冒號(hào)課堂
第四課 重溫范式（3）
4.3匯總范式——一張五味俱全的大烙餅
形者神之質(zhì)，神者形之用 ——《范縝·神滅論》
關(guān)鍵詞： 編程范式,設(shè)計(jì)模式
摘要： 總結(jié)編程范式
？提問(wèn)
l 編程范式與設(shè)計(jì)模式有什么區(qū)別？
l 編程范式的核心價(jià)值是什么？
l 總結(jié)前面介紹的編程范式，它們各自有哪些代表語(yǔ)言？核心概念和運(yùn)行機(jī)制是什么？針對(duì)的問(wèn)題和主要的目的是什么？實(shí)現(xiàn)原理是什么？常見(jiàn)的應(yīng)用有哪些？有什么不足之處？
：講解
稍事休整后，大家重新團(tuán)結(jié)在以冒號(hào)為中心的周?chē)?/span>
問(wèn)號(hào)再度發(fā)問(wèn)：“編程范式與設(shè)計(jì)模式都是一種抽象的軟件思想，都有一套具體的實(shí)現(xiàn)方法。單從字面上看，‘編程’與‘設(shè)計(jì)’、‘范式’與‘模式’的區(qū)別似乎也不太大。它們究竟有什么不同呢？”
“這個(gè)問(wèn)題有點(diǎn)意思。”冒號(hào)頷言，“設(shè)計(jì)模式一般針對(duì)某一特定場(chǎng)景的問(wèn)題，而編程范式針對(duì)的是廣泛得多的問(wèn)題領(lǐng)域，通常有一整套的思想和理論體系，具有全局性、系統(tǒng)性和滲透性，這一點(diǎn)在五大重要范式中顯得尤為突出。因此，編程范式更普適更抽象，涉及的深度和廣度也是設(shè)計(jì)模式難以比擬的。”
引號(hào)不免有些疑問(wèn)：“但事件驅(qū)動(dòng)式不是也能作為設(shè)計(jì)模式嗎？”
冒號(hào)解疑：“這倒并不矛盾。同樣的思想用在整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，則稱(chēng)為架構(gòu)模式；用在局部模塊的細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)上，則稱(chēng)為設(shè)計(jì)模式[1]；用在引導(dǎo)編程實(shí)踐上，則稱(chēng)為編程范式。”
句號(hào)的武俠癮又犯了：“設(shè)計(jì)模式好比組合套路，能在一些特定場(chǎng)合下克敵制勝；編程范式則好比武功門(mén)派，博大精深且自成體系。”
“很形象的比喻。”冒號(hào)贊賞道，“設(shè)計(jì)模式是遵循設(shè)計(jì)原則的一些具體技巧，以保證代碼的靈活性、擴(kuò)展性和可重用性為目的。它重在設(shè)計(jì)，對(duì)語(yǔ)言一般沒(méi)有要求[2]。編程范式則不同，對(duì)語(yǔ)言往往有專(zhuān)門(mén)的要求。通常所說(shuō)的某某范式的語(yǔ)言，即指該語(yǔ)言對(duì)該范式在語(yǔ)法上有明確充分的支持，不需要借助其他的范式或工具。事實(shí)上，語(yǔ)言本來(lái)就是圍繞其所倡導(dǎo)的核心范式來(lái)設(shè)計(jì)的[3]。”
逗號(hào)詢(xún)問(wèn)：“如果一種語(yǔ)言不支持某種范式，那么還能用這種范式編程嗎？”
“語(yǔ)言不直接支持范式，只是說(shuō)明它不屬于該范式的語(yǔ)言，但還是可能求助工具來(lái)應(yīng)用該范式。比如元編程可以借助Yacc或ANTLR來(lái)完成，AOP可以借助一些庫(kù)或框架來(lái)實(shí)現(xiàn)。”冒號(hào)道，“正是依靠語(yǔ)言和工具的支持，編程范式得以建立起一套獨(dú)特而完善的抽象機(jī)制和方法體系，從而為所倡導(dǎo)的世界觀與方法論奠定基石。”
嘆號(hào)請(qǐng)求：“能不能幫我們理清一下思路，把學(xué)過(guò)的范式一并匯總比較？”
