為“閉包”。
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如果換個說法，閉包就是不受函數(shù)之外影響的一堆cells。一般在實現(xiàn)它的時候，就是讓函數(shù)持有一個“專屬的(!)”內(nèi)存塊，并且這個內(nèi)存塊僅當(dāng)函數(shù)本身失效的時候，才被釋放。
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一個“函數(shù)本身”何時失效呢？如果這個函數(shù)只有傳入?yún)?shù)和傳出值的功能，那么這個函數(shù)就在它傳出值之后立即失效了。所以，對于整個運算邏輯——這個函數(shù)來說，它沒有操作過任何（函數(shù)之外的）狀態(tài)，既沒有讀，也沒有寫。對于這個邏輯來說，只有傳入，也只有傳出，所以它具有完全的運算確定性，它本身作為一個“結(jié)果值”來看的時候，也是確定的。
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不過在實用時，對于上述的觀念做出了一些挑戰(zhàn)。例如說：當(dāng)函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行了一半的時候退出，怎么辦呢？答案是：1、先不釋放函數(shù)；2、過一會兒再進(jìn)入。這個，就是所謂的延續(xù)（Continuation），以及在JavaScript 1.6以后推出的yield概念。同樣的，正因為“的確存在”執(zhí)行之后函數(shù)不釋放的可能性，所以函數(shù)式語言通常是由語言引擎來維護(hù)閉包的生存周期的——任何新的概念、理論的提出，都必須保證這個生存周期可測、可維護(hù)。因此相較于命令式語言，自動內(nèi)存管理在函數(shù)式語言中實現(xiàn)起來更為高效和簡潔，它最早被實現(xiàn)在函數(shù)式語言(LISP)語言中，也是有其必然性的了。
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這樣一來，對于在函數(shù)之外的狀態(tài)state來說，函數(shù)從來不去影響它們。函數(shù)式編程范型帶來了新的模式：給函數(shù)數(shù)據(jù)（入口參數(shù)），函數(shù)給出結(jié)果（返回值）。即通過不斷地函數(shù)運算來產(chǎn)生結(jié)果，而不改變cell(數(shù)據(jù)/狀態(tài)/變量)。
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函數(shù)式與命令式范型相比較，前者被人稱為（P,D;I,O)，后者被人稱為（I,O;P,D），其中：輸入（I）、輸出（O）、加工處理程序（P）和存儲狀態(tài)數(shù)據(jù)（D）。即函數(shù)式先明確（P，D）——確定的處理與數(shù)據(jù)（閉包），然后討論在閉包上的I、O問題。而命令式先確定了I、O的方式——即state的存取問題，然后討論P、D的設(shè)計。
七、狀態(tài)的命名：變量、常量、端口等
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在整個這個“主要的編程范型”圖中，也許最接近現(xiàn)實世界（通用應(yīng)用開發(fā)）而又是純函數(shù)式范型的語言，就是erlang了。從圖中的標(biāo)注來看，erlang具有這樣的一些語言特性：
1、消息傳遞
2、命名狀態(tài)
3、端口
4、閉包
5、線程（erlang中的輕量級進(jìn)程）
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這五個特性，其實都可以歸結(jié)為erlang對“狀態(tài)”的處理方式。其中：
1、當(dāng)跨節(jié)點傳遞狀態(tài)時，采用“端口+消息傳遞”；
2、當(dāng)跨線程（進(jìn)程）傳遞狀態(tài)時，采用“進(jìn)程ID+消息傳遞”；
3、當(dāng)在多個函數(shù)/執(zhí)行過程中傳遞狀態(tài)的，采用“閉包（函數(shù)入口參數(shù)）”。
亦即是說，你可以把“端口、進(jìn)程標(biāo)識或函數(shù)入口參數(shù)”想像成“一個傳送狀態(tài)的通道”，或者干脆是用于讀取其它外部代碼的“狀態(tài)的一個副本”的途徑。?
