面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式編程詳談

　　Alan Kay是當(dāng)今世界計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最重要的人物之一，他因面向?qū)ο?a target='_blank' class='arckwlink_none'>編程方面的貢獻(xiàn)和設(shè)計(jì)Smalltalk語(yǔ)言獲得了2003年圖靈獎(jiǎng)。同時(shí)，他也是個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC），圖形用戶界面（GUI）的先驅(qū)。今天我們使用的C/C++或Java語(yǔ)言都或多或少?gòu)腟malltalk汲取過(guò)養(yǎng)分。

　　他所研究的領(lǐng)域遠(yuǎn)超計(jì)算機(jī)，總能從更高層次看問(wèn)題，他的想法又總是很宏大，也許你一開始并不理解他在說(shuō)什么，但回頭看總會(huì)有新收獲，他的每篇文章和每個(gè)演講都令人深受啟發(fā)。

　　他講話風(fēng)趣且深刻，似乎隨口說(shuō)的一句話就能放進(jìn)名言庫(kù)里，你肯定聽過(guò)這句話：“預(yù)測(cè)未來(lái)的最好方法就是創(chuàng)造未來(lái)——The best way to predict future is to invent it”。

　　理解“對(duì)象”的歷程

　　關(guān)于“對(duì)象”（object）的理解，我經(jīng)歷了幾個(gè)不同階段。

　　第一階段是50年前，在ARPA研究生院的開始幾周，我的幾種專業(yè)背景，數(shù)學(xué)、分子生物學(xué)、系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)等，與Sketchpad、Simula和ARPAnet這些東西產(chǎn)生了碰撞。這使我觀察到，既然一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以分解成多臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)，相互間持續(xù)通信，于是你便可以：

　　完全保留表達(dá)式的威力；

　　隨時(shí)為任何可建模的東西建模；

　　無(wú)限地伸縮，而不限于已有的分解計(jì)算機(jī)的方式。

　　我喜歡這些。分時(shí)運(yùn)行的“進(jìn)程”已是這種虛擬機(jī)的體現(xiàn)，但因?yàn)殚_銷太大還缺少實(shí)際的通用性（那就尋找方法消除這些開銷……）。

　　盡管可以為任何事物（包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）建模，對(duì)我來(lái)說(shuō)這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。真正了不起的是為極端的可伸縮性需求提供松耦合的封裝和消息機(jī)制（以一種類似生物和生態(tài)系統(tǒng)的方式）。

　　第二個(gè)階段包括在“Lisp世界”中摻入Lisp本身，McCarthy關(guān)于機(jī)器人和時(shí)態(tài)邏輯的思想，在ARPA（尤其是在MIT）進(jìn)行的AI工作，以及Carl Hewitt的PLANNER語(yǔ)言。有一種思想：對(duì)象可以像服務(wù)器一樣，且可以是面向目標(biāo)的，使用PLANNER類型的目標(biāo)作為接口語(yǔ)言。

　　第三階段是Parc的一系列Smalltalks，試圖在Parc的Alto系統(tǒng)（128K內(nèi)存，一半用于顯示設(shè)備）所能實(shí)現(xiàn)的和未來(lái)必然需要的功能之間尋找一種實(shí)用的平衡。這項(xiàng)工作是與Dan Ingalls和組里其他一些天才的同事合作完成的。理想主義的小宇宙一直讓我不爽，但從實(shí)用角度結(jié)果不錯(cuò)。

　　第四階段（也是在Parc）是重新深入探討時(shí)態(tài)邏輯和“世界線”（world-line）思想（后面細(xì)說(shuō)）。

　　第五階段是再次嚴(yán)肅地思考可伸縮性并重新審視“協(xié)作語(yǔ)言”（比如Gelernter的Linda），將它們看作以通用的發(fā)布和描述方式進(jìn)行描述匹配，從而實(shí)現(xiàn)松耦合的一種方法。我仍然喜歡這種思想，并希望看它發(fā)展到對(duì)象可以真正“協(xié)商意義”的程度。

　　McCarthy的時(shí)態(tài)邏輯：“時(shí)間中的真正函數(shù)”

　　我對(duì)這一切的思考方式大部分都可追溯到上世紀(jì)50年代的John McCarthy。John是一位出色的數(shù)學(xué)家和邏輯學(xué)家。他希望自己能做嚴(yán)密一致的邏輯推理——同時(shí)希望他的程序和機(jī)器人也能做到。機(jī)器人是個(gè)關(guān)鍵：因?yàn)樗胱寵C(jī)器人有時(shí)在費(fèi)城，有時(shí)在紐約。按常規(guī)邏輯這會(huì)有問(wèn)題，然而John針對(duì)“事實(shí)”成立時(shí)能表現(xiàn)“時(shí)幀”（time frame）的所有事實(shí)額外添加了一個(gè)參數(shù)，從而修正了這一問(wèn)題。這就創(chuàng)建了一種簡(jiǎn)單的時(shí)態(tài)邏輯，將“事實(shí)集合”顯現(xiàn)為世界線的層層堆棧。

