Swift 語言的設計錯誤[轉]

http://www.yinwang.org/blog-cn/2016/06/06/swift

在『編程的智慧』一文中，我分析和確定了 Swift 語言的 optional type 設計，但這並不等於 Swift 語言的總體設計是完美沒有問題的。其實 Swift 1.0 剛出來的時候，我就發現它的 array 可變性設計存在嚴重的錯誤。Swift 2.0 修正了這個問題，然而他們的修正方法卻沒有擊中要害，因此致使了其它的問題。這個錯誤一直延續到今天。

Swift 1.0 試圖利用 var 和 let 的區別來指定 array 成員的可變性，然而其實 var 和 let 只能指定 array reference 的可變性，而不能指定 array 成員的可變性。舉個例子，Swift 1.0 試圖實現這樣的語義：

var shoppingList = ["Eggs", "Milk"]

// 能夠對 array 成員賦值
shoppingList[0] = "Salad"
let shoppingList = ["Eggs", "Milk"]

// 不能對 array 成員賦值，報錯
shoppingList[0] = "Salad"

這是錯誤的。在 Swift 1.0 裏面，array 像其它的 object 同樣，是一種「reference type」。爲了理解這個問題，你應該清晰地區分 array reference 和 array 成員的區別。在這個例子裏，shoppingList 是一個 array reference，而 shoppingList[0] 是訪問一個 array 成員，這二者有着很是大的不一樣。

var 和 let 原本是用於指定 shoppingList 這個 reference 是否可變，也就是決定 shoppingList 是否能夠指向另外一個 array 對象。正確的用法應該是這樣：

var shoppingList = ["Eggs", "Milk"]

// 能夠對 array reference 賦值
shoppingList = ["Salad", "Noodles"]

// 能夠對 array 成員賦值
shoppingList[0] = "Salad"
let shoppingList = ["Eggs", "Milk"]

// 不能對 array reference 賦值，報錯
shoppingList = ["Salad", "Noodles"]

// let 不能限制對 array 成員賦值，不報錯
shoppingList[0] = "Salad"

也就是說你能夠用 var 和 let 來限制 shoppingList 這個 reference 的可變性，而不能用來限制 shoppingList[0] 這樣的成員訪問的可變性。

var 和 let 一旦被用於指定 array reference 的可變性，就再也不能用於指定 array 成員的可變性。實際上 var 和 let 用於局部變量定義的時候，只能指定棧上數據的可變性。若是你理解 reference 是放在棧（stack）上的，而 Swift 1.0 的 array 是放在堆（heap）上的，就會明白array 成員（一種堆數據）可變性，必須用另外的方式來指定，而不能用 var 和 let。

不少古老的語言都已經看清楚了這個問題，它們明確的用兩種不一樣的方式來指定棧和堆數據的可變性。C++ 程序員都知道 int const * 和 int * const 的區別。Objective C 程序員都知道 NSArray 和 NSMutableArray 的區別。我不知道爲何 Swift 的設計者看不到這個問題，試圖用一樣的關鍵字（var 和 let）來指定棧和堆兩種不一樣位置數據的可變性。實際上，不可變數組和可變數組，應該使用兩種不一樣的類型來表示，就像 Objective C 的 NSArray 和 NSMutableArray 那樣，而不該該使用 var 和 let 來區分。

Swift 2.0 修正了這個問題，然而惋惜的是，它的修正方式是錯誤的。Swift 2.0 作出了一個離譜的改動，它把 array 從 reference type 變成了所謂 value type，也就是說把整個 array 放在棧上，而不是堆上。這貌似解決了以上的問題，因爲 array 成了 value type，那麼 shoppingList 就不是 reference，而表明整個 array 自己。因此在 array 是 value type 的狀況下，你確實能夠用 var 和 let 來決定它的成員是否可變。

let shoppingList = ["Eggs", "Milk"]

// 不能對 array 成員賦值，由於 shoppingList 是 value type
// 它表示整個 array 而不是一個指針
// 這個 array 的任何一部分都不可變
shoppingList[0] = "Salad"

