冒號課堂
第四課 重溫范式（3）
4.3匯總范式——一張五味俱全的大烙餅
形者神之質(zhì)，神者形之用 ——《范縝·神滅論》
關(guān)鍵詞： 編程范式,設(shè)計模式
摘要： 總結(jié)編程范式
？提問
l 編程范式與設(shè)計模式有什么區(qū)別？
l 編程范式的核心價值是什么？
l 總結(jié)前面介紹的編程范式，它們各自有哪些代表語言？核心概念和運行機(jī)制是什么？針對的問題和主要的目的是什么？實現(xiàn)原理是什么？常見的應(yīng)用有哪些？有什么不足之處？
：講解
稍事休整后，大家重新團(tuán)結(jié)在以冒號為中心的周圍。
問號再度發(fā)問：“編程范式與設(shè)計模式都是一種抽象的軟件思想，都有一套具體的實現(xiàn)方法。單從字面上看，‘編程’與‘設(shè)計’、‘范式’與‘模式’的區(qū)別似乎也不太大。它們究竟有什么不同呢？”
“這個問題有點意思。”冒號頷言，“設(shè)計模式一般針對某一特定場景的問題，而編程范式針對的是廣泛得多的問題領(lǐng)域，通常有一整套的思想和理論體系，具有全局性、系統(tǒng)性和滲透性，這一點在五大重要范式中顯得尤為突出。因此，編程范式更普適更抽象，涉及的深度和廣度也是設(shè)計模式難以比擬的。”
引號不免有些疑問：“但事件驅(qū)動式不是也能作為設(shè)計模式嗎？”
冒號解疑：“這倒并不矛盾。同樣的思想用在整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，則稱為架構(gòu)模式；用在局部模塊的細(xì)節(jié)實現(xiàn)上，則稱為設(shè)計模式[1]；用在引導(dǎo)編程實踐上，則稱為編程范式。”
句號的武俠癮又犯了：“設(shè)計模式好比組合套路，能在一些特定場合下克敵制勝；編程范式則好比武功門派，博大精深且自成體系。”
“很形象的比喻。”冒號贊賞道，“設(shè)計模式是遵循設(shè)計原則的一些具體技巧，以保證代碼的靈活性、擴(kuò)展性和可重用性為目的。它重在設(shè)計，對語言一般沒有要求[2]。編程范式則不同，對語言往往有專門的要求。通常所說的某某范式的語言，即指該語言對該范式在語法上有明確充分的支持，不需要借助其他的范式或工具。事實上，語言本來就是圍繞其所倡導(dǎo)的核心范式來設(shè)計的[3]。”
逗號詢問：“如果一種語言不支持某種范式，那么還能用這種范式編程嗎？”
“語言不直接支持范式，只是說明它不屬于該范式的語言，但還是可能求助工具來應(yīng)用該范式。比如元編程可以借助Yacc或ANTLR來完成，AOP可以借助一些庫或框架來實現(xiàn)。”冒號道，“正是依靠語言和工具的支持，編程范式得以建立起一套獨特而完善的抽象機(jī)制和方法體系，從而為所倡導(dǎo)的世界觀與方法論奠定基石。”
嘆號請求：“能不能幫我們理清一下思路，把學(xué)過的范式一并匯總比較？”
不一會兒，眾人面前呈現(xiàn)出一張表格，地毯似的覆蓋了整個投影屏——
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編程范式
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核心概念
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關(guān)鍵突破
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主要目的
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代表語言
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運行機(jī)制
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實現(xiàn)原理
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常見應(yīng)用
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命令式/過程式
（Imperative/Procedural）
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命令/過程
（Command
/Procedure）
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突破單一主程序和非結(jié)構(gòu)化程序的限制
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模擬機(jī)器思維，實現(xiàn)自頂向下的模塊設(shè)計
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Fortran/Pascal/C
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命令執(zhí)行
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引入邏輯控制和子程序
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交互式、事件驅(qū)動型系統(tǒng)；數(shù)值計算等
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函數(shù)式/應(yīng)用式
(Functional/Applicative）
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函數(shù)
（Function）
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突破機(jī)器思維的限制
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模擬數(shù)學(xué)思維，簡化代碼
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Scheme/Haskell
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表達(dá)式計算
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引入高階函數(shù)，將函數(shù)作為數(shù)據(jù)處理
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微積分計算；數(shù)學(xué)邏輯；博弈等
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邏輯式
（Logic）
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斷言
（Predicate）
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突破邏輯與控制粘合的限制
