Go/Python/Erlang編程語言對比分析及示例

本文主要是介紹Go，從語言對比分析的角度切入。之因此選擇與Python、Erlang對比，是由於作爲高級語言，它們語言特性上有較大的類似性，不過最主要的緣由是這幾個我比較熟悉。

Go的不少語言特性借鑑與它的三個祖先：C，Pascal和CSP。Go的語法、數據類型、控制流等繼承於C，Go的包、面對對象等思想來源於Pascal分支，而Go最大的語言特點，基於管道通訊的協程併發模型，則借鑑於CSP分支。

 

Go/Python/Erlang語言特性對比

 如《編程語言與範式》一文所說，無論語言如何層出不窮，全部語言的設計離不開2個基本面：控制流和數據類型。爲了提高語言描述能力，語言通常都提供控制抽象和數據抽象。本小節的語言特性對比也從這4個維度入手，詳見下圖（點擊見大圖）。

圖中咱們能夠看出，相比於Python的40個特性，Go只有31個，能夠說Go在語言設計上是至關剋制的。好比，它沒有隱式的數值轉換，沒有構造函數和析構函數，沒有運算符重載，沒有默認參數，也沒有繼承，沒有泛型，沒有異常，沒有宏，沒有函數修飾，更沒有線程局部存儲。

可是Go的特色也很鮮明，好比，它擁有協程、自動垃圾回收、包管理系統、一等公民的函數、棧空間管理等。

Go做爲靜態類型語言，保證了Go在運行效率、內存用量、類型安全都要強於Python和Erlang。

Go的數據類型也更加豐富，除了支持表、字典等複雜的數據結構，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大，它提供了管理類型系統的手段。而指針類型提供了管理內存的手段，這讓Go進入底層軟件開發提供了強有力的支持。

Go在面對對象的特性支持上作了不少反思和取捨，它沒有類、虛函數、繼承、泛型等特性。Go語言中面向對象編程的核心是組合和方法(function)。組合很相似於C語言的struct結構體的組合方式，方法相似於Java的接口(Interface)，可是使用方法上與對象更加解耦，減小了對對象內部的侵入。Erlang則不支持面對對象編程範式，相比而言，Python對面對對象範式的支持最爲全面。

在函數式編程的特性支持上，Erlang做爲函數式語言，支持最爲全面。可是基本的函數式語言特性，如lambda、高階函數、curry等，三種語言都支持。

控制流的特性支持上，三種語言都差很少。Erlang支持尾遞歸優化，這給它在函數式編程上帶來便利。而Go在經過動態擴展協程棧的方式來支持深度遞歸調用。Python則在深度遞歸調用上常常被爆棧。

Go和Erlang的併發模型都來源於CSP，可是Erlang是基於actor和消息傳遞（mailbox）的併發實現，Go是基於goroutine和管道（channel）的併發實現。無論Erlang的actor仍是Go的goroutine，都知足協程的特色：由編程語言實現和調度，切換在用戶態完成，建立銷燬開銷很小。至於Python，其多線程的切換和調度是基於操做系統實現，並且由於GIL的大坑級存在，沒法真正作到並行。

並且從筆者的併發編程體驗上看，Erlang的函數式編程語法風格和其OTP behavior框架提供的晦澀的回調（callback）使用方法，對大部分的程序員，如C/C++和Java出身的程序員來講，有必定的入門門檻和挑戰。而被稱爲「互聯網時代的C」的Go，其類C的語法和控制流，以及面對對象的編程範式，編程體驗則好不少。

 

Go/Python/Erlang語言語法對比

全部的語言特性都須要有形式化的表示方式，Go、Python、Erlang三種語言語法的詳細對好比下（點擊見完整大圖第一部分，第二部分，第三部分）。這裏（連接）有一個詳細的Go 與 C 的語法對比，這也是我沒有作Go vs. C對比的一個緣由。

正如Go語言的設計者之一Rob Pike所說，「軟件的複雜性是乘法級相關的」。這充分體如今語言關鍵詞（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語言將數據類型分爲四類：基礎類型、複合類型、引用類型和接口類型。基礎類型包括：整型、浮點型、複數、字符串和布爾型。複合數據類型有數組和結構體。引用類型包括指針、切片、字典、函數、通道。其餘數據類型，如原子（atom）、比特（binary）、元組（tuple）、集合（set）、記錄（record），Go則沒有支持。

Go對C語言的不少語法特性作了改良，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、增長一些缺乏的特性。」，好比，switch/case的case子程序段默認break跳出，case語句支持數值範圍、條件判斷語句；全部類型默認初始化爲0，沒有未初始化變量；把類型放在變量後面的聲明語法（連接），使複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 *，提升類型系統能力等等。

Go對函數，方法，接口作了清晰的區分。與Erlang相似，Go的函數做爲第一公民。函數可讓咱們將一個語句序列打包爲一個單元，而後能夠從程序中其它地方屢次調用。函數和方法的區別是指有沒有接收器，而不像其餘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{}表示能夠接收任意類型。接口的這2中使用方式，用面對對象編程範式來類比的話，能夠類比於subtype polymorphism(子類型多態)和ad hoc polymorphism(非參數多態)。

從圖中示例能夠看出，Go的goroutine就是一個函數，以及在堆上爲其分配的一個堆棧。因此其系統開銷很小，能夠輕鬆的建立上萬個goroutine，而且它們並非被操做系統所調度執行。goroutine只能使用channel來發送給指定的goroutine請求來查詢更新變量。這也就是Go的口頭禪「不要使用共享數據來通訊，使用通訊來共享數據」。channel支持容量限制和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好比下（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，並且符號複用的狀況也較多。相對來講，Python最少，只有31個。

Go語言在詞法和代碼格式上採起了很強硬的態度。Go語言只有一種控制可見性的手段：大寫首字母的標識符會從定義它們的包中被導出，小寫字母的則不會。這種限制包內成員的方式一樣適用於struct或者一個類型的方法。

在文件命名上，Go也有必定的規範要求，如以_test.go爲後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爲函數名前綴的函數是測試函數，用於測試程序的一些邏輯行爲是否正確；以Benchmark爲函數名前綴的函數是基準測試函數，它們用於衡量一些函數的性能。

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

 

 

TDD Go編程示例

本小節以TDD方式4次重構開發一個斐波那契算法的方式，來簡單展現Go的特性、語法和使用方式，如Go的單元測試技術，併發編程、匿名函數、閉包等。

首先，看一下TDD最終造成的單元測試文件：

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)
		}
	}

}

 

基於遞歸的實現方案：

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

}

測試結果：

crbsp@fib$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 9.705s

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

基於goroutine實現的併發方案：

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

基於迭代的實現方案：

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

基於閉包的實現方案：

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
}

測試結果：

crbsp@fib$ time go test
PASS
ok _/home/crbsp/alex/go/fib 0.002s

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

 

--完--