杂谈现代高级编程语言

几个月之前,Slashdot转载了Robert Harper教授的一篇博客,说卡内基梅隆大学计算机系把”面向对象编程“从大一新生的必修课中删掉了,其原因是

Object-oriented programming … is both anti-modular and anti-parallel by its very nature.

这两个原因(anti-modular和anti-parallel)都是很重的指责了;尤其是anti-modular,因为OO的基本思想通常被理解成“封装”,从而实现模块化。

我是在1995年第一次听说“面向对象”(Object Oriented)这个说法。当时在学习正在成长过程中的C++,用的是Borland C++ 1.0。从那时开始的很多年里,”类“(class)、“对象”(object)和“方法”(methods),以及在这些概念之上构建的”继承“(inheritance)和”多态“(polymorphism)都是我理解中OO最核心的思想。我猜大多数程序员在这方面的认识都和我差不多。

但是“封装”真的是OO的本质嘛?直到最近为了给iPhone写个玩具程序而学习Objective-C(一种非常古老和原始的面向对象编程语言)的时候,才注意到早在1998年,OO之父Alan Kay就曾经在一篇邮件中说,他很后悔发明了“object”这个词,从而误导大家,把注意力都集中到“封装”,而忽视了OO的本质——messaging(消息传递)。Alan Kay的原话是:

The big idea is “messaging” … . The key in making great and growable systems is much more to design how its modules communicate rather than what their internal properties and behaviors should be.

Objective-C的设计是非常强调“消息传递”(messaging)的——对一个object的method的调用,被称为“给这个object发了一个消息”。为了突出调用method时指定的参数(parameters)实际上是消息中的一些内容,Objective-C不惜把method的定义方式都做了相对于C的很大的修改,从而把参数嵌入在method的名字里。比如在一个叫做myWebView对象中搜索一段文字,要求不区分大小写,从前往后搜索,用Objective-C来描述是:

[myWebView searchFor:myString 
           direction:YES
       caseSensitive:NO
                wrap:YES]

而用C++或者Java来描述,则是

myWebView.searchFor(myString, YES, NO, YES)

乍看上去,C++ 或者Java的方式更简短,但是Objective-C的方式更强调“发消息”。实际上,上面Objective-C语句会被翻译成如下C函数调用:

objc_msgSend(myWebView,
             searchFor:direction:caseSensitive:wrap:,
             myString, YES, NO, YES)

从强调messaging的角度看,Objective-C确实比C++和Java更符合Alan Kay对OO思想的描述。

OO中的messaging思想不仅体现在Objective-C语言以及在其上构建的NextSTEP/Cocoa GUI编程套件上。在Cocoa因为Mac OS X和iPhone流行起来之前,很多人都接触过Qt(一种基于C++语言的GUI开发套件)。Qt对messaing的支持比Objective-C/Cocoa更彻底——每个object可以发出若干signal,每个signal可以触发这个object自己的或者其他objects的若干个slot。

有意思的是,为了支持messaging,Qt对C++语言做了扩展,而Objective-C对C语言做了扩展。这两套扩展都利用了起源于C语言的“宏”机制(macro)。类似的做法也可以用于Java,前提是我们在调用Java编译器之前,先调用一下cpp宏展开程序来预处理一下我们的Java程序。这事儿可以留待Java爱好者们来搞?

不管是Objective-C还是Qt,都会“尽力”去检查一个object是否支持一个method(或者叫message),但是并不禁止程序员向一个object发送一个它不认识的message(或者调用一个object没有的method)。说“尽力”检查,是因为两者都不能保证检查的完备性。这是因为Objective-C和Qt都支持多态;具体的说,接受message的object可能是表示为一个指针(指向object),所以直到运行时候,当一个message抵达某个object的时候,系统才能(通过查这个object对应的message list)知道这个object是否认识这个message。

这种灵活性在Google新推出的Go语言中也同样实现了,而且做的很极致——Go语言中没有class的概念;换句话说,不需要是class类型的object才能有对应的方法(methods)——Go允许给几乎任何类型附上methods。而且程序中可以很方便的检测一个object是否支持(一组)methods,比如:

type Stringer interface {
        String() string
}
s, ok := v.(Stringer)  // Test whether object v implements "String()"

【和Go的这种灵活性类似的,Objective-C允许给已经定义了的class增加一些methods,而不需要derive subclass;Objective-C的这种机制被称为category。和Go不同的是,一个category是对某个class的一个扩展,而Go语言里完全没有class了(但是有interface的概念)。】

说到这里,我觉得差不多可以反过来理解Robert Harper教授对OO的评价了——其实Robert不是在藐视OO,而是在指责很多imperative OO languages(我理解包括Java和未经Qt扩展的C++;详见后述),认为这些语言没有完成实现OO中object messaging的核心思想,从而不算实现了“模块化“(modulization)的思想。

上述都是关于程序的模块化。实际上,模块化的另一个主要方面是对“数据”(data)的模块化。从图灵机和lambda-calculus开始,计算机科学家们就注意到程序和数据是统一的;比如在冯诺依曼的“二进制存储电子计算机”模型里,程序和数据都是bit stream。即时我们在讨论高级编程语言的时候,程序和数据也不应该被分开。因为现代数据操作和模块化的基础是并行程序(parallelism),而有效实现并行的基础是程序的first-class表达,也就是把程序作为一种基本数据类型。

鉴于这篇帖子已经很长了,这段话就作为下一篇帖子的提纲吧。下一篇帖子里,我们来说说XML、JSON、MessagePack、Protocol Buffers这些persistent data structure,以及用源于古老的functional programming paradigm的Go语言和MapReduce实现的并行数据操作。