　　這很容易泛化為“變量”、“數(shù)據(jù)”、“對(duì)象”……的世界線。從個(gè)體角度來(lái)看，值的“歷史”替換了“值”，從系統(tǒng)角度來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)被表示為每當(dāng)系統(tǒng)處于兩次計(jì)算之間時(shí)它所處的穩(wěn)定狀態(tài)。Simula后來(lái)采用了這一思想的一個(gè)弱化但卻實(shí)用的版本。

　　應(yīng)當(dāng)提一下Christopher Strachey（編者注：1916年－1965年，生于英國(guó)英格蘭倫敦漢普斯敦，計(jì)算機(jī)科學(xué)家。他是指稱語(yǔ)義最早的提出者之一，也是編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)的先驅(qū)，發(fā)展了編程語(yǔ)言CPL）——Lisp和McCarthy的偉大粉絲，他認(rèn)識(shí)到通過(guò)始終使用（來(lái)自前一時(shí)幀的）舊值來(lái)產(chǎn)生新值并安裝在新的時(shí)幀中，很多種編程模型都可以統(tǒng)一起來(lái)且更加安全。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)是因?yàn)樗紫扔^察到Lisp中“尾遞歸”是多么干凈利落，然后又看到這樣的尾遞歸寫成某種循環(huán)的形式更易理解：循環(huán)中包含類似賦值的語(yǔ)句，其中右邊從時(shí)間t中取值，被賦值的變量則存在于時(shí)間t+1中（且這樣的賦值只允許一次）。這就統(tǒng)一了函數(shù)式編程和同時(shí)模擬時(shí)間和狀態(tài)的“類命令式”編程。

　　也要提一下Ashcroft和Wadge設(shè)計(jì)的Lucid語(yǔ)言（編者注：一種數(shù)據(jù)流語(yǔ)言，用于非馮模型編程），該語(yǔ)言擴(kuò)展了Strachey的許多思想。

　　另外，數(shù)據(jù)庫(kù)中的“原子事務(wù)”也值得一看，思想很類似，只是粒度更粗——從來(lái)沒(méi)有破壞什么，也不用競(jìng)爭(zhēng)條件，新的版本以一種非破壞性的方式創(chuàng)建出來(lái)。其中有了版本的歷史。

　　“時(shí)間是個(gè)好主意”，這是關(guān)鍵的一點(diǎn)——我們想要它，想用安全、合理的方式處理它——而這些方式中絕大部分（如果不是全部的話）都可以是處于穩(wěn)定世界線狀態(tài)序列之間的純函數(shù)式事務(wù)。

　　“剛剛計(jì)算來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)”非常有用。它再也不會(huì)改變——因此它代表了系統(tǒng)模擬中的一個(gè)“版本”——且可以在產(chǎn)生下一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的函數(shù)式轉(zhuǎn)換中充當(dāng)源數(shù)值。它還可以充當(dāng)數(shù)據(jù)源，為那一刻的世界創(chuàng)建視覺(jué)效果。歷史信息則可用于調(diào)試、撤消、回滾等需要。

　　在這種模型中，“穩(wěn)定狀態(tài)之間時(shí)間并不存在”：“時(shí)鐘”只在新狀態(tài)完成時(shí)走表。就程序而言，CPU本身并不充當(dāng)時(shí)鐘。對(duì)于具有內(nèi)在、干凈時(shí)間模型的確定性關(guān)系，這種思想帶來(lái)一種非常簡(jiǎn)易的處理方式。

　　出于很多理由（但沒(méi)有一個(gè)好的）這種維持安全的方法在上世紀(jì)60年代輸給了在命令式編程中使用競(jìng)爭(zhēng)條件，然后再通過(guò)可怕的、可能導(dǎo)致死鎖的信號(hào)量來(lái)保護(hù)它們的做法。

　　某些時(shí)候，任何了解Lisp且對(duì)對(duì)象間的消息傳遞感興趣的人都必然“運(yùn)用”并注意到一種對(duì)象（一個(gè)lambda的“東西”，可以是一個(gè)閉包）可以捆綁到一組參數(shù)上（看起來(lái)有點(diǎn)像消息）。如果一個(gè)人知道Lisp 1.5是如何基于新式的延遲綁定參數(shù)求值來(lái)實(shí)現(xiàn)的，理解還會(huì)更深入。這里指的是FEXPR，而不是EXPR——未求值的表達(dá)式可作為參數(shù)傳遞，之后再求值。這使得不太優(yōu)雅的“特殊形式”四處充斥，它們本來(lái)可以寫成漂亮的惰式函數(shù)。

