冒号课堂§4.4：情景范式

冒号课堂§4.4：情景范式

 

冒号课堂

第四课 重温范式（4）

4.4情景范式——餐馆里的编程范式

理论是认生的孩童，多陪他玩玩，自会活泼起来                             ——题记

 

关键词：      编程范式,情景编程

摘要：   编程范式在餐馆中的应用

 

  ？提问

 

l        什么是闭包？为什么被称为闭包？它有什么作用？

l        规则引擎有何用处？

l        能否设想一个生活中的场景，把介绍的九种编程范式都用上？

   
：讲解

叹号摘下眼镜，揉了揉眼：“范式再好，多了也难免有些审美疲劳。”

逗号也搓着太阳穴：“这段时间脑子被灌得沉甸甸的。”

“彼此彼此！你们的脑袋老闹涝灾，我的喉咙老闹旱灾。”冒号说着，拿起矿泉水瓶一饮而尽。

大伙听着怪别扭的，这不是拐着弯说我们脑子进水了吗？

冒号清了清嗓子：“为尊重民意，也为避免消化不良，大家先轻松一下。下面我们来个情景编程。”

“情景编程？没听说过，只听说过情景英语。”问号感到挺新鲜。

“都是学语言嘛，有何两样？”冒号轻描淡写，“让我们试着用生活中的实例将一些编程范式串联起来。前面提到，OOP可以看作管理一个服务型公司，现在以餐馆为例，你们每人设计一类对象及其提供的服务。”

问号来了兴致：“我先来吧。构造一个前台接待员，负责迎客、引座、送客。”

句号很是不满：“还真不客气，上来就把最漂亮的对象抢走了。”

台下一阵笑声。

“我来构建最常见的服务员。”逗号一捋袖子，一副准备开干的样子，“负责斟茶、写菜、上菜、换盘。”

“嗯，很熟练。”冒号一本正经。

句号实在得很：“我设计收银员，专管收帐、出具发票。”

引号颇为自豪：“我造一个技术含量最高的大厨，专门负责烹调。”

逗号不服：“你倒简单，那么高的技术含量，敢情炒肉和炖肉一个做法啊？”

引号自觉理亏：“那就负责蒸、煮、炒、炖吧。”

冒号为其辩护：“引号同学并没有错，可惜没能坚持。厨师只需提供一种服务：把纸上菜变成盘中菜，至于蒸、煮、炒、炖等具体做法纯属实现细节。”

叹号有点委屈：“唉，看来我只好做技术含量最低的厨工了，负责食品预加工、洗碗、打扫清洁。”

冒号将大家设计的类翻译成Java代码——

// 前台接待员

Class Receptionist

{

public void receive(Customer customer)        {…} // 迎客

public void usher(Customer customer) {…} // 引座

public void send(Customer customer)   {…} // 送客

}

// 服务员

Class Waiter

{

public void pourTea(Customer customer)       {…} // 斟茶

public List<Order> write(Customer customer){…} // 写菜

public void serve(Customer customer, Course course){…} // 上菜

public void exchangePlate(Customer customer) {…} // 换盘

}

// 收银员

Class Cashier

{

public void charge(Customer customer)       {…} // 收帐

public void issueInvoice(Customer customer){…} // 出具发票

}

// 厨师

Class Cook

{

public Course cook(Order order)           {…} // 烹调

}

// 厨工

Class KitchenHand

{

public void prepareFood()                {…} // 准备食品

public void washDishes()                {…} // 洗碗

public void clean()                            {…} // 打扫清洁

}

“你们造人，我来造物。”冒号构造了一个餐馆的类——

// 餐馆

Class Restaurant

{

// 每当有顾客来访，返回该顾客

private Customer accept() {…}

 

// 为指定顾客提供所有的餐馆服务

private void serve(Customer customer) {…}

// 餐馆服务

public void service()

{

       while (true) // 无限循环，假设餐馆7×24小时营业

       {

               final Customer customer;

               if ((customer = accept() ) != null) // 某顾客来访

               {

                      serve(customer); // 为该顾客提供服务

}

}

}

}

冒号解说道：“这里accept类似Socket的accept，属于堵塞呼叫，意味着此方法将堵塞进程直至收到新数据。为简单计，把一行顾客当作一个Customer。大家对此段代码有何看法？”

“没什么，很简单啊。”逗号说完补充一句，“关键是serve方法的实现。”