這看似一個可行的解決方案，然而它卻沒有擊中要害。這是一種削足適履的作法，它帶來了另外的問題。把 array 做爲 value type，使得每一次對 array 變量的賦值或者參數傳遞，都必須進行拷貝。你無法讓兩個變量指向同一個 array，也就是說 array 再也不能被共享。好比：

var a = [1, 2, 3]

// a 的內容被拷貝給 b
// a 和 b 是兩個不一樣的 array，有相同的內容
var b = a

這違反了程序員對於數組這種大型結構的心理模型，他們再也不能清晰方便的對 array 進行思考。因爲 array 會被不經意的自動拷貝，很容易犯錯誤。數組拷貝須要大量時間，就算接收者不修改它也必須拷貝，因此效率上有很大影響。不能共享同一個 array，在裏面讀寫數據，是一個很大的功能缺失。因爲這個緣由，沒有任何其它現代語言（Java，C#，……）把 array 做爲 value type。

若是你看透了 value type 的實質，就會發現這整個概念的存在，在具備垃圾回收（GC）的現代語言裏，幾乎是沒有意義的。有些新語言好比 Swift 和 Rust，試圖利用 value type 來解決內存管理的效率問題，然而它帶來的性能提高實際上是微乎其微的，給程序員帶來的麻煩和困擾倒是有目共睹的。徹底使用 reference type 的語言（好比 Java，Scheme，Python），程序員不須要思考 value type 和 reference type 的區別，大大簡化和加速了編程的思惟過程。Java 不但有很是高效的 GC，還能夠利用 escape analysis 自動把某些堆數據放在棧上，程序員不須要思考就能夠達到 value type 帶來的那麼一點點性能提高。相比之下，Swift，Rust 和 C# 的 value type 製造的更可能是麻煩，而沒有帶來實在的性能優點。

Swift 1.0 犯下這種我一眼就看出來的低級錯誤，你也許從中發現了一個道理：編譯器專家並不等於程序語言專家。不少經驗老到的程序語言專家一看到 Swift 最初的 array 設計，就知道那是錯的。只要團隊裏有一個語言專家指出了這個問題，就不須要這樣反覆的修改折騰。爲何 Swift 直到 1.0 發佈都沒有發現這個問題，到了 2.0 修正卻仍然是錯的？我猜這是由於 Apple 並無聘請到合格的程序語言專家來進行 Swift 的設計，或者有合格的人，然而他們的建議卻沒有被領導採納。Swift 的首席設計師是 Chris Lattner，也就是 LLVM 的設計者。他是不錯的編譯器專家，然而在程序語言設計方面，恐怕只能算業餘水平。編譯器和程序語言，真的是兩個很是不一樣的領域。Apple 的領導們覺得好的編譯器做者就能設計出好的程序語言，以致於讓 Chris Lattner 作了總設計師。

Swift 團隊不像 Go 語言團隊徹底是隻知其一;不知其二的外行，他們在語言方面確實有必定的基礎，然而能夠看出來他們功力不夠深厚，略帶年輕人的自負，浮躁，盲目的創新和借鑑精神。有些設計並非出自深刻的看法，而只是「借鑑」其它語言的作法，因此可能犯下經驗豐富的語言專家根本不會犯的錯誤。第一次就應該作對的事情，卻須要通過屢次返工。以致於每出一個新的版本，就出現一些「不兼容改動」，致使老版本語言寫出來的代碼再也不能用。這個趨勢在 Swift 3.0 還要繼續。因爲 Apple 的統治地位，這種狀況對於 Swift 語言也許不是世界末日，然而它已經犯了語言設計的大忌。一個好的語言能夠缺乏一些特性，但它毫不應該加入錯誤的設計，致使往後出現不兼容的改變。我但願 Apple 可以早日招募到功力深厚的語言設計專家，虛心採納他們的建議。BTW，若是 Apple 支付足夠多的費用，我倒能夠考慮兼職作他們的語言設計顧問 ;-)