最近一直在看红宝石(ruby)语言,到现在为止,算是对其设计有一些了解。作为一动态语言,ruby 经常会拿来与 python 对比,确实这两门语言在语法层面、实现层面有很多共同的地方,但是它们也在很多设计理念上存在重要差异,通过对比这些相同点、异同点,更加有助于理解这两门语言。同时,Node.js、React Native 的出现,将 javascript 这门“前端”语言推向了全栈,同样作为一门动态语言,javascript 与 ruby、python 在很多概念上也存在很多相同点、异同点。

本篇文章着重从编程语言设计的角度进行阐述,希望对编程语言爱好者理解这三门语言有所帮助,做到融会贯通。


 js_python_ruby

讨论范围

Python、Ruby、Javascript(ECMAScript) 准确说是一种语言规范,规范可以有多种实现,这体现在不同的解释器上。

  • Python 的解释器主要有 CPython、IronPython、Jython、PyPy
  • Ruby 的解释器主要有 Ruby MRI(CRuby)、JRuby、MacRuby、IronRuby
  • Javascript 的解释器主要有 Chakra, SpiderMonkey, V8

本文主要讨论的是 CPython、CRuby,它们是其语言作者亲自设计的,也是应用场景最广的。
Javascript 在语言设计之初根本没考虑到其应用范围会如此之广,所以相比其他语言,它语言内置的功能要弱很多,ES6 的出现就是为了解决这个问题,本文所涉及的 javascript 运行在基于 V8 引擎的 Node.js 中,且具备 ES6 语法。

语言定义

首先看一下 wikipedia 上对这三门语言的定义:

  • Python is a widely used high-level, general-purpose, interpreted, dynamic programming language
  • Ruby is a dynamic, reflective, object-oriented, general-purpose programming language.
  • JavaScript is a high-level, dynamic, untyped, and interpreted programming language.

其实上面标红的关键字对于这三门语言来说都适用,只是每个语言的强调点不一样而已。

通常会称这三门语言为动态语言,支持函数式面向对象两种编程范式,这两点其实是最重要的。

设计理念

既轻量又强大是大多数动态语言相通的设计理念,关于 javascript 设计理念更多的介绍可以参考我的这篇文章介绍。至于 Python 与 Ruby 设计理念的区别,一句话即可概括:

  • Python: 一件事情只有一种方法做
  • Ruby: 一件事情有多种方法做

比如,Python 中 Tuple, Array, String 没有相应获取大小的方法,而是提供了统一的len来解决这个问题

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>>> len([1,2])
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>>> len("hello world")
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>>> len((1,2))
2

至于 Ruby 的一件事情有多种方法做的理念,后面我在讲解 lambda 与字符串拼接时再介绍。

语法

如果你之前没接触过 ruby、python 的语法,推荐先去了解下:

javascript 实在是太简单了,就不用特别看了。

综合来说,python、javascript 还是比较中规中矩的,即使 ES6 里面加了很多花哨的语法糖衣,但是也比较直观,但是 ruby 这个语言就比较变态了,各种符号,像class Son < Father表示类的基础,"hello" << " world"表示字符串的拼接,@var表示对象的成员变量,@@var表示类的成员变量,$var表示全局变量。

而且在 ruby 中,方法调用时的括号可有可无,即使有参数也可以省略:

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> def add(a, b)
> a + b
> end
>
> add 1, 2
=> 3

如果你对 Scheme 熟悉,上面的代码还能像下面这么写,是不是很亲切

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> (def add a, b
> a + b
> end)
> (add 1, 2)
=> 3

这也就是充分说明,括号在 ruby 中只是起到了“分割”的作用,并没有什么语法含义。

面向对象

面向对象主要的核心是用对象来达到数据封装的目的。

  • javascript 基于原型链实现面向对象,更详细的介绍可以参考《javascript中的面向对象编程》
  • python、ruby 基于类来实现面向对象,和 java 类似,但是更纯粹些。
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$ python
>>> def func(): return 1
>>> type(func)
<type 'function'>
>>> func2 = lambda x: x
>>> type(func2)
<type 'function'>
>>> type(1)
<type 'int'>
>>> dir(1)
['__abs__', '__add__', .....]
#--------------------------------------------------#
$ irb
> def add(a, b)
> a + b
> end
> method(:add)
=> #<Method: Object#add>
# 上面 ruby 的例子中,使用了 Symbol 来表示 add 方法,这是由于 ruby 中直接写 add 表示函数调用
> 1.methods
=> [:%, :&, :*, :+, :-, :/, .....]

