什么是好的编程语言？

编程

作者：skura

2019/11/21 10:56

本文作者是高级系统开发工程师 Torbear Gannholm。Torbear 有着 30 多年的开发经验，对技术很深刻的理解。对于什么是好的编程语言，他发表了一篇文章分享了自己的观点。以下是他的全文：

这篇文章改编自我在 Cygni 科技峰会上的一次演讲。

我一直认为编程行为是在一个抽象的领域中完成的，只是后来才被翻译成编程语言。编程应该比写作需要更多的思考。

我基本上仍然坚持这一点，但我在谷歌担任代码可读性审查员的多年经验让我意识到，要想很好地使用一门语言需要时间和经验。许多 C++程序员在使用 Java 时编写了功能完备且合理的面向对象代码，但是 C++的臃肿却不能很好地满足 Java 中的优雅（即使 C++程序员可能认为它除了 Java 的「缺陷」之外大多是优雅的）。

那么程序语言的选择有多重要呢？有没有一种语言可以被认为是完美的？

什么是好的语言？

在学术界，关于什么是一门好语言的话题似乎相当平静，但 Tony Hoare 在 1973 年发表了一个有趣的主题演讲，名为「Hints on Programming Language design」。

如果你不知道 Tony Hoare 是谁，你可能会记得他是几年前在公众场合为发明了「NULL」而道歉的人。他本想避免这个，但实施起来太容易了，所以他无法抗拒。他还发明了很多好东西，比如 switch 语句和通信顺序、进程的思想，它们经常出现在 Go 和 Ada 的并发范例中。他的大部分工作都花在追求无错误编程上，但他断定这是一种浪费，因为业界对此根本不感兴趣。

关于 PL 设计的提示首先提出，一种好的语言应该支持程序员需要完成的工作——主要是设计、文档和调试。因此，编程语言的设计应该引导程序员将程序分解成可管理的部分，帮助程序员使代码大部分具有可读性，当代码发生错误时，不应该太难找到并修复它们。我认为这听起来是一个很好的方法，尽管我还想补充一点，编程在某种程度上也应该很有趣。

随后，Tony Hoare 提出了一些好的编程语言应该具备的特性：

最重要的是简单性。一种语言应该足够简单，程序员应该能够知道关于它的一切。似乎有证据支持这一观点。Smalltalk 非常简单，可以在明信片上完整地描述，它可能是最有效的通用编程语言。我发现一个博客曾经总结说，完美的编程语言是你已经知道的语言。所以这就引出了一个问题，如果坚持使用你熟悉的「糟糕」的语言，而不是切换到「更好」的语言，会不会更好？好吧，首先，尽管语言在统计上有显著的可测量的差异，但是转换的代价似乎总是比我们想象的要花更长的时间来偿还。不了解一门语言全部知识的代价也可能是非常昂贵的。但这些都是无聊的答案，在这篇文章中，我们寻求完美。
安全性很重要。生成的程序应该以可预测的方式运行，最好是无错误的。当 bug 简单地给出错误的答案时，它尤其糟糕，就像在汇编程序中对一个固定的点号执行浮点操作一样。将单位附加到数字上也是可取的，但据我所知，很少有语言允许这样做。
快速编译是迭代解决方案所必需的。任何经历过 sub-second 测试运行的紧凑 TDD 周期的人都知道，不能低估此属性的重要性。Flutter 的热重载或类似 REPL 的探索性编程确实将生产率提高到了新的水平。
代码应该运行得快速高效。不管处理能力增长有多快，我们仍然需要解决更大的问题。Tony Hoare 提出，一门好的语言应该反映计算机的实际工作方式，优化步骤应该产生新的源代码。这可能不完全实用，但我认为我们至少可以思考一下，应该知道哪些代码构造的性能特征。
可读性：能够理解别人的代码在做什么。显然，尤其在你的代码被读的次数比写的次数多得多的情况下，这一点尤为重要。

市场可以保持非理性的时间比你保持偿付能力的时间长。

这是经济学家 John Maynard Keynes 的名言。它说明了这样一个观点：我们并不总是认可最好的产品，有可能完美的语言已经被创造出来，但我们并没有使用它。

第一候选语言

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;

上世纪 80 年代，上述观点被大肆宣传，设计师 Jean Ichbiah 认为，十年内，世界上只会有两种编程语言，一种是 Lisp，另一种是 Ada。这不是一个完全不合理的想法。Ada 是在非常坚实的需求集合和与大量团队设计竞争下产生的，这是因为当时计算机语言是一门大生意。Tony Hoare 和 Niklaus Wirth 实际上是另一支半决赛队伍的顾问，获胜的队伍的语言更加复杂，他试图简化他们的意见。Ichbiah 没有想到的是，第一个 Ada 非常复杂，甚至连编译器都有性能问题，所以它有点延迟，然后，第二个编程语言——C 和 Unix 出现了。