（圖4）狀態(tài)的命名
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對于上述特性，erlang在整個過程中允許為狀態(tài)命名（全局的或局部的）——變量。但是，該變量只能一次賦值——向端口和進(jìn)程ID傳遞消息是一次性的，而函數(shù)參數(shù)上的變量賦值/匹配也是一次性的。盡管對狀態(tài)“是否已賦值”需要進(jìn)行有效性檢測，從而給系統(tǒng)帶來風(fēng)險，但也是使得程序可讀性和應(yīng)用性能變得“稍微好一些”的唯一方式。
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在“主要的編程范型”圖中，緣于erlang對“命名的狀態(tài)”的取舍，它被歸為了“更少的說明式特性”的范疇。但同樣的原因，它也是我們目前“（相對）最易用”的工業(yè)級的純函數(shù)式語言。
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同樣，在這個分支上還有一個后起之秀，就是“對象能力編程”。這在最近的報道中，已有基于Scala的Actor模型進(jìn)行的實現(xiàn)。盡管Scala是在Java上的一個實現(xiàn)，但它擁有完整的函數(shù)式語言特性，并使用了面向?qū)ο蟮囊恍┱Z法與思想，在加入“對象能力類型（Object Capability Types，OCT）”之后，它擁有了跨Actor傳遞對象（整個對象可以視為一個狀態(tài)/cell）的能力——在必要的時候，目標(biāo)Actor會將接收到的對象再次本地化(local cell)。
八、語言的底本：LISP/Scheme/Haskell, Prolog, Fortran/Pascal, ML
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從語言沿革的進(jìn)化關(guān)系來看，Fortran位于高級語言的基底位置，基本上來說，它是現(xiàn)今絕大多數(shù)過程式/命令式語言的底本，在這個分支上主要發(fā)展的有Algol、Simula、Pascal與C。后來出現(xiàn)的各種面向?qū)ο缶幊陶Z言，主要受到Simula跟Smalltalk的影響。
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從Fortran之后，LISP成為所有函數(shù)式語言的底本，但由于早期LISP的應(yīng)用性極差，所以Scheme吸取了Algol與LISP的一些特性，成為函數(shù)式語言發(fā)展的主要力量之一。在1987年之后，從Scheme、Smalltalk等演化出來的Haskell，也成為不可小視的新生力量。
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（圖5）函數(shù)式語言的龐大家族
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Prolog這個語言的獨特的開創(chuàng)性在于：它主要描述通過邏輯事實進(jìn)行推論并得出結(jié)論的過程，它的運算對象并非直接含義上的“數(shù)據(jù)”，而是一種接近人的思維的抽象：邏輯子句。這種新的、對數(shù)據(jù)的抽象開啟了一個語言分支。
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在圖中幾乎總是與Scheme一起出現(xiàn)的ML(Meta Language)是一種，它的一個比較普及的、方言化的實現(xiàn)是SML(Standard ML)。在這個語言分支上，一個更晚出現(xiàn)而又頗富盛名的語言是Caml/OCaml（Caml, Categorical Abstract Machine Language）。基本上，它看起來象是在ML的函數(shù)式語言特性上加上：
1、命名（持久性常量）
2、cell
Objective Caml (OCaml)支持面向?qū)ο缶幊?#xff0c;而使它更為眾所周知的是：ECMAScript Ed4（Javascript 2）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是采用OCaml這個語言來“定義”——并同時實現(xiàn)的。而微軟的F#也是基于OCaml在函數(shù)式語言上方向上發(fā)展的。
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另一個函數(shù)式的分支是數(shù)據(jù)流編程，它的底本語言是Dataflow——圖中出現(xiàn)的Pipes/MapReduce是兩種不同的機(jī)制，而非確定的語言。在這個分支上，現(xiàn)實中主要采用數(shù)據(jù)流編程范型的語言其實是LabVIEW。相對于數(shù)據(jù)流（驅(qū)動的）編程來講時，命令式語言也被稱為控制流（驅(qū)動的）編程語言。數(shù)據(jù)流編程在函數(shù)式這個分支中也是有開創(chuàng)意義的，它帶來了圖化、網(wǎng)絡(luò)圖化編程這樣一種格局。
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在這一小節(jié)（以及圖）里面，主要提及到的底本語言的出現(xiàn)時間為：
??? * 1957 FORTRAN
??? * 1958 ALGOL
??? * 1960 LISP
??? * 1962 SIMULA
??? * 1969 Smalltalk
??? * 1970 Prolog
??? * 1971 Dataflow
??? * 1972 C
??? * 1973 ML
??? * 1975 Pascal
??? * 1975 Scheme
??? * 1990 Haskell?
??? * 1996 OCaml
九：延伸閱讀
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《象大師們一樣思考》
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2008/10/09/3037952.aspx
《世界需要一種什么樣的語言》
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2009/03/12/3983975.aspx
《表面的簡潔》
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2009/04/22/4099931.aspx
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《無廢話JavaScript》（上）（下）
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2008/10/06/3022379.aspx
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2008/10/06/3022409.aspx
from:?http://blog.csdn.net/aimingoo/article/details/4648284
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的“主要的编程范型”及其语言特性关系（多图）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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