Feel 语言设计历程

2020-07-18 18:28:56 +08:00
 Kulics

设计背景

几年前我在开发多平台的 XyKey 时，由于当时的跨平台方案还未成熟，所以我没有选择跨平台实现，而是选择了每个平台都使用官方指定的语言进行开发，为此我接触了 Java/Kotlin （ Android ）、Swift/OC （ iOS ）、C#（ UWP ）。于此同时我本职工作方向是区块链技术，现有主流区块链方案也大量使用了 JS + Go 的组合开发前后端产品。

在不同语言之间来回切换学习之后，我对不同语言表达同一种功能的语法差异性产生了兴趣，随后开始了语法设计方面的研究探索，最终诞生了 Feel 语言。

语言设计问题之一

很多语言里面，函数存在不止一种表达方法。

我们需要为同样的需求设计不同的语法吗？

以下我举一些我使用过的语言中函数的表示方法，所有的 eg 都是函数。

Go: 大部分时候函数都使用 func 开头声明，算是一致性比较好的设计之一，但在 interface 中还是使用了不一样的描述方式。

func eg1(x int) int {
	return 1
}

var eg2 = func(x int) int {
	return 1
}

type foo struct {
	eg3 func(int) int
}

type bar interface {
	eg4(int) int
}

C#: 大部分时候都使用了 C 式的描述方式，但在函数类型中使用了反直觉的泛型类型，并且 Lambda 语法也看不出与函数的联系。

int eg1(int x) 
{
    Func<int,int> eg2 = (int x) => 
    {
        return 1;
    };
    return 1;
}

interface foo 
{
    int eg3(int x);
}

Action<int> eg4;

Kotlin: 函数定义、函数类型、Lambda 是三种风格。

fun eg1(x: Int): Int {
    val eg2: (Int) -> Int = { i ->
        1
    }
    return 1
}

val eg3 = fun(x: Int): Int {
    return 1
}

interface name {
    fun eg4(x: Int)
    val eg5: (Int) -> Unit
}

Swift: swift 比较好的地方是函数定义和函数类型使用了同样的箭头表示，但在 Lambda 中却使用了 in 来分割。

func eg1(x: Int) -> Int {
    let eg2: (Int) -> Int = { i in
        return 1
    }
    return 1
}

protocol name {
    func eg3(x: Int)
}

var eg4: (Int) -> ()

为一个资源绑定一个名称，同样也有很多不同的写法。

以下我举一些我使用过的语言中标识符表示方法，所有的 eg 都是某个资源的标识符。

Swift: 为不同类型绑定标识符使用不同前缀，算是比较好的实践之一。

var eg1 = 1

let eg2 = 1

func eg3() {}

class eg4 {}

protocol eg5 {}

Go: 变量、常量和函数使用了一种风格，定义类型使用了另一种风格。

var eg1 = 1

const eg2 = 1

func eg3() {}

type eg4 struct{}

type eg5 interface{}

C#： 类和接口使用了一种风格，变量、常量、函数使用了三种不同的风格。

int eg1 = 1
const int eg2 = 2
int eg3() {}
class eg4 {}
interface eg5 {}

语言设计问题之二

一旦我们开始开发一个具备一定规模的项目，就一定会反复强调编码规范的重要性。形式不一的代码风格会给我们的协作带来不小的困难。

如果规范如此重要，我们是否应该在语言级别强制？

下面我给出几种不同的代码风格，在不统一风格的情况下，我们可能会见到如下几种代码并存：

if (foo == 0) 
{
  	print(foo)
} 
else if (foo == 1) 
{
  	print(foo)
} 
else 
{
  	print(foo)
}
//////////////
if (foo == 0) {
  	print(foo)
} 
else if (foo == 1) {
  	print(foo)
} 
else {
  	print(foo)
}
//////////////
if (foo == 0) {
  	print(foo)
} else if (foo == 1) {
  	print(foo)
} else {
  	print(foo)
}

