高能代码






systemctl 命令完全指南


Systemctl是一个systemd工具,主要负责控制systemd系统和服务管理器。

Systemd是一个系统管理守护进程、工具和库的集合,用于取代System V初始进程。Systemd的功能是用于集中管理和配置类UNIX系统。

在Linux生态系统中,Systemd被部署到了大多数的标准Linux发行版中,只有为数不多的几个发行版尚未部署。Systemd通常是所有其它守护进程的父进程,但并非总是如此。

使用Systemctl管理Linux服务

本文旨在阐明在运行systemd的系统上“如何控制系统和服务”。

Systemd初体验和Systemctl基础

1. 首先检查你的系统中是否安装有systemd并确定当前安装的版本

  1. # systemctl --version
  2. systemd 215
  3. +PAM +AUDIT +SELINUX +IMA +SYSVINIT +LIBCRYPTSETUP +GCRYPT +ACL +XZ -SECCOMP -APPARMOR

上例中很清楚地表明,我们安装了215版本的systemd。

2. 检查systemd和systemctl的二进制文件和库文件的安装位置

  1. # whereis systemd
  2. systemd: /usr/lib/systemd /etc/systemd /usr/share/systemd /usr/share/man/man1/systemd.1.gz
  3. # whereis systemctl
  4. systemctl: /usr/bin/systemctl /usr/share/man/man1/systemctl.1.gz

3. 检查systemd是否运行

  1. # ps -eaf | grep [s]ystemd
  2. root 1 0 0 16:27 ? 00:00:00 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 23
  3. root 444 1 0 16:27 ? 00:00:00 /usr/lib/systemd/systemd-journald
  4. root 469 1 0 16:27 ? 00:00:00 /usr/lib/systemd/systemd-udevd
  5. root 555 1 0 16:27 ? 00:00:00 /usr/lib/systemd/systemd-logind
  6. dbus 556 1 0 16:27 ? 00:00:00 /bin/dbus-daemon --system --address=systemd: --nofork --nopidfile --systemd-activation

注意:systemd是作为父进程(PID=1)运行的。在上面带(-e)参数的ps命令输出中,选择所有进程,(-a)选择除会话前导外的所有进程,并使用(-f)参数输出完整格式列表(即 -eaf)。

也请注意上例中后随的方括号和例子中剩余部分。方括号表达式是grep的字符类表达式的一部分。

4. 分析systemd启动进程

  1. # systemd-analyze
  2. Startup finished in 487ms (kernel) + 2.776s (initrd) + 20.229s (userspace) = 23.493s

5. 分析启动时各个进程花费的时间

  1. # systemd-analyze blame
  2. 8.565s mariadb.service
  3. 7.991s webmin.service
  4. 6.095s postfix.service
  5. 4.311s httpd.service
  6. 3.926s firewalld.service
  7. 3.780s kdump.service
  8. 3.238s tuned.service
  9. 1.712s network.service
  10. 1.394s lvm2-monitor.service
  11. 1.126s systemd-logind.service
  12. ....

6. 分析启动时的关键链

  1. # systemd-analyze critical-chain
  2. The time after the unit is active or started is printed after the "@" character.
  3. The time the unit takes to start is printed after the "+" character.
  4. multi-user.target @20.222s
  5. └─mariadb.service @11.657s +8.565s
  6. └─network.target @11.168s
  7. └─network.service @9.456s +1.712s
  8. └─NetworkManager.service @8.858s +596ms
  9. └─firewalld.service @4.931s +3.926s
  10. └─basic.target @4.916s
  11. └─sockets.target @4.916s
  12. └─dbus.socket @4.916s
  13. └─sysinit.target @4.905s
  14. └─systemd-update-utmp.service @4.864s +39ms
  15. └─auditd.service @4.563s +301ms
  16. └─systemd-tmpfiles-setup.service @4.485s +69ms
  17. └─rhel-import-state.service @4.342s +142ms
  18. └─local-fs.target @4.324s
  19. └─boot.mount @4.286s +31ms
  20. └─systemd-fsck@dev-disk-by\x2duuid-79f594ad\x2da332\x2d4730\x2dbb5f\x2d85d19608096
  21. └─dev-disk-by\x2duuid-79f594ad\x2da332\x2d4730\x2dbb5f\x2d85d196080964.device @4

重要:Systemctl接受服务(.service),挂载点(.mount),套接口(.socket)和设备(.device)作为单元。

7. 列出所有可用单元

  1. # systemctl list-unit-files
  2. UNIT FILE STATE
  3. proc-sys-fs-binfmt_misc.automount static
  4. dev-hugepages.mount static
  5. dev-mqueue.mount static
  6. proc-sys-fs-binfmt_misc.mount static
  7. sys-fs-fuse-connections.mount static
  8. sys-kernel-config.mount static
  9. sys-kernel-debug.mount static
  10. tmp.mount disabled
  11. brandbot.path disabled
  12. .....

8. 列出所有运行中单元

  1. # systemctl list-units
  2. UNIT LOAD ACTIVE SUB DESCRIPTION
  3. proc-sys-fs-binfmt_misc.automount loaded active waiting Arbitrary Executable File Formats File Syste
  4. sys-devices-pc...0-1:0:0:0-block-sr0.device loaded active plugged VBOX_CD-ROM
  5. sys-devices-pc...:00:03.0-net-enp0s3.device loaded active plugged PRO/1000 MT Desktop Adapter
  6. sys-devices-pc...00:05.0-sound-card0.device loaded active plugged 82801AA AC'97 Audio Controller
  7. sys-devices-pc...:0:0-block-sda-sda1.device loaded active plugged VBOX_HARDDISK
  8. sys-devices-pc...:0:0-block-sda-sda2.device loaded active plugged LVM PV Qzyo3l-qYaL-uRUa-Cjuk-pljo-qKtX-VgBQ8
  9. sys-devices-pc...0-2:0:0:0-block-sda.device loaded active plugged VBOX_HARDDISK
  10. sys-devices-pl...erial8250-tty-ttyS0.device loaded active plugged /sys/devices/platform/serial8250/tty/ttyS0
  11. sys-devices-pl...erial8250-tty-ttyS1.device loaded active plugged /sys/devices/platform/serial8250/tty/ttyS1
  12. sys-devices-pl...erial8250-tty-ttyS2.device loaded active plugged /sys/devices/platform/serial8250/tty/ttyS2
  13. sys-devices-pl...erial8250-tty-ttyS3.device loaded active plugged /sys/devices/platform/serial8250/tty/ttyS3
  14. sys-devices-virtual-block-dm\x2d0.device loaded active plugged /sys/devices/virtual/block/dm-0
  15. sys-devices-virtual-block-dm\x2d1.device loaded active plugged /sys/devices/virtual/block/dm-1
  16. sys-module-configfs.device loaded active plugged /sys/module/configfs
  17. ...

9. 列出所有失败单元

  1. # systemctl --failed
  2. UNIT LOAD ACTIVE SUB DESCRIPTION
  3. kdump.service loaded failed failed Crash recovery kernel arming
  4. LOAD = Reflects whether the unit definition was properly loaded.
  5. ACTIVE = The high-level unit activation state, i.e. generalization of SUB.
  6. SUB = The low-level unit activation state, values depend on unit type.
  7. 1 loaded units listed. Pass --all to see loaded but inactive units, too.
  8. To show all installed unit files use 'systemctl list-unit-files'.

10. 检查某个单元(如 cron.service)是否启用

  1. # systemctl is-enabled crond.service
  2. enabled

11. 检查某个单元或服务是否运行

  1. # systemctl status firewalld.service
  2. firewalld.service - firewalld - dynamic firewall daemon
  3. Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/firewalld.service; enabled)
  4. Active: active (running) since Tue 2015-04-28 16:27:55 IST; 34min ago
  5. Main PID: 549 (firewalld)
  6. CGroup: /system.slice/firewalld.service
  7. └─549 /usr/bin/python -Es /usr/sbin/firewalld --nofork --nopid
  8. Apr 28 16:27:51 tecmint systemd[1]: Starting firewalld - dynamic firewall daemon...
  9. Apr 28 16:27:55 tecmint systemd[1]: Started firewalld - dynamic firewall daemon.

