王垠：如何掌握程序語言
學(xué)習(xí)程序語言是每個程序員的必經(jīng)之路。可是這個世界上有太多的程序語言，每一種都號稱具有最新的“特性”。所以程序員的苦惱就在于總是需要學(xué)習(xí)各種稀奇古怪的語言，而且必須緊跟“潮流”，否則就怕被時代所淘汰。
作為一個程序語言的研究者，我深深的知道這種心理產(chǎn)生的根源。程序語言里面其實有著非常簡單，永恒不變的原理?？吹搅怂鼈儯涂梢栽诤芏痰臅r間之內(nèi)就能學(xué)會并且開始使用任何新的語言，而不是花費很多功夫去學(xué)習(xí)一個又一個的語言。
對程序語言的各種誤解
學(xué)習(xí)程序語言的人，經(jīng)常會出現(xiàn)以下幾種心理，以至于他們會覺得有學(xué)不完的東西，或者走上錯誤的道路。以下我把這些心理簡要分析一下。
1. 程序語言無用論。這是國內(nèi)大學(xué)計算機系的教育常見的錯誤。教授們常常對學(xué)生灌輸：“用什么程序語言不重要，重要的是算法。”而其實，程序語言卻是比算法更加精髓的東西。任何算法以及它的復(fù)雜度分析，都是相對于某種計算模型，而程序語言就是描述這種計算模型的符號系統(tǒng)。算法必須用某種語言表述出來，通常算法設(shè)計者使用偽碼，這其實是不嚴謹?shù)?，容易出現(xiàn)推理漏洞。算法設(shè)計再好，如果不懂得程序語言的原理，也不可能高效的實現(xiàn)。即使實現(xiàn)了，也可能會在模塊化和可擴展性上面有很大問題。某些算法專家或者數(shù)學(xué)家寫出來的程序極其幼稚，就是因為他們忽視了程序語言的重要性。
2. 追求“新語言”。基本的哲學(xué)告訴我們，新出現(xiàn)的事物并不一定是“新事物”，它們有可能是歷史的倒退。事實證明，新出現(xiàn)的語言，可能還不如早就存在的。其 實，現(xiàn)代語言的多少“新概念”不存在于最老的一些語言里呢？程序語言就像商品，每一家都為了拉攏程序員作廣告，而它們絕大多數(shù)的設(shè)計都可能是膚淺而短命 的。如果你看不透這些東西的設(shè)計，就會被它們蒙蔽住。很多語言設(shè)計者其實并不真的懂得程序語言設(shè)計的原理，所以常常在設(shè)計中重復(fù)前人的錯誤。但是為了推銷 自己的語言和系統(tǒng)，他們必須夸夸其談，進行宗教式的宣傳。
3. “存在即是合理”。記得某人說過：“不能帶來新的思維方式的語言，是沒有必要存在的。”他說的是相當(dāng)正確的。世界上有這么多的語言，有哪些帶來了新的思維 方式呢？其實非常少。絕大部分的語言給世界帶來的其實是混亂。有人可能反駁說：“你怎么能說 A 語言沒必要存在？我要用的那個庫 L，別的語言不支持，只能用 A。”但是注意，他說的是存在的“必要性”。如果你把存在的“事實”作為存在的“必要性”，那就邏輯錯亂了。就像如果二戰(zhàn)時我們沒能打敗希特勒，現(xiàn)在都做 了他的奴隸，然后你就說：“希特勒應(yīng)該存在，因為他養(yǎng)活了我們。”你的邏輯顯然有問題，因為如果歷史走了另外一條路（即希特勒不存在），我們會過上自由幸 福的生活，所以希特勒不應(yīng)該存在。對比一個東西存在與不存在的兩種可能的后果，然后做出判斷，這才是正確的邏輯。按照這樣的推理，如果設(shè)計糟糕的 A 語言不存在，那么設(shè)計更好的 B 語言很有可能就會得到更多的支持，從而實現(xiàn)甚至超越 L 庫的功能。
