“主要的編程范型”(The principal programming paradigms)這幅圖，其實(shí)出現(xiàn)得不算早，作者在2007年完成了該圖的1.0版，到2008年更新至v1.08版本。本次提供的是翻譯成中文的版本（老實(shí)說(shuō)，筆者翻譯水平相當(dāng)有限，若有不當(dāng)之處，請(qǐng)各位盡量指出，必盡快補(bǔ)正）。

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這幅圖的原作者Peter Van Roy，是《Concepts, Techniques, and Models of Computer Programming》一書(shū)的作者，這本書(shū)(CTM)是少有的、能跟SICP并稱的書(shū)了。

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該圖原文檔(PDF)下載：

http://www.info.ucl.ac.be/~pvr/paradigmsDIAGRAMeng108.pdf

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該圖中文翻譯文件(PDF)下載：

http://www.delphibbs.com/keylife/images/u40/paradigmsDIAGRAMeng108_CN.zip

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圖：主要的編程范型(點(diǎn)擊看大圖)

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（圖1）主要的編程范型-縮略圖

　

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一、從數(shù)據(jù)到編程
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Peter在“主要的編程范型”中，首先分清了數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言與描述式編程語(yǔ)言。他把數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言——例如XML——作為獨(dú)立部分劃分出來(lái)，然后指出這類語(yǔ)言主要考慮數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描象，理論上基于人們對(duì)結(jié)構(gòu)（記錄/Record、結(jié)構(gòu)/Struct）的理解。接下來(lái)，作者在此基礎(chǔ)上引入第一種“程序設(shè)計(jì)特性”，即procedure，由此得到“初階函數(shù)式編程”這一個(gè)基本的程序設(shè)計(jì)范型。

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從這里可見(jiàn)Peter在程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言分類上與以前的其它方法的不同之處：Peter并不在乎語(yǔ)言出現(xiàn)的時(shí)間關(guān)系，也不在乎語(yǔ)言的流行程度的影響。他著力于觀察語(yǔ)言特性發(fā)展之間的脈絡(luò)。而必須要對(duì)上述內(nèi)容補(bǔ)充說(shuō)明的是，Peter在“初階函數(shù)式編程”所說(shuō)的函數(shù)，事實(shí)上是早期業(yè)界對(duì)“函數(shù)(function)”的定義，即：例程分為過(guò)程、函數(shù)兩種，二者區(qū)別僅在于前者不返回值，后者返回值。所以事實(shí)上，在這里Peter強(qiáng)調(diào)的是一種“普通例程”的特性。

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二、最重要的分類依據(jù)：cells(state)
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接下來(lái)，Peter將一個(gè)最重要的概念"state"引入進(jìn)來(lái)。而這個(gè)state也是Peter對(duì)語(yǔ)言進(jìn)行分類并考察它們的進(jìn)化變化的主要依據(jù)。但是，Peter所引用的這個(gè)state概念，以及在這里使用的專用名詞“cells”相當(dāng)?shù)亓钊嗣曰?#xff0c;所以在這個(gè)圖的補(bǔ)充說(shuō)明中，Peter對(duì)此專門(mén)做了解釋：“狀態(tài)是記憶信息的一種能力，更精確地說(shuō)，是及時(shí)存貯值序列的能力。”

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你覺(jué)得這個(gè)概念象什么？對(duì)了，的確，非常象是“變量”。事實(shí)上，狀態(tài)在編程核心概念的“數(shù)據(jù)-邏輯”抽象中，它表明的正是“數(shù)據(jù)的可變性”，亦即是說(shuō)：數(shù)據(jù)的可變性表現(xiàn)為狀態(tài)。更進(jìn)一步地說(shuō)：當(dāng)數(shù)據(jù)被命名時(shí)，它稱為變量或常量；當(dāng)數(shù)據(jù)未命名時(shí)，它成為游離的、無(wú)名稱和時(shí)序含義的存儲(chǔ)單元，即“cells”。這也是Peter使用“cells”這個(gè)專用名詞的原因：在本圖的討論中，需要從“變量/常量”這樣的概念中，剝離掉“未命名或命名的、確定的或非確定的，以及串行的或并發(fā)的”這三方面的性質(zhì)。