“这里我们明显用到了两个范式，对象式和过程式。”冒号提示道。

引号会意：“应该还需要并发式。serve如果与service在同一线程中运行，那么餐馆只有等服务完一个Customer后才能服务后面的，这显然是荒唐的。”

“对极了！”冒号将“serve(customer);”改写为——

// serve(customer);  // 错误地使用单线程！

new Thread              // 构造一个线程

(new Runnable()

{

        public void run(){ Restaurant.this.serve(customer); }

}).start();         // 启动该线程

冒号道：“这回serve在新线程中运行，不会耽误Restaurant服务下一位Customer了。”

问号眼尖：“我注意到声明customer时前面加上了关键字final，有必要吗？”

“如果不用线程，是不必要的。”冒号回应道，“我们在建造线程时用到了实现Runnable接口的匿名类（anonymous class），它是涉及到局部变量customer的内部类（inner class），Java语法要求该局部变量必须是final类型。值得一提的是，这里不仅用到了并发式，而且与函数式也密切相关。”

“函数式？”逗号奇道。

“不错。”冒号坚定地点着头，“我们不是提过函数式中的函数是头等公民吗？也就是说，函数与其他基本数据类型一样，可以作为传递参数、返回值或与变量名绑定。闭包（closure）便是这样一种函数，并且还能保留当初创建时周围的环境变量。以上匿名类本质上是函数serve的包装，经实例化后作为参数传入Thread的构造函数，并且记住了外部类的局部变量customer——这也是为什么它必须是final以保证不被重新赋值的原因。应该说这是一种OO化的闭包形式，预计在Java 7中它的用法会更简洁，这也意味着Java代码中将飘进更多的函数式风味。”

引号喃喃道：“以前只听说过数学里有个闭包的概念。”

冒号略加指点：“可以这么理解：所谓包，指函数与其周围的环境变量捆绑打包；所谓闭，指这些变量是封闭的，只能为该函数所专用。如果你真懂数学，就会发现它们本质上是相通的。”

叹号隐隐约约地觉得：“把函数与变量捆绑起来，怎么听起来像是OOP啊？”

“嗯，的确相似。”冒号微颔，“不妨认为闭包就是封装了环境变量的隐形对象的方法——通常是匿名方法。我们用一段JavaScript代码来加深印象——”

/* 返回函数f的近似导函数 */

function derivative(f)

{ // dx最好作为参数传入，放在此处主要是为了说明闭包的用法
       var dx = 0.00001;     // dx越小，近似度越高
       return function(x) { return (f(x + dx) - f(x)) / dx; };

}

/* 返回一个数的平方数 */

function square(x) { return x * x; }

/* 返回一个数的双倍数 */

function double(x) { return 2 * x; }

/* 对任何一个不大的数值变量x（比如小于100），下列函数的返回值应该非常接近于零 */

function testSquareDerivative(x) { return derivative(square) (x) - double(x); }

叹号感到有点头痛：“怎么跑出了微积分？大学学的那点高数早就还给老师了。”

冒号笑着安慰他：“还给老师没关系，我再借给你一点：平方函数的导数是双倍函数。因此，函数derivative(square)应该很接近函数double的作用效果。作为检验，testSquareDerivative能将任何一个不大的数映射到近似于零的数^[1]。”

引号这下彻底明白了：“在求导函数derivative中，传入的参数f和返回值都是函数，这是函数作为头等公民的特征。其中返回的匿名函数就是闭包，它附着了两个环境变量：外层函数的传入参数f和局部变量dx。”

“完全正确！”冒号作出积极的肯定，“如果不是闭包，这两个环境变量在derivative返回后就会失去效用。由此可见，合理地使用闭包能使代码更加简洁清晰，散发出函数式特有的优雅气质。”

句号有些按捺不住编程的冲动，自告奋勇：“我来具体实现餐馆的serve方法吧。”

得到冒号的默许，句号在黑板上写下——

private void serve(Customer customer)

{

 // 找一个空闲的接待员

Receptionist receptionist = findReceptionist();

receptionist.receive(customer);

receptionist.usher(customer);

            // 找一个空闲的服务员

Waiter waiter = findWaiter();

waiter.pourTea(customer);

List<Order> orders = waiter.write(customer)       ;

// 将菜单交给一位厨师

Cook cook = waiter.pass(orders);

for (Order order : orders) // 厨师照单做菜

{

 Course course = cook.cook(order);

            // 找一个空闲的服务员

waiter = findWaiter();

// 服务员上菜

waiter.serve(customer, course);

// 顾客开始享用

customer.eat(course);