4. 追求“新特性”。程序語言的設(shè)計者總是喜歡“發(fā)明”新的名詞，喜歡炒作。普通程序員往往看不到，大部分這些“新概念”其實徒有高深而時髦的外表，卻沒有實 質(zhì)的內(nèi)涵。常常是剛學(xué)會一個語言 A，又來了另一個語言 B，說它有一個叫 XYZ 的新特性。于是你又開始學(xué)習(xí) B，如此繼續(xù)。在內(nèi)行人看來，這些所謂的“新特性”絕大部分都是新瓶裝老酒。很多人寫論文喜歡起這樣的標(biāo)題：《XYZ：A Novel Method for …》。這造成了概念的爆炸，卻沒有實質(zhì)的進步。
5. 追求“小竅門”。很多編程書喜歡賣弄一些小竅門，教你如何讓程序顯得“短小”。比如它們會跟你講 “(i++) – (++i)” 應(yīng)該得到什么結(jié)果；或者追究運算符的優(yōu)先級，說這樣可以少打括號；要不就是告訴你“if 后面如果只有一行代碼就可以不加花括號”，等等。殊不知這些小竅門，其實大部分都是程序語言設(shè)計的敗筆。它們帶來的不是清晰的思路，而是是邏輯的混亂和認 知的負擔(dān)。比如 C 語言的 ++ 運算符，它的出現(xiàn)是因為 C 語言設(shè)計者們當(dāng)初用的計算機內(nèi)存小的可憐，而 “i++” 顯然比 “i=i+1″ 少 2 個字符，所以他們覺得可以節(jié)省一些空間?，F(xiàn)在我們再也不缺那點內(nèi)存，可是 ++ 運算符帶來的混亂和迷惑，卻流傳了下來?，F(xiàn)在最新的一些語言，也喜歡耍這種語法上的小把戲。如果你追求這些小竅門，往往就抓不住精髓。
6. 針對“專門領(lǐng)域”。很多語言沒有新的東西，為了占據(jù)一方土地，就號稱自己適合某種特定的任務(wù)，比如文本處理，數(shù)據(jù)庫查詢，WEB編程，游戲設(shè)計，并行計算。但是我們真的需要不同的語言來干這些事情嗎？其實絕大部分這些事情都能用同一種通用語言來解決，或者在已有語言的基礎(chǔ)上做很小的改動。只不過由于各種政治和商業(yè)原因，不同的語言被設(shè)計用來占領(lǐng)市場。就學(xué)習(xí)而言，它們其實是無關(guān)緊要的，而它們帶來的“學(xué)習(xí)負擔(dān)”，其實差不多掩蓋了它們帶來的好處。其實從一些設(shè)計良好的通用語言，你可以學(xué)會所有這些“專用語言”的精髓，而不用專門去學(xué)它們。
7. 宗教信仰。很多人對程序語言有宗教信仰。這跟人們對操作系統(tǒng)有宗教信仰很類似。其實如果你了解程序語言的本質(zhì)，就會發(fā)現(xiàn)其實完全沒必要跟人爭論一些事情。某個語言有缺點，應(yīng)該可以直接說出來，卻被很多人忌諱，因為指出缺點總是招來爭論和憎恨。這原因也許在于程序語言的設(shè)計不是科學(xué)，它類似于圣經(jīng)，它沒法被 “證偽”。沒有任何實驗可以一下子斷定那種語言是對的，那種是錯的。所以雖然你覺得自己有理，卻很難讓人信服。沒有人會去爭論哪家的漢堡更好，卻有很多人爭論那種語言更好。因為很多人把程序語言當(dāng)成自己的神，如果你批評我的語言，你就是褻瀆我的神。解決的辦法也許是，不要把自己正在用的語言看得太重要。你現(xiàn)在認為是對的東西，也許不久就會被你認為是錯的，反之亦然。
如何掌握程序語言
看到了一些常見的錯誤心理，那么我們來談一下什么樣的思維方式會更加容易的掌握程序語言。
1. 專注于“精華”和“原理”。就像所有的科學(xué)一樣，程序語言最精華的原理其實只有很少數(shù)幾個，它們卻可以被用來構(gòu)造出許許多多紛繁復(fù)雜的概念。但是人們往往 忽視了簡單原理的重要性，匆匆看過之后就去追求最新的，復(fù)雜的概念。他們卻沒有注意到，絕大部分最新的概念其實都可以用最簡單的那些概念組合而成。而對基 本概念的一知半解，導(dǎo)致了他們看不清那些復(fù)雜概念的實質(zhì)。比如這些概念里面很重要的一個就是遞歸。國內(nèi)很多學(xué)生對遞歸的理解只停留于漢諾塔這樣的程序，而 對遞歸的效率也有很大的誤解，認為遞歸沒有循環(huán)來得高效。而其實遞歸比循環(huán)表達能力強很多，而且效率幾乎一樣。有些程序比如解釋器，不用遞歸的話基本沒法完成。