不一會(huì)兒，眾人面前呈現(xiàn)出一張表格，地毯似的覆蓋了整個(gè)投影屏——
|
編程范式
|
核心概念
|
關(guān)鍵突破
|
主要目的
|
|
代表語(yǔ)言
|
運(yùn)行機(jī)制
|
實(shí)現(xiàn)原理
|
常見(jiàn)應(yīng)用
|
|
命令式/過(guò)程式
（Imperative/Procedural）
|
命令/過(guò)程
（Command
/Procedure）
|
突破單一主程序和非結(jié)構(gòu)化程序的限制
|
模擬機(jī)器思維，實(shí)現(xiàn)自頂向下的模塊設(shè)計(jì)
|
|
Fortran/Pascal/C
|
命令執(zhí)行
|
引入邏輯控制和子程序
|
交互式、事件驅(qū)動(dòng)型系統(tǒng)；數(shù)值計(jì)算等
|
|
函數(shù)式/應(yīng)用式
(Functional/Applicative）
|
函數(shù)
（Function）
|
突破機(jī)器思維的限制
|
模擬數(shù)學(xué)思維，簡(jiǎn)化代碼
|
|
Scheme/Haskell
|
表達(dá)式計(jì)算
|
引入高階函數(shù)，將函數(shù)作為數(shù)據(jù)處理
|
微積分計(jì)算；數(shù)學(xué)邏輯；博弈等
|
|
邏輯式
（Logic）
|
斷言
（Predicate）
|
突破邏輯與控制粘合的限制
|
專(zhuān)注邏輯分析，減少控制代碼
|
|
Prolog/Mercury
|
邏輯推理
|
利用推理引擎在已知的事實(shí)和規(guī)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯推斷
|
機(jī)器證明；專(zhuān)家系統(tǒng)；自然語(yǔ)言處理；語(yǔ)義網(wǎng)（semantic web）；決策分析；業(yè)務(wù)規(guī)則管理等
|
|
對(duì)象式
（Object-Oriented）
|
對(duì)象
（Object）
|
突破數(shù)據(jù)與代碼分離的限制
|
迎合人類(lèi)認(rèn)知模式，提高軟件的易用性和重用性
|
|
Smalltalk/Java
|
對(duì)象間信息交換
|
引入封裝、繼承和多態(tài)機(jī)制
|
大型復(fù)雜交互式系統(tǒng)等
|
|
并發(fā)式/并行式
（Concurrent/Parallel）
|
進(jìn)程/線程
（Process/Thread）
|
突破串行的限制
|
充分利用資源、提高運(yùn)行效率、提高軟件的響應(yīng)能力
|
|
Erlang/Oz
|
進(jìn)程/線程間通訊與同步
|
引入并行的線程模塊以及模塊間的通訊與同步機(jī)制
|
圖形用戶(hù)界面；I/O處理；多任務(wù)系統(tǒng)如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等；實(shí)時(shí)系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；計(jì)算密集型系統(tǒng)如科學(xué)計(jì)算、人工智能等
|
|
泛型式
（Generic）
|
算法
（Algorithm）
|
突破靜態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言的限制
|
提高算法的普適性
|
|
Ada/Eiffel/C++
|
算法實(shí)例化
（多發(fā)生于編譯期）
|
利用模板推遲類(lèi)型指定
|
普適性算法如排序、搜索等；集合類(lèi)容器等
|
|
元編程
（Metaprogramming）
|
元程序
（Metaprogram）
|
突破語(yǔ)言的常規(guī)語(yǔ)法限制
