不改變語(yǔ)言 如何助推Java的不斷演進(jìn)
Java所獲得的巨大成功證明了這種設(shè)計(jì)方式是正確的，但如果這依然是當(dāng)今Java的重要目標(biāo)的話，那么其結(jié)果就是語(yǔ)言的演進(jìn)將變得非常緩慢。除此以外，Java是一門(mén)成熟、使用廣泛的語(yǔ)言這個(gè)事實(shí)也將導(dǎo)致其演進(jìn)過(guò)程充滿了困難。
一方面，添加到語(yǔ)言中的每個(gè)特性都可能在一定程度上造成不可預(yù)料的結(jié)果，這么做會(huì)疏遠(yuǎn)那些已經(jīng)使用了該語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)者。另一方面，本身很***的特性可能在同語(yǔ)言中的其他特性進(jìn)行交互時(shí)產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。更糟的是，一旦增加了某個(gè)語(yǔ)言特性，幾乎就不可能再將其移除了，即便是該特性會(huì)對(duì)整個(gè)語(yǔ)言產(chǎn)生不利影響也沒(méi)辦法。為了證明某個(gè)新特性是正確的，語(yǔ)言設(shè)計(jì)者必須確信從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，該特性會(huì)給語(yǔ)言帶來(lái)好處，而不是短期效益或是針對(duì)某個(gè)問(wèn)題的快速解決方案，之后就變得可有可無(wú)了。
為了降低風(fēng)險(xiǎn)，語(yǔ)言設(shè)計(jì)者通常都會(huì)創(chuàng)建單獨(dú)的一種語(yǔ)言或是分支來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)，比如Pizza語(yǔ)言就是在實(shí)現(xiàn)前用來(lái)測(cè)試Java泛型的。這種方式的問(wèn)題在于試驗(yàn)的參與者非常小眾并且都是自己想?yún)⑴c進(jìn)來(lái)的；顯然他們對(duì)語(yǔ)言特性很感興趣，很多人都是學(xué)者或研究員。但是，在普通的程序員開(kāi)始使用這些特性時(shí)，那些學(xué)者或是研究員認(rèn)為很棒的特性可能會(huì)變得很糟。
為了直觀感受一下這種情況，請(qǐng)考慮關(guān)于Java 7閉包特性的激烈爭(zhēng)論。一段時(shí)間以來(lái)，有人在提案中給出了閉包的實(shí)現(xiàn)，但最終卻還是沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。隨后，Sun決定不打算在JDK 7中添加完整的閉包支持。這時(shí)爭(zhēng)論的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向?yàn)镴ava是否變得越來(lái)越復(fù)雜了，在Java 5中添加泛型（尤其是通配符語(yǔ)法）時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了這種爭(zhēng)論；在Java已經(jīng)通過(guò)匿名內(nèi)部類(lèi)部分實(shí)現(xiàn)該功能的情況下，完整的閉包支持是否是正確的呢。需要完 整閉包支持的兩個(gè)重要場(chǎng)景是簡(jiǎn)化fork/join API（添加到了JDK 7中以改進(jìn)多核編程）的使用以及輔助資源的清理。Josh Bloch的ARM block提案（期望通過(guò)Project Coin加入到JDK 7中）就第二個(gè)問(wèn)題給出了另一種解決方案。Cliff Click博士在面向Java的可擴(kuò)展、非阻塞編程風(fēng)格的研究中給出了關(guān)于fork/join的另一種方案，隨著處理器核心數(shù)的不斷增 加，這種方案看起來(lái)更合理。如果這一切都成為可能的話，那么Java中使用閉包的地方將變得非常少了，語(yǔ)言根本沒(méi)必要提供這個(gè)特性。
話雖如此，但對(duì)于編程語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，持續(xù)不斷地平穩(wěn)發(fā)展還是非常重要的。因此本文探究了如下3種技術(shù)以向Java中增加新的語(yǔ)言特性而又不改變語(yǔ)言本身，他們 是客戶化領(lǐng)域特定語(yǔ)言（DSL）、Java 6的注解處理器（通過(guò)庫(kù)來(lái)增加可選的語(yǔ)言特性）以及將語(yǔ)法糖從語(yǔ)言遷移到IDE中。每項(xiàng)技術(shù)都可以讓眾多的主流開(kāi)發(fā)者以非侵入的方式體驗(yàn)這些新特性，最棒 的想法則可以融入到語(yǔ)言核心當(dāng)中。
