• 声明式编程范式初探

    声明式编程范式是什么?
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    语言编程语言可以分成两类:

    • 命令式
    • 声明式

    事实上,凡是非命令式的编程都可归为声明式编程。因此,命令式、函数式和逻辑式是最核心的三种范式。为清楚起见,我们用一幅图来表示它们之间的关系。

    与命令式编程相对的声明式编程(declarative programming)。顾名思义,声明式编程由若干规范(specification)的声明组成的,即一系列陈述句:‘已知这,求解那’,强调‘做什么’而非‘怎么做’。声明式编程是人脑思维方式的抽象,即利用数理逻辑或既定规范对已知条件进行推理或运算。

    声明式编程的发源

    声明式编程发轫于人工智能的研究,主要包括函数式编程(functional programming,简称FP)和逻辑式编程(logic programming,简称LP)。其中,函数式编程将计算描述为数学函数的求值,而逻辑式编程通过提供一系列事实和规则来推导或论证结论。

    其实支持它们的语言出现得并不比命令式的晚多少——最早的函数式语言Lisp(LISProcessor)已有半个世纪的历史,最早之一的逻辑式语言Prolog(PROgramming in LOGic)也与C同龄。只是由于大多数更多地用于学术研究而非商业应用,颇有些‘养在深闺人未识’的味道。

    起源的不同决定了这两大类范式代表着迥然不同的编程理念和风格:命令式编程是行动导向(Action-Oriented)的,因而算法是显性而目标是隐性的;声明式编程是目标驱动(Goal-Driven)的,因而目标是显性而算法是隐性的。为便于说明,我们分别用三种代表性的语言来实现阶乘(factorial)运算。

    阶乘的三种编程实现

    C(命令式)——

    int factorial(int n) 
    {
    	int f = 1;
    	for (; n > 0; --n) f *= n;
    	return f;
    }
    

    Lisp(函数式)——

    (defun factorial(n)
      (if (= n 0)
    	1                               //  若n等于0,则n!等于1
    	(* n (factorial(- n 1)))))      //  否则n!等于n* (n-1)
    

    Prolog(逻辑式)——

    // 0! 等于1
    factorial(0,1).
    // 若M等于N-1且 M!等于Fm且F等于N*Fm,则N! 等于F
    factorial(N,F) :-   M is N-1, factorial(M,Fm), F is N * Fm. 
    

    以上三段代码区别在哪里?C明确给出了阶乘的迭代算法,而Lisp仅描述了阶乘的递归定义,Prolog则陈述了两个关于阶乘的断言。

    声明式编程的本质

    我们最早接触的变量是代数方程中的x、y、z等,本质上是抽象化的符号,变量值是该符号在给定约束条件下的允许值。而命令式编程中的变量本质上是抽象化的内存,变量值是该内存的储存内容。通俗地说,前者好比姓名,所指之人是固定的;后者好比住址,所住之人是变化的。此外,等号在代数中是一种约束,而在许多命令式语言中则表示赋值。因此 i = i + 1 可以在命令式编程中出现,但绝不可能在数学推理中出现 —— 除非在反证法中。

    声明式编程让我们重回数学思维:函数式编程类似代数中的表达式变换和计算,逻辑式编程则类似数理逻辑推理。其中的变量也如数学中的一样,是抽象符号而非内存地址,因此没有赋值运算,不会产生变量被改写的副作用(side-effect),也不存在内存分配和释放的问题。这既简化了代码,也减少了调试——不妨想一想,有多少bug是由于某个变量被意外改写或内存管理不慎而造成的?