|
減少手工編碼，提升語(yǔ)言級(jí)別
|
|
Lisp/Ruby/JavaScript
|
動(dòng)態(tài)生成代碼或自動(dòng)修改執(zhí)行指令
|
利用代碼生成或語(yǔ)言?xún)?nèi)建的反射（reflection）、動(dòng)態(tài)等機(jī)制，將程序語(yǔ)言作為數(shù)據(jù)來(lái)處理
|
自動(dòng)代碼生成；定義結(jié)構(gòu)化配置文件；IDE；編譯器；解釋器；人工智能；模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（MDA）；領(lǐng)域特定語(yǔ)言（DSL）等
|
|
切面式
（Aspect-Oriented）
|
切面
（Aspect）
|
突破橫切關(guān)注點(diǎn)無(wú)法模塊化的限制
|
實(shí)現(xiàn)橫切關(guān)注點(diǎn)分離
|
|
AspectJ/AspectC++
|
在接入點(diǎn)處執(zhí)行建議
|
通過(guò)編織（weaving）將附加行為嵌入主體程序
|
日志輸出；代碼跟蹤；性能監(jiān)控；異常處理；安全檢查；事務(wù)管理等
|
|
事件驅(qū)動(dòng)
（Event-Driven）
|
事件
（Event）
|
突破順序、同步的流程限制
|
調(diào)用者與被調(diào)用者在代碼和時(shí)間上雙重解耦
|
|
C#/VB.NET
|
監(jiān)聽(tīng)器收到事件通知后做出響應(yīng)
|
引入控制反轉(zhuǎn)和異步機(jī)制
|
圖形用戶(hù)界面；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；服務(wù)器；操作系統(tǒng)；IoC框架；異步輸入；DOM等
|
嘆號(hào)怔了怔，好似被一張巨大的烙餅給噎住了。
冒號(hào)并不急于講解，欲以靜制動(dòng)。
果然，逗號(hào)沉不住氣了，問(wèn)道：“在第一欄的編程范式及其代表語(yǔ)言中，為什么并發(fā)式的代表語(yǔ)言沒(méi)有Java和C#，只有Erlang和Oz？”
“Java和C#雖然在語(yǔ)法和核心庫(kù)中為并發(fā)編程提供了不少支持，但真正將并發(fā)范式融入基本設(shè)計(jì)理念的語(yǔ)言還得數(shù)Erlang、Oz這些較為冷門(mén)的語(yǔ)言。”冒號(hào)解釋?zhuān)?#8220;類(lèi)似地，比起Java、JavaScript等語(yǔ)言來(lái)，C#和VB.NET在語(yǔ)言設(shè)計(jì)上對(duì)事件驅(qū)動(dòng)式編程給予了更多的關(guān)注[4]，因而更具代表性。”
問(wèn)號(hào)發(fā)現(xiàn)：“第三欄‘關(guān)鍵突破’的提法很特別啊。”
冒號(hào)輕捶桌面以示強(qiáng)調(diào)：“一種編程范式之所以能獨(dú)樹(shù)一幟，關(guān)鍵在于它突破了原有的編程方式的某些限制，帶來(lái)革命性的新思維和新方法，進(jìn)一步解放程序員的勞動(dòng)力。這便是范式的核心價(jià)值所在。”
引號(hào)如獲至寶：“這張表格濃縮了范式的精華，既是對(duì)此前知識(shí)的總結(jié)，也是對(duì)今后編程的指導(dǎo)，實(shí)在太有用了！”
句號(hào)顯得更為冷靜：“有其長(zhǎng)必有其短。我們了解了每種范式的長(zhǎng)處，是不是還應(yīng)該了解它們各自的短處？”