当然，也可能有人会写出下面这样的：

if (foo == 0) 
		{
    print(foo)
  	} 
else if (foo == 1) 
		{
    print(foo)
  	} 
else 
		{
    	print(foo)
  	}
//////////////
if (foo == 0) print(foo)
else if (foo == 1) print(foo)
else print(foo)

语言设计问题之三

一些语言是动态的，一些语言是静态的，它们各有各的好，但是我们却尝试在动态语言中加入静态特性（ TypeScript ），也尝试在静态语言中加入动态特性（ Go ）。

这静态与动态中间是否存在一个平衡的方案？

TypeScript：通过隐式接口，给动态类型加上类型检查，只有满足接口要求的对象才能被使用。

interface LabelledValue {
    label: string;
}

function printLabel(labelledObj: LabelledValue) {
    console.log(labelledObj.label);
}

let myObj = { size: 10, label: "Size 10 Object" };
printLabel(myObj);

Go：通过隐式接口，实现了静态鸭子类型，只有满足函数签名要求的对象才能被使用。

type LabelledValue interface {
	Label() string
}

func printLabel(labelledObj LabelledValue) {
	println(labelledObj.Label())
}

type Obj struct {
	size int
}

func (this Obj) Label() string {
	return "Size 10 Object"
}

语言设计问题之四

不同语言的关键字有多有少，但实际上大部分语言都可以实现图灵完备。

我们需要很多关键字吗？或者说，如果没有关键字，是否也可以？

下面是某个语言的关键字，还有部分上下文关键字未展示出来。

| keyword   |            |           |           |
| --------- | ---------- | --------- | --------- |
| abstract  | as         | base      | bool      |
| break     | byte       | case      | catch     |
| char      | checked    | class     | const     |
| continue  | decimal    | default   | delegate  |
| do        | double     | else      | enum      |
| event     | explicit   | extern    | false     |
| finally   | fixed      | float     | for       |
| foreach   | goto       | if        | implicit  |
| in        | int        | interface | internal  |
| is        | lock       | long      | namespace |
| new       | null       | object    | operator  |
| out       | override   | params    | private   |
| protected | public     | readonly  | ref       |
| return    | sbyte      | sealed    | short     |
| sizeof    | stackalloc | static    | string    |
| struct    | switch     | this      | throw     |
| true      | try        | typeof    | uint      |
| ulong     | unchecked  | unsafe    | ushort    |
| using     | virtual    | void      | volatile  |
| while     |            |           |           |