使用Systemctl控制并管理服务

12. 列出所有服务(包括启用的和禁用的)

  1. # systemctl list-unit-files --type=service
  2. UNIT FILE STATE
  3. arp-ethers.service disabled
  4. auditd.service enabled
  5. autovt@.service disabled
  6. blk-availability.service disabled
  7. brandbot.service static
  8. collectd.service disabled
  9. console-getty.service disabled
  10. console-shell.service disabled
  11. cpupower.service disabled
  12. crond.service enabled
  13. dbus-org.fedoraproject.FirewallD1.service enabled
  14. ....

13. Linux中如何启动、重启、停止、重载服务以及检查服务(如 httpd.service)状态

  1. # systemctl start httpd.service
  2. # systemctl restart httpd.service
  3. # systemctl stop httpd.service
  4. # systemctl reload httpd.service
  5. # systemctl status httpd.service
  6. httpd.service - The Apache HTTP Server
  7. Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/httpd.service; enabled)
  8. Active: active (running) since Tue 2015-04-28 17:21:30 IST; 6s ago
  9. Process: 2876 ExecStop=/bin/kill -WINCH ${MAINPID} (code=exited, status=0/SUCCESS)
  10. Main PID: 2881 (httpd)
  11. Status: "Processing requests..."
  12. CGroup: /system.slice/httpd.service
  13. ├─2881 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  14. ├─2884 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  15. ├─2885 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  16. ├─2886 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  17. ├─2887 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  18. └─2888 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  19. Apr 28 17:21:30 tecmint systemd[1]: Starting The Apache HTTP Server...
  20. Apr 28 17:21:30 tecmint httpd[2881]: AH00558: httpd: Could not reliably determine the server's fully q...ssage
  21. Apr 28 17:21:30 tecmint systemd[1]: Started The Apache HTTP Server.
  22. Hint: Some lines were ellipsized, use -l to show in full.

注意:当我们使用systemctl的start,restart,stop和reload命令时,我们不会从终端获取到任何输出内容,只有status命令可以打印输出。

14. 如何激活服务并在启动时启用或禁用服务(即系统启动时自动启动服务)

  1. # systemctl is-active httpd.service
  2. # systemctl enable httpd.service
  3. # systemctl disable httpd.service

15. 如何屏蔽(让它不能启动)或显示服务(如 httpd.service)

  1. # systemctl mask httpd.service
  2. ln -s '/dev/null' '/etc/systemd/system/httpd.service'
  3. # systemctl unmask httpd.service
  4. rm '/etc/systemd/system/httpd.service'

16. 使用systemctl命令杀死服务

  1. # systemctl kill httpd
  2. # systemctl status httpd
  3. httpd.service - The Apache HTTP Server
  4. Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/httpd.service; enabled)
  5. Active: failed (Result: exit-code) since Tue 2015-04-28 18:01:42 IST; 28min ago
  6. Main PID: 2881 (code=exited, status=0/SUCCESS)
  7. Status: "Total requests: 0; Current requests/sec: 0; Current traffic: 0 B/sec"
  8. Apr 28 17:37:29 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  9. Apr 28 17:37:29 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  10. Apr 28 17:37:39 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  11. Apr 28 17:37:39 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  12. Apr 28 17:37:49 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  13. Apr 28 17:37:49 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  14. Apr 28 17:37:59 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  15. Apr 28 17:37:59 tecmint systemd[1]: httpd.service: Got notification message from PID 2881, but recepti...bled.
  16. Apr 28 18:01:42 tecmint systemd[1]: httpd.service: control process exited, code=exited status=226
  17. Apr 28 18:01:42 tecmint systemd[1]: Unit httpd.service entered failed state.
  18. Hint: Some lines were ellipsized, use -l to show in full.

使用Systemctl控制并管理挂载点

17. 列出所有系统挂载点

  1. # systemctl list-unit-files --type=mount
  2. UNIT FILE STATE
  3. dev-hugepages.mount static
  4. dev-mqueue.mount static
  5. proc-sys-fs-binfmt_misc.mount static
  6. sys-fs-fuse-connections.mount static
  7. sys-kernel-config.mount static
  8. sys-kernel-debug.mount static
  9. tmp.mount disabled

18. 挂载、卸载、重新挂载、重载系统挂载点并检查系统中挂载点状态

  1. # systemctl start tmp.mount
  2. # systemctl stop tmp.mount
  3. # systemctl restart tmp.mount
  4. # systemctl reload tmp.mount
  5. # systemctl status tmp.mount
  6. tmp.mount - Temporary Directory
  7. Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/tmp.mount; disabled)
  8. Active: active (mounted) since Tue 2015-04-28 17:46:06 IST; 2min 48s ago
  9. Where: /tmp
  10. What: tmpfs
  11. Docs: man:hier(7)
  12. http://www.freedesktop.org/wiki/Software/systemd/APIFileSystems
  13. Process: 3908 ExecMount=/bin/mount tmpfs /tmp -t tmpfs -o mode=1777,strictatime (code=exited, status=0/SUCCESS)
  14. Apr 28 17:46:06 tecmint systemd[1]: Mounting Temporary Directory...
  15. Apr 28 17:46:06 tecmint systemd[1]: tmp.mount: Directory /tmp to mount over is not empty, mounting anyway.
  16. Apr 28 17:46:06 tecmint systemd[1]: Mounted Temporary Directory.

19. 在启动时激活、启用或禁用挂载点(系统启动时自动挂载)

  1. # systemctl is-active tmp.mount
  2. # systemctl enable tmp.mount
  3. # systemctl disable tmp.mount

20. 在Linux中屏蔽(让它不能启用)或可见挂载点

  1. # systemctl mask tmp.mount
  2. ln -s '/dev/null' '/etc/systemd/system/tmp.mount'
  3. # systemctl unmask tmp.mount
  4. rm '/etc/systemd/system/tmp.mount'

使用Systemctl控制并管理套接口

21. 列出所有可用系统套接口

  1. # systemctl list-unit-files --type=socket
  2. UNIT FILE STATE
  3. dbus.socket static
  4. dm-event.socket enabled
  5. lvm2-lvmetad.socket enabled
  6. rsyncd.socket disabled
  7. sshd.socket disabled
  8. syslog.socket static
  9. systemd-initctl.socket static
  10. systemd-journald.socket static
  11. systemd-shutdownd.socket static
  12. systemd-udevd-control.socket static
  13. systemd-udevd-kernel.socket static
  14. 11 unit files listed.

22. 在Linux中启动、重启、停止、重载套接口并检查其状态

  1. # systemctl start cups.socket
  2. # systemctl restart cups.socket
  3. # systemctl stop cups.socket
  4. # systemctl reload cups.socket
  5. # systemctl status cups.socket
  6. cups.socket - CUPS Printing Service Sockets
  7. Loaded: loaded (/usr/lib/systemd/system/cups.socket; enabled)
  8. Active: active (listening) since Tue 2015-04-28 18:10:59 IST; 8s ago
  9. Listen: /var/run/cups/cups.sock (Stream)
  10. Apr 28 18:10:59 tecmint systemd[1]: Starting CUPS Printing Service Sockets.
  11. Apr 28 18:10:59 tecmint systemd[1]: Listening on CUPS Printing Service Sockets.

