七大编程原语言（2022）

# madhadron - 七种编程原始语言 来源：https://madhadron.com/programming/seven_ur_languages.html ## 七种编程原始语言 我经常听到人们问该学哪门编程语言，然后列出一堆非常相似的语言（“我该学 Java、C#、C++、Python 还是 Ruby？”）。我的回答通常是：其实没关系，只要开始就行。因为背后有共通的基础原理。 所谓基础原理，指的是什么呢？如果你有一个数组或列表并要遍历它，那么在任何命令式语言中做法都一样。有直接的迭代： `` int[10] arr; for (int i = 0; i < 10; i++) { // 对 arr[i] 做点什么 } `` 也有遍历所有无序组合的方式： `` int[10] arr; for (int i = 0; i < 10; i++) { for (int j = i+1; j < 10; j++) { // 对 arr[i] 和 arr[j] 做点什么 } } `` 还有其他几种模式，但这些模式在 C、Java、Python 或 Fortran 里基本一致。拥有能流畅地用这些模式表达意图的神经通路——就像用英语句子结构表达思想一样——就是基础原理。 但并非所有语言都拥有相同的模式集合。C 或 Python 的循环模式与 Standard ML 或 Prolog 的递归模式截然不同。在 Lisp 中组织程序的方式（命名新的语言构造）与在 APL 中组织程序的方式（符号序列的片段既定义了行为，又在你的脑海中成为该行为的标签）也截然不同。 这些不同的基础原理集合构成了各种*原始语言*。学习一门同源的原始语言是轻松的转变；而学习一门源自陌生原始语言的语言则需要大量的时间、精力以及新的神经通路。 据我所知，当今软件界共有七种原始语言。我将用*模式标本*来命名它们——就像古生物学中用一个特定化石定义物种，再将其他化石与之比较来确定身份。这七种原始语言是： - ALGOL - Lisp - ML - Self - Forth - APL - Prolog ## ALGOL **特征**：程序由赋值、条件判断和循环的序列构成，并组织成函数。许多语言在此基础上增加了模块系统、定义新数据类型的方式、多态性，或者异常、协程等替代控制流结构。 **例子**：大多数常见编程语言都源自这一原始语言。ALGOL 本身包括 ALGOL 58、ALGOL 60、ALGOL W 和 ALGOL 68。主流处理器的汇编语言、Fortran、C、C++、Python、Java、C#、Ruby、Pascal、JavaScript 和 Ada 都源自这一原始语言。 **历史**：这是最古老的原始语言，可追溯到 Ada Lovelace 为巴贝奇分析机编写的程序。所有 Eckert-Mauchly 架构计算机（从 EDVAC 和最早的 Univac 开始）的机器语言和汇编语言都采用这种形式；所有早期高级语言尝试（从 Grace Hopper 的 A-0 开始，经过 Fortran 和 COBOL）也是如此。20 世纪 60 年代，学术计算机界发展了结构化编程，以使这些语言更易于管理，由此诞生了 ALGOL 60，该家族几乎所有成员都衍生于它。 随着时间的推移，该家族的成员不断吸收来自其他原始语言的特性。20 世纪 80 年代，Self 原始语言的概念被嫁接到许多这类语言中，以类的形式定义数据类型和实现多态。2010 年以来，ML 原始语言的思想也开始出现。 ## Lisp **特征**：Lisp 由括号包围的前缀表达式组成，例如： `` (+ 2 3) (defun square (x) (* x x)) (* (square 3) 3) `` 这种语法看起来很古怪，但该语言还内置了用括号包围空格分隔元素（如 `(1 2 3 4)`）来表示列表数据结构的机制。因此代码本身就是列表的形式，Lisp 系统允许你定义宏来接收列表、修改它，然后将修改后的代码传给编译器。 在编写大多数代码时，Lisp 的行为通常类似于其他原始语言（通常是 ALGOL 或 ML），但它的区别在于宏系统，允许程序员重新定义语言语义。例如 Common Lisp 中有 `loop` 语法，但它是以宏的形式定义的，而非语言内置。 **例子**：早期有许多种 Lisp，但社区在 Common Lisp 上达成了共识。与此同时，Sussman 和 Steele 探索了函数能做到多少事情，产生了 Scheme。几种特殊用途的 Lisp 也得到了使用，例如 Lush（数值计算）、AutoLISP（AutoCAD 的脚本语言）和 Emacs Lisp（实现 Emacs 编辑器行为所用的语言）。