Go/Python/Erlang程式設計語言對比分析及樣本

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本文主要是介紹Go，從語言對比分析的角度切入。之所以選擇與Python、Erlang對比，是因為做為進階語言，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我比較熟悉。

Go的很多語言特性借鑒與它的三個祖先：C，Pascal和CSP。Go的文法、資料類型、控制流程等繼承於C，Go的包、面對對象等思想來源於Pascal分支，而Go最大的語言特色，基於管道通訊的協程並行存取模型，則借鑒於CSP分支。

 

Go/Python/Erlang語言特性對比

 如《程式設計語言與範式》一文所說，不管語言如何層出不窮，所有語言的設計離不開2個基本面：控制流程和資料類型。為了提升語言描述能力，語言一般都提供控制抽象和資料抽象。本小節的語言特性對比也從這4個維度入手，詳見（點擊見大圖）。

圖中我們可以看出，相比於Python的40個特性，Go只有31個，可以說Go在語言設計上是相當克制的。比如，它沒有隱式的數值轉換，沒有建構函式和解構函式，沒有運算子多載，沒有預設參數，也沒有繼承，沒有泛型，沒有異常，沒有宏，沒有函數修飾，更沒有線程局部儲存。

但是Go的特點也很鮮明，比如，它擁有協程、自動記憶體回收、包管理系統、一等公民的函數、棧空間管理等。

Go作為靜態類型語言，保證了Go在運行效率、記憶體用量、型別安全都要強於Python和Erlang。

Go的資料類型也更加豐富，除了支援表、字典等複雜的資料結構，還支援指標和介面類型，這是Python和Erlang所沒有的。特別是介面類型特彆強大，它提供了管理類型系統的手段。而指標類型提供了管理記憶體的手段，這讓Go進入底層軟體開發提供了強有力的支援。

Go在面對對象的特性支援上做了很多反思和取捨，它沒有類、虛函數、繼承、泛型等特性。Go語言中物件導向編程的核心是組合和方法(function)。組合很類似於C語言的struct結構體的組合方式，方法類似於Java的介面(Interface)，但是使用方法上與對象更加解耦，減少了對對象內部的侵入。Erlang則不支援面對對象編程範式，相比而言，Python對面對對象範式的支援最為全面。

在函數式編程的特性支援上，Erlang作為函數式語言，支援最為全面。但是基本的函數式語言特性，如lambda、高階函數、curry等，三種語言都支援。

控制流程的特性支援上，三種語言都差不多。Erlang支援尾遞迴最佳化，這給它在函數式編程上帶來便利。而Go在通過動態擴充協程棧的方式來支援深度遞迴調用。Python則在深度遞迴調用上經常被爆棧。

Go和Erlang的並行存取模型都來源於CSP，但是Erlang是基於actor和訊息傳遞（mailbox）的並行存取模型，Go是基於goroutine和管道（channel）的並發。不管Erlang的actor還是Go的goroutine，都滿足協程的特點：由程式設計語言實現和調度，使用者態的切換，建立銷毀開銷很小。至於Python，其多線程的切換和調度是基於作業系統實現，而且因為GIL的大坑級存在，是無法真正做到並行。

而且從筆者的並發編程體驗上看，Erlang的函數式編程文法風格和其OTP behavior架構提供的晦澀的回調（callback）使用方法，對大部分的程式員，如C/C++和Java出身的程式員來說，有一定的入門門檻和挑戰。而被稱為“互連網時代的C”的Go，其類C的文法和控制流程實現，以及面對對象的編程範式，編程體驗則好很多。

Go/Python/Erlang語言文法對比

所有的語言特性都需要有形式化的表示方式，Go、Python、Erlang三種語言文法的詳細對比如下（點擊見完整大圖第一部分，第二部分）。這裡（連結）有一個詳細的Go 與 C 的文法對比，這也是我沒有做Go vs. C對比的一個原因。

正如Go語言的設計者之一Rob Pike所說，“軟體的複雜性是乘法級相關的”。這充分體現在語言關鍵詞（keyword）數量的控制上，Go的關鍵詞是最少的，只有25個，而Erlang是27個，Python是31個。從根本上保證了Go語言的簡單易學。