23. 在启动时激活套接口,并启用或禁用它(系统启动时自启动)

  1. # systemctl is-active cups.socket
  2. # systemctl enable cups.socket
  3. # systemctl disable cups.socket

24. 屏蔽(使它不能启动)或显示套接口

  1. # systemctl mask cups.socket
  2. ln -s '/dev/null' '/etc/systemd/system/cups.socket'
  3. # systemctl unmask cups.socket
  4. rm '/etc/systemd/system/cups.socket'

服务的CPU利用率(分配额)

25. 获取当前某个服务的CPU分配额(如httpd)

  1. # systemctl show -p CPUShares httpd.service
  2. CPUShares=1024

注意:各个服务的默认CPU分配份额=1024,你可以增加/减少某个进程的CPU分配份额。

26. 将某个服务(httpd.service)的CPU分配份额限制为2000 CPUShares/

  1. # systemctl set-property httpd.service CPUShares=2000
  2. # systemctl show -p CPUShares httpd.service
  3. CPUShares=2000

注意:当你为某个服务设置CPUShares,会自动创建一个以服务名命名的目录(如 httpd.service),里面包含了一个名为90-CPUShares.conf的文件,该文件含有CPUShare限制信息,你可以通过以下方式查看该文件:

  1. # vi /etc/systemd/system/httpd.service.d/90-CPUShares.conf
  2. [Service]
  3. CPUShares=2000

27. 检查某个服务的所有配置细节

  1. # systemctl show httpd
  2. Id=httpd.service
  3. Names=httpd.service
  4. Requires=basic.target
  5. Wants=system.slice
  6. WantedBy=multi-user.target
  7. Conflicts=shutdown.target
  8. Before=shutdown.target multi-user.target
  9. After=network.target remote-fs.target nss-lookup.target systemd-journald.socket basic.target system.slice
  10. Description=The Apache HTTP Server
  11. LoadState=loaded
  12. ActiveState=active
  13. SubState=running
  14. FragmentPath=/usr/lib/systemd/system/httpd.service
  15. ....

28. 分析某个服务(httpd)的关键链

  1. # systemd-analyze critical-chain httpd.service
  2. The time after the unit is active or started is printed after the "@" character.
  3. The time the unit takes to start is printed after the "+" character.
  4. httpd.service +142ms
  5. └─network.target @11.168s
  6. └─network.service @9.456s +1.712s
  7. └─NetworkManager.service @8.858s +596ms
  8. └─firewalld.service @4.931s +3.926s
  9. └─basic.target @4.916s
  10. └─sockets.target @4.916s
  11. └─dbus.socket @4.916s
  12. └─sysinit.target @4.905s
  13. └─systemd-update-utmp.service @4.864s +39ms
  14. └─auditd.service @4.563s +301ms
  15. └─systemd-tmpfiles-setup.service @4.485s +69ms
  16. └─rhel-import-state.service @4.342s +142ms
  17. └─local-fs.target @4.324s
  18. └─boot.mount @4.286s +31ms
  19. └─systemd-fsck@dev-disk-by\x2duuid-79f594ad\x2da332\x2d4730\x2dbb5f\x2d85d196080964.service @4.092s +149ms
  20. └─dev-disk-by\x2duuid-79f594ad\x2da332\x2d4730\x2dbb5f\x2d85d196080964.device @4.092s

29. 获取某个服务(httpd)的依赖性列表

  1. # systemctl list-dependencies httpd.service
  2. httpd.service
  3. ├─system.slice
  4. └─basic.target
  5. ├─firewalld.service
  6. ├─microcode.service
  7. ├─rhel-autorelabel-mark.service
  8. ├─rhel-autorelabel.service
  9. ├─rhel-configure.service
  10. ├─rhel-dmesg.service
  11. ├─rhel-loadmodules.service
  12. ├─paths.target
  13. ├─slices.target
  14. ├─-.slice
  15. └─system.slice
  16. ├─sockets.target
  17. ├─dbus.socket
  18. ....

30. 按等级列出控制组

  1. # systemd-cgls
  2. ├─1 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 23
  3. ├─user.slice
  4. └─user-0.slice
  5. └─session-1.scope
  6. ├─2498 sshd: root@pts/0
  7. ├─2500 -bash
  8. ├─4521 systemd-cgls
  9. └─4522 systemd-cgls
  10. └─system.slice
  11. ├─httpd.service
  12. ├─4440 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  13. ├─4442 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  14. ├─4443 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  15. ├─4444 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  16. ├─4445 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  17. └─4446 /usr/sbin/httpd -DFOREGROUND
  18. ├─polkit.service
  19. └─721 /usr/lib/polkit-1/polkitd --no-debug
  20. ....

31. 按CPU、内存、输入和输出列出控制组

  1. # systemd-cgtop
  2. Path Tasks %CPU Memory Input/s Output/s
  3. / 83 1.0 437.8M - -
  4. /system.slice - 0.1 - - -
  5. /system.slice/mariadb.service 2 0.1 - - -
  6. /system.slice/tuned.service 1 0.0 - - -
  7. /system.slice/httpd.service 6 0.0 - - -
  8. /system.slice/NetworkManager.service 1 - - - -
  9. /system.slice/atop.service 1 - - - -
  10. /system.slice/atopacct.service 1 - - - -
  11. /system.slice/auditd.service 1 - - - -
  12. /system.slice/crond.service 1 - - - -
  13. /system.slice/dbus.service 1 - - - -
  14. /system.slice/firewalld.service 1 - - - -
  15. /system.slice/lvm2-lvmetad.service 1 - - - -
  16. /system.slice/polkit.service 1 - - - -
  17. /system.slice/postfix.service 3 - - - -
  18. /system.slice/rsyslog.service 1 - - - -
  19. /system.slice/system-getty.slice/getty@tty1.service 1 - - - -
  20. /system.slice/systemd-journald.service 1 - - - -
  21. /system.slice/systemd-logind.service 1 - - - -
  22. /system.slice/systemd-udevd.service 1 - - - -
  23. /system.slice/webmin.service 1 - - - -
  24. /user.slice/user-0.slice/session-1.scope 3 - - - -

控制系统运行等级

32. 启动系统救援模式

  1. # systemctl rescue
  2. Broadcast message from root@tecmint on pts/0 (Wed 2015-04-29 11:31:18 IST):
  3. The system is going down to rescue mode NOW!

33. 进入紧急模式

  1. # systemctl emergency
  2. Welcome to emergency mode! After logging in, type "journalctl -xb" to view
  3. system logs, "systemctl reboot" to reboot, "systemctl default" to try again
  4. to boot into default mode.

34. 列出当前使用的运行等级

  1. # systemctl get-default
  2. multi-user.target

35. 启动运行等级5,即图形模式

  1. # systemctl isolate runlevel5.target
  2. # systemctl isolate graphical.target

36. 启动运行等级3,即多用户模式(命令行)

  1. # systemctl isolate runlevel3.target
  2. # systemctl isolate multiuser.target

36. 设置多用户模式或图形模式为默认运行等级

  1. # systemctl set-default runlevel3.target
  2. # systemctl set-default runlevel5.target

37. 重启、停止、挂起、休眠系统或使系统进入混合睡眠

  1. # systemctl reboot
  2. # systemctl halt
  3. # systemctl suspend
  4. # systemctl hibernate
  5. # systemctl hybrid-sleep

对于不知运行等级为何物的人,说明如下。









给 Java 说句公道话

有些人问我,在现有的语言里面,有什么好的推荐?我说:“Java。” 他们很惊讶:“什么?Java!” 所以我现在来解释一下。

Java 超越了所有咒骂它的“动态语言”

也许是因为年轻人的逆反心理,人们都不把自己的入门语言当回事。很早的时候,计算机系的学生用 Scheme 或者 Pascal 入门,现在大部分学校用 Java。这也许就是为什么很多人恨 Java,瞧不起用 Java 的人。提到 Java,感觉就像是爷爷那辈人用的东西。大家都会用 Java,怎么能显得我优秀出众呢?于是他们说:“Java 老气,庞大,复杂,臃肿。我更愿意探索新的语言……

某些 Python 程序员,在论坛里跟初学者讲解 Python 有什么好,其中一个原因竟然是:“因为 Python 不是 Java!” 他们喜欢这样宣传:“看 Python 多简单清晰啊,都不需要写类型……” 对于 Java 的无缘无故的恨,盲目的否认,导致了他们看不到它很重要的优点,以至于迷失自己的方向。虽然气势上占上风,然而其实 Python 作为一个编程语言,是完全无法和 Java 抗衡的。

