Go/Python/Erlang編程語言對(duì)比分析及示例代碼

本文主要是介紹Go，從語言對(duì)比分析的角度切入。之所以選擇與Python、Erlang對(duì)比，是因?yàn)樽鰹楦呒?jí)語言，它們語言特性上有較大的相似性，不過最主要的原因是這幾個(gè)我比較熟悉。

Go的很多語言特性借鑒與它的三個(gè)祖先：C，Pascal和CSP。Go的語法、數(shù)據(jù)類型、控制流等繼承于C，Go的包、面對(duì)對(duì)象等思想來源于Pascal分支，而Go最大的語言特色，基于管道通信的協(xié)程并發(fā)模型，則借鑒于CSP分支。

Go/Python/Erlang語言特性對(duì)比

 如《編程語言與范式》一文所說，不管語言如何層出不窮，所有語言的設(shè)計(jì)離不開2個(gè)基本面：控制流和數(shù)據(jù)類型。為了提升語言描述能力，語言一般都提供控制抽象和數(shù)據(jù)抽象。本小節(jié)的語言特性對(duì)比也從這4個(gè)維度入手，詳見下圖（點(diǎn)擊見大圖）。

圖中我們可以看出，相比于Python的40個(gè)特性，Go只有31個(gè)，可以說Go在語言設(shè)計(jì)上是相當(dāng)克制的。比如，它沒有隱式的數(shù)值轉(zhuǎn)換，沒有構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)，沒有運(yùn)算符重載，沒有默認(rèn)參數(shù)，也沒有繼承，沒有泛型，沒有異常，沒有宏，沒有函數(shù)修飾，更沒有線程局部存儲(chǔ)。

但是Go的特點(diǎn)也很鮮明，比如，它擁有協(xié)程、自動(dòng)垃圾回收、包管理系統(tǒng)、一等公民的函數(shù)、?？臻g管理等。

Go作為靜態(tài)類型語言，保證了Go在運(yùn)行效率、內(nèi)存用量、類型安全都要強(qiáng)于Python和Erlang。

Go的數(shù)據(jù)類型也更加豐富，除了支持表、字典等復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還支持指針和接口類型，這是Python和Erlang所沒有的。特別是接口類型特別強(qiáng)大，它提供了管理類型系統(tǒng)的手段。而指針類型提供了管理內(nèi)存的手段，這讓Go進(jìn)入底層軟件開發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持。

Go在面對(duì)對(duì)象的特性支持上做了很多反思和取舍，它沒有類、虛函數(shù)、繼承、泛型等特性。Go語言中面向?qū)ο缶幊痰暮诵氖墙M合和方法(function)。組合很類似于C語言的struct結(jié)構(gòu)體的組合方式，方法類似于Java的接口(Interface)，但是使用方法上與對(duì)象更加解耦，減少了對(duì)對(duì)象內(nèi)部的侵入。Erlang則不支持面對(duì)對(duì)象編程范式，相比而言，Python對(duì)面對(duì)對(duì)象范式的支持最為全面。

在函數(shù)式編程的特性支持上，Erlang作為函數(shù)式語言，支持最為全面。但是基本的函數(shù)式語言特性，如lambda、高階函數(shù)、curry等，三種語言都支持。

控制流的特性支持上，三種語言都差不多。Erlang支持尾遞歸優(yōu)化，這給它在函數(shù)式編程上帶來便利。而Go在通過動(dòng)態(tài)擴(kuò)展協(xié)程棧的方式來支持深度遞歸調(diào)用。Python則在深度遞歸調(diào)用上經(jīng)常被爆棧。

Go和Erlang的并發(fā)模型都來源于CSP，但是Erlang是基于actor和消息傳遞（mailbox）的并發(fā)實(shí)現(xiàn)，Go是基于goroutine和管道（channel）的并發(fā)實(shí)現(xiàn)。不管Erlang的actor還是Go的goroutine，都滿足協(xié)程的特點(diǎn)：由編程語言實(shí)現(xiàn)和調(diào)度，切換在用戶態(tài)完成，創(chuàng)建銷毀開銷很小。至于Python，其多線程的切換和調(diào)度是基于操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而且因?yàn)镚IL的大坑級(jí)存在，無法真正做到并行。

