Federico Biancuzzi & Shane Warden：masterminds Of Programming——conversations With The Creators Of Major Programming Languages@2009

語言設計的動機與哲學

多位語言設計者指出，創造程式語言的根本動機並非為了設計而設計，而是為了解決特定的實際問題。例如，C++ 是為了解決當時缺乏一個能結合 Simula 類別概念（物件導向）與 C 語言效率和低階控制能力的系統程式設計語言的問題。Perl 則源於處理文本和系統管理任務的需求，旨在填補 Unix shell 和 C 之間的空白。APL 最初是為了精確描述演算法而設計的數學符號，後來因其實用性演變成程式語言。BASIC 則明確以教學為首要目標，旨在降低初學者學習程式設計的門檻。Lua 則源於嵌入式和配置需求，強調小巧、可移植和易於嵌入。

設計哲學往往圍繞著一組核心原則。簡潔性是許多語言追求的重要目標，即使其具體體現形式不同。Chuck Moore 的 Forth 追求極致的簡潔，認為程式語言應反映底層機器的模型，並通過堆疊和精簡的指令集提供直接的硬體存取。Thomas Kurtz 的 BASIC 則通過簡化語法、隱藏類型細節（如所有算術都使用浮點數）和提供合理的預設值來實現對初學者的簡潔。Adin Falkoff 的 APL 則通過統一的運算子優先規則和對陣列作為基本資料類型的強調來實現簡潔。與此相對，一些語言設計者也承認，在追求簡潔的同時，現實世界的複雜性往往會以其他形式出現，例如 Java 或 C++ 在核心語言保持相對簡潔後，複雜性轉移到龐大的標準庫中，或者像 Perl 那樣為了表達力而擁抱多樣性，犧牲了某些方面的簡潔性。

效率是另一個重要的設計考量，尤其對於系統程式語言或需要處理大量資料的語言。C++ 旨在提供與 C 媲美的效率，秉持「不為不需要的功能付費」原則。Forth 直接反映硬體模型，以實現高效的程序呼叫和硬體控制。PostScript 則通過解釋性語言和優化的圖形處理指令來平衡靈活性與效能。即便像 Java 這樣運行在虛擬機上的語言，其設計者也投入巨大努力於即時編譯器（JIT）和垃圾收集器上，以實現接近原生程式碼的效能。

安全性與可靠性在現代語言設計中日益重要。Java 的設計強調記憶體安全，通過垃圾收集和陣列邊界檢查來避免 C/C++ 中常見的指標錯誤。C# 也繼承並強化了這些安全性特性，儘管其設計者承認為了靈活性也保留了「不安全」的程式碼區塊。Eiffel 則以契約式設計（Design by Contract）為核心，通過前置條件、後置條件和類別不變數來增強軟體可靠性，甚至通過靜態分析來確保空指標安全。這些特性反映了設計者對軟體品質和工程原則的深刻關注。

多範式支援也是一些語言的特色，如 C++ 支援程序式、物件導向和泛型程式設計。Python 支援程序式和物件導向，並借鑒了函數式的一些概念。這種設計旨在為程式設計師提供更多工具，以更好地匹配問題領域的特性。然而，也有設計者認為過多的方式可能導致混亂，例如 Python 的設計者傾向於「只有一種或最好只有一種顯而易見的方法」。

總的來說，程式語言的設計哲學是多方面的權衡，受到應用領域需求、設計者的個人經驗與偏好、以及當時技術背景等多重因素的影響。核心在於找到一組能有效解決目標問題，並能隨著時間和技術發展而演進的原則。

語言的演進與變革

程式語言並非一成不變的靜態實體，它們如同生物般會隨著時間、技術和使用者需求而演進。這是一個複雜且充滿挑戰的過程，其中涉及多方的力量和權衡。

維持向後相容性是語言演進中最核心也是最具挑戰性的問題之一。許多設計者強調，一個語言一旦擁有龐大的使用者群和現有程式碼基礎（legacy code），打破相容性將帶來巨大的成本和阻力。Bjarne Stroustrup 在 C++ 的設計中，就非常重視與 C 的相容性，以及 C++ 不同版本之間的相容性。Java 也將向後相容性視為基石，即使這意味著某些早期設計上的遺憾需要通過冗餘或間接的方式來解決。這種對相容性的堅持，雖然限制了激進的變革，但也是許多語言得以長時間存續和普及的重要原因。