2. 實現(xiàn)一個程序語言。學(xué)習(xí)使用一個工具的最好的方式就是制造它，所以學(xué)習(xí)程序語言的最好方式就是實現(xiàn)一個程序語言。這并不需要一個完整的編譯器，而只需要寫 一些簡單的解釋器，實現(xiàn)最基本的功能。之后你就會發(fā)現(xiàn)，所有語言的新特性你都大概知道可以如何實現(xiàn)，而不只停留在使用者的水平。實現(xiàn)程序語言最迅速的方式就是使用一種像 Scheme 這樣代碼可以被作為數(shù)據(jù)的語言。它能讓你很快的寫出新的語言的解釋器。我的 GitHub 里面有一些我寫的解釋器的例子（比如這個短小的代碼實現(xiàn)了 Haskell 的 lazy 語義）。
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幾種常見風(fēng)格的語言
下面我簡要的說一下幾種常見風(fēng)格的語言以及它們的問題。
1. 面向?qū)ο笳Z言
事實說明，“面向?qū)ο?rdquo;這整個概念基本是錯誤的。它的風(fēng)靡是因為當(dāng)初的“軟件危機”（天知道是不是真的存在這危機）。 設(shè)計的初衷是讓“界面”和“實現(xiàn)”分離，從而使得下層實現(xiàn)的改動不影響上層的功能。可是大部分面向?qū)ο笳Z言的設(shè)計都遵循一個根本錯誤的原則：“所有的東西 都是對象（Everything is an object）。”以至于所有的函數(shù)都必須放在所謂的“對象”里面，而不能直接被作為參數(shù)或者變量傳遞。這導(dǎo)致很多時候需要使用繁瑣的設(shè)計模式 (design patterns) 來達到甚至對于 C 語言都直接了當(dāng)?shù)氖虑椤６鋵?ldquo;界面”和“實現(xiàn)”的分離，并不需要把所有函數(shù)都放進對象里。另外的一些概念，比如繼承，重載，其實帶來的問題比它們解決的 還要多。
“面向?qū)ο蠓椒?rdquo;的過度使用，已經(jīng)開始引起對整個業(yè)界的負面作用。很多公司里的程序員喜歡生搬硬套一些不必要的設(shè)計模式，其實什么好事情也沒干，只是使得程序冗長難懂。
那 么如何看待具備高階函數(shù)的面向?qū)ο笳Z言，比如 Python, JavaScript, Ruby, Scala? 當(dāng)然有了高階函數(shù)，你可以直截了當(dāng)?shù)谋硎竞芏鄸|西，而不需要使用設(shè)計模式。但是由于設(shè)計模式思想的流毒，一些程序員居然在這些不需要設(shè)計模式的語言里也采用繁瑣的設(shè)計模式，讓人哭笑不得。所以在學(xué)習(xí)的時候，最好不要用這些語言，以免受到不必要的干擾。到時候必要的時候再回來使用它們，就可以取其精華，去其糟粕。
2. 低級過程式語言
那么是否 C 這樣的“低級語言”就會好一些呢？其實也不是。很多人推崇 C，因為它可以讓人接近“底層”，也就是接近機器的表示，這樣就意味著它速度快。這里其實有三個問題：
1) 接近“底層”是否是好事？
2)“速度快的語言”是什么意思？
3) 接近底層的語言是否一定速度快？