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當(dāng)不考慮一個(gè)存儲(chǔ)位置上的命名特性時(shí)，它就既非變量、常量，也非某個(gè)確定的運(yùn)算對(duì)象（例如“對(duì)象”等高級(jí)的抽象概念），而只是一種更加泛義的“狀態(tài)”，而存儲(chǔ)這個(gè)狀態(tài)本身的，則因?yàn)闆](méi)有位置、時(shí)序等概念，而稱為“cells”。

　

　
三、命令式語(yǔ)言的誕生：狀態(tài)維護(hù)
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《程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言》這本書(shū)解釋過(guò)命令式語(yǔ)言的本質(zhì)特性，即：用算法改變數(shù)據(jù)。如果用兩個(gè)以上的邏輯（例如兩行代碼）去影響同一個(gè)存儲(chǔ)位置(cells)，并使它的狀態(tài)改變，最終在該cell產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果的，那么它就是一種命令式語(yǔ)言。

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再簡(jiǎn)單一點(diǎn)（但沒(méi)有上面這樣嚴(yán)謹(jǐn)）地說(shuō)：在程序中不斷地重寫(xiě)變量，變量值即是程序的最終結(jié)果。

所以，在本圖中，Peter把這個(gè)衍生關(guān)系表達(dá)為：命令式=純數(shù)據(jù)+算法+狀態(tài)維護(hù)。如圖：

　

　

（圖2）命令式語(yǔ)言的誕生

　

　
四、在命令式編程中對(duì)“狀態(tài)”的理解：共享狀態(tài)
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無(wú)論是在串行的，還是并發(fā)的編程中，命令式編程范型對(duì)“狀態(tài)”的理解都是：共享狀態(tài)。在圖中，這一分支表現(xiàn)為全部的桃紅色（參見(jiàn)后圖）。

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在串行（例如單線程）的編程中，狀態(tài)是時(shí)序相關(guān)的。因?yàn)椴粩嗟刂貙?xiě)“狀態(tài)（數(shù)據(jù)/cells/變量）”，所以前一行和后一行所面對(duì)都是同一個(gè)共享狀態(tài)的不同的值/副本。在這個(gè)過(guò)程中，狀態(tài)是時(shí)序相關(guān)的，所以前一分鐘與后一分鐘的狀態(tài)是不確定的——但是在同一時(shí)刻，這個(gè)狀態(tài)是確定的。

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與上面類似的，在多線程中，同一時(shí)刻，不同線程也將面臨這個(gè)值/副本。但是正是因?yàn)槎嗑€程（并發(fā)）中，線程A與線程B對(duì)于同一個(gè)cell，在同一時(shí)刻所得到的狀態(tài)也是不確定的——我們可以假想為多核CPU在對(duì)同一個(gè)內(nèi)存地址讀寫(xiě)（于是就出現(xiàn)了我們所謂的“同步”問(wèn)題，進(jìn)而也就出現(xiàn)了“鎖”的問(wèn)題），所以在這個(gè)分支中，當(dāng)加入“線程”概念之后，新的編程范型，全都變成了“觀測(cè)-非確定性”為“yes”的情況。

　

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（圖3）觀測(cè)-非確定性（留意圖中加粗的黑框），以及狀態(tài)的共享

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“觀測(cè)-非確定性(Observable nondeterminism)”可以被譯為“測(cè)不準(zhǔn)”，但是用在中文中依然拗口，所以我選擇了直譯。在Peter的書(shū)(CTM)中，對(duì)該問(wèn)題有一個(gè)經(jīng)典的示例，即：
------------------------
declare
? C={NewCell 0}

thread
? C:=1
end

thread
? C:=2
end
------------
Peter這段代碼的意思是說(shuō)：當(dāng)線程1和線程2，在同時(shí)向C這個(gè)cell寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，你并不確知上述代碼運(yùn)行之后C這個(gè)位置上的值究竟是1，還是2。

　
五、解決這個(gè)問(wèn)題的終極之道：不要寫(xiě)cell！
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我們顯然發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題是因?yàn)槎鄠€(gè)線程都在“寫(xiě)cell”。在命令式的解決方案中，采用的方法是“加鎖”；持鎖存取的最經(jīng)濟(jì)的方法之一是“多讀單寫(xiě)”——即保證同時(shí)只有一個(gè)線程能“寫(xiě)cell”。

