基于Java平臺的多語言混合編程

摘 要：Java領(lǐng)域混合語言編程時代已經(jīng)到來。本文首先回顧靜態(tài)類型語言和動態(tài)類型語言、命令式語言和聲明式語言的基本概念和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后介紹Java語言的發(fā)展趨勢和基于Java Virture Machine的代表性語言Jython、JRuby、Groovy、Scala和Clojure，最后指出軟件項(xiàng)目的未來在于混合語言編程，Java仍將是JVM生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。

關(guān)鍵詞：JVM；Groovy；Scala；Clojure；多語言混合編程

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

Java語言的一個非常重要特點(diǎn)就是平臺無關(guān)性，而使用Java Virtual Machine（JVM，Java虛擬機(jī)）是實(shí)現(xiàn)這一特點(diǎn)的關(guān)鍵。JVM是一個虛構(gòu)的計算機(jī)，它是通過在實(shí)際的計算機(jī)上仿真模擬各種計算機(jī)功能來實(shí)現(xiàn)的，因此JVM屏蔽了與具體平臺相關(guān)的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在JVM上運(yùn)行的目標(biāo)代碼（字節(jié)碼），就可以在多種平臺上不加修改地運(yùn)行。JVM在執(zhí)行字節(jié)碼時，把字節(jié)碼解釋成具體平臺上的機(jī)器指令執(zhí)行，這就是Java能夠“一次編譯，到處運(yùn)行”的原因。

雖然JVM是為支持Java語言的語義而設(shè)計的，但是這種將編程語言與運(yùn)行時環(huán)境分開的技術(shù)使得它也可以用作其他語言的目標(biāo)。在過去幾年間，使用JVM來運(yùn)行非Java程序的情況成增長趨勢，據(jù)統(tǒng)計有超過200種語言能夠運(yùn)行在JVM平臺上。有的基于JVM的語言Jython（1997年）和JRuby（2000年）都是從其他已存在的語言移植到JVM中來的，Jython（之前被稱為Jpython）是一個基于JVM的Python語言實(shí)現(xiàn)，Sun公司資助的JRuby是一個基于JVM的Ruby版本，而全新的基于JVM的語言是Groovy、Scala。Clojure還算不上是JVM的一種新的編程語言，它是一種Lisp方言。

隨著運(yùn)行在JVM上的程序設(shè)計語言大量增多，大大激發(fā)了多語言編程理念，因?yàn)檫@樣你可以混合使用編程語言并可以選擇最佳匹配，同時還維護(hù)著相同的底層字節(jié)碼和類庫。在實(shí)際應(yīng)用中，沒有一種語言可以做到完美解決一切問題，每種語言都有自己擅長的方面，而且日趨復(fù)雜的軟件需求也使得混合編程的應(yīng)用場景更加頻繁。對于Java程序員來說，技術(shù)單一正面臨著危機(jī)，混合編程時代已經(jīng)到來，這是Java程序員必須迎接的挑戰(zhàn)。

本文接下來首先回顧靜態(tài)類型語言和動態(tài)類型語言、命令式語言和聲明式語言的基本概念和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，然后介紹Java語言的發(fā)展趨勢和基于JVM的代表性語言Jython、JRuby、Groovy、Scala和Clojure，最后指出軟件項(xiàng)目的未來在于混合語言編程，Java仍將是JVM生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。

2 靜態(tài)類型語言和動態(tài)類型語言（Statically typed

language vs. dynamically typed language）

根據(jù)變量的類型是在編譯時確定還是在運(yùn)行時確定，編程語言可分為靜態(tài)類型語言和動態(tài)類型語言。靜態(tài)類型語言是指在編譯時變量的數(shù)據(jù)類型即可確定的語言，如：Java，C++等等，多數(shù)靜態(tài)類型語言要求在使用變量之前必須聲明數(shù)據(jù)類型（某些具有類型推導(dǎo)能力的現(xiàn)代語言可能會部分減輕這個要求）。與此相反，動態(tài)類型語言是指在運(yùn)行時確定數(shù)據(jù)類型的語言，變量使用之前不需要類型聲明，通常變量的類型是被賦值的那個值的類型，如：Python和Ruby就是典型動態(tài)類型語言，很多腳本語言vbscript，javascript也是這類語言。

要區(qū)分靜態(tài)和動態(tài)類型語言僅從語法格式上就足夠了，如代碼清單1和代碼清單2所示：

public int add（int x，int y）{

return x+y；

}

代碼清單1：靜態(tài)類型語言（Java）

function add（x，y）{

return x+y；

}

代碼清單2：動態(tài)類型語言（JavaScript）

靜態(tài)類型語言的主要優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)規(guī)范，便于調(diào)試，方便類型安全，缺點(diǎn)是為此需要寫更多的類型相關(guān)代碼。靜態(tài)類型語言為了達(dá)到多態(tài)會采取一些類型鑒別手段，如繼承、接口，而動態(tài)類型語言則不需要。動態(tài)類型語言的優(yōu)點(diǎn)在于不需要寫非常多的類型相關(guān)的代碼，缺點(diǎn)自然就是不方便調(diào)試，命名不規(guī)范，會造成不利于理解等。

