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冒号课堂§4.3:汇总范式

冒号课堂

第四课 重温范式(3)

4.3 汇总范式——一张五味俱全的大烙饼

郑晖

摘要

总结编程范式


形者神之质,神者形之用 

《范缜•神灭论》

!预览

  • 设计模式好比组合套路,能在一些特定场合下克敌制胜;编程范式则好比武功门派,博大精深且自成体系

  • 一种编程范式之所以能独树一帜,关键在于它突破了原有的编程方式的某些限制,带来革命性的新思维和新方法,进一步解放了程序员的劳动力

  • 因其长而容己,因其短而容他,此万物之理也

  • 语言为形,范式为神。若能以神导形、以形传神,则看似平白无趣的程序也能写出诗画般的意境

?提问

  • 编程范式与设计模式有什么区别?

  • 编程范式的核心价值是什么?

  • 总结前面介绍的编程范式,它们各自有哪些代表语言?核心概念和运行机制是什么?针对的问题和主要的目的是什么?实现原理是什么?常见的应用有哪些?有什么不足之处?

:讲解

稍事休整后,大家重新团结在以冒号为中心的周围。

问号再度发问:“编程范式与设计模式都是一种抽象的软件思想,都有一套具体的实现方法。单从字面上看,‘编程’与‘设计’、‘范式’与‘模式’的区别似乎也不太大。它们究竟有什么不同呢?”

“这个问题有点意思。”冒号颔言,“设计模式一般针对某一特定场景的问题,而编程范式针对的是广泛得多的问题领域,通常有一整套的思想和理论体系,具有全局性、系统性和渗透性,这一点在五大重要范式中显得尤为突出。因此,编程范式更普适更抽象,涉及的深度和广度也是设计模式难以比拟的。”

引号不免有些疑问:“但事件驱动式不是也能作为设计模式吗?”

冒号解疑:“这倒并不矛盾。同样的思想用在整体系统的结构设计上,则称为架构模式;用在局部模块的细节实现上,则称为设计模式[1];用在引导编程实践上,则称为编程范式。”

句号的武侠瘾又犯了:“设计模式好比组合套路,能在一些特定场合下克敌制胜;编程范式则好比武功门派,博大精深且自成体系。”

“很形象的比喻。”冒号赞赏道,“设计模式是遵循设计原则的一些具体技巧,以保证代码的可维护性、可扩展性和可重用性为目的。它重在设计,对编程语言一般没有要求[2]。编程范式则不同,对编程语言往往有专门的要求。通常所说的某某范式的语言,即指该语言对该范式在语法上有明确充分的支持,不需要借助其他的范式或工具。事实上,语言本来就是围绕其所倡导的核心范式来设计的[3]。”

逗号询问:“如果一种语言不支持某种范式,那么还能用这种范式编程吗?”

“语言不直接支持范式,只是说明它不属于该范式的语言,但还是可能求助工具来应用该范式。比如元编程可以借助Yacc或ANTLR来完成,AOP可以借助一些库或框架来实现。”冒号道,“正是依靠语言和工具的支持,编程范式得以建立起一套独特而完善的抽象机制和方法体系,从而为所倡导的世界观与方法论奠定基石。”

叹号请求:“能不能帮我们理清一下思路,把学过的范式一并汇总比较?”