    声明式语言与命令式语言的相通之处

    • 首先,所有高级语言都建立于低级语言之上,最终转化为机器语言,声明式语言也不例外。
    • 其次,声明式语言与命令式语言并非泾渭分明,而是互相交叉渗透的。一些‘非纯粹’ 的声明式语言也提供变量赋值和流程控制,而一些命令式语言也在逐渐发展,通过利用其他程序或增加新的语言特征来实现声明式编程。

    总的说来,在命令式语言中融入声明式的元素应当是一种趋势。尤其是函数式,它的一些特征已经在许多命令式语言中得到了支持。比较而言,声明式编程重目标、轻过程,专注问题的分析和表达而不致陷入算法的迷宫,其代码也更加简洁清晰、易于修改和维护。从这种意义上说,声明式语言天然地就比命令式语言更高级。

    • 既然声明式编程有这么多好处,为什么命令式语言不仅占大多数,而且流行程度也不减呢?
    • 编程语言的流行程度与其擅长的领域关系密切。声明式语言——尤其是函数式语言和逻辑式语言——擅长基于数理逻辑的应用,如人工智能、符号处理、数据库、编译器等,对基于业务逻辑的、尤其是交互式或事件驱动型的应用就不那么得心应手了。而大多数软件是面向用户的,交互性强、多为事件驱动、业务逻辑千差万别,显然命令式语言在此更有用武之地。

    值得指出的是,声明式编程并不仅仅局限于函数式和逻辑式。比方说,C#中的attribute、Java中的annotation和XDoclet库等采用的也是具有声明式特征的属性导向式编程(Attribute-Oriented Programming,简称@OP)。再比如,Prograph、SISAL等数据流语言(dataflow language)采用的数据流式编程(Dataflow Programming)与函数式编程有不少共同点,同样属于声明式的范畴。还有一些语言如Oz、CHIP等支持与逻辑式编程相交的约束式编程(Constraint Programming)。此外,大家熟悉的数据库语言SQL,样式语言XSLT、CSS,标记语言HTML、XML、SVG,规范语言IDL(Interface Description Language)等等都是声明式的。算上它们,声明式语言所占的比例也是非常可观的。此前之所以没有提及,一方面,不少声明式语言采用的范式并没有专门的名称;另一方面,这些语言大多是领域特定语言,并且不少并非图灵完备的,有的连运算都没有。毕竟,目前我们的重点还是放在通用编程语言上。

    其实用Lisp实现阶乘的方法也可以用在C上:

    int factorial(int n) 
    {
        return n == 0 ? 1 : n * factorial(n - 1);
    }
    

    这是C的递归实现。除了细微的语法差别外,二者的确很相似,这说明用命令式语言也可以讲出声明式的味道。实际上,命令式语言提倡迭代而不鼓励递归,早期的Fortran 甚至都不支持递归。一则迭代比递归更符合命令式的思维模式,因为前者贴近机器语言而后者贴近数学语言;二则除尾递归(tail recursion)外,一般递归比迭代的开销(overhead)大。相反,声明式语言提倡递归而不支持迭代。就语法而言,它不允许迭代中的循环变量;就视角而言,迭代着眼微观过程而递归着眼宏观规律。

    具体可以看看这个:漫谈递归

    归根结底,编程是寻求一种机制,将指定的输入转化为指定的输出。三种范式对此提供了截然不同的解决方案:

    • 命令式把程序看作一个自动机,输入是初始状态,输出是最终状态,编程就是设计一系列指令,通过自动机执行以完成状态转变;
    • 函数式把程序看作一个数学函数,输入是自变量,输出是因变量,编程就是设计一系列函数,通过表达式变换以完成计算;
    • 逻辑式把程序看作一个逻辑证明,输入是题设,输出是结论,编程就是设计一系列命题,通过逻辑推理以完成证明。

    绘成表格如下:

    范式程序输入输出程序设计程序运行
    命令式自动机初始状态最终状态设计指令命令执行
    函数式数学函数自变量因变量设计函数表达式变换
    逻辑式逻辑证明题设结论设计命题逻辑推理

    短短一篇文章无法深入讲述,后面将展开,让大家看清楚声明式编程范式的全貌。

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现代魔法 推荐于 2013-02-27 10:23   

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