聲明式編程範式初探

語言編程語言可以分成兩類：

• 命令式
• 聲明式

事實上，凡是非命令式的編程都可歸為聲明式編程。因此，命令式、函數式和邏輯式是最核心的三種範式。為清楚起見，我們用一幅圖來表示它們之間的關系。

與命令式編程相對的聲明式編程（declarative programming）。顧名思義，聲明式編程由若幹規範（specification）的聲明組成的，即一系列陳述句：‘已知這，求解那’，強調‘做什麽’而非‘怎麽做’。聲明式編程是人腦思維方式的抽象，即利用數理邏輯或既定規範對已知條件進行推理或運算。

聲明式編程的發源

聲明式編程發軔於人工智能的研究，主要包括函數式編程（functional programming，簡稱FP）和邏輯式編程（logic programming，簡稱LP）。其中，函數式編程將計算描述為數學函數的求值，而邏輯式編程通過提供一系列事實和規則來推導或論證結論。

其實支持它們的語言出現得並不比命令式的晚多少——最早的函數式語言Lisp（LISt Processor）已有半個世紀的歷史，最早之一的邏輯式語言Prolog（PROgramming in LOGic）也與C同齡。只是由於大多數更多地用於學術研究而非商業應用，頗有些‘養在深閨人未識’的味道。

起源的不同決定了這兩大類範式代表著迥然不同的編程理念和風格：命令式編程是行動導向（Action-Oriented）的，因而算法是顯性而目標是隱性的；聲明式編程是目標驅動（Goal-Driven）的，因而目標是顯性而算法是隱性的。為便於說明，我們分別用三種代表性的語言來實現階乘（factorial）運算。

階乘的三種編程實現

C（命令式）——

Lisp（函數式）——

Prolog（邏輯式）——

以上三段代碼區別在哪裏？C明確給出了階乘的叠代算法，而Lisp僅描述了階乘的遞歸定義，Prolog則陳述了兩個關於階乘的斷言。

聲明式編程的本質

我們最早接觸的變量是代數方程中的x、y、z等，本質上是抽象化的符號，變量值是該符號在給定約束條件下的允許值。而命令式編程中的變量本質上是抽象化的內存，變量值是該內存的儲存內容。通俗地說，前者好比姓名，所指之人是固定的；後者好比住址，所住之人是變化的。此外，等號在代數中是一種約束，而在許多命令式語言中則表示賦值。因此 i = i + 1 可以在命令式編程中出現，但絕不可能在數學推理中出現 —— 除非在反證法中。

聲明式編程讓我們重回數學思維：函數式編程類似代數中的表達式變換和計算，邏輯式編程則類似數理邏輯推理。其中的變量也如數學中的一樣，是抽象符號而非內存地址，因此沒有賦值運算，不會產生變量被改寫的副作用（side-effect），也不存在內存分配和釋放的問題。這既簡化了代碼，也減少了調試——不妨想一想，有多少bug是由於某個變量被意外改寫或內存管理不慎而造成的？

聲明式語言與命令式語言的相通之處

• 首先，所有高級語言都建立於低級語言之上，最終轉化為機器語言，聲明式語言也不例外。
• 其次，聲明式語言與命令式語言並非涇渭分明，而是互相交叉滲透的。一些‘非純粹’ 的聲明式語言也提供變量賦值和流程控制，而一些命令式語言也在逐漸發展，通過利用其他程序或增加新的語言特征來實現聲明式編程。

總的說來，在命令式語言中融入聲明式的元素應當是一種趨勢。尤其是函數式，它的一些特征已經在許多命令式語言中得到了支持。比較而言，聲明式編程重目標、輕過程，專註問題的分析和表達而不致陷入算法的迷宮，其代碼也更加簡潔清晰、易於修改和維護。從這種意義上說，聲明式語言天然地就比命令式語言更高級。

值得指出的是，聲明式編程並不僅僅局限於函數式和邏輯式。比方說，C#中的attribute、Java中的annotation和XDoclet庫等采用的也是具有聲明式特征的屬性導向式編程（Attribute-Oriented Programming，簡稱@OP）。再比如，Prograph、SISAL等數據流語言（dataflow language）采用的數據流式編程（Dataflow Programming）與函數式編程有不少共同點，同樣屬於聲明式的範疇。還有一些語言如Oz、CHIP等支持與邏輯式編程相交的約束式編程（Constraint Programming）。此外，大家熟悉的數據庫語言SQL，樣式語言XSLT、CSS，標記語言HTML、XML、SVG，規範語言IDL（Interface Description Language）等等都是聲明式的。算上它們，聲明式語言所占的比例也是非常可觀的。此前之所以沒有提及，一方面，不少聲明式語言采用的範式並沒有專門的名稱；另一方面，這些語言大多是領域特定語言，並且不少並非圖靈完備的，有的連運算都沒有。畢竟，目前我們的重點還是放在通用編程語言上。

其實用Lisp實現階乘的方法也可以用在C上：

這是C的遞歸實現。除了細微的語法差別外，二者的確很相似，這說明用命令式語言也可以講出聲明式的味道。實際上，命令式語言提倡叠代而不鼓勵遞歸，早期的Fortran 甚至都不支持遞歸。一則叠代比遞歸更符合命令式的思維模式，因為前者貼近機器語言而後者貼近數學語言；二則除尾遞歸（tail recursion）外，一般遞歸比叠代的開銷（overhead）大。相反，聲明式語言提倡遞歸而不支持叠代。就語法而言，它不允許叠代中的循環變量；就視角而言，叠代著眼微觀過程而遞歸著眼宏觀規律。

具體可以看看這個：漫談遞歸

歸根結底，編程是尋求一種機制，將指定的輸入轉化為指定的輸出。三種範式對此提供了截然不同的解決方案：

• 命令式把程序看作一個自動機，輸入是初始狀態，輸出是最終狀態，編程就是設計一系列指令，通過自動機執行以完成狀態轉變；
• 函數式把程序看作一個數學函數，輸入是自變量，輸出是因變量，編程就是設計一系列函數，通過表達式變換以完成計算；
• 邏輯式把程序看作一個邏輯證明，輸入是題設，輸出是結論，編程就是設計一系列命題，通過邏輯推理以完成證明。

繪成表格如下：

短短一篇文章無法深入講述，後面將展開，讓大家看清楚聲明式編程範式的全貌。

http://www.nowamagic.net/academy/detail/1220528

聲明式編程範式初探