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專注邏輯分析，減少控制代碼
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Prolog/Mercury
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邏輯推理
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利用推理引擎在已知的事實和規(guī)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯推斷
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機(jī)器證明；專家系統(tǒng)；自然語言處理；語義網(wǎng)（semantic web）；決策分析；業(yè)務(wù)規(guī)則管理等
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對象式
（Object-Oriented）
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對象
（Object）
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突破數(shù)據(jù)與代碼分離的限制
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迎合人類認(rèn)知模式，提高軟件的易用性和重用性
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Smalltalk/Java
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對象間信息交換
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引入封裝、繼承和多態(tài)機(jī)制
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大型復(fù)雜交互式系統(tǒng)等
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并發(fā)式/并行式
（Concurrent/Parallel）
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進(jìn)程/線程
（Process/Thread）
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突破串行的限制
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充分利用資源、提高運行效率、提高軟件的響應(yīng)能力
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Erlang/Oz
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進(jìn)程/線程間通訊與同步
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引入并行的線程模塊以及模塊間的通訊與同步機(jī)制
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圖形用戶界面；I/O處理；多任務(wù)系統(tǒng)如操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等；實時系統(tǒng)；嵌入式系統(tǒng)；計算密集型系統(tǒng)如科學(xué)計算、人工智能等
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泛型式
（Generic）
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算法
（Algorithm）
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突破靜態(tài)類型語言的限制
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提高算法的普適性
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Ada/Eiffel/C++
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算法實例化
（多發(fā)生于編譯期）
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利用模板推遲類型指定
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普適性算法如排序、搜索等；集合類容器等
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元編程
（Metaprogramming）
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元程序
（Metaprogram）
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突破語言的常規(guī)語法限制
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減少手工編碼，提升語言級別
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Lisp/Ruby/JavaScript
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動態(tài)生成代碼或自動修改執(zhí)行指令
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利用代碼生成或語言內(nèi)建的反射（reflection）、動態(tài)等機(jī)制，將程序語言作為數(shù)據(jù)來處理
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自動代碼生成；定義結(jié)構(gòu)化配置文件；IDE；編譯器；解釋器；人工智能；模型驅(qū)動架構(gòu)（MDA）；領(lǐng)域特定語言（DSL）等
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切面式
（Aspect-Oriented）
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切面
（Aspect）
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突破橫切關(guān)注點無法模塊化的限制
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實現(xiàn)橫切關(guān)注點分離