不一会儿,众人面前呈现出一张表格,地毯似的覆盖了整个投影屏(如表4-1所示)——

表4-1. 常见的编程范式

编程范式核心概念关键突破主要目的
代表语言运行机制实现原理常见应用
命令式/过程式(Imperative/Procedural) 命令/过程(Command /Procedure) 突破单一主程序和非结构化程序的限制模拟机器思维,实现自顶向下的模块设计
Fortran/Pascal/C命令执行引入逻辑控制和子程序交互式、事件驱动型系统;数值计算等
函数式/应用式(Functional/Applicative) 函数(Function) 突破机器思维的限制模拟数学思维,简化代码,减少副作用
Scheme/Haskell表达式计算引入高阶函数,将函数作为数据处理微积分计算;数学逻辑;博弈等
逻辑式(Logic) 断言(Predicate) 突破逻辑与控制粘合的限制专注逻辑分析,减少控制代码
Prolog/Mercury逻辑推理利用推理引擎在已知的事实和规则的基础上进行逻辑推断 机器证明;专家系统;自然语言处理;语义网(semantic web);决策分析;业务规则管理等
对象式(Object-Oriented) 对象(Object) 突破数据与代码分离的限制迎合人类认知模式,提高软件的易用性、重用性和可维护性
Smalltalk/Java对象间信息交换引入封装、继承和多态机制大型复杂交互式系统等
并发式/并行式(Concurrent/Parallel) 进程/线程(Process/Thread) 突破串行的限制充分利用资源、提高运行效率、提高软件的响应能力、保证公平竞争
Erlang/Oz进程/线程间通讯与同步引入并行的线程模块以及模块间的通讯与同步机制图形用户界面;I/O处理;多任务系统如操作系统、网络服务器等;实时系统;嵌入式系统;计算密集型系统如科学计算、人工智能等
泛型式(Generic) 算法(Algorithm) 突破静态类型语言的限制提高算法的普适性
Ada/Eiffel/C++ 算法实例化(多发生于编译期)利用模板推迟类型指定普适性算法如排序、搜索等;集合类容器等
元编程(Metaprogramming) 元程序(Metaprogram) 突破语言的常规语法限制减少手工编码,提升语言级别
Lisp/Ruby/JavaScript动态生成代码或自动修改执行指令利用代码生成或语言内建的反射(reflection)、动态等机制,将程序语言作为数据来处理自动代码生成;定义结构化配置文件;IDE;编译器;解释器;人工智能;模型驱动架构(MDA);领域特定语言(DSL)等
切面式(Aspect-Oriented) 切面(Aspect) 突破横切关注点无法模块化的限制实现横切关注点分离
AspectJ/AspectC++在接入点处执行建议通过编织(weaving)将附加行为嵌入主体程序日志输出;代码跟踪;性能监控;异常处理;安全检查;事务管理等
事件驱动(Event-Driven) 事件(Event) 突破顺序、同步的流程限制调用者与被调用者在代码和时间上双重解耦
C#/VB.NET监听器收到事件通知后做出响应引入控制反转和异步机制图形用户界面;网络应用;服务器;操作系统;IoC框架;异步输入;DOM等

叹号怔了怔,好似被一张巨大的烙饼给噎住了。

冒号并不急于讲解,欲以静制动。

果然,逗号沉不住气了,问道:“在第一栏的编程范式及其代表语言中,为什么并发式的代表语言没有Java和C#,只有Erlang和Oz?”

“Java和C#虽然在语法和核心库中为并发编程提供了不少支持,但真正将并发范式融入基本设计理念的语言还得数Erlang、Oz这些较为冷门的语言。”冒号解释,“类似地,比起Java、JavaScript等语言来,C#和VB.NET在语言设计上对事件驱动式编程给予了更多的关注[4],因而更具代表性。”

问号发现:“第三栏‘关键突破’的提法很特别啊。”

冒号轻捶桌面以示强调:“一种编程范式之所以能独树一帜,关键在于它突破了原有的编程方式的某些限制,带来革命性的新思维和新方法,进一步解放了程序员的劳动力。这便是范式的核心价值所在。”

引号如获至宝:“这张表格浓缩了范式的精华,既是对此前知识的总结,也是对今后编程的指导,实在太有用了!”

句号显得更为冷静:“有其长必有其短。我们了解了每种范式的长处,是不是还应该了解它们各自的短处?”

冒号开始对各个范式逐一数落:“过程式编程的数据与代码脱节,不方便维护;函数式和逻辑式的开发效率一般比过程式高,但运行效率和语言表现力则有所不如;对象式编程用于数学计算、符号处理等对象特征淡薄的领域,在心理上缺乏认知基础,在运行效率上不如纯过程式,在开发效率上不如函数式;并发式编程增加了代码的复杂度,加重了程序员的负担;泛型式编程影响了代码的可读性,过度使用模块还可能造成代码膨胀(code bloat)[5];元编程过于强大,运用不当会超出程序员的控制,宜谨慎使用;切面式编程减少了程序的可预测性和可控性,同时给代码的跟踪调试带来一定困难,还可能造成性能上的损失;事件驱动式编程虽然也能用于同步的流程应用,但毕竟机制更复杂,没有普通的流程式编程那么自然易懂。”

叹号看上去有点泄气:“您可真够绝的,先把这些编程范式一个个捧到天上,又几杆子它们一个个打下云端。”

因其长而容己,因其短而容他,此万物之理也。”冒号忽然惜言如金,一番之乎者也地予以回应。

句号借用了一句俗话:“不怕有缺点,就怕没特点。”

冒号本欲多言,却恐众人食多伤胃,遂作结案陈词:“尽管只是管中窥豹,相信大家多少见识了编程范式的魅力之处。它们各擅胜场,有风格之别而无高下之分。作文绘画讲究形神兼备,编程也不例外。语言为形,范式为神。若能以神导形、以形传神,则看似平白无趣的程序也能写出诗画般的意境。”