對于第一個問題，答案是否定的。其實編程最重要的思想是高層的語義(semantics)。語義構(gòu)成了人關(guān)心的問題以及解決它們的算法。而具體的實現(xiàn) (implementation)，比如一個整數(shù)用幾個字節(jié)表示，雖然還是重要，但卻不是至關(guān)重要的。如果把實現(xiàn)作為學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)，就本末倒置了。因為 實現(xiàn)是可以改變的，而它們所表達的本質(zhì)卻不會變。所以很多人發(fā)現(xiàn)自己學(xué)會的東西，過不了多久就“過時”了。那就是因為他們學(xué)習(xí)的不是本質(zhì)，而只是具體的實 現(xiàn)。
其次，談?wù)Z言的“速度”，其實是一句空話。語言只負責(zé)描述一個程序，而程序運行的速度，其實絕大部分不取決于語言。它主要取決于 1)算法 和 2)編譯器的質(zhì)量。編譯器和語言基本是兩碼事。同一個語言可以有很多不同的編譯器實現(xiàn)，每個編譯器生成的代碼質(zhì)量都可能不同，所以你沒法說“A 語言比 B 語言快”。你只能說“A 語言的 X 編譯器生成的代碼，比 B 語言的 Y 編譯器生成的代碼高效”。這幾乎等于什么也沒說，因為 B 語言可能會有別的編譯器，使得它生成更快的代碼。
我舉個例子吧。在歷史上，Lisp 語言享有“龜速”的美名。有人說“Lisp 程序員知道每個東西的值，卻不知道任何事情的代價”，講的就是這個事情。但這已經(jīng)是很久遠的事情了，現(xiàn)代的 Lisp 系統(tǒng)能編譯出非常高效的代碼。比如商業(yè)的 Chez Scheme 編譯器，能在5秒鐘之內(nèi)編譯它自己，編譯生成的目標(biāo)代碼非常高效。它可以直接把 Scheme 程序編譯到多種處理器的機器指令，而不通過任何第三方軟件。它內(nèi)部的一些算法，其實比開源的 LLVM 之類的先進很多。
另外一些 函數(shù)式語言也能生成高效的代碼，比如 OCaml。在一次程序語言暑期班上，Cornell 的 Robert Constable 教授講了一個故事，說是他們用 OCaml 重新實現(xiàn)了一個系統(tǒng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn) OCaml 的實現(xiàn)比原來的 C 語言實現(xiàn)快了 50 倍。經(jīng)過 C 語言的那個小組對算法多次的優(yōu)化，OCaml 的版本還是快好幾倍。這里的原因其實在于兩方面。第一是因為函數(shù)式語言把程序員從底層細節(jié)中解脫出來，讓他們能夠迅速的實現(xiàn)和修改自己的想法，所以他們能 夠迅速的找到更好的算法。第二是因為 OCaml 有高效的編譯器實現(xiàn)，使得它能生成很好的代碼。
從上面的例子，你也許已經(jīng)可以看出，其實接近底層的語言不一定速度就快。因為編譯器這種東西其實可以有很高級的“智能”，甚至可以超越任何人能做到的底層優(yōu)化。但是編譯器還沒有發(fā)展到可以代替人來制造算法的地步。所以現(xiàn)在人需要做的，其實只是設(shè)計和優(yōu)化自己的高層算法。
3. 高級過程式語言