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但是這給應(yīng)用帶來(lái)了負(fù)擔(dān)——如果一個(gè)應(yīng)用程序由多個(gè)線程（分布或不分布在多個(gè)CPU核上），在它們都要讀取同一個(gè)cell、而又有某個(gè)線程要寫(xiě)該cell的時(shí)候，那么大家就都要掛起來(lái)等這個(gè)寫(xiě)操作完成了。整個(gè)應(yīng)用程序在CPU使用（或者說(shuō)效率）上就大大地打了折扣。

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如果這只是一個(gè)桌面程序（例如記事本），大概沒(méi)人會(huì)說(shuō)什么。但如果是服務(wù)器程序（例如Web Server），那么整個(gè)網(wǎng)絡(luò)、所有的會(huì)話就都處于等待狀態(tài)了——而這個(gè)時(shí)候，服務(wù)器的CPU占用還可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)地小于1%！

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解決問(wèn)題的終極方法，就是不解決這個(gè)問(wèn)題——寫(xiě)cell帶來(lái)了問(wèn)題，那么我們就“不寫(xiě)cell”。我們由前面所有講述的內(nèi)容開(kāi)始倒推，問(wèn)題根本是由“命令式語(yǔ)言”這個(gè)編程范型本身決定的：用算法改變數(shù)據(jù)。

所以，我們回到了原始的問(wèn)題：如果算法不改變cell(數(shù)據(jù)/狀態(tài)/變量)呢？

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六、函數(shù)式編程的核心概念：閉包
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當(dāng)“過(guò)程（初階的函數(shù)）”引入了“閉包”的概念后，整個(gè)“函數(shù)式語(yǔ)言”的體系建立了起來(lái)。所謂“閉包”，是指在函數(shù)運(yùn)行的上下文中，所有的cells與函數(shù)之外無(wú)關(guān)，這些cells的狀態(tài)僅與函數(shù)——這個(gè)運(yùn)算邏輯相關(guān)，則這個(gè)上下文環(huán)境“整體地”被稱為“閉包”。

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如果換個(gè)說(shuō)法，閉包就是不受函數(shù)之外影響的一堆cells。一般在實(shí)現(xiàn)它的時(shí)候，就是讓函數(shù)持有一個(gè)“專屬的(!)”內(nèi)存塊，并且這個(gè)內(nèi)存塊僅當(dāng)函數(shù)本身失效的時(shí)候，才被釋放。

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一個(gè)“函數(shù)本身”何時(shí)失效呢？如果這個(gè)函數(shù)只有傳入?yún)?shù)和傳出值的功能，那么這個(gè)函數(shù)就在它傳出值之后立即失效了。所以，對(duì)于整個(gè)運(yùn)算邏輯——這個(gè)函數(shù)來(lái)說(shuō)，它沒(méi)有操作過(guò)任何（函數(shù)之外的）狀態(tài)，既沒(méi)有讀，也沒(méi)有寫(xiě)。對(duì)于這個(gè)邏輯來(lái)說(shuō)，只有傳入，也只有傳出，所以它具有完全的運(yùn)算確定性，它本身作為一個(gè)“結(jié)果值”來(lái)看的時(shí)候，也是確定的。

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不過(guò)在實(shí)用時(shí)，對(duì)于上述的觀念做出了一些挑戰(zhàn)。例如說(shuō)：當(dāng)函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行了一半的時(shí)候退出，怎么辦呢？答案是：1、先不釋放函數(shù)；2、過(guò)一會(huì)兒再進(jìn)入。這個(gè)，就是所謂的延續(xù)（Continuation），以及在JavaScript 1.6以后推出的yield概念。同樣的，正因?yàn)椤暗拇_存在”執(zhí)行之后函數(shù)不釋放的可能性，所以函數(shù)式語(yǔ)言通常是由語(yǔ)言引擎來(lái)維護(hù)閉包的生存周期的——任何新的概念、理論的提出，都必須保證這個(gè)生存周期可測(cè)、可維護(hù)。因此相較于命令式語(yǔ)言，自動(dòng)內(nèi)存管理在函數(shù)式語(yǔ)言中實(shí)現(xiàn)起來(lái)更為高效和簡(jiǎn)潔，它最早被實(shí)現(xiàn)在函數(shù)式語(yǔ)言(LISP)語(yǔ)言中，也是有其必然性的了。