但是，由于美国国防部希望创造一种语言来取代他们拥有的 160 种左右的语言，因此在 1991 年 Ada 成为北约系统的强制性语言（尽管例外情况经常被允许）。事实证明，Ada 实际上是一种设计精良的语言，除了军事系统外，它在太空任务、空中交通管制和法国高速列车上也得到了证明。在危急情况下，Ada 应该是最佳选择。对于 C 程序中的每 100 个错误，对应的 Java 程序中大约有 50 个错误，而 Ada 版本中只有 4 个错误。Ada 还有一种方言 Spark，在这里你可以正式证明你的程序的正确性。在生产率方面，Ada 与 Java 差不多。所以，除了复杂性，Ada 似乎非常完美。由于 Ada 在设计上的一致性，所以即使你不知道构造的具体细节，也可以很好地了解代码所做的事情。并且，Ada 有优秀的文档，文档中包含了为什么每个特征会存在。那些用 Ada 编写代码的人似乎也很喜欢这一点。

Ada 继续发展，并在 2012 年获得了合同。不幸的是，似乎不太可能出现 Ada 的复兴。

第二候选语言

-- 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个博主问：今年是否终于是世界恢复理智、Haskell 终于起飞的一年？Haskell 的搜索结果似乎一致称赞这种语言。难道我们使用其它语言的程序员只是不理智吗？

当然，Haskell 是一种非常有趣的语言，但它非常抽象。你真的需要六种不同的方法来实现阶乘吗？我想说，也许 Haskell 的主要关注点在于抽象代数和对数学的兴趣上。有些人确实在生产中使用 Haskell，所以我也看了他们的说法：

创建二进制兼容的 libs 是很困难的，这意味着你基本上希望从头开始编译所有内容，这可能会在一个大项目上花费数小时。
很难预测性能，一个小的重构会导致代码运行速度减慢几个数量级，甚至有经验的程序员也很难诊断它。
你需要监控你的内存使用情况，因为它会在一些输入上突然爆炸。
尽管有人声称，当 Haskell 代码编译时，它往往是正确的，但这似乎不像支持者所希望的那样正确。
默认情况下，所有东西都是无副作用的，因此如果你确实需要改变内部代码，则必须重写上面的所有层（例如，没有调试打印语句）。
Haskell 遇到了一个「神秘元组问题」，因为尽管类型的定义非常严格，但是每个函数中的组件可以有不同的名称。

那些使用 Haskell 的用户声称对此非常满意，但是一位生产用户说，当他们为了自己私人用途编写代码时，他们更喜欢使用 Python。

除了类型安全性，Haskell 似乎真的没有踩雷，所以我们可能根本没有错过完美的语言。继续向前！

在一门语言中我想要什么样的特性？

为了回答这个问题，我看了一下我使用过的语言，并尝试指定一些我喜欢的特性。如果我设计了一种语言，我会考虑使用以下这些特性。

Cobol

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

Cobol 最初是美国国防部管理行政事务的权宜之计。与所有临时解决方案一样，60 年后，它仍在强劲发展，主要是用在银行和政府部门。它稳步发展，最新的版本是 2014 年的。从 for 循环可以看出 Cobol 非常冗长。它考虑的是让非编程业务专家也能够读取代码。虽然我很欣赏这个目标，但我不会模仿这么冗长的内容。另一方面，record 的定义也很棒！你只需指定自己拥有哪些字段以及它们是以何种模式写入的，计算机就会为你处理所有的读写操作。这是一个声明性语法的例子，我特别喜欢模式中的一些可视组件。

FORTRAN

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

我们程序员可能会嘲笑 FORTRAN 是一种过时的语言，但是一旦你进入世界上任何一个物理机构，FORTRAN 很可能就占据了至高无上的地位。事实证明，FORTRAN 与物理学家思考工作的方式非常吻合，而且它还倾向于生成最有效的可执行文件。高效率的一个原因是缺少指针，这使得编译器可以进行更积极的缓存优化。FORTRAN 当然也经过多年的发展，最新的规范是从 2018 年开始的。

另一种在物理系大量使用的语言是 Python，不幸的是它的运行速度非常慢。为了改进这些问题，2009 年开始的一项工作提出了编程语言 Julia，它的目标是像 Python 一样简单，像 FORTRAN 一样快。总的来说，它在这方面很成功，而且它也是一种非常好用的语言。