在性能上,Python 比Java 慢几十倍。由于缺乏静态类型等重要设施,Python 代码有 bug 很不容易发现,发现了也不容易 debug,所以 Python 无法用于构造大规模的,复杂的系统。你也许发现某些 startup 公司的主要代码是 Python 写的,然而这些公司的软件,质量其实相当的低。在成熟的公司里,Python 最多只用来写工具性质的东西,或者小型的,不会影响系统可靠性的脚本。

静态类型的缺乏,也导致了 Python 不可能有很好的 IDE 支持,你不能完全可靠地“跳转到定义”,不可能完全可靠地重构 refactor  Python 代码。PyCharm 对于早期的 Python 编程环境,是一个很大的改进,然而理论决定了,它不可能完全可靠地进行“变量换名”等基本的重构操作。就算是比 PyCharm 强大很多的 PySonar,对此也无能为力。由于 Python 的设计过度的“动态”,没有类型标记,使得完全准确的定义查找,成为了不可判定 undecidable 的问题。

在设计上,Python,Ruby 比起 Java,其实复杂很多。缺少了很多重要的特性,有毛病的“强大特性”倒是多了一堆。由于盲目的推崇所谓“正宗的面向对象”方式,所谓“ late binding ”,这些语言里面有太多可以“重载”语义的地方,不管什么都可以被重定义,这导致代码具有很大的不确定性和复杂性,很多 bug 就是被隐藏在这些被重载的语言结构里面了。因此,Python 和 Ruby 代码很容易被滥用,不容易理解,容易写得很乱,容易出问题。

很多 JavaScript 程序员也盲目地鄙视 Java,而其实 JavaScript 比 Python 和 Ruby 还要差。不但具有它们的几乎所有缺点,而且缺乏一些必要的设施。JavaScript 的各种“WEB 框架”,层出不穷,似乎一直在推陈出新,而其实呢,全都是在黑暗里瞎蒙乱撞。JavaScript 的社区以幼稚和愚昧著称。你经常发现一些非常基本的常识,被 JavaScript “专家”们当成了不起的发现似的,在大会上宣讲。我看不出来 JavaScript 社区开那些会议,到底有什么意义,仿佛只是为了拉关系找工作。

Python 凑合可以用在不重要的地方,Ruby 是垃圾,JavaScript 是垃圾中的垃圾。原因很简单,因为 Ruby 和 JavaScript 的设计者,其实都是一知半解的民科。然而世界就是这么奇怪,一个彻底的垃圾语言,仍然可以宣称是“程序员最好的朋友”,从而得到某些人的爱戴……

Java 的“继承人”没能超越它

最近一段时间,很多人热衷于 Scala,Clojure,Go 等新兴的语言,他们以为这些是比 Java 更现代,更先进的语言,以为它们最终会取代 Java。然而这些狂热分子们逐渐发现,Scala,Clojure 和 Go 其实并没有解决它们声称能解决的问题,反而带来了它们自己的毛病,而这些毛病很多是 Java 没有的。然后他们才意识到,Java 离寿终正寝的时候,还远得很……

Go语言

关于 Go,我已经评论过很多了,有兴趣的人可以看这里。总之,Go 是民科加自大狂的产物,奇葩得不得了。这里我就不多说它了,只谈谈 Scala 和 Clojure。

Scala

我认识一些人,开头很推崇 Scala,仿佛什么救星似的。我建议他们别去折腾了,老老实实用 Java。没听我的,结果到后来,成天都在骂 Scala 的各种毛病。但是没办法啊,项目上了贼船,不得不继续用下去。我不喜欢进行人身攻击,然而我发现一个语言的好坏,往往取决于它的设计者的背景,觉悟,人品和动机。很多时候我看人的直觉是异常的准,以至于依据对语言设计者的第一印象,我就能预测到这个语言将来会怎么发展。在这里,我想谈一下对 Scala 和 Clojure 的设计者的看法。

Scala 的设计者 Martin Odersky,在 PL 领域有所建树,发表了不少学术论文( 包括著名的《The Call-by-Need Lambda Calculus》),而且还是大名鼎鼎的 Niklaus Wirth 的门徒,我因此以为他还比较靠谱。可是开始接触 Scala 没多久,我就很惊讶的发现,有些非常基本的东西,Scala 都设计错了。这就是为什么我几度试图采用 Scala,最后都不了了之。因为我一边看,一边发现让人跌眼镜的设计失误,而这些问题都是 Java 没有的。这样几次之后,我就对 Odersky 失去了信心,对 Scala 失去了兴趣。

回头看看 Odersky 那些论文的本质,我发现虽然理论性貌似很强,其实很多是在故弄玄虚(包括那所谓的“call-by-need lambda calculus”)。他虽然对某些特定的问题有一定深度,然而知识面其实不是很广,眼光比较片面。对于语言的整体设计,把握不够好。感觉他是把各种语言里的特性,强行拼凑在一起,并没有考虑过它们是否能够“和谐”的共存,也很少考虑“可用性”。

由于 Odersky 是大学教授,名声在外,很多人想找他拿个 PhD,所以东拉西扯,喜欢往 Scala 里面加入一些不明不白,有潜在问题的“特性”,其目的就是发 paper,混毕业。这导致 Scala 不加选择的加入过多的特性,过度繁复。加入的特性很多后来被证明没有多大用处,反而带来了问题。学生把代码实现加入到 Scala 的编译器,毕业就走人不管了,所以 Scala 编译器里,就留下一堆堆的历史遗留垃圾和 bug。这也许不是 Odersky 一个人的错,然而至少说明他把关不严,或者品位确实有问题。

最有名的采用 Scala 的公司,无非是 Twitter。其实像 Twitter 那样的系统,用 Java 照样写得出来。Twitter 后来怎么样了呢?CEO 都跑了 :P 新 CEO 上台就裁员300多人,包括工程师在内。我估计 Twitter 裁员的一个原因是,有太多的 Scala 程序员,扯着各种高大上不实用的口号,比如“函数式编程”,进行过度工程,浪费公司的资源。花着公司的钱,开着各种会议,组织各种 meetup 和 hackathon,提高自己在 open source 领域的威望,其实没有为公司创造很多价值……

Clojure

再来说一下 Clojure。当 Clojure 最初“横空面世”的时候,有些人热血沸腾地向我推荐。于是我看了一下它的设计者 Rich Hickey 做的宣传讲座视频。当时我就对他一知半解拍胸脯的本事,印象非常的深刻。Rich Hickey 真的是半路出家,连个 CS 学位都没有。可他那种气势,仿佛其他的语言设计者什么都不懂,只有他看到了真理似的。不过也只有这样的人,才能创造出“宗教”吧?