而且從筆者的并發(fā)編程體驗(yàn)上看，Erlang的函數(shù)式編程語法風(fēng)格和其OTP behavior框架提供的晦澀的回調(diào)（callback）使用方法，對(duì)大部分的程序員，如C/C++和Java出身的程序員來說，有一定的入門門檻和挑戰(zhàn)。而被稱為“互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的C”的Go，其類C的語法和控制流，以及面對(duì)對(duì)象的編程范式，編程體驗(yàn)則好很多。

Go/Python/Erlang語言語法對(duì)比

所有的語言特性都需要有形式化的表示方式，Go、Python、Erlang三種語言語法的詳細(xì)對(duì)比如下（點(diǎn)擊見完整大圖第一部分，第二部分，第三部分）。這里（鏈接）有一個(gè)詳細(xì)的Go 與 C 的語法對(duì)比，這也是我沒有做Go vs. C對(duì)比的一個(gè)原因。

正如Go語言的設(shè)計(jì)者之一Rob Pike所說，“軟件的復(fù)雜性是乘法級(jí)相關(guān)的”。這充分體現(xiàn)在語言關(guān)鍵詞（keyword）數(shù)量的控制上，Go的關(guān)鍵詞是最少的，只有25個(gè)，而Erlang是27個(gè)，Python是31個(gè)。從根本上保證了Go語言的簡單易學(xué)。

Go語言將數(shù)據(jù)類型分為四類：基礎(chǔ)類型、復(fù)合類型、引用類型和接口類型?；A(chǔ)類型包括：整型、浮點(diǎn)型、復(fù)數(shù)、字符串和布爾型。復(fù)合數(shù)據(jù)類型有數(shù)組和結(jié)構(gòu)體。引用類型包括指針、切片、字典、函數(shù)、通道。其他數(shù)據(jù)類型，如原子（atom）、比特（binary）、元組（tuple）、集合（set）、記錄（record），Go則沒有支持。

Go對(duì)C語言的很多語法特性做了改良，正如Rob Pike在《Less is Exponentially More》中提到，Go的“起點(diǎn)： C語言，解決一些明顯的瑕疵、刪除雜質(zhì)、增加一些缺少的特性?！?，比如，switch/case的case子程序段默認(rèn)break跳出，case語句支持?jǐn)?shù)值范圍、條件判斷語句；所有類型默認(rèn)初始化為0，沒有未初始化變量；把類型放在變量后面的聲明語法（鏈接），使復(fù)雜聲明更加清晰易懂；沒有頭文件，文件的編譯以包組織，改善封裝能力；用空接口（interface {}）代替void *，提高類型系統(tǒng)能力等等。

Go對(duì)函數(shù)，方法，接口做了清晰的區(qū)分。與Erlang類似，Go的函數(shù)作為第一公民。函數(shù)可以讓我們將一個(gè)語句序列打包為一個(gè)單元，然后可以從程序中其它地方多次調(diào)用。函數(shù)和方法的區(qū)別是指有沒有接收器，而不像其他語言那樣是指有沒有返回值。接口類型具體描述了一系列方法的集合，而空接口interfac{}表示可以接收任意類型。接口的這2中使用方式，用面對(duì)對(duì)象編程范式來類比的話，可以類比于subtype polymorphism(子類型多態(tài))和ad hoc polymorphism(非參數(shù)多態(tài))。

從圖中示例可以看出，Go的goroutine就是一個(gè)函數(shù)，以及在堆上為其分配的一個(gè)堆棧。所以其系統(tǒng)開銷很小，可以輕松的創(chuàng)建上萬個(gè)goroutine，并且它們并不是被操作系統(tǒng)所調(diào)度執(zhí)行。goroutine只能使用channel來發(fā)送給指定的goroutine請(qǐng)求來查詢更新變量。這也就是Go的口頭禪“不要使用共享數(shù)據(jù)來通信，使用通信來共享數(shù)據(jù)”。channel支持容量限制和range迭代器。

Go/Python/Erlang語言詞法對(duì)比

Go、Python、Erlang三種語言詞法符號(hào)的詳細(xì)對(duì)比如下（點(diǎn)擊見完整大圖）。Go的詞法符號(hào)是3個(gè)語言中最多的，有41個(gè)，而且符號(hào)復(fù)用的情況也較多。相對(duì)來說，Python最少，只有31個(gè)。