然而，過於嚴格的相容性要求也可能成為創新的桎梏。一些設計者承認，隨著時間推移，語言中會積累一些過時、笨拙甚至錯誤的設計。在這種情況下，有時需要進行一次革命性或突破性的變革，打破相容性以清理歷史包袱並引入新的概念。Perl 6 相較於 Perl 5 就是一個典型的例子，旨在對語言進行系統性重新設計。Python 3.0 也進行了一些非相容性的修改，以解決 Python 2.x 中存在的問題。這些變革往往需要仔細的規劃和配套措施（如自動轉換工具、過渡期支援等），以盡量降低對使用者的衝擊。

標準化在語言的演進中扮演著重要角色。由標準組織（如 ISO、ECMA、W3C）或事實上的標準制定者（如核心開發團隊）來定義和維護語言規範，有助於促進不同實作之間的互通性，增強使用者的信心，並為語言的發展提供一個共同的框架。然而，標準化過程本身也可能充滿挑戰，例如不同利益相關者之間的競爭、決策過程的緩慢等，可能導致標準本身變得臃腫或偏離最初的願景。UML 的演進歷程就體現了標準化過程中可能遇到的問題，委員會的妥協和政治因素可能導致語言的複雜化和概念上的不一致。

社群和使用者回饋是推動語言演進的關鍵力量。使用者在使用過程中發現的問題、提出的需求和建議，是語言改進的重要來源。許多語言設計者積極與社群互動，通過郵件列表、論壇、會議等渠道收集回饋。一些語言甚至建立了正式的提案流程（如 Python 的 PEPs），讓社群成員參與語言設計的討論。然而，設計者也需要在眾多意見中進行判斷和篩選，平衡不同使用者的需求，並警惕過於狹隘或不符合語言核心哲學的建議。最終的決策往往需要由一個核心團隊或個人（如 Python 的 BDFL）來拍板，以確保語言的整體一致性和方向性。

技術發展，特別是硬體的進步（如多核心處理器）、新的程式設計範式或軟體工程方法的出現，也是推動語言演進的重要外部因素。語言需要適應新的技術環境，例如增加對並行或分散式計算的支援，或者借鑒函數式程式設計中的優良思想。這要求語言設計者保持開放的心態，不斷學習和吸收新的知識。

總結來說，程式語言的演進是一個動態的平衡過程，需要平衡穩定性與變革、共識與領導、內部願景與外部需求。成功的語言能夠在這些力量之間找到恰當的平衡點，並通過持續的努力來管理複雜性、應對挑戰，從而在不斷變化的技術世界中保持活力和相關性。

程式設計的實踐與技巧

程式設計不僅僅是編寫程式碼，更是一種包含設計、實作、測試和除錯等環節的實踐活動。多位設計者分享了他們對如何成為一名優秀程式設計師的看法，以及語言和工具在其中的作用。

關於如何成為一個更好的程式設計師，一個核心建議是先思考，再編寫。這強調了設計的重要性，認為在寫下第一行程式碼之前，應花時間思考問題的本質和解決方案的結構。然而，也有設計者認為，對於某些語言（如 Python），快速的實驗性編碼本身就是思考過程的一部分，通過編寫和修改程式碼來探索問題空間。

實踐是提高技能的關鍵。多寫程式碼，嘗試不同類型的專案，使用不同的語言，都有助於拓寬視野，積累經驗。閱讀好的程式碼被視為另一種重要的學習方式，通過學習其他優秀程式設計師的寫作風格、設計模式和解決方案來提升自己。

團隊合作是現代軟體開發中不可或缺的一環，儘管一些設計者（如 Chuck Moore）認為其價值可能被過度誇大，並強調個人程式設計師的獨立性。然而，大多數大規模專案都需要團隊協作。這要求程式設計師具備良好的溝通能力（包括書面和口頭），並理解如何在團隊環境中協同工作。一些受訪者認為，缺乏團隊合作能力是軟體開發效率低下的重要原因之一。

測試與除錯是程式設計實踐中不可避免的部分。許多設計者強調，最好的除錯策略是預防，通過良好的設計、清晰的程式碼和嚴謹的思考來減少錯誤的產生。契約式設計（如 Eiffel）和強類型系統（如 Haskell、Java）被視為有助於在早期發現或防止錯誤的機制。對於除錯本身，一些實用技巧被提及，如使用簡單的印出語句、系統性地排除錯誤、分而治之、藉助除錯工具等。關於何時以及如何教授除錯，大多數人認為它應該與程式設計的學習過程同步進行，而非一個獨立的課程。