很早的時候，國內(nèi)計算機系學(xué)生的第一門編程課都是 Pascal。Pascal 是很不錯的語言，可是很多人當(dāng)時都沒有意識到。上大學(xué)的時候，我的 Pascal 老師對我們說：“我們學(xué)校的教學(xué)太落后了。別的學(xué)校都開始教 C 或者 C++ 了，我們還在教 Pascal。”現(xiàn)在真正理解了程序語言的設(shè)計原理以后我才真正的感覺到，原來 Pascal 是比 C 和 C++ 設(shè)計更好的語言。它不但把人從底層細節(jié)里解脫出來，沒有面向?qū)ο蟮乃季S枷鎖，而且有一些很好的設(shè)計，比如強類型檢查，嵌套函數(shù)定義等等?？墒怯嬎銠C的世界 真是謬論橫行，有些人批評 Pascal，把優(yōu)點都說成是缺點。比如 Brain Kernighan 的這篇《Why Pascal is Not My Favorite Programming Language》，現(xiàn)在看來真是謬誤百出。Pascal 現(xiàn)在已經(jīng)幾乎沒有人用了。這并不很可惜，因為它被錯怪的“缺點”其實已經(jīng)被正名，并且出現(xiàn)在當(dāng)今最流行的一些語言里：Java, Python, C#, ……
4. 函數(shù)式語言
函數(shù)式語言相對來說是當(dāng)今最好的設(shè)計，因為它們不但讓人專注于算法和對問題的解決，而且沒有面向?qū)ο笳Z言那些思維的限制。但是需要注意的是并不是每個函數(shù)式語言的特性都是好東西。它們的支持者們經(jīng)常把缺點也說成是優(yōu)點，結(jié)果你其實還是被掛上一些不必要的枷鎖。比如
5. 邏輯式語言
邏輯式語言（比如 Prolog）是一種超越函數(shù)式語言的新的思想，所以需要一些特殊的訓(xùn)練。邏輯式語言寫的程序，是能“反向運行”的。普通程序語言寫的程序，如果你給它一個輸入，它會給你一個輸出。但是邏輯式語言很特別，如果你給它一個輸出，它可以反過來給你所有可能的輸入。其實通過很簡單的方法，可以不費力氣的把程序從函數(shù)式轉(zhuǎn)換成邏輯式的。但是邏輯式語言一般要在“pure”的情況下（也就是沒有復(fù)雜的賦值操作）才能反向運行。所以學(xué)習(xí)邏輯式語言最好是從函數(shù)式語言開始，在理解了遞歸，模式匹配等基本的函數(shù)式編程技巧之后再來看 Prolog，就會發(fā)現(xiàn)邏輯式編程簡單了很多。
從何開始
可是學(xué)習(xí)編程總要從某種語言開始。那么哪種語言呢？就我的觀點，首先可以從 Scheme 入門，然后學(xué)習(xí)一些 Haskell (但不是全部)，之后其它的也就觸類旁通了。你并不需要學(xué)習(xí)它們的所有細枝末節(jié)，而只需要學(xué)習(xí)最精華的部分。所有剩余的細節(jié)，會在實際使用中很容易的被填補上?，F(xiàn)在我推薦幾本比較好的書。
《The Little Schemer》(TLS)：我覺得 Dan Friedman 的 The Little Schemer 是目前最好，最精華的編程入門教材。這本書很薄，很精辟。它的前身叫《The Little Lisper》。很多資深的程序語言專家都是從這本書學(xué)會了 Lisp。雖然它叫“The Little Schemer”，但它并不使用 Scheme 所有的功能，而是忽略了 Scheme 的一些毛病，直接進入最關(guān)鍵的主題：遞歸和它的基本原則。
《Structure and Interpretation of Computer Programs | 計算機程序的構(gòu)造和解釋》(SICP)：The Little Schemer 其實是比較難的讀物，所以我建議把它作為下一步精通的讀物。SICP 比較適合作為第一本教材。但是我需要提醒的是，你最多只需要看完前三章。因為從第四章開始，作者開始實現(xiàn)一個 Scheme 解釋器，但是作者的實現(xiàn)并不是最好的方式。你可以從別的地方更好的學(xué)到這些東西。不過也許你可以看完 SICP 第一章之后就可以開始看 TLS。