可以看到,在 python、ruby 中,像1这样的数字字面量也是对象。

lambda 表达式

lambda 表达式表示的是匿名函数。由于在这三门语言中,函数均是一等成员,所以可以很方便的进行函数式编程

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$ node
> [1,2,3].map((x) => x + 1)
[ 2, 3, 4 ]
#--------------------------------------------------#
$ python
>>> map(lambda x: x+1, [1,2,3])
[2, 3, 4]
#--------------------------------------------------#
$ irb
> [1,2,3].map &(lambda {|x| x+1})
=> [2, 3, 4]

Python 的 lambda 表达式是这三者中最弱的一个,只能包含一个表达式,javascript 与 ruby 的则没有这种限制。

细心的读者会发现上面 ruby 版本的 lambda 前有个&,这是必须的,否则会报下面的错误

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ArgumentError: wrong number of arguments (given 1, expected 0)

这是因为在 ruby 中,方法除了接受参数外,还可以接受一个代码块(block),代码块在 ruby 中有两种写法:

  • 一行的话用{}
  • 多行的话用do ... end
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    > [1,2,3].each { |num| print "#{num}! " }
    1! 2! 3!
    =>[1,2,3]
    > [1,2,3].each do |num|
    > print "#{num}!"
    > end
    1! 2! 3!
    =>[1,2,3] # Identical to the first case.

& 的作用是告诉解释器,现在传入的不是正常的参数,而是一个代码块。这个传入的代码块在方法内通过yield进行调用。这里可以做个演示:

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class Array
def my_each
i = 0
while i < self.size
yield(self[i])
i+=1
end
self
end
end
> [1,2,3].my_each { |num| print "#{num}!" }
1! 2! 3!
=> [1,2,3]

Ruby 中 lambda 表达式属于 Proc 类型

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> lambda {|x| x}.class
=> Proc

这里可以看到,只是对于闭包的支持,Ruby 就提供了多种方案。更多可以参考:

yield

就像上面说的,ruby 中 yield 就是表示代码块的调用,没有其他含义。而在 python 与 javascript yield 是用来构造生成器(generator)的,都是用来控制程序运行流程,相当于用户态的“线程”:

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$ python
def iter():
for x in xrange(10):
yield x
foo = iter()
print next(foo)
print next(foo)
#--------------------------------------------------#
$ node
function* iter() {
for (var i = 0; i < 10; i++)
yield i
}
var foo = iter()
console.log(foo.next().value)
console.log(foo.next().value)

上面两份代码都依次打印出0, 1

关于生成器的更多资料,可以参考:

在 ruby 中,与生成器对应的概念是 Fiber,例如:

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iter = Fiber.new do
(0..10).each do |x|
Fiber.yield x
end
end
puts iter.resume
puts iter.resume

上面的代码也依次打印出0, 1

关于生成器与 Fiber 的关系,可以参考:

其实,生成器、Fiber 以及相关概念背后的理论基础是 continuation,continuation 的应用场景非常广泛,各种编程语言中的异常处理也是基于它来实现的。鉴于这个话题比较大,这里不再展开叙述,感兴趣的读者可以参考这篇文章,后面我也会单独再写一篇文章进行介绍。
这里仅仅给出 continuation 的一个简单示例以飨读者:

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; Scheme 语言中没有 return 语句,利用 continuation 可以模拟 return
(define (f return)
(return 2)
3)
(display (f (lambda (x) x))) ; displays 3
(display (call-with-current-continuation f)) ; displays 2

关于这里例子详细的解释可以参考WIKI Call-with-current-continuation

字符串

immutable vs mutable

字符串作为对字符的一种抽象,实现时有两种选择:可变的与不可变的。这两种实现的优缺点如下:

  • 可变的字符串,这意味着对字符串进行修改、追加等操作时可在原有字符串基础上直接操作,比较节省空间。但是可变的特点会导致如下几个问题:

    • 相等性(equality)。如果一个对象是可变的,我们应该如何判断两个对象是相等的呢?这里还有个容易混淆的概念:同一性(identity),同一性是指两个变量指向同一个对象,相等性指两个变量指向不同的两个对象,但这两个对象的值是一样的。
      string_identity_equal

    • 并发性(concurrence)。在多线程的环境中,需要对可变对象进行各种复杂的锁机制来保障其正确性。

  • 不可变字符串没有上面的两个问题,但是不可变字符串在进行修改时由于会新生成一个对象,所以会比较消耗空间,所以这采用不可变字符串实现的语言一般都会提供一个具备 buffer 的字符串构造对象来生成字符串,像 Java 中的 StringBuffer,Python 中的 StringIO

Ruby 中字符串是可变的,但是 Ruby 中提供了不可变字符串的替代品 Symbol,而且 Ruby 2.3 也提供了--enable-frozen-string-literal 选项用以声明字符串是不可变的。具体可参考:

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$ irb
> "a".equal? "a" # equals?--- identity comparison
=> false
> "a".eql? "a" # eql? --- hash equality
=> true
> "a" == "a" # == --- generic "equality"
=> true
> str = "hello"
=> "hello"
> str.__id__
=> 70099860517540
> "hello".__id__
=> 70099856137920
> str << " world"
=> "hello world"
> str.__id__
=> 70099860517540 # 与之前的 id 一样,说明 str 所指向的对象没变
> str = "hello"
=> "hello"
> str.__id__
=> 70099860630880
> str += " world"
=> "hello world"
> str.__id__
=> 70099856250160 # 与之前的 id 不一样,说明 += 在进行字符串拼接时,会生成一新对象