客戶化DSL
在這3項(xiàng)技術(shù)中，人們談?wù)撟疃嗟倪€是DSL。該術(shù)語(yǔ)的確切含義至今尚未統(tǒng)一，但出于討論的目的，我們?cè)谶@里簡(jiǎn)單地把它看作是用于解決特定問(wèn)題、應(yīng)用范圍很窄 的一種語(yǔ)言而非用于解決所有計(jì)算問(wèn)題的通用語(yǔ)言。這樣，DSL就并非是圖靈完備（non-Turing complete）的。當(dāng)然了，還是會(huì)有一些邊際情況存在的，比如說(shuō)Postscript是一種圖靈完備的語(yǔ)言， 但根據(jù)我們方才的定義，它也是一種DSL。
如上所述，DSL并非新概念。其他類(lèi)似的DSL還有正則表達(dá)式、XSLT、Ant以及JSP等等，所有這些都需要某種客戶化的解析器對(duì)其進(jìn)行處理。Martin Fowler還說(shuō)fluent interfaces/API也可以看作是另一種DSL，稱之為內(nèi)部DSL。他說(shuō)內(nèi)部DSL是直接在宿主語(yǔ)言中開(kāi)發(fā)出來(lái)的。這對(duì)于Lisp和 Smalltalk開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)很容易理解，而最近Ruby社區(qū)也開(kāi)始對(duì)內(nèi)部DSL情有獨(dú)鐘了。
雖然很多知名的DSL都是由商業(yè)公司開(kāi)發(fā)和維護(hù)的，但一些企業(yè)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)使用該技術(shù)來(lái)創(chuàng)建能夠快速解決其問(wèn)題的語(yǔ)言了，但畢竟還是小眾，這可能是 DSL領(lǐng)域門(mén)檻比較高的緣故吧。負(fù)責(zé)DSL的團(tuán)隊(duì)必須要設(shè)計(jì)語(yǔ)言、構(gòu)建解析器和其他工具來(lái)支持開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，還要對(duì)每個(gè)新員工進(jìn)行培訓(xùn)，讓其了解DSL的工作 機(jī)理。這時(shí)，涌現(xiàn)出了能夠支援DSL開(kāi)發(fā)的工具，這極大地改變了當(dāng)前的狀況。Intentional Software所開(kāi)發(fā)的Intentional Domain Workbench比Java還要久遠(yuǎn)，它首度實(shí)現(xiàn)了該工具的功能。
該項(xiàng)目創(chuàng)建于微軟研究院，Charles Simonyi博士在1995年所發(fā)表的論文“The Death of Computer Languages, the Birth of Intentional Programming”描繪了其愿景。2002年，Simonyi創(chuàng)建了Intentional Software以繼續(xù)實(shí)現(xiàn)其想法，大家可以看看介紹該系統(tǒng)的視頻，***震撼力。目前該產(chǎn)品的版本是1.0，但只有極少數(shù)的合作者能夠訪問(wèn)。
其他一些軟件公司也在研究這個(gè)概念，其中就包括以IntelliJ IDEA Java IDE而揚(yáng)名天下的JetBrains，JetBrains最近發(fā)布了Meta Programming System（MPS）1.0版。MPS并沒(méi)有使用解析器而是直接使用了Abstract Syntax Tree（AST）。它提供了一個(gè)類(lèi)似于文本的投影編輯器（projectional editor）以便程序員能夠操縱AST，同時(shí)該編輯器也可用于編寫(xiě)語(yǔ)言和程序。當(dāng)程序員使用投影時(shí)就會(huì)為樹(shù)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)文本投影，這樣變換就會(huì) 反映到節(jié)點(diǎn)當(dāng)中。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)這種方式以任意組合（通常稱之為語(yǔ)言組合）擴(kuò)展和嵌入語(yǔ)言。JetBrains正在內(nèi)部使用該產(chǎn)品，最近發(fā)布的bug追蹤 產(chǎn)品YouTrack就是使用該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的。 #p#