满口热门的名词,什么 lazy 啊,pure 啊,STM 啊,号称能解决“大规模并发”的问题,…… 这就很容易让人上钩。其实他这些词儿,都是从别的语言道听途说来,却又没能深刻理解其精髓。有些“函数式语言”的特性,本来就是有问题的,却为了主义正确,为了显得高大上,抄过来。所以最后你发现这语言是挂着羊头卖狗肉,狗皮膏药一样说得头头是道,用起来怎么就那么蹩脚。

Clojure 的社区,一直忙着从 Scheme 和 Racket 的项目里抄袭思想,却又想标榜是自己的发明。比如 Typed Clojure,就是原封不动抄袭 Typed Racket。有些一模一样的基本概念,在 Scheme 里面都几十年了,恁是要改个不一样的名字,免得你们发现那是 Scheme 先有的。甚至有人把 SICP,The Little Schemer 等名著里的代码,全都用 Clojure改写一遍,结果完全失去了原作的简单和清晰。最后你发现,Clojure 里面好的地方,全都是 Scheme 已经有的,Clojure 里面新的特性,几乎全都有问题。我参加过一些 Clojure 的 meetup,可是后来发现,里面竟是各种喊着大口号的小白,各种趾高气昂的民科,愚昧之至。

如果现在要做一个系统,真的宁可用 Java,也不要浪费时间去折腾什么 Scala 或者 Clojure。错误的人设计了错误的语言,拿出来浪费大家的时间。

Java 没有特别讨厌的地方

我至今不明白,很多人对 Java 的仇恨和鄙视,从何而来。它也许缺少一些方便的特性,然而长久以来用 Java 进行教学,用 Java 工作,用 Java 开发 PySonar,RubySonar,Yin 语言,…… 我发现 Java 其实并不像很多人传说的那么可恶。我发现自己想要的95%以上的功能,在 Java 里面都能找到比较直接的用法。剩下的5%,用稍微笨一点的办法,一样可以解决问题。

盲目推崇 Scala 和 Clojure 的人们,很多最后都发现,这些语言里面的“新特性”,几乎都有毛病,里面最重要最有用的特性,其实早就已经在 Java 里了。有些人跟我说:“你看,Java 做不了这件事情!” 后来经我分析,发现他们在潜意识里早已死板的认定,非得用某种最新最酷的语言特性,才能达到目的。Java 没有这些特性,他们就以为非得用另外的语言。其实,如果你换一个角度来看问题,不要钻牛角尖,专注于解决问题,而不是去追求最新最酷的“写法”,你就能用 Java 解决它,而且解决得干净利落。

很多人说 Java 复杂臃肿,其实是因为早期的 Design Patterns,试图提出千篇一律的模板,给程序带来了不必要的复杂性。然而 Java 语言本身跟 Design Patterns 并不是等价的。Java 的设计者,跟 Design Pattern 的设计者,完全是不同的人。你完全可以使用 Java 写出非常简单的代码,而不使用 Design Patterns。

Java 只是一个语言。语言只提供给你基本的机制,至于代码写的复杂还是简单,取决于人。把对一些滥用 Design Patterns 的Java 程序员的恨,转移到 Java 语言本身,从而完全抛弃它的一切,是不明智的。

结论

我平时用着 Java 偷着乐,本来懒得评论其它语言的。可是实在不忍心看着有些人被 Scala 和 Clojure 忽悠,所以在这里说几句。如果没有超级高的性能和资源需求(可能要用 C 这样的低级语言),目前我建议就老老实实用 Java 吧。虽然不如一些新的语言炫酷,然而实际的系统,还真没有什么是 Java 写不出来的。少数地方可能需要绕过一些限制,或者放宽一些要求,然而这样的情况不是很多。

编程使用什么工具是重要的,然而工具终究不如自己的技术重要。很多人花了太多时间,折腾各种新的语言,希望它们会奇迹一般的改善代码质量,结果最后什么都没做出来。选择语言最重要的条件,应该是“够好用”就可以,因为项目的成功最终是靠人,而不是靠语言。既然 Java 没有特别大的问题,不会让你没法做好项目,为什么要去试一些不靠谱的新语言呢?









解谜计算机科学

要掌握一个学科的精髓,不能从细枝末节开始。人脑的能力很大程度上受限于信念。一个人不相信自己的时候,他就做不到本来可能的事。信心是很重要的,信心却容易被挫败。如果只见树木不见森林,人会失去信心,以为要到猴年马月才能掌握一个学科。

所以我们不从“树木”开始,而是引导读者一起来探索这背后的“森林”,把计算机科学最根本的概念用浅显的例子解释,让读者领会到它们的本质。把这些 概念稍作发展,你就得到逐渐完整的把握。你一开头就掌握着整个学科,而且一直掌握着它,只不过增添更多细节而已。这就像画画,先勾勒出轮廓,一遍遍的增加 细节,日臻完善,却不失去对大局的把握。

一般计算机专业的学生学了很多课程,可是直到毕业都没能回答一个基础问题:什么是计算?这一章会引导你去发现这个问题的答案。不要小看这基础的问 题,它经常是解决现实问题的重要线索。世界上有太多不理解它的人,他们走了很多的弯路,掉进很多的坑,制造出过度复杂或者有漏洞的理论和技术。

接下来,我们就来理解几个关键的概念,由此接触到计算的本质。

手指算术

每个人都做过计算,只是大部分人都没有理解自己在做什么。回想一下幼儿园(大概四岁)的时候,妈妈问你:“帮我算一下,4+3 等于几?” 你掰了一会手指,回答:7。当你掰手指的时候,你自己就是一台简单的计算机。

不要小看了这手指算术,它蕴含着深刻的原理。计算机科学植根于这类非常简单的过程,而不是复杂的高等数学。

现在我们来回忆一下这个过程。这里应该有一段动画,但现阶段还没有。请你对每一步发挥一下想象力,增加点“画面感”。

  1. 当妈妈问你“4+3 等于几”的时候,她是一个程序员,你是一台计算机。计算机得到程序员的输入:4,+,3。
  2. 听到妈妈的问题之后,你拿出两只手,左手伸出四个指头,右手伸出三个指头。
  3. 接着你开始自己的计算过程。一根根地数那些竖起来的手指,每数一根你就把它弯下去,表示它已经被数过了。你念道:“1,2,3,4,5,6,7。”
  4. 现在已经没有手指伸着,所以你把最后数到的那个数作为答案:7!整个计算过程就结束了。

符号和模型

这里的幼儿园手指算术包含着深刻的哲学问题,现在我们来初步体会一下这个问题。

当妈妈说“帮我算 4+3”的时候,4,+,3,三个字符传到你耳朵里,它们都是符号(symbol)。符号是“表面”的东西:光是盯着“4”和“3”这两个阿拉伯数字的曲 线,一个像旗子,一个像耳朵,你是不能做什么的。你需要先用脑子把它们转换成对应的“模型”(model)。这就是为什么你伸出两只手,一只手表示 4,另一只表示 3。

这两只手的手势是“可操作”的。比如,你把左手再多弯曲一个手指,它就变成“3”。你再伸开一根手指,它就变成“5”。所以手指是一个相当好的机械模型,它是可以动,可操作的。把符号“4”和“3”转换成手指模型之后,你就可以开始计算了。

你怎么知道“4”和“3”对应什么样的手指模型呢?因为妈妈以前教过你。十根手指,对应着 1 到 10 十个数。这就是为什么人都用十进制数做算术。

我们现在没必要深究这个问题。我只是提示你,分清“符号”和“模型”是重要的。

计算图

在计算机领域,我们经常用一些抽象的图示来表达计算的过程,这样就能直观地看到信息的流动和转换。这种图示看起来是一些形状用箭头连接起来。我在这里把它叫做“计算图”。

对于以上的手指算术 4 + 3,我们可以用下图来表示它:

图中的箭头表示信息的流动方向。说到“流动”,你可以想象一下水的流动。首先我们看到数字 4 和 3 流进了一个圆圈,圆圈里有一个“+”号。这个圆圈就是你,一个会做手指加法的小孩。妈妈给你两个数 4 和 3,你现在把它们加起来,得到 7 作为结果。

注意圆圈的输入和输出方向是由箭头决定的,我们可以根据需要调整那些箭头的位置,只要箭头的连接关系和方向不变就行。它们不一定都是从左到右,也可能从右到左或者从上到下,但“出入关系”都一样:4 和 3 进去,结果 7 出来。比如它还可以是这样:

我们用带加号的圆圈表示一个“加法器”。顾名思义,加法器可以帮我们完成加法。在上个例子里,你就是一个加法器。我们也可以用其他装置作为加法器,比如一堆石头,一个算盘,某种电子线路…… 只要它能做加法就行。

具体要怎么做加法,就像你具体如何掰手指,很多时候我们是不关心的,我们只需要知道这个东西能做加法就行。圆圈把具体的加法操作给“抽象化”了,这 个蓝色的圆圈可以代表很多种东西。抽象(abstraction)是计算机科学至关重要的思维方法,它帮助我们进行高层面的思考,而不为细节所累。