一席话说得众人皆觉虽不能至,然心向往之。

,插语

  1. 因此设计模式有时被称为微架构(microarchitecture)模式。

  2. 设计模式的应用范围主要集中于静态的OOP语言,但也不排斥动态的或非OOP的语言。

  3. 当然随着语言的演进,也可能支持新的范式。比如,C++、Java和C#一开始都不支持泛型编程,C#对函数范式的支持也是逐渐加大的。

  4. C#和VB.NET专门为事件驱动式设计了event、delegate等关键字以及一些配套的便利机制。

  5. 这里的代码不是指程序员写的源代码,而是指编译器生成的代码。

。总结

  • 相比设计模式,编程范式针对的问题领域更广泛,提出的思想和方法更普适、更抽象、更系统。此外,设计模式重在设计,对语言和工具的要求不高,而编程范式需要建立一套抽象机制和方法体系,离不开语言或工具的支持。

  • 编程范式的核心价值在于:突破原有的编程方式的某些限制,带来新思维和新方法,从而进一步解放程序员的劳动力。

  • 正文中编程范式的汇总表格既是对此前知识的总结,也是对今后编程的指导。

  • 既要了解编程范式的长处,也要了解它们的短处。

  • 编程范式为神,编程语言为形,应以神导形、以形传神。

“”参考

  1. Elena Bolshakova.PROGRAMMING PARADIGMS IN COMPUTER SCIENCE EDUCATION.International Journal “Information Theories & Applications”,2005,Vol.12:285-290

  2. Amnon H. Eden,Rick Kazman.Architecture, design, implementation.Proceedings of the 25th International Conference on Software engineering,2003:149–159

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5 comments to 冒号课堂§4.3:汇总范式

  • clevercui

    请问有无逻辑式具体的应用示例啊?例如,一个多段物流系统(即需要分段运输),这个物流系统承担的运输任务的运输路径是预先定义好的,物流系统同时承担多个这样的任务(任务很多,以至运输工具成为瓶颈资源)。若需要根据各任务情况计算最优的传输次序(使所有任务的完成时间最短),能应用逻辑式吗?以前我都是用命令式完成的,中间遇到了很多的困难,内存等各方面的管理,if else语句弄得我头都大了,我非常渴望有一种方式来重新诠释算法,不知道这里逻辑式是否可行?应当如何分析。由于已经习惯了命令式的思维方式,一时难以转化。不知冒号是否能点拨一二?万分感谢

    • 通常而言,当一个程序中出现了太多的规则或者层层嵌套的if/else,这时候可以考虑逻辑式编程。
      不过,由于声明式编程中的算法往往是隐性的,要求出最优解恐怕还是离不开人工设计算法(具体到你提到的这个系统,可能会涉及到图论知识)。
      一旦算法确定下来,可以考虑将其抽象出来,放入规则引擎或工作流(在本书§4.4:情景范式中曾提及,这种forward chaining也可看作是一种逻辑式编程)。这样不仅减少了代码量,系统也更容易维护。当然,这种做法只有在规则和逻辑比较复杂且多变时才有必要。

      另外一个思路是元编程:先写一个程序,让其在运行中决定最佳算法(前提是算法组合是有限的,在你提到的系统中应当满足这个要求),并据此生成相应的应用程序。这种做法的好处是不用程序员设计最优算法,让程序自我摸索。

      以上仅为个人的一点浅见,希望能对你有所帮助。

  • clevercui

    感谢冒号点拨,我好好学习一下

  • 小夜

    冒号,对于javaScript被归并为原编程范式,我有一点不明白,从javaScript的语法和语言的特点,我觉得它更像是函数式范式,您把它归到原编程范式是不是主从它的应该范围考虑的?虽然一种语言能够支持多种范式,但也分从语言上就直接支持的范式和通过一些方式间接实现的一些范式,应该以语言上所支持的范式为主,所以我觉得javaScript更接近函数范式。我理解的比较浅,觉得这块把我绕的比较模糊,请冒号指点。

    • JavaScript支持多种范式,包括过程式、对象式(prototype-based)、函数式、元编程等。该表中在元编程语言中提到了JavaScript,并不是指元编程是JavaScript的最主要的范式(相反,元编程在JavaScript中的应用远不如前三种范式),而是指JavaScript对元编程有较好的支持(如支持eval、动态生成函数、reflection等等)。

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