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這樣一來(lái)，對(duì)于在函數(shù)之外的狀態(tài)state來(lái)說(shuō)，函數(shù)從來(lái)不去影響它們。函數(shù)式編程范型帶來(lái)了新的模式：給函數(shù)數(shù)據(jù)（入口參數(shù)），函數(shù)給出結(jié)果（返回值）。即通過(guò)不斷地函數(shù)運(yùn)算來(lái)產(chǎn)生結(jié)果，而不改變cell(數(shù)據(jù)/狀態(tài)/變量)。

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函數(shù)式與命令式范型相比較，前者被人稱為（P,D;I,O)，后者被人稱為（I,O;P,D），其中：輸入（I）、輸出（O）、加工處理程序（P）和存儲(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)（D）。即函數(shù)式先明確（P，D）——確定的處理與數(shù)據(jù)（閉包），然后討論在閉包上的I、O問(wèn)題。而命令式先確定了I、O的方式——即state的存取問(wèn)題，然后討論P(yáng)、D的設(shè)計(jì)。

　
七、狀態(tài)的命名：變量、常量、端口等
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在整個(gè)這個(gè)“主要的編程范型”圖中，也許最接近現(xiàn)實(shí)世界（通用應(yīng)用開(kāi)發(fā)）而又是純函數(shù)式范型的語(yǔ)言，就是erlang了。從圖中的標(biāo)注來(lái)看，erlang具有這樣的一些語(yǔ)言特性：
1、消息傳遞
2、命名狀態(tài)
3、端口
4、閉包
5、線程（erlang中的輕量級(jí)進(jìn)程）

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這五個(gè)特性，其實(shí)都可以歸結(jié)為erlang對(duì)“狀態(tài)”的處理方式。其中：
1、當(dāng)跨節(jié)點(diǎn)傳遞狀態(tài)時(shí)，采用“端口+消息傳遞”；
2、當(dāng)跨線程（進(jìn)程）傳遞狀態(tài)時(shí)，采用“進(jìn)程ID+消息傳遞”；
3、當(dāng)在多個(gè)函數(shù)/執(zhí)行過(guò)程中傳遞狀態(tài)的，采用“閉包（函數(shù)入口參數(shù)）”。

亦即是說(shuō)，你可以把“端口、進(jìn)程標(biāo)識(shí)或函數(shù)入口參數(shù)”想像成“一個(gè)傳送狀態(tài)的通道”，或者干脆是用于讀取其它外部代碼的“狀態(tài)的一個(gè)副本”的途徑。?

（圖4）狀態(tài)的命名

　

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對(duì)于上述特性，erlang在整個(gè)過(guò)程中允許為狀態(tài)命名（全局的或局部的）——變量。但是，該變量只能一次賦值——向端口和進(jìn)程ID傳遞消息是一次性的，而函數(shù)參數(shù)上的變量賦值/匹配也是一次性的。盡管對(duì)狀態(tài)“是否已賦值”需要進(jìn)行有效性檢測(cè)，從而給系統(tǒng)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，但也是使得程序可讀性和應(yīng)用性能變得“稍微好一些”的唯一方式。

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在“主要的編程范型”圖中，緣于erlang對(duì)“命名的狀態(tài)”的取舍，它被歸為了“更少的說(shuō)明式特性”的范疇。但同樣的原因，它也是我們目前“（相對(duì)）最易用”的工業(yè)級(jí)的純函數(shù)式語(yǔ)言。

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同樣，在這個(gè)分支上還有一個(gè)后起之秀，就是“對(duì)象能力編程”。這在最近的報(bào)道中，已有基于Scala的Actor模型進(jìn)行的實(shí)現(xiàn)。盡管Scala是在Java上的一個(gè)實(shí)現(xiàn)，但它擁有完整的函數(shù)式語(yǔ)言特性，并使用了面向?qū)ο蟮囊恍┱Z(yǔ)法與思想，在加入“對(duì)象能力類型（Object Capability Types，OCT）”之后，它擁有了跨Actor傳遞對(duì)象（整個(gè)對(duì)象可以視為一個(gè)狀態(tài)/cell）的能力——在必要的時(shí)候，目標(biāo)Actor會(huì)將接收到的對(duì)象再次本地化(local cell)。