3 命令式編程語言和聲明式編程語言（Imperative

programming language vs. declarative

programming language）

根據(jù)編程范式的不同，高級編程語言可分為命令式語言和聲明式語言，兩者的編程方式有很大的差異。

命令式語言是基于動作的語言，以馮諾依曼計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)為背景。機(jī)器語言及匯編語言是最早的命令式語言，在這種語言中，計算機(jī)被看作是動作的序列，程序就是用語言提供的操作命令書寫的一個操作序列。用命令式語言編寫程序，就是描述解題過程中每一步，程序的運(yùn)行過程就是問題的求解過程。命令式語言分為面向過程和面向?qū)ο?，傳統(tǒng)的命令式語言比如Fortran、C和Pascal都是面向過程的，它們主要的程序設(shè)計單元是過程。現(xiàn)代的命令式語言比如C++、Java和C#則是面向?qū)ο蟮模鼈儗ο笞鳛槌绦虻幕締卧?，將程序和?shù)據(jù)封裝其中，通過對象之間的協(xié)作來解決問題。

聲明式編程與命令式相對立，不同于命令式編程需要用算法明確指出每一步該怎么做，聲明式編程描述目標(biāo)的性質(zhì)，讓計算機(jī)明白目標(biāo)，而非流程，即告訴計算機(jī)需要計算“什么（What）”而不是“如何（How）”去計算。聲明式編程是一個大的概念，其下包含一些有名的子編程范式：約束式編程、領(lǐng)域?qū)僬Z言、函數(shù)式編程、邏輯式編程等。例如：數(shù)據(jù)庫查詢語言（SQL，XQuery），正則表達(dá)式屬于領(lǐng)域?qū)僬Z言，LISP屬于函數(shù)式編程語言，Prolog屬于邏輯式編程語言。聲明式編程語言通常用作解決人工智能問題和約束滿足問題。endprint

命令式編程通常會讓代碼變得十分冗長，更重要的是由于它提供了過于具體的指令，使得執(zhí)行代碼的基礎(chǔ)設(shè)施（如JVM）沒有太多的發(fā)揮空間，只能老老實(shí)實(shí)地根據(jù)指令一步步地向目標(biāo)前進(jìn)。因?yàn)橄瘛皥?zhí)行目的”這樣更高層次的信息已經(jīng)丟失了，并行執(zhí)行程序會變得十分困難，因此，編程語言的趨勢之一，便是能讓代碼包含更多的“What”，而不是“How”，這樣執(zhí)行環(huán)境便可以更加聰明地去適應(yīng)當(dāng)前的執(zhí)行要求，所以聲明式編程自2009年起備受人們的關(guān)注。

4 Java語言的發(fā)展趨勢（The trend of the Java

language）

Java語言集許多語言的優(yōu)點(diǎn)于一身，它的面向?qū)ο筇匦宰尨笮蛙浖こ套兊酶尤菀坠芾?，它的自動垃圾回收機(jī)制能有效地管理內(nèi)存和防止內(nèi)存泄露，它的平臺無關(guān)性讓Java在服務(wù)器端軟件領(lǐng)域獲得巨大成功。Sun公司在推出Java時就將其作為開放的技術(shù)，得到了廣大軟件開發(fā)商的支持，Java擁有世界上最大的開發(fā)人群和開源生態(tài)系統(tǒng)，這是其他語言無法比擬的。

Java語言已經(jīng)證明了它的強(qiáng)大與成功，但是Java并不是盡善盡美的。對Java語言的批評主要集中在三個方面：語言問題、模塊化問題、性能問題。首先是語言問題，Java是靜態(tài)類型語言，屬于命令式編程范式，它的語法與固有范式存在著已知的局限性。Java語言的一個發(fā)展趨勢是在可能的范圍內(nèi)降低語言本身的語法復(fù)雜度，從J2SE 5.0中增強(qiáng)的for循環(huán)，到Java SE 7中的try-with-resources語句和<>操作符，再到Java SE 8中引入的lambda表達(dá)式，Java正在不斷地簡化自身的語法并引入一些重要的現(xiàn)代語法特征，例如函數(shù)式編程中的某些特性。第二是模塊化問題，Java平臺所包含的各種功能不同的類庫是一個統(tǒng)一的整體，在一個程序的運(yùn)行過程中很多類庫其實(shí)是不需要的。模塊化的含義是把Java平臺提供的類庫劃分成不同的相互依賴的模塊，程序根據(jù)需要選擇運(yùn)行時所依賴的模塊，只有被選擇的模塊才會在運(yùn)行時被加載。模塊化的實(shí)現(xiàn)不僅可以應(yīng)用到Java平臺本身，也可以應(yīng)用到Java應(yīng)用程序的開發(fā)中，OpenJDK中的Jigsaw項(xiàng)目提供了這種模塊化的支持[1]。第三是性能問題，這主要是因?yàn)镴VM這個中間層次的存在。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，越來越多的硬件平臺采用了多核CPU和多CPU的架構(gòu)，Java平臺需要幫助開發(fā)人員更好地充分利用這些資源來提高程序的運(yùn)行性能。Java SE 7中的fork/join框架是一個高效的任務(wù)執(zhí)行框架。Java SE 8對集合類框架和相關(guān)API做了增強(qiáng)，以支持對批量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動的并行處理。