我从 FORTRAN 中得到的是数组/向量功能。默认情况下，索引开始于 1，但也可以自主定义为从任何地方开始。在上面的代码中，我们看到索引从-5 到 5 的向量 b，向量 c 是一个 5 元素向量，其中元素是 a 和 b 向量切片中相应元素的总和。

其他语言

我使用了很多其他语言，所以在这里快速浏览其中一些语言，也许有些语言有鼓舞人心的效果：

BASIC 在 Apple II 上可用，它是一个简化的 FORTRAN，pre-vectors。
Pascal 是在那之后来的。结构化编程的典范，使用起来相当愉快。我记得 REPEAT..UNTIL 结构通常更符合逻辑。其它有用的特性有记录结构和将数值限制在范围内的能力等。
Forth 玩起来很有趣，但没什么用。我记得最清楚的是，几乎没有什么是预先定义的，你在某种程度上定义了你自己的语言。
PostScript 被用在 Irix 窗口系统 NeWS 上，我用了相当多的时间来尝试和定制它，主要是为了好玩。我还是觉得很有趣。PostScript 堆栈在一些算法中非常有用，编写代码有点像做拼图。它有 postfix 符号来操作堆栈的顶部元素，所以「253 add mul」将变成 16
Tcl 在某种程度上是对 csh 逻辑异常的一种反应，因此它被设计成具有非常逻辑和统一的语法，这是一件好事。它可以用作 tclsh 的 shell，但我认为在 wish 中与优秀的窗口工具包 Tk 一起使用更为常见。我仍然随身携带着一个轻量级但功能相当不错的编辑器，它是用 427 行宽敞的愿望代码编写的。1998 年，我使用浏览器的 tclplugin 创建了一个 SPA。
我学这个计划是因为每个人都应该在某个时候尝试一下 Lisp。这很有趣，但我真的没有任何理由用它来做任何实质性的事情。括号太多了，我没有任何顿悟。现在我在探索 Shen，它有一些非常好的语法特性，嵌入式 Prolog 和一个可选的基于顺序逻辑的类型系统。
有一次，当我正努力用 AWK 处理一些文本时，一位同事建议我试试 Perl，书中的第一个例子起到了这个作用，于是我开始了一段和 Perl 的短暂恋情。当我试图理解我以前编写的一些程序时，它很快就不起作用了。在 Perl 中，如果你知道 magic 操作符，那么任何东西都是一行。因此，Perl 将提醒你不要为各种问题发明很多操作符。

C 语言—更坏也更好

如前所述，编程语言曾经是一门大生意。有人会创建一台计算机，为它设计一个操作系统，然后语言编译器是可选的附加组件。但后来 Unix 出现了，在构建计算机之后，你所要做的就是创建一个相当简单的 C 编译器，并以复制成本获得 Unix 源代码。既然你有 C 编译器，你也可以免费把它装进去。因此 C 语言成为世界上最成功的计算机病毒。

人们会不遗余力地说服自己，这简直是免费的午餐。但仅仅因为 Unix 是用 C 编写的，并不意味着用 C 编写应用程序是件好事。与当时可用的 FORTRAN、Pascal 和其他语言相比，C 语言可能是一个让你想自杀的极好的工具。

从另一方面来说，C 语言是最接近我们可能得到的通用语言的东西，回顾过去，很难想象编程语言、操作系统和许多软件在没有 C 语言的情况下是免费的。

我已经成功地避免了 C++，这是我非常庆幸的。它就像是猪身上的口红，层层叠叠的有着不必要的复杂性。有趣的是，当 GO 被显式地替换为 C++时，结果喜欢 C++的程序员发现，C++ 在复杂程度上很高，这使得他们感觉自己是宇宙的主宰，除了 Haskell 之外，他们永远不会换用任何其他语言。

DSL-解析器/生成器

在 20 世纪 90 年代末，有一些小小的活动来创建特定于领域的语言，因此有一个解析器/生成器是非常有帮助的。我使用了 yacc/lex（和 GNU 等价物 bison/flex）以及 Javacc。我对以前版本的 ANTLR 并不太感兴趣，但是最新的 ANTLR4 非常好，它只是处理你编写规则的方式，其主要思想当然是用描述性声明的方式描述语法。

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

在某种程度上，我希望它将开始逐渐衰败，将所有内容编码为 XML、YAML 或 JSON，只是为了免费获得解析，并且需要创建更具表现力的语法，所以我肯定认为一种语言应该包含各种类型的解析器/生成器。

SQL-必不可少的恶魔？

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;