}

// 顾客用餐完毕。。。

      // 找一个空闲的收银员

Cashier cashier = findCashier();

cashier.charge(customer);

cashier.issueInvoice(customer);

 // 找一个空闲的接待员

receptionist = findReceptionist();

receptionist.send(customer);

}

句号写毕又复查一遍，拍拍手上的粉笔灰，心满意足地走下台来。

叹号提意见：“我的厨工没派上用场，应该在厨师烹调前调用KitchenHand的prepareFood方法。”

问号挑出另外的毛病：“在for循环中，厨师、服务员和顾客的行为应该在不同的线程中，厨师不可能等服务员上完一道菜或顾客吃完一道菜后才做下一道。”

“可能更复杂呢！”逗号也来凑热闹，“一位顾客点的几样菜可能分别由几位厨师同时做，每位厨师都在不同的线程中工作。”

引号更严谨：“还应有一个后台线程，让服务员（Waiter）随时换盘（exchangePlate），让厨工（KitchenHand）随时洗盘（washDishes）和清洁（clean），这样所有服务人员提供的服务都用上了。”

句号倒抽凉气：“估不到漏洞这么多，并发式真是无处不在啊。”

冒号继续点拨：“换盘子有两种方式：一种是服务员主动换，一种是客人要求换。前者是轮询，后者是通知。”

“哦，事件驱动式！”句号迅即反应过来，“客人是事件源，服务员是事件处理器，客人不定期地招手呼唤是在发表事件以通知服务员。客人与服务员是多对多的松耦合关系。”

冒号点点头，又指着引号：“刚才有人不满你的大厨职责过于简单，现在你来实现一下，也好显显技术含量。”

引号在台上摸了半天头，编出一段代码——

Class Cook

{

public Course cook(Order order)

{

 // 根据菜单查食谱

Recipe recipe = lookupRecipe(order);

// 找到食谱的烹调步骤

List<Instruction> instructions = recipe.getInstructions();

for (Instruction instruction : instructions)

{

    follow(instruction); // 按食谱的指令操作

}

}

}

“堂堂大厨原来是靠查食谱做菜的。”逗号揶揄道。

引号为难地说：“这不是在编程嘛，好端端的人脑，不得不去模拟电脑，完全搞倒了。”

“要设计会烹调的机器人，兴许还真得这样呢。”冒号笑道，“不过由于各种菜式组合繁多，如果每种菜都配菜谱未免太庞杂，如何精简呢？”

句号建议：“菜式成千上万，烹调技法相对少许多，不妨以技法为主线。”

“好主意！”冒号挑起大拇指，“如果把待加工的菜看作数据，技法看作算法，将数据与算法分离，以算法为中心，那是什么范式？”

“泛型式！”大家异口同声。

 “至此我们已涉及了过程式、对象式、并发式、函数式、事件驱动式和泛型式。”引号扳着手指算着，“还差逻辑式、元编程和切面式了。”

冒号把目光转向逗号：“写菜单并不容易，如果客人不直接点菜，你的服务员如何向他推荐？”

逗号答：“最简单的方法是报菜名，并一一询问客人。”

冒号皱眉：“这样你是简单了：一个迭代就完事，可客人也该发火了。”

逗号赶紧修正：“先询问客人的口味、忌讳等等，再向他建议一些菜式。”

“这还差不多。”冒号眉头舒展开来，“考虑到客人的口味、忌讳等各有不同，餐馆的菜单也随时可能变化，如果把这些都硬编码（hardcode），再加上层层叠叠的if-else语句，代码将成为懒婆娘的裹脚——又臭又长又难维护。”

引号提议：“可以把这些信息预先存入数据库，届时用SQL查询。”

“想法很好，只是有一点难度。”冒号提醒道， “这些信息并非简单的对应关系，包含一些逻辑推理，甚至需要一些模糊判断。”

句号一拍大腿：“前面不是提到领域特定语言DSL吗？将所有规则用自定义的DSL编写，再利用元编程转换成C、Java之类的通用语言，不是很好吗？”

“棒极了！”冒号不吝赞词，“不过还有一种思路。我们可以搜集餐馆的菜式、顾客口味、忌讳以及各种菜与口味、忌讳之间的关系等等一系列事实和规则，用规则语言（Rule Language）来描述，通过规则引擎（Rule Engine）来导出符合顾客需求的菜肴。这种方式将业务规则与应用程序分离、将知识表示与逻辑实现分离，是SoC原理的一种应用，同时也是一种逻辑式编程。”

问号关心地问：“这些规则引擎与Java程序兼容吗？”