Python、Javascript 中字符串都是不可变的。

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$ python
>>> str = "hello world"
>>> str2 = str.replace("o", "oo")
>>> str
'hello world'
>>> str2
'helloo woorld'
$ node
> str = "hello world"
'hello world'
> str2 = str.replace("o", "oo")
'helloo world'
> str
'hello world'
> str2
'helloo world'

拼接

大多数语言都可以直接通过+进行字符串的拼接,但是这样做既不优雅,效率也低,所以一些语言会有些替代方案。
Ruby 与 Python 中对这块的支持比较强大,ES6 中借鉴了以上两门语言的语法,引入了 template_string,这在极大程度上方便了字符串的拼接。

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$ node
> var a = 5;
> var b = 10;
> console.log(`Fifteen is ${a + b} and\nnot ${2 * a + b}.`);
// "Fifteen is 15 and
// not 20."
#--------------------------------------------------#
$ python
> long_string = """
> my name is {username},
> my age is {age}
> """.format(username="zhangsan", age=10)
#--------------------------------------------------#
$ irb
> long_string = """
> my name is %{username},
> my age is %{age}
> """ % {username: "zhangsan", age:10}

就是上面不可变字符串缺点中说的,对字符串进行追加时效率比较低,那么在 Python 与 Javascript 中进行大量字符串拼接时该采用什么方式呢?下面给出我的两组测试:

Python
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import time
try:
from StringIO import StringIO
except ImportError:
from io import StringIO # StringIO is in package io in python 3
try:
xrange
except NameError:
xrange = range # xrange is gone in python 3
def method1(loop_count):
start = time.time()
out_str = ''
for num in xrange(loop_count):
out_str += repr(num)
print("+= : %f seconds" % (time.time() - start))
return out_str
def method2(loop_count):
start = time.time()
str_list = []
for num in xrange(loop_count):
str_list.append(repr(num))
out_str = ''.join(str_list)
print("list + join : %f seconds" % (time.time() - start))
return out_str
def method3(loop_count):
start = time.time()
out_str = ''.join([repr(num) for num in xrange(loop_count)])
print("list comprehension + join : %f seconds" % (time.time() - start))
return out_str
def method4(loop_count):
start = time.time()
file_str = StringIO()
for num in xrange(loop_count):
file_str.write(repr(num))
out_str = file_str.getvalue()
print("StringIO : %f seconds" % (time.time() - start))
return out_str
loop_count = 1000000
method1(loop_count)
method2(loop_count)
method3(loop_count)
method4(loop_count)

下面给出统计结果

python版本 += list + join list comprehension + join stringIO
2.7.6 0.181868 0.219901 0.194387 1.085162
3.5.0 0.330583 0.271803 0.229952 0.313573

从上面的比较可以看出,list comprehension + join 的方式时最快,而且写法也比较优雅的。

Javascript
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function method1(loop_count) {
var out_str = "";
var start = Date.now()
for (i=0;i<loop_count;i++) {
out_str += i;
}
console.log(`+= cost : ${Date.now() - start} ms`);
return out_str;
}
function method2(loop_count) {
var arr = []
var start = Date.now()
for (i=0;i<loop_count;i++) {
arr.push(i);
}
var out_str = arr.join("");
console.log(`arr + join cost : ${Date.now() - start} ms`);
return out_str;
}
function method3(loop_count) {
var out_str = "";
var start = Date.now()
for (i=0;i<loop_count;i++) {
out_str.concat(i);
}
console.log(`str.concat cost: ${Date.now() - start} ms`);
return out_str;
}
var loop_count = 1000000;
method1(loop_count)
method2(loop_count)
method3(loop_count)
+= arr + join str.concat
耗时(单位:ms) 199 230 126

上面的测试结果使用 Node v5.9.1 测试出来的,从结果来看,str.concat 是速度最快的。

查看值类型

动态语言最主要的特点就是变量无类型,利用反射机制可以查看运行时变量的值的类型

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$ node
> str = "hello world"
> typeof str
'string'
#------------------------------#
$ irb
> str = "hello world"
> str.class
String
#------------------------------#
$ python
> str = "hello world"
> type(str)
<type 'str'>

包管理

  • Python,PyPI,多版本兼容推荐使用 virtualenv 管理
  • Ruby, GEMS,多版本兼容,推荐使用 rvm + bundler 管理
  • Node.js,由于 Node.js 出现较晚,它避免了Python、Ruby 包全局污染的问题,而是选择将第三份模块安装在项目内的node_modules文件夹内

总结

经过上面简短的介绍,我相信大家对这三门语言有了全面的理解,多了解一门语言,也就是多个解决问题的思路。

个人感觉,Python、Javascript 的语法比较中规中矩,适合大部分程序员学习。Ruby 更适合 geek 去学,因为它的很多奇特语法会让你思考语言的设计细节,而不仅仅是使用这么简单。

最近我在看Ruby元编程,里面的很多内容就很有意思,一些内容在看 SICP 时就已经遇到,这种似曾相识的感觉很棒,我相信对编程语言的了解又加深了一步。谢谢 Yukihiro Matsumoto大叔,带给我们 ruby 这么美妙的语言。

参考