Go語言在詞法和代碼格式上采取了很強(qiáng)硬的態(tài)度。Go語言只有一種控制可見性的手段：大寫首字母的標(biāo)識(shí)符會(huì)從定義它們的包中被導(dǎo)出，小寫字母的則不會(huì)。這種限制包內(nèi)成員的方式同樣適用于struct或者一個(gè)類型的方法。

在文件命名上，Go也有一定的規(guī)范要求，如以_test.go為后綴名的源文件是測試文件，它們是go test測試的一部分；測試文件中以Test為函數(shù)名前綴的函數(shù)是測試函數(shù)，用于測試程序的一些邏輯行為是否正確；以Benchmark為函數(shù)名前綴的函數(shù)是基準(zhǔn)測試函數(shù)，它們用于衡量一些函數(shù)的性能。

除了關(guān)鍵字，此外，Go還有大約30多個(gè)預(yù)定義的名字，比如int和true等，主要對(duì)應(yīng)內(nèi)建的常量、類型和函數(shù)。

TDD Go編程示例

本小節(jié)以TDD方式4次重構(gòu)開發(fā)一個(gè)斐波那契算法的方式，來簡單展示Go的特性、語法和使用方式，如Go的單元測試技術(shù)，并發(fā)編程、匿名函數(shù)、閉包等。

首先，看一下TDD最終形成的單元測試文件：

package main
import (
  "testing"
)
func TestFib(t *testing.T) {
  var testdatas = []struct {
    n  int
    want int64
  }{
    {0, 0},
    {1, 1},
    {2, 1},
    {3, 2},
    {4, 3},
    {16, 987},
    {32, 2178309},
    {45, 1134903170},
  }
  for _, test := range testdatas {
    n := test.n
    want := test.want
    got := fib(n)
    if got != want {
      t.Errorf("fib(%d)=%d, want %d\n", n, got, want)
    }
  }
}

基于遞歸的實(shí)現(xiàn)方案：

func fib1(n int) int64 {
  if n == 0 || n == 1 {
    return int64(n)
  }
  return fib1(n-1) + fib1(n-2)
}

測試結(jié)果：

crbsp@fib$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 9.705s
real 0m10.045s
user 0m9.968s
sys 0m0.068s

基于goroutine實(shí)現(xiàn)的并發(fā)方案：

func fib2(n int) int64 {
  var got int64
  var channel = make(chan int64, 2)
  if n == 0 || n == 1 {
    return int64(n)
  }
  runtime.GOMAXPROCS(2)
  go func() { channel <- fib1(n - 2) }()
  go func() { channel <- fib1(n - 1) }()
  got = <-channel
  got += <-channel
  return got
}

測試結(jié)果：

crbsp@fib$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 6.118s
real 0m6.674s
user 0m10.268s
sys 0m0.148s

基于迭代的實(shí)現(xiàn)方案：

func fib3(n int) int64 {
  var a, b int64
  a, b = 0, 1
  for i := 0; i < n; i++ {
    a, b = b, a+b
  }
  return a
}

測試結(jié)果：

crbsp@fib$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 0.002s
real 0m0.547s
user 0m0.328s
sys 0m0.172s

基于閉包的實(shí)現(xiàn)方案：

func fibWrapper4() func() int64 {
  var a, b int64
  a, b = 0, 1
  return func() int64 {
    a, b = b, a+b
    return a
  }
}
func fib4(n int) int64 {
  var got int64
  got = 0
  f := fibWrapper4()
  for i := 0; i < n; i++ {
    got = f()
  }
  return got
}

測試結(jié)果：

crbsp@fib$ time go test
PAok _/home/crbsp/alex/go/fib 0.002s
real 0m0.411s
user 0m0.260s
sys 0m0.140s

總結(jié)

以上所述是小編給大家介紹的Go/Python/Erlang編程語言對(duì)比分析及示例代碼，希望對(duì)大家有所幫助，如果大家有任何疑問請(qǐng)給我留言，小編會(huì)及時(shí)回復(fù)大家的。在此也非常感謝大家對(duì)億速云網(wǎng)站的支持！