表达式

计算机科学当然不止 4 + 3 这么简单,但它的基本元素确实是如此简单。我们可以创造出很复杂的系统,然而归根结底,它们只是在按某种顺序计算像 4 + 3 这样的东西。

4 + 3 是一个很简单的表达式(expression)。你也许没听说过“表达式”这个词,但我们先不去定义它。我们先来看一个稍微复杂一些的表达式:

2 * (4 + 3)

这个表达式比 4 + 3 多了一个运算,我们把它叫做“复合表达式”。这个表达式也可以用计算图来表示:

你知道它为什么是这个样子吗?它表示的意思是,先计算 4 + 3,然后把结果(7)传送到一个“乘法器”,跟 2 相乘,得到最后的结果。那正好就是 2 * (4 + 3) 这个表达式的含义,它的结果应该是 14。

为什么要先计算 4 + 3 呢?因为当我们看到乘法器 2 * ... 的时候,其中一个输入(2)是已知的,而另外一个输入必须通过加法器的输出得到。加法器的结果是由 4 和 3 相加得到的,所以我们必须先计算 4 + 3,然后才能与 2 相乘。

小学的时候,你也许学过:“括号内的内容要先计算”。其实括号只是“符号层”的东西,它并不存在于计算图里面。我这里讲的“计算图”,其实才是本质 的东西。数学的括号一类的东西,都只是表象,它们是符号或者叫“语法”。从某种意义上讲,计算图才是表达式的本质或者“模型”,而“2 * (4 + 3)”这串符号,只是对计算图的一种表示或者“编码”(coding)。

这里我们再次体会到了“符号”和“模型”的差别。符号是对模型的“表示”或者“编码”。我们必须从符号得到模型,才能进行操作。这种从符号到模型的转换过程,在计算机科学里叫做“语法分析”(parsing)。我们会在后面的章节理解这个过程。

我们现在来给表达式做一个初步的定义。这并不是完整的定义,但你应该试着理解这种定义的方式。稍后我们会逐渐补充这个定义,逐渐完善。

定义(表达式):表达式可以是如下几种东西。

  1. 数字是一个表达式。比如 1,2,4,15,……
  2. 表达式 + 表达式。两个表达式相加,也是表达式。
  3. 表达式 - 表达式。两个表达式相减,也是表达式。
  4. 表达式 * 表达式。两个表达式相乘,也是表达式。
  5. 表达式 / 表达式。两个表达式相除,也是表达式。

注意,由于我们之前讲过的符号和模型的差别,为了完全忠于我们的本质认识,这里的“表达式 + 表达式”虽然看起来是一串符号,它必须被想象成它所对应的模型。当你看到“表达式”的时候,你的脑子里应该浮现出它对应的计算图,而不是一串符号。这个计 算图的画面大概是这个样子,其中左边的大方框里可以是任意两个表达式。

是不是感觉这个定义有点奇怪?因为在“表达式”的定义里,我们用到了“表达式”自己。这种定义叫做“递归定义”。所谓递归(recursion),就是在一个东西的定义里引用这个东西自己。看上去很奇怪,好像绕回去了一样。递归是一个重要的概念,我们会在将来深入理解它。

现在我们可以来验证一下,根据我们的定义,2 * (4 + 3) 确实是一个表达式:

并行计算

考虑这样一个表达式:

(4 + 3) * (1 + 2)

它对应一个什么样的计算图呢?大概是这样:

如果妈妈只有你一个小孩,你应该如何用手指算出它的结果呢?你大概有两种办法。

第一种办法:先算出 4+3,结果是 7。然后算出 1+2,结果是 3。然后算 7*3,结果是 21。

第二种办法:先算出 1+2,结果是 3。然后算出 4+3,结果是 7。然后算 7*3,结果是 21。

注意到没有,你要么先算 4+3,要么先算 1+2,你不能同时算 4+3 和 1+2。为什么呢?因为你只有两只手,所以算 4+3 的时候你就没法算 1+2,反之也是这样。总之,你妈妈只有你一个加法器,所以一次只能做一个加法。

现在假设你还有一个妹妹,她跟你差不多年纪,她也会手指算术。妈妈现在就多了一些办法来计算这个表达式。她可以这样做:让你算 4+3,不等你算完,马上让妹妹算 1+2。等到你们的结果(7 和 3)都出来之后,让你或者妹妹算 7*3。

发现没有,在某一段时间之内,你和妹妹同时在做加法计算。这种时间上重叠的计算,叫做并行计算(parallel computing)。

你和妹妹同时计算,得到结果的速度可能会比你一个人算更快。如果你妈妈还有其它几个孩子,计算复杂的式子就可能快很多,这就是并行计算潜在的好处。 所谓“潜在”的意思是,这种好处不一定会实现。比如,如果你的妹妹做手指算数的速度比你慢很多,你做完了 4+3,只好等着她慢慢的算 1+2。这也许比你自己依次算 4+3 和 1+2 还要慢。

即使妹妹做算术跟你一样快,这里还有个问题。你和妹妹算出结果 7 和 3 之后,得把结果传递给下一个计算 7*3 的那个人(也许是你,也许是你妹妹)。这种“通信”会带来时间的延迟,叫做“通信开销”。如果你们其中一个说话慢,这比起一个人来做计算可能还要慢。

如何根据计算单元能力的不同和通信开销的差异,来最大化计算的效率,降低需要的时间,就成为了并行计算领域研究的内容。并行计算虽然看起来是一个“博大精深”的领域,可是你如果理解了我这里说的那点东西,就很容易理解其余的内容。

变量和赋值

如果你有一个复杂的表达式,比如

(5 - 3) * (4 + (2 * 3 - 5) * 6)

由于它有比较多的嵌套,人的眼睛是难以看清楚的,它要表达的意义也会难懂。这时候,你希望可以用一些“名字”来代表中间结果,这样表达式就更容易理解。

打个比方,这就像你有一个亲戚,他是你妈妈的表姐的女儿的丈夫。你不想每次都称他“我妈妈的表姐的女儿的丈夫”,所以你就用他的名字“叮当”来指代他,一下子就简单了。

我们来看一个例子。之前的复合表达式

2 * (4 + 3)

其实可以被转换为等价的,含有变量的代码:

{
a = 4 + 3       // 变量 a 得到 4+3 的值
2 * a           // 代码块的值
}

其中 a 是一个名字。a = 4 + 3 是一个“赋值语句”,它的意思是:用 a 来代表 4 + 3 的值。这种名字,计算机术语叫做变量(variable)。

这段代码的意思可以简单地描述为:计算 4 + 3,把它的结果表示为 a,然后计算 2 * a 作为最后的结果。

有些东西可能扰乱了你的视线。两根斜杠 // 后面一直到行末的文字叫做“注释”,是给人看的说明文字。它们对代码的逻辑不产生作用,执行的时候可以忽略。许多语言都有类似这种注释,它们可以帮助阅读的人,但是会被机器忽略。

这段代码执行过程会是这样:先计算 4 + 3 得到 7,用 a 记住这个中间结果 7。接着计算 2 * a ,也就是计算 2 * 7,所以最后结果是 14。很显然,这跟 2 * (4 + 3) 的结果是一样的。

a 叫做一个变量,它是一个符号,可以用来代表任意的值。除了 a,你还有许多的选择,比如 b, c, d, x, y, foo, bar, u21… 只要它不会被误解成其它东西就行。

如果你觉得这里面的“神奇”成分太多,那我们现在来做更深一层的理解……

再看一遍上面的代码。这整片代码叫做一个“代码块”(block),或者叫一个“序列”(sequence)。这个代码块包括两条语句,分别是 a = 4 + 32 * a。代码块里的语句会从上到下依次执行。所以我们先执行 a = 4 + 3,然后执行 2 * a