　　使用前述的時(shí)態(tài)建模，可以松掉“求值－應(yīng)用”的耦合，通過(guò)安全的消息傳遞來(lái)獲得時(shí)間層之間的函數(shù)式關(guān)系。于是，由于我一直喜歡從系統(tǒng)模擬的視角看待計(jì)算，我便把“對(duì)象”和“函數(shù)”看作兩種互補(bǔ)的思想，它們并不沖突。

　　術(shù)語(yǔ)一旦成為宗教或更加嚴(yán)格的選擇與風(fēng)格，便會(huì)失去它們的意義。這里說(shuō)的自然是“面向?qū)ο蟆焙汀昂瘮?shù)式編程”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。我不會(huì)將“函數(shù)式編程”的一般概念跟任何特定語(yǔ)言等同起來(lái)。我堅(jiān)持認(rèn)為“函數(shù)思想”是一種可靠的映射。類似的，我也不會(huì)把“面向?qū)ο蟆钡囊话愀拍钔魏翁囟ㄕZ(yǔ)言等同起來(lái)。如今這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)被“殖民”了，意思也變了。

　　還有一個(gè)大問(wèn)題是“對(duì)象”和“抽象數(shù)據(jù)類型”的混淆，以及對(duì)“數(shù)據(jù)”和“賦值語(yǔ)句”的固執(zhí)。如果真正強(qiáng)化了封裝，對(duì)象就可以根據(jù)需要處理設(shè)計(jì)參數(shù)（包括保存歷史信息）。

　　分布式環(huán)境中的對(duì)象

　　有朋友問(wèn)我現(xiàn)在如何理解分布式環(huán)境中的對(duì)象和系統(tǒng)模擬的，是否依然認(rèn)為有可能構(gòu)造一種系統(tǒng)，它既有互聯(lián)網(wǎng)那樣可以有機(jī)增長(zhǎng)的規(guī)模，又有類似于虛擬時(shí)間的良好的、可預(yù)測(cè)的語(yǔ)義？

　　好問(wèn)題。這里面有好幾組問(wèn)題及其權(quán)衡關(guān)系。二十世紀(jì)70年代Dave Reed（編者注：美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)家，UDP協(xié)議設(shè)計(jì)者）最初思考的是面向整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)應(yīng)具有什么樣子。在他提出的許多有趣想法中，其中之一是通過(guò)由虛擬時(shí)間（pseudo-time）組織起來(lái)的分布式克隆計(jì)算來(lái)處理長(zhǎng)延時(shí)和海量潛在用戶的問(wèn)題，然后慢速的互聯(lián)網(wǎng)僅用于輸入和偏差同步。這就是我們本世紀(jì)00年代早期在Croquet中實(shí)現(xiàn)的東西，那時(shí)互聯(lián)網(wǎng)上一次典型的、還算不錯(cuò)的ping來(lái)回大約80到100毫秒。這已經(jīng)好到可以無(wú)需任何服務(wù)器而創(chuàng)建《魔獸世界》這樣的大規(guī)模并行游戲（甚至飛行仿真游戲）了，只要有玩家正在用著的那些機(jī)器就夠了（分布式）。后來(lái)的版本做得更多更全面。

　　插一句，去掉實(shí)時(shí)圖形和交互的Croquet便自動(dòng)提供了一種分布式的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫(kù)。虛擬時(shí)間是背后的大理念，保護(hù)著數(shù)據(jù)庫(kù)中的分布式原子事務(wù)。

　　而且多年來(lái)人們一直在討論。它能否實(shí)現(xiàn)？需要在哪些領(lǐng)域做多少工作？等等。

　　我們?cè)赑arc做過(guò)的與對(duì)象有關(guān)的工作就是ARPA/Parc社區(qū)中發(fā)生的網(wǎng)絡(luò)思維的一部分，它最終產(chǎn)生了思考更高層網(wǎng)絡(luò)實(shí)體的傾向?！熬W(wǎng)絡(luò)層實(shí)體”的一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的、過(guò)渡性的實(shí)現(xiàn)是Gerry Popek在Parc花了一年時(shí)間思考“網(wǎng)終系統(tǒng)應(yīng)有的樣子”之后，和他在UCLA的團(tuán)隊(duì)一起完成的LOCUS系統(tǒng)。那是建立在異構(gòu)機(jī)器類型之上的一種遷移式的負(fù)載平衡思想，與虛擬時(shí)間概念形成高度的互補(bǔ)。

　　我希望看到富有才華的團(tuán)隊(duì)把第二個(gè)問(wèn)題再過(guò)一篇。對(duì)可伸縮規(guī)模的適應(yīng)性很難事先預(yù)測(cè)，最好實(shí)際去實(shí)現(xiàn)它。對(duì)于虛擬時(shí)間，如果你了解它卻不使用它，任何情況下我都覺(jué)得有點(diǎn)瘋狂，而如果不了解它，那就有點(diǎn)業(yè)余了。在這兩者之間，則是以各種“不二法門”為特征的宗教（而這跟任何科學(xué)都背道而馳）。