关键问题

一、同一种功能是否需要多种语法？

我们不需要多种语法，相同的需求可以有机统一。

二、强制规范是否有必要？

强制规范可以减少代码阅读和维护的压力，在语言级实施规范可以提升所有使用者的协作效率。

三、我们想要的是静态类型还是动态类型？

我们既想要静态检查，也想要动态自由度。静态鸭子类型可能是一个方案。

四、关键字是必要的吗？

如果语法结构足够少，我们可以试试移除关键字。

函数

我们对函数语法需求可以总结为如下几点：

假设我们所有资源的定义方式都使用 let id = XXX的形式，并且统一使用 type {}的形式构建某种类型的值。

那么我们可以先给出这样一个函数语法：

let foo = func(x: int) int {
    return 1
}

这个语法非常普通，使用func关键字定义类型，()里声明形参，后面声明返回值。

接下来我们思考一下现代函数设计通常允许多返回值，因此我们需要使用()包装更多返回值。

let foo = func(x: int, y: bool) (int, bool) {
    return (1, true)
}

这样形参和返回值类型的()太接近了，阅读起来比较费力，需要一个分隔符，我们可以引入->。

let foo = func(x: int, y: bool) -> (int, bool) {
    return (1, true)
}

当->加入之后，()->()就可以构成一个函数的类型结构，此时func的存在就没有必要性了，所以我们去掉这个关键字。

let foo = (x: int, y: bool) -> (int, bool) {
    return (1, true)
}

每次都要写两遍()也挺麻烦的，其实我们不太需要两个()，可以将形参和返回值类型放在一起，使用->分割。顺便也可以将 return的()也省略掉。

let foo = (x: int, y: bool -> int, bool) {
    return 1, true
}

等等，我们还需要return这个关键字吗？我想应该是不需要了，我们可以使用更好看的<-。

let foo = (x: int, y: bool -> int, bool) {
    <- 1, true
}

函数左右好像有点不平衡，我们可以强制返回值类型也加上一样的名称描述，让它们看起来更一致，并且也能给使用者更友好的说明。

let foo = (x: int, y: bool -> a: int, b: bool) {
    <- 1, true
}

到这里我们的函数描述方式已经成型，使用(->)表达函数类型。Lambda 语法也可以非常自然用->分割，使用{}定义整个函数的内容。

let foo: (int, bool -> int, bool) = { x, y ->
    1, true
}

无参函数与函数参数的例子：

let foo = (->) {}
let bar = (fn: (->) -> ) {}

定义

我们对定义语法需求可以总结为如下几点：

假设我们先使用 let xxx = value 定义不变量，使用 var xxx = value 定义变量。

let foo: int = 0
var bar: int = 0

使用var相当于多了一种定义声明的方式，不如使用mut来声明可变性，这样可能具备一致性。

let foo: int = 0
let mut bar: int = 0

我们思考一下，这种结构其实不需要let这个关键字也能成立，所以我们去掉它。

foo: int = 0
mut bar: int = 0

现在只剩下mut这个关键字了，我们也去掉，使用!替换它，表示可变性、不确定性。

foo: int = 0
!bar: int = 0

到这里，只要支持类型推导，我们也不需要明确写类型了，省略掉类型后，可以组合成:=。

foo := 0
!bar := 0

当然，如果不一定带值，我们也可以省略右边，保留类型。

foo: int
!bar: int

现在我们的定义语法已经完成了，替换前面函数的例子，不需要换多少东西。

foo := (x: int, y: bool -> a: int, b: bool) {
    <- 1, true
}

选择结构

现有的选择结构一般包含 if 与 switch 两种，它们的形态和功能已经非常成熟了，但我们仍有从格式上进一步简化的可能性。

我们先给出一个常见的 if 语句，并且假定 {不可以换行。

if (foo == 0) {
    ......
} else if (foo == 1) {
    ......
} else if (foo == 2) {
    ......
} else {
    ......
}

去掉()似乎不会影响什么，我们先去掉它。

if foo == 0 {
    ......
} else if foo == 1 {
    ......
} else if foo == 2 {
    ......
} else {
    ......
}

我们假定 else if也不可以换行，必须跟在}后面。有了这个约束，我们就可以省略 else if。

if foo == 0 {
    ......
} foo == 1 {
    ......
} foo == 2 {
    ......
} else {
    ......
}

同样的道理，else其实也可以不需要，我们可以使用_来替换它。

if foo == 0 {
    ......
} foo == 1 {
    ......
} foo == 2 {
    ......
} _ {
    ......
}

现在只剩下一个if了，我们用?来表示可选择性，替换掉它。

? foo == 0 {
    ......
} foo == 1 {
    ......
} foo == 2 {
    ......
} _ {
    ......
}