最后一条语句 2 * a 比较特别,它是这个代码块的“值”,也就是最后结果。之前的语句都是在为生成这个最后的值做准备。换句话说,这整个代码块的值就是 2 * a 的值。不光这个例子是这样,这是一个通用的原理:代码块的最后一条语句,总是这个代码块的值。

我们在代码块的前后加上花括号 {...} 进行标注,这样里面的语句就不会跟外面的代码混在一起。这两个花括号叫做“边界符”。我们今后会经常遇到代码块,它存在于几乎所有的程序语言里,只是语法稍有不同。比如有些语言可能用括号 (...) 或者 BEGIN...END 来表示边界,而不是用花括号。

这片代码已经有点像常用的编程语言了,但我们暂时不把它具体化到某一种语言。我不想固化你的思维方式。在稍后的章节,我们会把这种抽象的表达法对应到几种常见的语言,这样一来你就能理解几乎所有的程序语言。

另外还有一点需要注意,同一个变量可以被多次赋值。它的值会随着赋值语句而改变。举个例子:

{
a = 4 + 3
b = a
a = 2 * 5
c = a
}

这段代码执行之后,b 的值是 7,而 c 的值是 10。你知道为什么吗?因为 a = 4 + 3 之后,a 的值是 7。b = a 使得 b 得到值 7。然后 a = 2 * 5a 的值改变了,它现在是 10。所以 c = a 使得 c 得到 10。

对同一个变量多次赋值虽然是可以的,但通常来说这不是一种好的写法,它可能引起程序的混淆,应该尽量避免。只有当变量表示的“意义”相同的时候,你才应该对它重复赋值。

编译

一旦引入了变量,我们就可以不用复合表达式。因为你可以把任意复杂的复合表达式拆开成“单操作算术表达式”(像 4 + 3 这样的),使用一些变量记住中间结果,一步一步算下去,得到最后的结果。

举一个复杂点的例子,也就是这一节最开头的那个表达式:

(5 - 3) * (4 + (2 * 3 - 5) * 6)

它可以被转化为一串语句:

{
a = 2 * 3
b = a - 5
c = b * 6
d = 4 + c
e = 5 - 3
e * d
}

最后的表达式 e * d,算出来就是原来的表达式的值。你观察一下,是不是每个操作都非常简单,不包含嵌套的复合表达式?你可以自己验算一下,它确实算出跟原表达式一样的结果。

在这里,我们自己动手做了“编译器”(compiler)的工作。通常来说,编译器是一种程序,它的任务是把一片代码“翻译”成另外一种等价形式。这里我们没有写编译器,可是我们自己做了编译器的工作。我们手动地把一个嵌套的复合表达式,编译成了一系列的简单算术语句。

这些语句的结果与原来的表达式完全一致。这种保留原来语义的翻译过程,叫做编译(compile)。

我们为什么需要编译呢?原因有好几种。我不想在这里做完整的解释,但从这个例子我们可以看到,编译之后我们就不再需要复杂的嵌套表达式了。我们只需 要设计很简单的,只会做单操作算术的机器,就可以算出复杂的嵌套的表达式。实际上最后这段代码已经非常接近现代处理器(CPU)的汇编代码 (assembly)。我们只需要多加一些转换,它就可以变成机器指令。

我们暂时不写编译器,因为你还缺少一些必要的知识。这当然也不是编译技术的所有内容,它还包含另外一些东西。但从这一开头,你就已经初步理解了编译器是什么,你只需要在将来加深这种理解。

函数

到目前为止,我们做的计算都是在已知的数字之上,而在现实的计算中我们往往有一些未知数。比如我们想要表达一个“风扇控制器”,有了它之后,风扇的转速总是当前气温的两倍。这个“当前气温”就是一个未知数。

我们的“风扇控制器”必须要有一个“输入”(input),用于得到当前的温度 t,它是一个温度传感器的读数。它还要有一个输出,就是温度的两倍。

那么我们可以用这样的方式来表达我们的风扇控制器:

t -> t*2

不要把这想成任何一种程序语言,这只是我们自己的表达法。箭头 -> 的左边表示输入,右边表示输出,够简单吧。

你可以把 t 想象成从温度传感器出来的一根电线,它连接到风扇控制器上,风扇控制器会把它的输入(t)乘以 2。这个画面像这个样子:

我们谈论风扇控制器的时候,其实不关心它的输入是哪里来的,输出到哪里去。如果我们把温度传感器和风扇从画面里拿掉,就变成这个样子:

这幅图才是你需要认真理解的函数的计算图。你发现了吗,这幅图画正好对应了之前的风扇控制器的符号表示:t -> t*2。看到符号就想象出画面,你就得到了符号背后的模型。

t -> t*2 这样具有未知数作为输入的构造,我们把它叫做函数(function)。其中 t 这个符号,叫做这个函数的参数。

参数,变量和电线

你可能发现了,函数的参数和我们之前了解的“变量”是很类似的,它们都是一个符号。之前我们用了 a, b, c, d, e 现在我们有一个 t,这些名字我们都是随便起的,只要它们不要重复就好。如果名字重复的话,可能会带来混淆和干扰。

其实参数和变量这两种概念不只是相似,它们的本质就是一样的。如果你深刻理解它们的相同本质,你的脑子就可以少记忆很多东西,而且它可能帮助你对代码做出一些有趣而有益的转化。在上一节你已经看到,我用“电线”作为比方来帮助你理解参数。你也可以用同样的方法来理解变量。

比如我们之前的变量 a

{
a = 4 + 3
2 * a
}

它可以被想象成什么样的画面呢?

我故意把箭头方向画成从右往左,这样它就更像上面的代码。从这个图画里,你也许可以看到变量 a 和风扇控制器图里的参数 t,其实没有任何本质差别。它们都表示一根电线,那根电线进入乘法器,将会被乘以 2,然后输出。如果你把这些都看成是电路,那么变量 a 和参数 t 都代表一根电线而已。

然后你还发现一个现象,那就是你可以把 a 这个名字换成任何其它名字(比如 b),而这幅图不会产生实质的改变。

这说明什么问题呢?这说明以下的代码(把 a 换成了 b)跟之前的是等价的:

{
b = 4 + 3
2 * b
}

根据几乎一样的电线命名变化,你也可以对之前的函数得到一样的结论:t -> t*2u -> u*2,和 x -> x*2 都是一回事。

名字是很重要的东西,但它们具体叫什么,对于机器并没有实质的意义,只要它们不要相互混淆就可以。但名字对于人是很重要的,因为人脑没有机器那么精确。不好的变量和参数名会导致代码难以理解,引起程序员的混乱和错误。所以通常说来,你需要给变量和参数起好的名字。

什么样的名字好呢?我会在后面集中讲解。

有名字的函数

既然变量可以代表“值”,那么一个自然的想法,就是让变量代表函数。所以就像我们可以写

a = 4 + 3

我们似乎也应该可以写

f = t -> t*2

对的,你可以这么做。f = t->t*2 还有一个更加传统的写法,就像数学里的函数写法:

f(t) = t*2

请仔细观察 t 的位置变化。我们在函数名字的右边写一对括号,在里面放上参数的名字。

注意,你不可以只写

f = t*2

你必须明确的指出函数的参数是什么,否则你就不会明白函数定义里的 t 是什么东西。明确指出 t 是一个“输入”,你才会知道它是函数的输入,是一个未知数,而不是在函数外面定义的其它变量

这个看似简单的道理,很多数学家都不明白,所以他们经常这样写书:

有一个函数 y = x*2

这是错误的,因为他没有明确指出“x 是函数 y 的参数”。如果这句话之前他们又定义过 x,你就会疑惑这是不是之前那个 x。很多人就是因为这些糊里糊涂的写法而看不懂数学书。这不怪他们,只怪数学家自己对于语言不严谨。

函数调用

有了函数,我们可以给它起名字,可是我们怎么使用它的值呢?