程式碼品質是一個貫穿始終的話題。簡潔、清晰、易於理解的程式碼被視為更高品質的程式碼。許多語言的設計者都將程式碼的可讀性和可維護性納入考量。例如，Python 的縮排規則、APL 的統一優先級規則、Forth 的堆疊操作等，都旨在提高程式碼的清晰度。然而，一些語言的簡潔性也可能導致程式碼難以理解，需要學習特定的習慣用法。

語言對程式設計師的影響是一個有趣的視角。程式語言不僅僅是工具，它會影響程式設計師的思維方式。例如，物件導向語言鼓勵以物件和其互動的方式來思考問題；函數式語言鼓勵以純函數和不可變資料來思考問題。一些設計者認為，學習不同範式的語言有助於拓寬程式設計師解決問題的思路。

文件的重要性也被多次提及。雖然程式碼本身應該盡可能清晰，但適當的文件（如 API 文件、架構描述、甚至是程式碼中的註解）對於程式碼的理解、維護和團隊協作至關重要。然而，保持文件與程式碼同步更新也是一個挑戰。

總的來說，程式設計的實踐需要程式設計師不僅具備扎實的技術技能，還需具備良好的設計思維、團隊合作能力和不斷學習的意願。程式語言作為主要的工具，其設計會深刻影響這些實踐方面，但最終，程式設計師個人的能力和選擇仍然是決定軟體品質和開發效率的關鍵因素。

底層概念與理論的作用

程式語言的設計和程式設計的實踐與硬體、效能、並行性、數學及形式化理論等底層概念與理論密切相關。這些概念為語言提供了基礎，也對程式設計師的思維產生影響。

硬體的特性是語言設計的重要考量。Forth 直接反映了基於堆疊的虛擬機器模型，以實現高效的硬體控制。C++ 的設計則考慮了現代硬體架構，旨在提供低階控制和高效率。然而，許多現代語言（如 Java、Python）通過虛擬機或抽象層，將程式設計師與硬體細節隔離開來，以提高可移植性和安全性。這種抽象層的建立，也使得程式設計師可以更專注於問題的邏輯，而非底層硬體的限制。硬體的快速發展也影響了程式設計師的心態，充足的計算資源有時會導致對效率的忽視，但也使得使用更高層次的語言和工具成為可能。

效能一直是程式語言設計的核心問題。許多語言設計者都將程式碼的執行效率作為重要的設計目標。優化技術、高效的資料結構和演算法是實現高效能的關鍵。聲明式語言（如 SQL）由於不指定具體的執行步驟，為編譯器提供了更多的優化空間。即時編譯器（JIT）的出現也使得一些動態語言能夠達到接近靜態編譯語言的效能水平。然而，過度的微觀優化可能導致程式碼複雜且難以理解，有時甚至適得其反。

並行性與多核心是當前技術發展面臨的最大挑戰之一。隨著處理器核心數的增加，如何有效利用並行計算能力成為程式語言需要解決的問題。許多語言正探索不同的並行模型，如基於共享記憶體的多執行緒（儘管其除錯困難）、基於訊息傳遞的行程或代理人模型、以及函數式程式設計中固有的並行性。一些語言正通過語言特性或庫來提供對並行性的支援，而另一些語言（如 Erlang）則從設計之初就將並行性和分散式計算作為核心考量。如何設計能夠讓程式設計師在不陷入複雜並行問題細節的同時，又能有效利用多核心硬體的語言，是未來設計的重要方向。

數學在電腦科學和程式設計中扮演著基礎性角色。演算法、資料結構、計算複雜性等概念都源於數學。形式化理論，如自動機理論、形式文法、程式語義學等，為語言設計、編譯器建構和程式驗證提供了理論基礎。例如，APL 的設計就深受數學符號和代數原則的影響。ML 的設計則與形式化證明和類型理論緊密相連。SQL 的基礎是集合論和關係代數。許多設計者都強調數學思維對程式設計師的重要性，認為它有助於培養抽象能力和邏輯推理能力。

