冒号课堂节选：编程范式

编程范式

 

掌握一门语言的语法、工具和技巧固然重要，但那只相当于学会一门兵器的招法，更重要的当然是心法。招法重形，心法重意。得形而忘意，无异舍本逐末；得意而忘形，方能游刃有余。下面要谈的就是一种心法：编程范式。

范式译自英文的paradigm，也有译作典范、范型、范例的。如果说每个编程者都在创造虚拟世界，那么编程范式就是他们置身其中自觉不自觉采用的世界观和方法论。简单讲，编程范式就是编程语言的语感。

编程是为了解决问题，而解决问题可以有多种视角和思路，其中普适且行之有效的模式被归结为范式。由于着眼点和思维方式的不同，相应的范式自然各有侧重和倾向，因此一些范式常用‘oriented’来描述。换言之，每种范式都引导人们带着某种的倾向去分析问题、解决问题。比如：Object-Oriented就是‘对象导向’的编程范式。

 

编程范式分类

基本范式

最基本的两种编程范式：命令式和声明式，其中命令式又称过程式。通俗点说，命令式编程由命令序列组成，即一系列祈使句：‘先做这，再做那’，强调‘怎么做 ’；声明式编程由相关表达式组成，即一系列陈述句：‘已知这，求解那’，强调‘做什么’。学术点说，命令式编程是电脑（von Neumann机）运行机制的抽象，即有序地从内存中获取指令和数据然后去执行；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（specification）对已知条件进行推理运算。

命令式语言是面向机器的，起源于机器语言；声明式语言则发轫于人工智能的研究，主要包括函数式语言和逻辑式语言。

 

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。

示例：

C（命令式）：

int factorial(intn)

{

     int f = 1;

      for (; n > 0; --n)  f *= n;

      return f;

}

 

 

Lisp（函数式）：

(defunfactorial(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.   

 

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。

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。

声明式编程让我们重回数学思维，其中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，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。

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。

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。

 

任何语言都难脱命令式或声明式的窠臼，因此上述三种范式最为基本。

 

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迥然不同的解决方案：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