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AspectJ/AspectC++
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在接入點處執(zhí)行建議
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通過編織（weaving）將附加行為嵌入主體程序
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日志輸出；代碼跟蹤；性能監(jiān)控；異常處理；安全檢查；事務(wù)管理等
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事件驅(qū)動
（Event-Driven）
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事件
（Event）
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突破順序、同步的流程限制
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調(diào)用者與被調(diào)用者在代碼和時間上雙重解耦
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C#/VB.NET
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監(jiān)聽器收到事件通知后做出響應(yīng)
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引入控制反轉(zhuǎn)和異步機(jī)制
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圖形用戶界面；網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；服務(wù)器；操作系統(tǒng)；IoC框架；異步輸入；DOM等
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嘆號怔了怔，好似被一張巨大的烙餅給噎住了。
冒號并不急于講解，欲以靜制動。
果然，逗號沉不住氣了，問道：“在第一欄的編程范式及其代表語言中，為什么并發(fā)式的代表語言沒有Java和C#，只有Erlang和Oz？”
“Java和C#雖然在語法和核心庫中為并發(fā)編程提供了不少支持，但真正將并發(fā)范式融入基本設(shè)計理念的語言還得數(shù)Erlang、Oz這些較為冷門的語言。”冒號解釋，“類似地，比起Java、JavaScript等語言來，C#和VB.NET在語言設(shè)計上對事件驅(qū)動式編程給予了更多的關(guān)注[4]，因而更具代表性。”
問號發(fā)現(xiàn)：“第三欄‘關(guān)鍵突破’的提法很特別啊。”
冒號輕捶桌面以示強(qiáng)調(diào)：“一種編程范式之所以能獨樹一幟，關(guān)鍵在于它突破了原有的編程方式的某些限制，帶來革命性的新思維和新方法，進(jìn)一步解放程序員的勞動力。這便是范式的核心價值所在。”
引號如獲至寶：“這張表格濃縮了范式的精華，既是對此前知識的總結(jié)，也是對今后編程的指導(dǎo)，實在太有用了！”
句號顯得更為冷靜：“有其長必有其短。我們了解了每種范式的長處，是不是還應(yīng)該了解它們各自的短處？”
冒號開始對各個范式逐一數(shù)落：“過程式編程的數(shù)據(jù)與代碼脫節(jié)，不方便維護(hù)；函數(shù)式和邏輯式的開發(fā)效率一般比過程式高，但運行效率和語言表現(xiàn)力則有所不如；對象式編程用于數(shù)學(xué)計算、符號處理等對象特征淡薄的領(lǐng)域，在心理上缺乏認(rèn)知基礎(chǔ)，在運行效率上不如純過程式，在開發(fā)效率上不如函數(shù)式；并發(fā)式編程增加了代碼的復(fù)雜度，加重了程序員的負(fù)擔(dān)；泛型式編程影響了代碼的可讀性，過度使用模塊還可能造成代碼膨脹（code bloat）[5]；元編程過于強(qiáng)大，運用不當(dāng)會超出程序員的控制，宜謹(jǐn)慎使用；切面式編程減少了程序的可預(yù)測性和可控性，同時給代碼的跟蹤調(diào)試帶來一定困難，還可能造成性能上的損失；事件驅(qū)動式編程雖然也能用于同步的流程應(yīng)用，但畢竟機(jī)制更復(fù)雜，沒有普通的流程式編程那么自然易懂。”
嘆號看上去有點泄氣：“您可真夠絕的，先把這些編程范式一個個捧到天上，又幾桿子它們一個個打下云端。”
“因其長而容己，因其短而容他，此萬物之理也。”冒號忽然惜言如金，一番之乎者也地予以回應(yīng)。
句號借用了一句俗話：“不怕有缺點，就怕沒特點。”
冒號本欲多言，卻恐眾人食多傷胃，遂作結(jié)案陳詞：“盡管只是管中窺豹，相信大家多少見識了編程范式的魅力之處。它們各擅勝場，有風(fēng)格之別而無高下之分。作文繪畫講究形神兼?zhèn)洌幊桃膊焕狻?strong>語言為形，范式為神。若能以神導(dǎo)形、以形傳神，則看似平白無趣的程序也能寫出詩畫般的意境。”
一席話說得眾人皆覺雖不能至，然心向往之。
，插語
[1] 因此設(shè)計模式有時被稱為微架構(gòu)（microarchitecture）模式。
[2] 雖然設(shè)計模式一般多用于OOP語言，但并不總是必須的，更何況大多流行語言均支持OOP。
[3] 當(dāng)然隨著語言的演進(jìn)，也可能支持新的范式。如Java的generics是后來加入語言以支持泛型編程的。
[4] C#和VB.NET專門為事件驅(qū)動式設(shè)計了event、delegate等關(guān)鍵字以及一些配套的便利機(jī)制。
[5] 這里的代碼不是指程序員寫的源代碼，而是指編譯器生成的代碼。
。總結(jié)
l 相比設(shè)計模式，編程范式針對的問題領(lǐng)域更廣泛，提出的思想和方法更普適、更抽象、更系統(tǒng)。此外，設(shè)計模式重在設(shè)計，對語言和工具的要求不高，而編程范式需要建立一套抽象機(jī)制和方法體系，離不開語言或工具的支持。
l 編程范式的核心價值在于：突破原有的編程方式的某些限制，帶來新思維和新方法，從而進(jìn)一步解放程序員的勞動力。
l 正文中編程范式的匯總表格既是對此前知識的總結(jié)，也是對今后編程的指導(dǎo)。
l 既要了解編程范式的長處，也要了解它們的短處。
l 編程范式為神，編程語言為形，應(yīng)以神導(dǎo)形、以形傳神。
“”參考
[1] Elena Bolshakova．PROGRAMMING PARADIGMS IN COMPUTER SCIENCE EDUCATION．International Journal "Information Theories & Applications"，2005，Vol.12：285-290
[2] Amnon H. Eden，Rick Kazman．Architecture, design, implementation．Proceedings of the 25th International Conference on Software engineering ，2003：149–159