　
八、語(yǔ)言的底本：LISP/Scheme/Haskell, Prolog, Fortran/Pascal, ML
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從語(yǔ)言沿革的進(jìn)化關(guān)系來(lái)看，Fortran位于高級(jí)語(yǔ)言的基底位置，基本上來(lái)說(shuō)，它是現(xiàn)今絕大多數(shù)過(guò)程式/命令式語(yǔ)言的底本，在這個(gè)分支上主要發(fā)展的有Algol、Simula、Pascal與C。后來(lái)出現(xiàn)的各種面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言，主要受到Simula跟Smalltalk的影響。

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從Fortran之后，LISP成為所有函數(shù)式語(yǔ)言的底本，但由于早期LISP的應(yīng)用性極差，所以Scheme吸取了Algol與LISP的一些特性，成為函數(shù)式語(yǔ)言發(fā)展的主要力量之一。在1987年之后，從Scheme、Smalltalk等演化出來(lái)的Haskell，也成為不可小視的新生力量。

　

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（圖5）函數(shù)式語(yǔ)言的龐大家族

　

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Prolog這個(gè)語(yǔ)言的獨(dú)特的開(kāi)創(chuàng)性在于：它主要描述通過(guò)邏輯事實(shí)進(jìn)行推論并得出結(jié)論的過(guò)程，它的運(yùn)算對(duì)象并非直接含義上的“數(shù)據(jù)”，而是一種接近人的思維的抽象：邏輯子句。這種新的、對(duì)數(shù)據(jù)的抽象開(kāi)啟了一個(gè)語(yǔ)言分支。

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在圖中幾乎總是與Scheme一起出現(xiàn)的ML(Meta Language)是一種，它的一個(gè)比較普及的、方言化的實(shí)現(xiàn)是SML(Standard ML)。在這個(gè)語(yǔ)言分支上，一個(gè)更晚出現(xiàn)而又頗富盛名的語(yǔ)言是Caml/OCaml（Caml, Categorical Abstract Machine Language）。基本上，它看起來(lái)象是在ML的函數(shù)式語(yǔ)言特性上加上：
1、命名（持久性常量）
2、cell

Objective Caml (OCaml)支持面向?qū)ο缶幊?#xff0c;而使它更為眾所周知的是：ECMAScript Ed4（Javascript 2）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，是采用OCaml這個(gè)語(yǔ)言來(lái)“定義”——并同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。而微軟的F#也是基于OCaml在函數(shù)式語(yǔ)言上方向上發(fā)展的。

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另一個(gè)函數(shù)式的分支是數(shù)據(jù)流編程，它的底本語(yǔ)言是Dataflow——圖中出現(xiàn)的Pipes/MapReduce是兩種不同的機(jī)制，而非確定的語(yǔ)言。在這個(gè)分支上，現(xiàn)實(shí)中主要采用數(shù)據(jù)流編程范型的語(yǔ)言其實(shí)是LabVIEW。相對(duì)于數(shù)據(jù)流（驅(qū)動(dòng)的）編程來(lái)講時(shí)，命令式語(yǔ)言也被稱為控制流（驅(qū)動(dòng)的）編程語(yǔ)言。數(shù)據(jù)流編程在函數(shù)式這個(gè)分支中也是有開(kāi)創(chuàng)意義的，它帶來(lái)了圖化、網(wǎng)絡(luò)圖化編程這樣一種格局。

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在這一小節(jié)（以及圖）里面，主要提及到的底本語(yǔ)言的出現(xiàn)時(shí)間為：
??? * 1957 FORTRAN
??? * 1958 ALGOL
??? * 1960 LISP
??? * 1962 SIMULA
??? * 1969 Smalltalk
??? * 1970 Prolog
??? * 1971 Dataflow
??? * 1972 C
??? * 1973 ML
??? * 1975 Pascal
??? * 1975 Scheme
??? * 1990 Haskell?
??? * 1996 OCaml

　　

九：延伸閱讀
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《象大師們一樣思考》
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2008/10/09/3037952.aspx
　

《世界需要一種什么樣的語(yǔ)言》
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2009/03/12/3983975.aspx

　

《表面的簡(jiǎn)潔》
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2009/04/22/4099931.aspx

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《無(wú)廢話JavaScript》（上）（下）
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2008/10/06/3022379.aspx
http://blog.csdn.net/aimingoo/archive/2008/10/06/3022409.aspx

from:?http://blog.csdn.net/aimingoo/article/details/4648284

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的“主要的编程范型”及其语言特性关系（多图）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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