每当我怀着恐惧的心情去写一些 SQL 语句时，我总是拿着一份「SQL for Dummies」，尤其是在有 joins 之类的时髦东西的时候。但是你可以用 SQL 做一些非常强大的事情，只需考虑用一种「普通」的编程语言来做同样的事情。我的灵感来自于 Cygni 的一位同事，他有时使用 SQL 作为应用程序代码，上面的代码来自 aventofcode 2018，在那里我开始使用 SQL 来解决问题。过了一会儿我就放弃了，因为 SQL 不擅长迭代，特别是我使用的 mariadb 版本，但是我也很欣赏 SQL 的优点。

有一些人喜欢批评 SQL，最显著的是「第三个宣言」，其中描述了一系列优秀的数据库语言，称为「D」，这些语言也扩展到了一般编程。「D」的一个版本是「Tutorial D」，它是为教学目的而开发的，目前正在 reldb 中使用。

我认为在语言中有一些关系概念或数据结构是一个好主意，即使在 C 语言中做一些类似 LINQ 的事情。但是，我首先要从 SQL 中获得的是空值处理的性能。

JavaScript-是爱是恨？

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 是许多人讨厌的语言，但也有很多人喜欢它。我喜欢从一个解决方案中以声明的方式创建函数图。但我讨厌当出了问题的时候，我不知道问题在哪里。

Java

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

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

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

我真的很喜欢 Java。它的效率比 C 高 30%-200%，错误率是 C 的一半。如果我们看一下我们在「PL 设计提示」一开始所设定的标准，我认为它覆盖了它们。

很难选择特定的特性，因为我认为是组合包实现了这一点——许多成功所必需的东西正是很多人喜欢抱怨的。我认为这是伟大的，但对于其他一些语言来说却不是这样。另一个需要考虑的是包的结构。

我认为 Java 的一个错误是它没有简单数据对象的记录或结构类型。

当我说完这番话，总有人问我为什么不提 C#，原因很简单，因为我没有充分使用 C# 语言，不理解它与 Java 的区别（除了它让我恼火的所有方面）。撇开我的偏好不谈，他们似乎有着非常相似的生产率配置文件，而且我不知道有什么足够的客观原因来选择其中一个（除了平台问题，因为反正没有人使用.NET core）。另一方面，视觉语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 是我一直以来最喜欢的语言，它让我头脑中的各种灯都亮了起来，是引发我对编程语言进行分析的原因。我想用类似 XSLT 的风格来编程，不管这意味着什么。当然，所有的数据在任何时候都应该是 XML 格式的，但是这被整个 XMLSchema 的胡说八道以及用供应商产品替代 freedom 的其他做法扼杀了。

回到 XSLT，看看这种语言的力量。实际上，这里没有太多的代码。match 语句简洁地指出，每当我们遇到「rule」元素，当它是具有值为「top」属性的「section」元素的子元素时，我们应该从这个模板中得到一个结果。现在，你通常会编写多少代码来确定类似的内容？XSLT 几乎没有代码来产生结果，它只是直接写在那里。

我使用 XSLT 的一个「亮点」是我的视角改变了。我不是用命令编写程序，而是用机器运行输入，所以输入实际上是控制输出的程序。

XSLT 的另一个特点是它非常明显的同质化，也就是说，程序本身只是另一个程序可能输出的数据。这是一个有趣的特性，但是如果你真的用它来编写程序，可能会变得很难维护。

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

Go 可能与 Haskell 完全相反，因为它缺少语言理论上必须具备的几乎所有特性。它是一种僵硬、枯燥和缺乏想象力的语言，对程序的高效开发非常有帮助。尽管缺乏特征，但对于实践中存在的每一个问题，在 Go 中都有一个优雅实用的解决方案。

Go 是为了更好地适应谷歌开发的语言类型，主要对 C++的复杂度和编译速度的反应。它编译速度非常快，具有垃圾回收功能，并利用 CSP 并发模型允许轻松、安全地使用并发。

在用 Go 编程的同事们表示，他们更喜欢使用 Go，并不再纠结于如何用不同的语言「优雅地」完成任务。

我从 Go 中得到的启发是，不去追求某种理论上的「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);
}

当使用 V8 引擎的 javascript 开发人员开始考虑如何使程序运行得更快时，他们意识到必须从 javascript 中去掉一些难以加速的垃圾。Dart 看起来并没有什么特别之处，它就好像 Java 和 Javascript 有了一个婴儿，它最终成为一种大家都已经知道的语言。

你为什么要用 Dart？好吧，事实证明，去掉 Javascript 中的垃圾，从 Java 中加入一些好的部分，最终得到了一种语言，这种语言比它的「双亲」工作起来愉快多了，而且效率更高。尽管 web 社区几乎完全放弃了它，但你可以使用 Dart 并将其转换为 Javascript，代码的效率往往比任何人手工编写的代码都要高。它在谷歌内部被大量使用，因此不会有陷入困境的风险。还有一个杀手级的移动开发环境叫做 Flutter。