近年来，Clojure 成为 Lisp 家族的第三个主要分支。 **历史**：Lisp 比 Fortran 年轻大约一年，是当今仍在使用的第二古老的语言。它的起源是一个纯粹的数学问题：如何定义一个数学结构，使其能够求值自己的表达式？John McCarthy 在 1958 年给出了答案，随后在计算机上实现了它。这种数学背景使得早期 Lisp 在当时的机器上显得笨拙。内存和 CPU 周期的问题与数学无关，而垃圾回收等机制不得不被发明出来以使其正常工作。 在 1970 年代末到 1980 年代初，有专门从头设计来运行 Lisp 的机器。今天的大部分集成开发环境就是在那类机器上发明的。在那一时期，Lisp 本身是大多数人工智能研究的首选工具。当 1980 年代人工智能的炒作未能兑现时，该领域以及 Lisp 一起坠入了所谓的“AI 寒冬”。Lisp 至今仍顽强地存活着，尤其是在计算机性能增强、其他语言采用了当初使其实现困难的那些特性之后。 ## ML（函数式语言） **特征**：ML 语言的定义特点是函数作为一等公民，以及 Hindley-Milner 家族的类型系统，该系统足以表示不同类型的函数和带标签的联合。所有迭代通过递归完成，例如： `` sum : list of int -> int sum [] = 0 sum (x:xs) = x + sum xs `` 或者通过定义封装迭代模式、并接受另一函数来实现行为的函数： `` map : ('a -> 'a) -> list of 'a -> list of 'a map _ [] = [] map f (x:xs) = (f x) : (map f xs) `` 该家族中的一些语言（Miranda 和 Haskell）默认采用惰性求值，即直到真正需要时才求值。其他语言则在不同方向上扩展类型系统。OCaml 试图融合 Self 原始语言的概念。Agda 和 Idris 混合了值和类型（称为依赖类型系统），1ML 则混合了模块和类型。 **例子**：ML 衍生出 CaML（Cambridge ML）、Standard ML、OCaml，以及整个相关家族如 Miranda、Haskell，以及当今的依赖类型语言如 Agda 和 Idris。 **历史**：ML 是英国剑桥大学一个定理证明程序的元语言（因此得名）。该语言后来从该上下文中脱离出来，在欧洲（尤其是英国和法国）流行起来。 ## Self（面向对象语言） **特征**：程序由一组可以相互收发消息的对象组成。所有行为都通过这种方式实现。通过向现有对象发送消息来创建新对象。条件判断通过一个指向真对象或假对象的变量实现：两者都接受带两个参数的消息——一个是在真时运行的函数，一个是在假时运行的函数。真对象运行第一个函数，假对象运行第二个。调用代码不知道它发送给谁，只知道自己正在发送消息。循环也是如此。实际上，通过创建并将合适的对象插入到正确位置，你可以完全重新定义语言的语义。 这类语言通常将源文件存储在实时环境中，而非文本文件中。程序员修改实时系统并保存其新状态，而不是编译文件来生成系统。 **例子**：两个重要的例子是 Smalltalk 和 Self。有一系列语言在部分子集中实现了向对象发送消息，这种部分导入通常被称为“面向对象编程”。其中大多数以 Smalltalk 为模型。JavaScript 是个例外，它源自 Self 的无类对象系统。 这些概念还被引向了另外两个重要方向。 首先，Common Lisp 的对象系统泛化了根据接收消息的对象选择运行何种代码的想法。它将行为与对象解耦，运行时根据所有参与参数（而非仅一个）选择要运行的行为。 其次，Erlang 将执行线程在对象之间跳转以运行各种代码的概念，改为采用并行执行线程，这些线程显式地监听和发送消息。 **历史**：Smalltalk 是原始语言，开发于 1970 年代末至 1980 年代的 Xerox Parc。1980 年代有各种商业 Smalltalk 系统，IBM 使用 Smalltalk 开发其其他语言的编程工具（即 VisualAge 工具集合）。如今，Smalltalk 主要以开源 Pharo Smalltalk 的形式存续。 大量工作致力于让 Smalltalk 运行得更快更高效，最终在 Strongtalk 项目中达到顶峰。Strongtalk 在历史上很重要，因为其发现成为了 Java 的 HotSpot 即时编译器的基石。 Smalltalk 从早期语言继承了值和类型的概念，并实现了类的思想。所有对象都有一个给出其类型的类，该类用于构造该类型的对象。Self 丢弃了类的概念，仅处理对象。由于这是更纯粹的形式，我选择 Self 作为这一原始语言的模式标本。 ## Forth（栈式语言） **特征**：栈式语言是 Lisp 的反面，并且使用与惠普逆波兰符号计算器相同的文法。它们有一个数据栈。当你写入一个像数字 `42` 这样的字面量时，它被压入栈。当你写入函数名时，它不显式接受参数，而是操作栈。简单的算术看起来相当反直觉： `` 2 3 + 5 * `` 函数定义同样简洁。在大多数 Forth 变体中，`:` 定义一个新单词，本例中是 `square`。调用 `square` 时等同于先调用 `dup`（复制栈顶元素），再调用 `*`（将栈顶两个元素相乘）。 `` : square dup * ; 3 square `` Forth 允许程序员拦截解析器并用自己的代码替换它，因此文法完全可替换。常见到 Forth 程序定义小语言，例如 Fortran 子集或直接以 ASCII 方式解析描述包布局或状态机转换的图表。 **例子**：Forth 及其众多变体、PostScript、Factor、Joy（一种纯函数式语言，使用数学化的组合子代替栈）。 **历史**：Forth 最初于 1970 年编写，用于控制射电望远镜，但随后在嵌入式系统中广泛传播。由于引导一个 Forth 系统足够简单，有数十种由不同程序员为自己的目的创建的变体。 PostScript 在 1980 年代作为一种灵活描述打印文档的方式出现。它在很多方面比 Forth 更受限，但定义了与图形布局相关的原语。 ## APL（数组语言） **特征**：语言中的一切都是（n 维）数组。运算符由一个或两个符号组成，实现对这些数组的高层操作。结果极其简洁，以至于符号序列本身就成为操作的标签，而非另外命名。例如，要计算变量 `x` 中数组的平均值，可以写为： **例子**：APL、J、K。高阶数组操作已被部分导出到许多环境中，如 MATLAB、NumPy 和 R。 **历史**：APL 最初是 Kenneth Iverson 在 1960 年代创建的一种数学记号，后来他在计算机上实现。此后，它在从事密集计算的人中一直拥有小众追随者。其派生语言 K 在金融领域非常流行。 ## Prolog（逻辑语言） **特征**：程序由事实组成，可以是“事实事实”，例如 Bob 是 Ed 和 Jane 的父亲： `` father(bob, ed). father(bob, jane). `` 或者非事实事实，通过使用变量（大写开头）定义如何从其他事实推导出新事实： `` grandfather(X, Y) :- father(X, Z), father(Z, Y). `` Prolog 运行时接受这些事实和一个查询，然后搜索查询的结果。事实表明，如果选择正确的结构来定义事实，这是图灵完备的。 形成 Prolog 事实的项本身是一种原生数据类型，可以被创建并传递给运行时，就像 Lisp 的宏或 Forth 的解析器替换一样。 由于 Prolog 程序本质上是在搜索，它们的调优方式类似于数据库查询——调整搜索顺序，并尽早剪断不会产生结果的路径。 **例子**：Prolog、Mercury、Kanren。围绕这一原始语言的绝大多数编程都发生在 Prolog 本身——其社区惊人地统一。 **历史**：1970 年代，法国的逻辑学家意识到可以用一阶逻辑表达程序，并开始尝试实现。1980 年代，日本第五代计算机项目重注押在 Prolog 上，当该项目失败时，Prolog 也声名狼藉。 与此同时，数十年研究持续进行，致力于让 Prolog 运行时足够智能以在大多数情况下高效工作，以及增加新能力（如数值约束，产生约束逻辑编程）。 Prolog 往往出现在一些特定领域。Java 的类型检查多年来用 Prolog 实现，Facebook 最初的源代码搜索工具也是如此。 ## 如何利用这些知识 对于大多数程序员来说，其中一些甚至全部原始语言可能看起来非常另类。花些时间接触每一种原始语言是值得的，因为它们会促使你生长新的神经通路，并带来新的可能性。很多时候，从 ALGOL 视角看完全不同的两件事，通过另一个视角看去就变成了微不足道的比较。 **首先**，每个程序员都需要熟练掌握一门 ALGOL 家族的语言。 **其次**，学习一门 Prolog 家族的语言：SQL。这是因为在 ALGOL 家族之后，SQL 将是你职业生涯中回报最高的语言。我将人们学习 SQL 时最常见的障碍整理成了一份免费课程（https://madhadron.com/imperative_to_relational.html）。 **然后**，一旦掌握了这两者，就值得拓展视野。每年学习一门源自陌生原始语言的新语言会带来丰厚的回报。在以上每个家族中，我今天建议的语言分别是：