冒號(hào)開(kāi)始對(duì)各個(gè)范式逐一數(shù)落：“過(guò)程式編程的數(shù)據(jù)與代碼脫節(jié)，不方便維護(hù)；函數(shù)式和邏輯式的開(kāi)發(fā)效率一般比過(guò)程式高，但運(yùn)行效率和語(yǔ)言表現(xiàn)力則有所不如；對(duì)象式編程用于數(shù)學(xué)計(jì)算、符號(hào)處理等對(duì)象特征淡薄的領(lǐng)域，在心理上缺乏認(rèn)知基礎(chǔ)，在運(yùn)行效率上不如純過(guò)程式，在開(kāi)發(fā)效率上不如函數(shù)式；并發(fā)式編程增加了代碼的復(fù)雜度，加重了程序員的負(fù)擔(dān)；泛型式編程影響了代碼的可讀性，過(guò)度使用模塊還可能造成代碼膨脹（code bloat）[5]；元編程過(guò)于強(qiáng)大，運(yùn)用不當(dāng)會(huì)超出程序員的控制，宜謹(jǐn)慎使用；切面式編程減少了程序的可預(yù)測(cè)性和可控性，同時(shí)給代碼的跟蹤調(diào)試帶來(lái)一定困難，還可能造成性能上的損失；事件驅(qū)動(dòng)式編程雖然也能用于同步的流程應(yīng)用，但畢竟機(jī)制更復(fù)雜，沒(méi)有普通的流程式編程那么自然易懂。”
嘆號(hào)看上去有點(diǎn)泄氣：“您可真夠絕的，先把這些編程范式一個(gè)個(gè)捧到天上，又幾桿子它們一個(gè)個(gè)打下云端。”
“因其長(zhǎng)而容己，因其短而容他，此萬(wàn)物之理也。”冒號(hào)忽然惜言如金，一番之乎者也地予以回應(yīng)。
句號(hào)借用了一句俗話：“不怕有缺點(diǎn)，就怕沒(méi)特點(diǎn)。”
冒號(hào)本欲多言，卻恐眾人食多傷胃，遂作結(jié)案陳詞：“盡管只是管中窺豹，相信大家多少見(jiàn)識(shí)了編程范式的魅力之處。它們各擅勝場(chǎng)，有風(fēng)格之別而無(wú)高下之分。作文繪畫(huà)講究形神兼?zhèn)洌幊桃膊焕狻?strong>語(yǔ)言為形，范式為神。若能以神導(dǎo)形、以形傳神，則看似平白無(wú)趣的程序也能寫(xiě)出詩(shī)畫(huà)般的意境。”
一席話說(shuō)得眾人皆覺(jué)雖不能至，然心向往之。
，插語(yǔ)
[1] 因此設(shè)計(jì)模式有時(shí)被稱(chēng)為微架構(gòu)（microarchitecture）模式。
[2] 雖然設(shè)計(jì)模式一般多用于OOP語(yǔ)言，但并不總是必須的，更何況大多流行語(yǔ)言均支持OOP。
[3] 當(dāng)然隨著語(yǔ)言的演進(jìn)，也可能支持新的范式。如Java的generics是后來(lái)加入語(yǔ)言以支持泛型編程的。
[4] C#和VB.NET專(zhuān)門(mén)為事件驅(qū)動(dòng)式設(shè)計(jì)了event、delegate等關(guān)鍵字以及一些配套的便利機(jī)制。
[5] 這里的代碼不是指程序員寫(xiě)的源代碼，而是指編譯器生成的代碼。
。總結(jié)
l 相比設(shè)計(jì)模式，編程范式針對(duì)的問(wèn)題領(lǐng)域更廣泛，提出的思想和方法更普適、更抽象、更系統(tǒng)。此外，設(shè)計(jì)模式重在設(shè)計(jì)，對(duì)語(yǔ)言和工具的要求不高，而編程范式需要建立一套抽象機(jī)制和方法體系，離不開(kāi)語(yǔ)言或工具的支持。
l 編程范式的核心價(jià)值在于：突破原有的編程方式的某些限制，帶來(lái)新思維和新方法，從而進(jìn)一步解放程序員的勞動(dòng)力。
l 正文中編程范式的匯總表格既是對(duì)此前知識(shí)的總結(jié)，也是對(duì)今后編程的指導(dǎo)。
l 既要了解編程范式的長(zhǎng)處，也要了解它們的短處。
l 編程范式為神，編程語(yǔ)言為形，應(yīng)以神導(dǎo)形、以形傳神。
“”參考
[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