《A Gentle Introduction to Haskell》：對于 Haskell，我最開頭看的是 A Gentle Introduction to Haskell，因為它特別短小。當(dāng)時我已經(jīng)會了 Scheme，所以不需要再學(xué)習(xí)基本的函數(shù)式語言的東西。我從這個文檔學(xué)到的只不過是 Haskell 對于類型和模式匹配的概念。
過度到面向?qū)ο笳Z言
那么如果從函數(shù)式語言入門，如何過渡到面向?qū)ο笳Z言呢？畢竟大部分的公司用的是面向?qū)ο笳Z言。如果你真的學(xué)會了函數(shù)式語言，就會發(fā)現(xiàn)面向?qū)ο笳Z言已經(jīng)易如反掌。函數(shù)式語言的設(shè)計比面向?qū)ο笳Z言簡單和強大很多，而且?guī)缀跛械暮瘮?shù)式語言教材（比如 SICP）都會教你如何實現(xiàn)一個面向?qū)ο笙到y(tǒng)。你會深刻的看到面向?qū)ο蟮谋举|(zhì)以及它存在的問題，所以你會很容易的搞清楚怎么寫面向?qū)ο蟮某绦颍⑶視l(fā)現(xiàn) 一些竅門來避開它們的局限。你會發(fā)現(xiàn)，即使在實際的工作中必須使用面向?qū)ο笳Z言，也可以避免面向?qū)ο蟮乃季S方式，因為面向?qū)ο蟮乃枷霂淼拇蟛糠质腔靵y和冗余。
深入本質(zhì)和底層
那么是不是完全不需要學(xué)習(xí)底層呢？當(dāng)然不是。但是一開頭就學(xué)習(xí)底層硬件，就會被紛繁復(fù)雜的硬件設(shè)計蒙蔽頭腦，看不清楚本質(zhì)上簡單的原理。在學(xué)會高層的語言之后，可以進行“語義學(xué)”和“編譯原理”的學(xué)習(xí)。
簡言之，語義學(xué)(semantics) 就是研究程序的符號表示如何對機器產(chǎn)生“意義”，通常語義學(xué)的學(xué)習(xí)包含 lambda calculus 和各種解釋器的實現(xiàn)。編譯原理 (compilation) 就是研究如何把高級語言翻譯成低級的機器指令。編譯原理其實包含了計算機的組成原理，比如二進制的構(gòu)造和算術(shù)，處理器的結(jié)構(gòu)，內(nèi)存尋址等等。但是結(jié)合了語義學(xué)和編譯原理來學(xué)習(xí)這些東西，會事半功倍。因為你會直觀的看到為什么現(xiàn)在的計算機系統(tǒng)會設(shè)計成這個樣子：為什么處理器里面有寄存器 (register)，為什么需要堆棧(stack)，為什么需要堆(heap)，它們的本質(zhì)是什么。這些甚至是很多硬件設(shè)計者都不明白的問題，所以它們的硬件里經(jīng)常含有一些沒必要的東西。因為他們不理解語義，所以經(jīng)常不明白他們的硬件到底需要哪些部件和指令。但是從高層語義來解釋它們，就會揭示出它們的本質(zhì)，從而可以讓你明白如何設(shè)計出更加優(yōu)雅和高效的硬件。
這就是為什么一些程序語言專家后來也開始設(shè)計硬件。比如 Haskell 的創(chuàng)始人之一 Lennart Augustsson 后來設(shè)計了 BlueSpec，一種高級的硬件描述語言，可以 100% 的合成 (synthesis) 為硬件電路。Scheme 也被廣泛的使用在硬件設(shè)計中，比如 Motorola, Cisco 和曾經(jīng)的 Transmeta，它們的芯片設(shè)計里面含有很多 Scheme 程序。
這基本上就是我對學(xué)習(xí)程序語言的初步建議。以后可能會就其中一些內(nèi)容進行更加詳細的闡述。