冒号回答：“不少规则引擎用Java实现或专为Java平台设计，如Jess、Drools、JLisa、JRules等，另外Sun还发布了javax.rules API (JSR 94)以统一对各类引擎的访问接口。”

引号颇感意外：“既然是逻辑式编程，为什么不采用代表语言Prolog呢？”

冒号准备了一大段理由等着他：“刚才提到的规则引擎都是基于Rete算法^[2]的，主要采用数据驱动的（data-driven）正向推理（forward chaining）法，而Prolog引擎采用目标驱动的（goal-driven）逆向推理（backward chaining）法。正向推理自底向上，利用推理规则从已有的事实数据推出更多的数据，直到达成目标；逆向推理正相反，自顶向下，从目标出发寻找满足结论的事实^[3]。相比而言，正向推理适合针对不同输入作出不同反应，而逆向推理适合回答查询。现在是服务员根据客人的喜好提建议，当然用正向推理更合适。再说这类引擎与Java的集成更加方便，因此我们没有选择Prolog。”

讲到此处，每个人都意识到，只剩下最后一个范式了。

冒号提出一个新问题：“假如餐馆经理接到顾客投诉，反映服务人员态度不好，卫生状况也不理想，应该怎么办？”

问号抢先说：“首先我的接待员在迎客（receive）时要笑容可掬地对顾客说：‘欢迎光临！’，在送客（send）时要对顾客鞠躬：‘请慢走，欢迎下次再来’”

逗号接着说：“我的服务员在上完菜后应对客人说：‘请慢用’，句号的收银员也应加些礼貌用语，让人家高高兴兴地掏钱。”

句号补充道：“服务员在上菜（serve）前、厨师在烹饪（cook）前应洗手，厨工在洗碗（washDishes）后应对餐具消毒。”

冒号紧接着问：“如果餐馆对礼貌规范或卫生标准做修改，必然要牵扯不同类中的不同的方法，维护起来很不方便，怎样才能有效地解决这个问题呢？”

答案已经昭然若揭了。

冒号干脆自问自答：“不错，正是用切面式编程。只要创立两个Aspect：Etiquette和Sanitation，分别负责礼貌规范和卫生标准方面的事务。一旦某一方面的要求发生变化，比如餐馆来了外宾，或者碰上非典或禽流感，只需在相应的Aspect模块中作调整：将礼貌用语换成英语或者提高卫生标准等等。如果采用runtime AOP，甚至还可在运行期选择激活或禁用这些Aspect。”

下面开始有些骚动，大伙早已脑中满满而腹中空空，有点头重脚轻了。

冒号见状，遂发出激动人心的号召：“今天的课到此结束，让我们从虚拟的餐馆中走出，到真实的餐馆中去吧！”

众人齐声欢呼。

  ，插语

[1] 若输入数过大，则需要设定更小的dx。此外，还可能产生计算溢出。

[2] Rete算法是一种高效的模式匹配算法，用于实现规则生成系统（production rule system）。

[3] 用逻辑的语言来说，正向推理顺着从前件（即if语句）到后件（即then语句）的方向，逆向推理顺着从后件到前件的方向。

  
 。总结

l        闭包是一种能保留当初创建时的环境变量的函数。它通常以匿名的方式存在，多用于函数式编程中，能使代码更加简洁清晰。Java中的匿名类可以看作OO化的闭包形式。

l        Jess、Drools、JLisa、JRules等规则引擎主要基于正向推理，能无缝地与Java平台集成。它们提供了逻辑式编程环境，能有效地将业务规则从应用程序中分离出来，提高了软件的灵活性和可维护性。

l        每种编程范式都能在生活中找到它的应用，它们本来就是人类思维方式的投影。

  

 “”参考

[1] Wikipedia．Closure (computer science)．http://en.wikipedia.org/wiki/Closure_(computer_science)

[2] Ernest Friedman-Hill．Jess 7.1p2 manual．http://www.jessrules.com/jess/docs/Jess71p2.pdf

[3] Mark Proctor等．Drools Documentation．http://downloads.jboss.com/drools/docs/4.0.7.19894.GA/html_single/index.html

 

课后思考

l      同样一个问题用不同的语言来编程，代码可能会有极大的差异。你认为这种差异的主要根源是语言还是范式？

l      认真研究本课中的编程范式汇总表，并补充新的内容，如各范式的关键词、理论基础、最佳实践、注意事项等等。

l      掌握编程范式对语言学习和编程设计有何实际意义？