Java 6注解處理器
相對(duì)于Ruby、Smalltalk和Lisp來(lái)說(shuō)，DSL在很多主流語(yǔ)言（如Java）中的流行程度就稍遜一籌了，但最近Java語(yǔ)言的一些變化（尤其 是Java 6中新增的注解處理器）為開(kāi)發(fā)者提供了新的機(jī)遇以在其中使用DSL。對(duì)于Java EE 6中的JPA 2.0來(lái)說(shuō)，其某些API本身就是 DSL。注解處理器會(huì)為應(yīng)用中的每個(gè)持久化類(lèi)建立一個(gè)元模型類(lèi)型（metamodel type）。雖然開(kāi)發(fā)者可以手工處理Java中的元模型，但這實(shí)在太無(wú)聊而且極易出錯(cuò)。注解處理器的出現(xiàn)改變了這一切，因?yàn)樗鼉?nèi)建于Java 6，因此無(wú)需特殊的IDE支持——IDE會(huì)代理編譯器所觸發(fā)的注解處理器，之后會(huì)自動(dòng)生成元數(shù)據(jù)模型。
程序庫(kù)也可以通過(guò)注解處理器來(lái)提供新的語(yǔ)言特性。比如說(shuō)，Bruce Chapman的原型“no closures”提案就憑借該技術(shù)將方法轉(zhuǎn)換為 Single Abstract Method（SAM）類(lèi)型，然后在Java 6上編譯。在與其交談過(guò)程中，Chapman指出SAM類(lèi)型還支持自由變量（free variable），這是閉包的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，除了Single Abstract Method所需的參數(shù)外，方法體還可以通過(guò)@As.Additional注解聲明額外的參數(shù)。在獲得SAM類(lèi)型的實(shí)例時(shí)，這些參數(shù)可以帶有綁定值，然后在每次調(diào)用時(shí)傳遞給方法。
Chapman還創(chuàng)建了Rapt項(xiàng)目以探索該技術(shù)的其他使用場(chǎng)景，同時(shí)為語(yǔ)言的兩個(gè)變化提供了自己的實(shí)現(xiàn)——多行字符串（Multiline Strings）與XML字面值（XML literals）——這兩個(gè)特性是 為JDK 7準(zhǔn)備的，但卻不會(huì)包含到最終的發(fā)布中。Java甚至也可以使用這種方法實(shí)現(xiàn)閉包，Chapman對(duì)此說(shuō)到，“我們剛剛使用該技術(shù)完成了一個(gè)Swing項(xiàng)目，在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了泛型的一些小bug，其中一個(gè)bug還沒(méi)有修復(fù)，除此之外一切都很棒，沒(méi)人再想使用傳統(tǒng) 的匿名內(nèi)部類(lèi)了。”
另一個(gè)探究注解處理器的項(xiàng)目是Lombok，它將該技術(shù)又向前推進(jìn)了一大步。Lombok將注解作為回調(diào)以運(yùn)行Java agent，后者會(huì)根據(jù)注解重寫(xiě)各種javac內(nèi)核。由于操縱的是內(nèi)部類(lèi)，因此它不太適合于產(chǎn)品使用（JVM各個(gè)小版本中的內(nèi)部類(lèi)也可能不一樣），但該項(xiàng)目對(duì)于注解處理器到底能做什么這個(gè)問(wèn)題上還是頗具啟發(fā)意義的，包括：通過(guò)@Getter和@Setter注解定義各種訪問(wèn)級(jí)別的屬性，如@Setter(AccessLevel.PROTECTED) private String name：
@EqualsAndHashCode注解會(huì)根據(jù)對(duì)象中的屬性實(shí)現(xiàn)hashCode()和 equals()方法；
@ToString注解會(huì)實(shí)現(xiàn)toString()方法；
@data方法相當(dāng)于@ToString、@EqualsAndHashCode、所有屬性的@Getter以及所有非final屬性的@Setter的集合，可以使用 @data方法和構(gòu)造方法初始化final屬性。
還可以通過(guò)這種方式進(jìn)行其他的語(yǔ)言試驗(yàn)，比如移除Java中的非運(yùn)行時(shí)異常等。雖然注解處理器技術(shù)為語(yǔ)言試驗(yàn)開(kāi)辟了一條新航線，但還是要注意生成代碼的可讀性，保證開(kāi)發(fā)者能讀懂生成的代碼。Chapman給出了很多建議：