形式化理論在語言設計和驗證中的作用也日益受到重視。雖然對整個語言進行完全的形式化可能非常耗時且複雜，但對語言的核心部分或關鍵特性進行形式化（如 Haskell 的類型系統、ML 的語義）有助於釐清概念、發現潛在問題，並指導高質量編譯器和工具的建構。契約式設計也被視為一種輕量級的形式化方法，有助於提高軟體可靠性。然而，形式化理論的應用也面臨挑戰，如理論與實踐之間的差距、以及如何將形式化方法融入日常開發流程等。

總而言之，底層概念和理論構成了程式語言和程式設計的地基。儘管抽象層次越來越高，程式設計師可以直接處理的細節越來越少，但理解這些底層原理對於設計高效、可靠和安全的大規模軟體系統仍然至關重要。成功的語言設計能夠巧妙地將這些複雜的概念轉化為易於使用且功能強大的語言特性和工具。

社群與採納

程式語言的成功不僅取決於其技術優勢，也高度依賴於其所建立的社群及其在市場上的採納程度。語言的設計與演進、文件的品質、工具的可用性以及經濟和社會因素都對語言的普及產生深遠影響。

社群是程式語言生命力的來源。一個活躍的社群能夠提供回饋、貢獻程式碼（特別是在開源模式下）、建立函式庫、撰寫文件和教學資源，並互相支援。Perl 的 CPAN 被視為社群成功的典範，證明了開放模組系統和熱心社群能夠極大地擴展語言的應用範圍。Python 的社群也以其活躍和對語言發展的貢獻而聞名。語言設計者與社群的互動方式各不相同，有的採取更中心化的決策模式（如 Python 的 BDFL），有的則更依賴廣泛的共識（儘管這可能導致決策緩慢）。然而，無論哪種模式，傾聽社群聲音並回應其需求，都是維護社群活力的重要一環。

採納是一個語言得以存續的關鍵。一個語言從學術研究走向業界應用，再到被廣泛採納，往往需要跨越多個階段。早期使用者（Early Adopters）的引入、殺手級應用的出現、以及在特定領域獲得立足點（例如 Perl 在 Web 開發領域、Python 在資料科學領域、Lua 在遊戲嵌入領域）都有助於語言的普及。PostScript 憑藉其在桌面出版領域的早期成功迅速佔領市場。Objective-C 則通過與 NeXT 和 Apple 產品的捆綁而獲得了重要的立足點。

市場和經濟因素對語言的採納具有決定性影響。大型公司的支援（如 Sun 對 Java、Microsoft 對 C#）能夠提供充足的資源用於開發、行銷和建立生態系統，從而極大地加速語言的普及。然而，也有語言在沒有強大商業公司支持的情況下，憑藉其技術優勢和社群力量獲得成功（如 Python、Perl）。標準化過程雖然有時會延緩創新，但它可以增加使用者對語言穩定性和互通性的信心，這對於企業級應用的採納尤其重要。商業模式的選擇（例如，免費提供語言但銷售工具或服務，或者將語言與特定硬體或平台捆綁）也會影響語言的普及路徑。

文件和工具的品質對語言的學習和使用至關重要。清晰、易於理解的入門教程和全面的參考手冊能夠幫助新使用者快速上手。高質量的編譯器、直譯器、整合開發環境（IDE）、除錯工具、測試框架等則提高了開發效率。CPAN 等模組倉庫的成功表明，豐富的第三方庫是吸引和留住開發者的重要因素。

語言的技術特性本身也是影響採納的因素。易於學習、易於使用、高效能、高可靠性、以及與其他語言和系統的良好互通性，都是吸引使用者的重要特點。然而，有時技術上更優越的語言（如一些學術研究型語言）可能由於過於激進或與現有主流範式差距過大，而難以被廣泛接受。

處理遺留問題是語言持續採納面臨的長期挑戰。現有的龐大程式碼基礎使得許多組織不願意輕易更換語言或大幅升級。成功的語言需要提供有效的方式來處理遺留程式碼，例如提供互通性機制、升級工具或支持共存。

總的來說，一個程式語言的成功採納是一個複雜的社會技術現象。它要求語言在技術上具有競爭力，同時能夠建立和維持一個活躍的社群，並在市場上找到合適的定位和商業模式。語言的設計者需要同時關注技術的純粹性和現實世界的約束，並與使用者和社群共同努力來推動語言的發展和普及。