由于函数里面有未知数(参数),所以你必须告诉它这些未知数,它里面的代码才会执行,给你结果。比如之前的风扇控制器函数

f(t) = t*2

它需要一个温度作为输入,才会给你一个输出。于是你就这样给它一个输入:

f(2)

你把输入写在函数名字后面的括号里。那么你就会得到输出:4。也就是说 f(2) 的值是 4。

如果你没有调用一个函数,函数体是不会被执行的。因为它不知道未知数是什么,所以什么事也做不了。那么我们定义函数的时候,比如

f(t) = t*2

当看到这个定义的时候,机器应该做什么呢?它只是记录下:有这么一个函数,它的参数是 t,它需要计算 t*2,它的名字叫 f。但是机器不会立即计算 t*2,因为它不知道 t 是多少。

分支

直到现在,我们的代码都是从头到尾,闷头闷脑地执行,不问任何问题。我们缺少一种“问问题”的方法。比如,如果我想表达这样一个“食物选择器”:如果气温低于 22 度,就返回 “hotpot” 表示今天吃火锅,否则返回 “ice cream” 表示今天吃冰激凌。

我们可以把它图示如下:

中间这种判断结构叫做“分支”(branching),它一般用菱形表示。为什么叫分支呢?你想象一下,代码就像一条小溪,平时它沿着一条路线流淌。当它遇到一个棱角分明的大石头,就分成两个支流,分开流淌。

我们的判断条件 t < 22 就像一块大石头,我们的“代码流”碰到它就会分开成两支,分别做不同的事情。跟溪流不同的是,这种分支不是随机的,而是根据条件来决定,而且分支之后只有一支继续执行,而另外一边不会被执行。

我们现在看到的都是图形化表示的模型,为了书写方便,现在我们要从符号的层面来表示这个模型。我们需要一种符号表示法来表达分支,我们把它叫做 if(如果)。我们的饮料选择器代码可以这样写:

t -> if (t < 22) 
 {
   "hotpot"
 }
 else 
 {
   "ice cream"
 }

它是一个函数,输入是一个温度。if 后面的括号里放我们的判断条件。后面接着条件成立时执行的代码块,然后是一个 else,然后是条件不成立时执行的代码。它说:如果温度低于 22 度,我们就吃火锅,否则就吃冰激凌。

其中的 else 是一个特殊的符号,它表示“否则”。看起来不知道为什么 else 要在那里?对的,它只是一个装饰品。我们已经有足够的表达力来分辨两个分支,不过有了 else 似乎更加好看一些。很多语言里面都有 else 这个标记词在那里,所以我也把它放在那里。

这只是一个最简单的例子,其实那两个代码块里面不止可以写一条语句。你可以有任意多的语句,就像这样:

t ->
if (t < 22)
{
a = 4 + 3
b = a * 2
"hotpot"
}
else
{
x = "ice cream"
x
}

这段代码和之前是等价的,你知道为什么吗?

字符串

上面一节出现了一种我们之前没见过的东西,我为了简洁而没有介绍它。这两个分支的结果,也就是加上引号的 “hotpot” 和 “ice cream”,它们并不是数字,也不是其它语言构造,而是一种跟数字处于几乎同等地位的“数据类型”,叫做字符串(string)。字符串是我们在计算机里面表示人类语言的基本数据类型。

关于字符串,在这里我不想讲述更加细节的内容,我把对它的各种操作留到以后再讲,因为虽然字符串对于应用程序很重要,它却并不是计算机科学最关键最本质的内容。

很多计算机书籍一开头就讲很多对字符串的操作,导致初学者费很大功夫去做很多打印字符串的练习,结果几个星期之后还没学到“函数”之类最根本的概念。这是非常可惜的。

布尔值

我们之前的 if 语句的条件 t < 22 其实也是一个表达式,它叫做“布尔表达式”。你可以把小于号 < 看成是跟加法一类的“操作符”。它的输入是两个数值,输出是一个“布尔值”。什么是布尔值呢?布尔值只有两个:true 和 false,也就是“真”和“假”。

举个例子,如果 t 的值是 15,那么 t < 22 是成立的,那么它的值就是 true。如果 t 的值是 23,那么 t < 22 就不成立,那么它的值就是 false。是不是很好理解呢?

我们为什么需要“布尔值”这种东西呢?因为它的存在可以简化我们的思维。对于布尔值也有一些操作,这个我也不在这一章赘述,放到以后细讲。

计算的要素

好了,现在你已经掌握了计算机科学的几乎所有基本要素。每一个编程语言都包括这些构造:

  1. 基础的数值。比如整数,字符串,布尔值等。
  2. 表达式。包括基本的算术表达式,嵌套的表达式。
  3. 变量和赋值语句。
  4. 分支语句。
  5. 函数和函数调用。

你也许可以感觉到,我是把这些构造按照“从小到大”的顺序排列的。这也许可以帮助你的理解。

现在你可以回想一下你对它们的印象。每当学习一种新的语言或者系统,你只需要在里面找到对应的构造,而不需要从头学习。这就是掌握所有程序语言的秘 诀。这就像学开车一样,一旦你掌握了油门,刹车,换挡器,方向盘,速度表的功能和用法,你就学会了开所有的汽车,不管它是什么型号的汽车。

我们在这一章不仅理解了这些要素,而且为它们定义了一种我们自己的“语言”。显然这个语言只能在我们的头脑里运行,因为我们没有实现这个语言的系统。在后面的章节,我会逐渐的把我们这种语言映射到现有的多种语言里面,然后你就能掌握这些语言了。

但是请不要以为掌握了语言就学会了编程或者学会了计算机科学。掌握语言就像学会了各种汽车部件的工作原理。几分钟之内,初学者就能让车子移动,转 弯,停止。可是完了之后你还需要学习交通规则,你需要许许多多的实战练习和经验,掌握各种复杂情况下的策略,才能成为一个合格的驾驶员。如果你想成为赛车 手,那就还需要很多倍的努力。

但是请不要被我这些话吓到了,你没有那么多的竞争者。现在的情况是,世界上就没有很多合格的计算机科学驾驶员,更不要说把车开得流畅的赛车手。绝大 部分的“程序员”连最基本的引擎,油门,刹车,方向盘的工作原理都不明白,思维方式就不对,所以根本没法独自上路,一上路就出车祸。很多人把过错归结在自 己的车身上,以为换一辆车马上就能成为好的驾驶员。这是一种世界范围的计算机教育的失败。

在后面的章节,我会引导你成为一个合格的驾驶员,随便拿一辆车就能开好。

什么是计算

现在你掌握了计算所需要的基本元素,可是什么是计算呢?我好像仍然没有告诉你。这是一个很哲学的问题,不同的人可能会告诉你不同的结果。我试图从最广义的角度来告诉你这个问题的答案。

当你小时候用手指算 4+3,那是计算。如果后来你学会了打算盘,你用算盘算 4+3,那也是计算。后来你从我这里学到了表达式,变量,函数,调用,分支语句…… 在每一新的构造加入的过程中,你都在了解不同的计算。

所以从最广义来讲,计算就是“机械化的信息处理”。所谓机械化,你可以用手指算,可以用算盘,可以用计算器,或者计算机。这些机器里面可以有代码,也可以没有代码,全是电子线路,甚至可以是生物活动或者化学反应。不同的机器也可以有不同的计算功能,不同的速度和性能……

有这么多种计算的事实不免让人困惑,总害怕少了点什么,其实你可以安心。如果你掌握了上一节的“计算要素”,那么你就掌握了几乎所有类型的计算系统所需要的东西。你在后面所需要做的只是加深这种理解,并且把它“对应”到现实世界遇到的各种计算机器里面。

为什么你可以相信计算机科学的精华就只有这些呢?因为计算就是处理信息,信息有它诞生的位置(输入设备,固定数值),它传输的方式(赋值,函数调 用,返回值),它被查看的地方(分支)。你想不出对于信息还有什么其它的操作,所以你就很安心的相信了,这就是计算机科学这种“棋类游戏”的全部规则。



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