现在我们完成了选择结构的基本形态，通过强制规范来压缩更多代码。

对于 switch，与if最大的区别是一个是对单值的匹配，一个是不同值的匹配。所以很显然我们可以在现在的基础上增加语法适配，这里使用[]来表示对单个目标的匹配。

? [foo] 0 {
    ......
} 1 {
    ......
} 2 {
    ......
} _ {
    ......
}

这样我们就得到了两种基础的选择结构。

循环结构

现有的循环结构一般包含 Foreach 、For 三段式、While 三种，我们一样可以从格式上进一步简化。

先给出最简单的例子：

for (let i in foo) {
    ......
}

省略掉作用不大的()。

for let i in foo {
    ......
}

let和in都是为了定义从集合里获取的对象，我们可以改成前面的定义语法。

for i := foo {
    ......
}

现在也只剩for这个关键字了，键盘上可用的符号也不多，我这里取了@替换掉它。

@ i := foo {
    ......
}

这样我们就得到了循环结构的基本形态。

我们再来看看传统的三段式结构：

for (i := 0; i < 10; i++) {
		......
}

这种结构形式比较复杂，不少新语言都放弃了这种写法，而使用区间运算符代替，大部分形式为 begin .. end 。

我们最常使用的区间包含递增左闭右开，递增全闭，递减左闭右开，递增全闭四种。

因此只需要组合四种形式的区间运算符就足够我们使用了，以下按顺序给出。

begin ..< end
begin .. end

begin ..> end
begin ... end

现在我们可以使用区间运算符来实现大部分三段式的需求。

@ i := 0 ..< 10 {
    ......
}

最后直接传入一个表达式，就能满足 While 的需求。

@ foo < bar {
    ......
}

对象模版

类型是我们描述对象的数据和行为的一种方式，我们既可以用它充当构造数据的模版，也应该能把它视为描述行为的接口。

这样我们就可以将它作为静态的鸭子类型使用，同时承载了数据、行为以及约束的能力。

假定我们将它称为 class：

foo := class {
    label := "I am Label"
    show := (->) {
        print(label)
    }
}

foo 同时包含了字段及函数，它们能被一致的使用。

我们可以将唯一的关键字class去掉，替换为另一个经常用来表示模版的$。

foo := $ {
    label := "I am Label"
    show := (->) {
        print(label)
    }
}

然后 foo 就能被视为 type，我们可以一致地构建了。

a := foo{}
a.show()

基于鸭子类型的特性，我们可以定义一个 shower 的接口，去使用 foo 的行为。

shower := $ {
    show: (->)
}

useShower := (s: shower->) {
    s.show()
}

useShower(a)

因为 foo 具备了 show 方法，它就能被视为 shower 自然的使用。

我们再引入一个语法，在对象模版内引入一个类型，就会自动隐含它所有的东西，这样很便利复用代码。

例如 reader 包含 shower，就包含了它的 show：

reader := $ {
    shower
    read: (->v: string)
}

那么我们也可以让 bar 包含 foo，就包含了 label 和 show 。

bar := $ {
    foo

    read := (->v: string) {
        <- label
    }
}

这时我们就能将 bar 视为 reader 使用了。

useReader := (r: reader->) {
    r.show()
    print(r.read())
}

b := bar{}
useReader(b)

最后

欢迎 star https://github.com/kulics-works/feel

Feel 语言目前还处于实验阶段，不具备生产条件，部分设计可能会随着 llvm 端的推进而改变，欢迎讨论邮件(kulics@outlook.com)或 issue 讨论。

再贴一段 leetcode#16 的代码供参考

threeSumClosest := (nums: [list int], target: int->v: int) {
    length := nums.len
    nums.sort()
    !closs := nums[0]+nums[1]+nums[2]
    @ i := 0 ..< length {
        l, r := i+1, length-1
        @ l < r {
            sum := nums[i]+nums[l]+nums[r]
            ? abs(sum-target) < abs(closs-target) {
                closs = sum
            } sum > target {
                r -= 1
            } _ {
                l += 1
            }
        }
    }
    <- closs
}
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43 条回复
qdwang
2020-07-19 07:15:56 +08:00
按照你的几点要求，直接用 lambda calculus 就行了……
nonduality
2020-07-19 10:29:00 +08:00
“Readability counts.” – The Zen of Python