Go語言將資料類型分為四類：基礎類型、複合類型、參考型別和介面類型。基礎類型包括：整型、浮點型、複數、字串和布爾型。複合資料型別有數組和結構體。參考型別包括指標、切片、字典、函數、通道。其他資料類型，如原子（atom）、位元（binary）、元組（tuple）、集合（set）、記錄（record），Go則沒有支援。

Go對C語言的很多文法特性做了改良，正如Rob Pike在《Less is Exponentially More》中提到，Go的“起點： C語言，解決一些明顯的瑕疵、刪除雜質、增加一些缺少的特性。”，比如，把switch/case的case子程式段預設break跳出，case語句支援數值範圍、條件判斷語句；所有類型預設初始化為0，沒有未初始設定變數；把類型放在變數後面的聲明文法（連結），使複雜聲明更加清晰易懂；沒有標頭檔，檔案的編譯以包組織，改善封裝能力；用空介面（interface {}）代替void *的位置，提高類型系統能力等等。

Go對函數，方法，介面做了清晰的區分。與Erlang類似，Go的函數作為第一公民。函數可以讓我們將一個語句序列打包為一個單元，然後可以從程式中其它地方多次調用。函數和方法的區別是指有沒有接收器，而不像其他語言那樣是指有沒有傳回值。介面類型具體描述了一系列方法的集合，而空介面interfac{}表示可以接收任意類型。介面的這2中使用方式，用面對對象編程範式來類比的話，可以類比於subtype polymorphism(子類型多態)和ad hoc polymorphism(非多重參數變形)。

樣本可以看出，Go的goroutine就是一個函數，以及在堆上為其分配的一個堆棧。所以它非常廉價，我們可以很輕鬆的建立上萬個goroutine，但它們並不是被作業系統所調度執行。goroutine只能使用channel來發送給指定的goroutine請求來查詢更新變數。這也就是Go的口頭禪“不要使用共用資料來通訊，使用通訊來共用資料”。channel支援容量限制和range迭代器。

 

 

Go/Python/Erlang語言詞法對比

Go、Python、Erlang三種語言詞法符號的詳細對比如下（點擊見完整大圖）。Go的詞法符號是3個語言中最多的，有41個，而且符號複用的情況也較多。相對來說，Python最少，只有31個。

Go語言在詞法和代碼格式上採取了很強硬的態度。Go語言只有一種控制可見度的手段：大寫首字母的標識符會從定義它們的包中被匯出，小寫字母的則不會。這種限制包內成員的方式同樣適用於struct或者一個類型的方法。

在檔案命名上，Go也有一定的規範要求，如以_test.go為尾碼名的源檔案是測試檔案，它們是go test測試的一部分；測試檔案中以Test為函數名首碼的函數是測試函數，用於測試程式的一些邏輯行為是否正確；以Benchmark為函數名首碼的函數是基準測試函數，它們用于衡量一些函數的效能。

除了關鍵字，此外，Go還有大約30多個預定義的名字，比如int和true等，主要對應內建的常量、類型和函數。

 

 

TDD Go編程樣本

本小節以TDD方式開發一個斐波那契演算法的方式，展示Go的特性、文法和使用方式，如Go的單元測試技術，並發編程、匿名函數、閉包等。

首先單元測試檔案如下：

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

 

基於遞迴的實現方案：

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

測試結果：

[email protected]$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 9.705s

real 0m10.045s
user 0m9.968s
sys 0m0.068s

基於goroutine實現的並發方案：

func fib2(n int) int64 {var got int64var 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 = <-channelgot += <-channelreturn got}

測試結果：

[email protected]$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 6.118s

real 0m6.674s
user 0m10.268s
sys 0m0.148s

基於迭代的實現方案：

func fib3(n int) int64 {var a, b int64a, b = 0, 1for i := 0; i < n; i++ {a, b = b, a+b}return a}

測試結果：

[email protected]$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 0.002s

real 0m0.547s
user 0m0.328s
sys 0m0.172s

基於閉包的實現方案：

func fibWrapper4() func() int64 {var a, b int64a, b = 0, 1return func() int64 {a, b = b, a+breturn a}}func fib4(n int) int64 {var got int64got = 0f := fibWrapper4()for i := 0; i < n; i++ {got = f()}return got}

測試結果：

[email protected]$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 0.002s

real 0m0.411s
user 0m0.260s
sys 0m0.140s

 

--完--　　

　　

　　

Go/Python/Erlang程式設計語言對比分析及樣本