Programming Paradigms 编程范式-笔记

Stephen Covey的《The 7 Habits of Highly Effective People》一书中，有一个关于paradigm shift（范式转移）的小故事：
军舰在雾天执行紧急任务，突然发现船的一侧有来自其他处的照明灯光，舰长要求对方转向，否则有两船相撞的危险。可惜对方坚持让军舰转向，互不相让。舰长甚至亮出了自己的军衔相挟“我是海军上校，这里是军舰！”。而最后的结果，却是本来态度强硬的军舰选择了转向，因为对方的答复是：“我是二等兵，这里是灯塔！”
虽然关于范式的准确定义，说法有很多，我也不打算深究并记录进笔记，但从这个小故事中可见，范式是我们思考的一种模式，正确的模式会让我们更加接近真实，更容易达到特定的目的，而错误的模式则会让我们事倍功半。
我们学习编程都是从具体的编程语言，如C，C++，java等开始的。所以一开始往往没有深入接触programming paradigms（编程范式）的概念，最多是简单地介绍一句“C是面向对象的编程语言“，再多问一句，得到的回答也只是”以后你学到C++就会发现它是面向对象的编程语言“。其实这里面有很多深刻的话题可以谈论，值得深入地考虑。譬如说，一门语言和编程范式的关系，并非是”C是面向对象的编程语言“的关系那么简单，一门编程语言和编程范式其实没有绑定或者专属的关系，一个是语法语义层面的，另外一个是运算算法层面的，一般说某种编程语言支持某种编程范式可能比较恰当，甚至有一些语言还支持混合编程范式。其实C也能支持一些面向对象的因素，只是不如其他按照OOP（Object-oriented Programming）范式开发的语言支持得完善（继承、多态、重载？），所以说”C是面向对象的编程语言“也能让人接受，而C++也能做到纯粹的面向过程，但作为C的超集，其最大的不同就是对OOP的支持，故把它称为面向对象的编程语言。


编程范式的分类也有很多种，除了上面的分类，还有结构化、非结构化等分类。我想最主要的分类还是按照model of computation（计算模型）来分,一般而言有四类范式：

• 基于Turing Machine（图灵机）的Imperative Programming（命令编程范式）；

• 基于Turing Machine（图灵机）的Object-oriented Programming（面向对象的编程范式）；

• 基于λ-calculus（λ演算）的Functional Programming（函数编程范式）；

• 基于First-order logic（一阶逻辑）的Logic Programming（逻辑编程范式）。

关于编程范式的分类也十分复杂，想深究的可以留意下图：

命令式编程范式主要是”发号施令“形式的编程模式，程序按照一定的顺序执行各条指令，程序员需要具体到程序如何去做的层次。而与之相对的是Declarative Programming（声明编程范式），只须程序员指明做什么的层次，而无需深入具体如何做的层次，函数编程范式和逻辑编程范式均是声明编程范式，下文再加以介绍。这种”发号施令“式的编程范式贴合硬件的执行，是最早的编程范式，一环接一环，环环相扣地执行，所以任何一个细节出错可能都会导致整个程序的错误。为了满足Low coupling（低耦合）， High cohesion（高内聚）的设计模式，面向过程式的编程范式（也是命令式编程范式一种）渐渐发展起来，其最大特色就是把所有程序分化为逐个子函数或者子程序（C里面几乎所有有执行意义的代码都需要在某个函数里，如main函数等）。而且它引入的变量、函数返回值等机制，使整个程序高度模块化，把状态的改变对应到不同的子函数之中去。因而也有很强的Side Effect。这种编程范式和图灵机的设想很贴合，也是编程方面比较主流的范式（软硬件条件共同决定的）。

随之而来发展出了面向对象的编程范式，如果某种语言支持这种范式，意味着支持继承、多态、抽象、封装、重载等等功能。从面向过程式的编程范式到面向对象式的编程，编程范式有了一个新的提高，因为面向对象的编程范式提出了类、对象、实例等概念，一方面贴合我们的思维，另外一方面也为代码的重复利用做了很大贡献。相比于命令式编程，其模块化更为淋漓尽致，子函数的角色被模糊融合到各个类、对象中去，且各个类、对象又有独自的数据和方法，能够相互收发信息，这样写出来的程序不如传统的命令编程范式般冗长，简洁明了。但从实际上来说依然是图灵机的模型。

以上两种编程范式应该最为程序员所熟悉，占据了大半壁江山。

函数编程范式则摒弃了看重数据和状态的计算模型，也就摒弃了副作用。找眼于函数本身，而非执行的过程的数据和状态的处理。Haskell是其代表语言之一。函数编程范式在商业上应用不如在研究领域的应用广泛和突出。爱大曾在70年代发明了ML函数式编程语言，也在这个领域有不少的贡献，至今Functional Programming都还是信息学院的大一必修课，让很多新生头疼。下面看一个斐波那契数列的例子:

C++:

#include <iostream>
// Fibonacci numbers, imperative style
int fibonacci(int iterations)
{
int first = 0, second = 1;// seed values
for (int i = 0; i< iterations-1;++i){
int sum = first + second;
first = second;
second = sum;
}
return first;
}
int main()
{
std::cout<< fibonacci(10)<<"\n";
return 0;
}

Haskell:

fibonacci2 =0:1:zipwith(+) fibonacci2(tail fibonacci2)

就那么简明，是不是有耳目一新的感觉呢？


就那么简明，是不是有耳目一新的感觉呢？
逻辑编程范式和函数编程范式相类似，但也不同，它所确立的简单规则就是：事实+规则=结果。这种按照逻辑规律去产生结果的范式，更大程度地把程序从对数据的处理中解放出来。是一个从更抽象层次考虑问题的范式。代表语言是Prolog，爱大是Prolog的发源地。逻辑编程范式被普遍运用于人工智能领域。可以看一下面一段简单例子：

father_child(tom, sally).
father_child(tom, erica).
？-sibling（sally,erica）.

若sally的父亲是tom，erica的父亲是tom，那么sally和erica是兄弟姐妹关系么？答案是Yes。




总之不同的编程范式在算法设计、编程风格上都有很大的不同，它们各有特点，也各自运用于不同的领域，对它们的研究会随着软硬件的发展而持续下去。

     
     
一些相关的参考资料：
   
维基百科（参考了部分代码）

Programming Paradigms for Dummies: What Every Programmer Should Know (Peter Von Roy,Université catholique de Louvain à Louvain-la-Neuve,本文分类图来源 )

Programming paradigms（Jerry Cain,Standford University）