一门语言设计得符号满天飞，可读性都不考虑了吗？这语言还是拿来自娱自乐吧。
Acoolda
2020-07-19 11:07:27 +08:00
虽然我没设计过语言的学问，但是我想问问，你这个语言解决了什么业界痛点吗？你这大多是跟一些关键字较劲，大可不必用反直觉的方式去设计语言吧，该常用的关键字，还是常用关键字。go 语言并发让人印象深刻，C 类语言性能强劲，系统级语言，Python 易学易用，Java 约束性强，工业软件开发稳。基本每种就行语言都有特点，解决部分问题。就目前来说，这个新语言，没啥好的特性(如果你认为语法上标新立异算的话)语法太标新立异最大问题就是，老一辈的程序员没人愿意去尝试，新人难入门，基本判了死刑了。不过如果是玩玩，那还挺可以的。
waruqi
2020-07-19 11:08:59 +08:00
写的代码以后只能凭第六感猜了 果然很 feel
Comdex
2020-07-19 13:07:57 +08:00
这样追求一致性反而降低了可读性，增加了输入难度，编程语言的发展个人认为方向是应该趋向于接近人类自然语言吧。。。
leer
2020-07-19 13:09:36 +08:00
几个点都挺有意思的，就是完全去关键字化，符号化，提高了入门门槛和增加了思维转换成本。
函数那部分挺有意思的。
jsteward
2020-07-19 13:12:47 +08:00
語法是一門程序設計語言裡最無關緊要的部分了吧，類型系統，代碼生成，研究啥不比研究語法有意思。。搞語法搞到最後就是寫了套 BNF 而已，還不如 Lisp 讓程序員直接寫 AST
Licsber
2020-07-19 13:24:46 +08:00
英文编程 X
中文编程 X
符号编程 √
maoxs2
2020-07-19 13:57:48 +08:00
我现在对语言要求也不高，能像 rust 那样轻轻松松编个干净的 wasm 我就来用，帮做基建都没问题
nonduality
2020-07-19 16:29:34 +08:00
我忽然觉得，有必要建一个页面：Programming Language Cemetery （编程语言坟场），把过去曾有人发明的各种死掉的小众语言弄到一起，方便大家有空去静静凭吊下多少无聊的、空虚的、雄心壮志的、自以为是的人搞出的一堆废物。
cyspy
2020-07-19 20:51:37 +08:00
就这几门语言视野还是太窄了点，至少把 scala/haskell/clojure/racket/typed racket/python/rust/lua 这几种风格都过一遍吧
maemolee
2020-07-19 22:43:01 +08:00
过多的符号会导致理解成本的提高，和歧义的降低。
看着你的语言，我想起了我大一挂掉的两门高数课。
sunzhenyucn
2020-07-20 04:40:04 +08:00
@centreon #30 臣附议！
sunzhenyucn
2020-07-20 04:40:39 +08:00
看到后面的 example 我傻了，得道成仙光靠鬼画符是不行滴
aoxig
2020-07-20 21:16:33 +08:00
个人兴趣做一做是可以的，新的语言一般是迎合市场痛点，然后有大公司率先使用才能热起来
Kulics
2020-07-20 22:07:07 +08:00
@aoxig 研究语言是个本身就有意思的事情，Feel 显然不是那种为了迎合市场做出来的。
Kulics
2020-07-20 22:10:20 +08:00
@maemolee 我在其它地方探讨过，除了自然语言化的 PL，数学化的 PL 也会有另一种可能性，所以 Feel 也不是为了降低入门门槛设计的，实际上很复杂，但是好玩。
Kulics
2020-07-20 22:12:25 +08:00
@cyspy 过了 2/3，我没有觉得应该提这些。
Kulics
2020-07-20 22:13:07 +08:00
@Licsber 意识流编程 √
Kulics
2020-07-20 22:30:28 +08:00
@leer 有点类似数学，有入门门槛，学会了 1+1 之后就很少会写 一加一 。

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