编程语言设计的关键要素

# 编程语言设计的关键要素 ## 1. 概念选择 在设计编程语言时，概念的选择是首要难题。虽然能用少量概念理解多种语言，但概念数量仍过多，无法全部融入单一语言。所以，设计者要审慎挑选概念，决定舍弃什么与纳入什么同样重要。 一些基础概念，如值与类型、变量与存储、绑定与作用域，以及过程抽象，几乎存在于每种语言中。不过，纯函数式语言表明，通过定义函数能优雅地解决许多问题，无需可更新变量，逻辑语言也是如此。 现代语言应支持某种形式的数据抽象。将程序分解为合适的程序单元对所有程序都有益，大型程序更是如此。经验显示，最有用的程序单元是包、抽象类型和类，缺乏数据抽象是语言的严重缺陷。 软件工程的重要目标是复用，新程序应能包含经过检验的现有程序单元。可复用的程序单元必须自包含，且不应做不必要的数据类型假设。因此，用于严肃软件工程的语言应支持泛型单元、包含多态或参数多态。 并发在某些应用中也很重要，但并发编程比顺序编程困难得多，只有在能大幅提高效率（如可分布固有并行算法）或应用本身是并发的（如模拟器、过程控制器或操作系统）时才有必要。对于非此类应用的语言，设计者可合理省略并发特性。 ### 概念选择的要点总结 |要点|说明| |----|----| |基础概念|值与类型、变量与存储、绑定与作用域、过程抽象| |数据抽象|支持包、抽象类型和类| |复用|支持泛型单元、包含多态或参数多态| |并发|根据应用需求决定是否包含| ## 2. 规则性 设计语言时，简单堆砌特性并非良策，PL/I 就是例证。像 FORTRAN 和 COBOL 提供的复杂输入/输出设施，也常无法满足特定需求。更好的做法是提供少量基本设施，让程序员按需构建更复杂的设施，抽象类型和类支持这种方式。 为充分发挥概念的作用，程序员应能以规则的方式组合概念，避免不必要的限制和意外交互。语义原则有助于设计者避免不规则性。 - **类型完整性原则**：语言中的所有类型应具有平等地位，参数和函数结果不应局限于特定类型。若语言坚持函数结果为基本类型，编写复杂算术程序会很困难。 - **抽象原则**：设计者应考虑对常规语法类别之外的内容进行抽象，如函数过程对表达式抽象，普通过程对命令抽象，还应考虑泛型单元和参数化类型。 - **对应原则**：每种声明形式都应有对应的参数机制，这有助于设计者从众多参数机制中做出选择，符合该原则能让程序员轻松将代码块泛化为过程。 - **限定原则**：设计者应考虑在多种语法类别中包含代码块，许多语言有块命令，但有块表达式和块声明的语言较少。 ### 规则性原则总结 |原则|内容| |----|----| |类型完整性原则|所有类型平等，参数和函数结果无类型限制| |抽象原则|考虑对多种语法类别进行抽象| |对应原则|声明形式与参数机制对应| |限定原则|多种语法类别包含代码块| ## 3. 简单性 简单性应是语言设计的目标。语言是程序员的基本工具，必须易于掌握。它应帮助我们解决问题，自然地表达解决方案，甚至帮助我们发现解决方案。复杂的语言难以掌握，会带来问题。 PASCAL 表明，目标有限的语言可以很简单，其成功很大程度上归功于简单性。它精心选择了少量概念，易于快速掌握，且能解决多种问题。 然而，简单性目标与通用语言的需求存在矛盾。通用语言要用于各种应用领域，包括并发编程，用于构建大型程序和可复用的程序单元库，因此必然比 PASCAL 更复杂。 解决这一矛盾的有效方法是对语言进行分区，程序员只需掌握解决当前问题所需的部分。设计者要避免语言不同部分间的意外交互，防止程序员陷入未知领域。 PL/I 因未能控制复杂性而受到批评，如表达式“25 + 1/3”结果异常。ADA 在控制复杂性方面做得较好，即使程序员未处理异常，程序也能正常报错终止。HASKELL 虽简单，但多态类型推断复杂，程序员可主动声明函数类型以避免混淆，冗余信息在语言设计中有时是有益的。 参数多态、包含多态（继承）、重载和强制类型转换本