要生成源代碼而不是字節(jié)碼，注意生成代碼的格式（尤其是縮進(jìn)）。編譯器不在乎生成的代碼是不是都在同一行，但用戶在乎。我甚至還使用注解處理器在恰當(dāng)?shù)牡胤皆黾恿艘恍┳⑨尯蚸avadoc。如果這項(xiàng)技術(shù)逐漸流行起來(lái)，用戶將可以通過(guò)IDE查看編譯期所生成的代碼。
IDE中的語(yǔ)法糖
Bruce Chapman還提到了第三項(xiàng)技術(shù)——將語(yǔ)法糖從語(yǔ)言遷移到IDE中——他在博客中對(duì)該問(wèn)題做過(guò)深入闡述。對(duì)于Java IDE來(lái)說(shuō)，生成部分樣板代碼已成為不可或缺的功能了，比如類(lèi)的getters和setters，但I(xiàn)DE開(kāi)發(fā)者剛剛開(kāi)始深挖該這個(gè)概念。 JetBrains的IntelliJ 9為內(nèi)部類(lèi)提供了一個(gè)類(lèi)似于閉包的簡(jiǎn)潔的代碼塊語(yǔ)法，開(kāi) 發(fā)者也可以自己加。
就像代碼折疊一樣，該語(yǔ)法會(huì)擴(kuò)展到編譯器能夠處理的完整的匿名內(nèi)部類(lèi)——這樣堅(jiān)持使用標(biāo)準(zhǔn)的匿名內(nèi)部類(lèi)語(yǔ)法的開(kāi)發(fā)者很容易就適應(yīng)了。 Eclipse也有一個(gè)類(lèi)似的插件。關(guān)鍵在于這種語(yǔ)法僅僅是實(shí)際代碼的另一種展示方式而已，編譯器和任何源代碼管理工具都能夠像以前那樣處 理他們。開(kāi)發(fā)者可以在兩種方式間自由切換（就像代碼的展開(kāi)與收起一樣），無(wú)權(quán)訪問(wèn)該語(yǔ)法糖定義的人僅僅會(huì)看到正常的Java代碼。Chapman說(shuō)到：
要想實(shí)現(xiàn)易于使用的目標(biāo)還有很多工作要做，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我發(fā)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者會(huì)很輕松地實(shí)現(xiàn)加糖/脫糖（sugaring/desugaring）的轉(zhuǎn)換（可以 參考jackpot來(lái) 了解實(shí)現(xiàn)原理）、不斷嘗試、不斷演進(jìn)并與同事和社區(qū)分享好的點(diǎn)子。這么做的好處與語(yǔ)言的演進(jìn)別無(wú)二致。***的東西會(huì)流行起來(lái)并形成實(shí)際語(yǔ)言演進(jìn)的基礎(chǔ)，如 果必要的話還可以隨時(shí)去除該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的“噪音”。
由于語(yǔ)法糖還要兼顧（非常多）其他的語(yǔ)言特性，因此無(wú)法提供完整的閉包支持；比如說(shuō)BGGA閉包就有一些特性無(wú)法匹配匿名內(nèi)部類(lèi)，因此不能通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)。話雖如此，這種想 法卻展示了通過(guò)各種新語(yǔ)法來(lái)表示匿名內(nèi)部類(lèi)的可行性，類(lèi)似于BGGA語(yǔ)法或是FCM語(yǔ)法，開(kāi)發(fā)者也可以選擇自己喜歡的語(yǔ)法。其他的語(yǔ)言特性（如null-safe Elvis operator）可以通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)。要想進(jìn)一步驗(yàn)證該想法，可以體驗(yàn)一下這個(gè)NetBeans module（由Chapman開(kāi)發(fā)），這正是他所說(shuō)的用于 Properties的原型。
結(jié)論
在語(yǔ)言的發(fā)展過(guò)程中總是需要考慮穩(wěn)定與發(fā)展之間的平衡。上面介紹的技術(shù)所帶來(lái)的好處是他們不會(huì)影響平臺(tái)或是語(yǔ)言本身。這么做允許我們犯錯(cuò)誤，也有益于進(jìn)行快速激進(jìn)的試驗(yàn)。由于開(kāi)發(fā)者能夠自由地進(jìn)行試驗(yàn)，我們看到越來(lái)越多的人開(kāi)始解決常見(jiàn)的樣板代碼“噪音”問(wèn)題，如匿名內(nèi)部類(lèi)語(yǔ)法等，同時(shí)將這些想法以合理的方式組織起來(lái)以獲得***的價(jià)值。我們將欣喜地看到開(kāi)發(fā)者使用這些方法將Java平臺(tái)推向新的遠(yuǎn)方。
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