Java仍然是最受歡迎的編程語言，而且至少在接下來的這幾年里不會改變，原因有很多：首先，許多計算機(jī)科學(xué)的程序和其他領(lǐng)域的程序是用Java編寫的。第二，Java有一個巨大的穩(wěn)定的代碼庫。第三，有大量的廠商投資、工具、培訓(xùn)和其他產(chǎn)品，使得無論是供應(yīng)商還是他們的客戶都依賴Java。第四，Java擁有最大的開發(fā)社區(qū)和開源生態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)涉及到選擇何種工具、供應(yīng)商和開發(fā)者作為未來的開發(fā)方向時，Java仍然是首選。

5 基于JVM的語言（JVM-hosted languages）

Java面臨的最大的威脅是快速發(fā)展的JVM-hosted語言，如Jython、JRuby、Groovy、Scala和Clojure，這些語言都基于JVM，它們可以與Java語言方便簡單地集成，相比Java都有更加簡明的語法和豐富的表達(dá)能力。以Groovy、Scala和Clojure為代表的JVM語言被業(yè)界稱為“JVM三巨頭”，調(diào)查顯示Groovy和Scala兩者都顯示出強(qiáng)勁的商業(yè)應(yīng)用熱度，Clojure的支持絕大部分來自業(yè)余愛好者和lisp黑客，而不是商業(yè)組織[2]。沒有任何一種語言可以徹底地取代另外一種或是所有的語言，它們根據(jù)各自的擅長很好地解決問題。

5.1 Jython

Jython即是Python語言的Java實(shí)現(xiàn)。要了解Jython，首先要了解Python。Python支持命令式程序設(shè)計、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、函數(shù)式編程、面向方面的程序設(shè)計、泛型編程多種編程范式。Python開發(fā)者的哲學(xué)是“用一種方法，最好只有一種方法來做一件事”，因此Python源代碼具備很好的可讀性，并且能夠支撐大規(guī)模的軟件開發(fā)。Python語言及其眾多的擴(kuò)展庫所構(gòu)成的開發(fā)環(huán)境十分適合工程技術(shù)、科研人員處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、制作圖表，甚至開發(fā)科學(xué)計算應(yīng)用程序。一些知名大學(xué)采用Python教授程序設(shè)計課程，例如卡耐基梅隆大學(xué)的編程基礎(chǔ)和麻省理工學(xué)院的計算機(jī)科學(xué)及編程導(dǎo)論就使用Python語言講授。

Jython是用Java編寫，它繼承了Java和Python二者的特性而顯得很獨(dú)特，如Jython代碼的可讀性和清晰性，與Java的無縫集成，動態(tài)類型，Java程序員在數(shù)日內(nèi)就能熟悉Jython。

5.2 JRuby

JRuby是Ruby語言的純Java實(shí)現(xiàn)（Ruby是用C寫的），它結(jié)合了Ruby簡潔的語法以及Java豐富的類庫，通過JRuby可以在JVM上直接運(yùn)行Ruby程序，調(diào)用Java的類庫。JRuby無縫地“組合”了Java和Ruby的優(yōu)勢，使我們的開發(fā)效率事半功倍[3]。

Ruby發(fā)明的理念是“你既能進(jìn)行高效開發(fā)又能享受編程的快樂”，其次是良好的界面設(shè)計，他強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)設(shè)計必須注重人性化，而不是一味從機(jī)器的角度設(shè)想，遵循上述的理念，Ruby語言通常非常直觀，按照編程人認(rèn)為它應(yīng)該的方式運(yùn)行。Ruby是一種有趣的語言，它支持使用多重范式，其中之一是“函數(shù)式范式”，JRuby是完全面向?qū)ο蟮摹?/p>

5.3 Groovy

Groovy是Java平臺上設(shè)計的面向?qū)ο缶幊陶Z言。這門動態(tài)類型語言擁有類似Python、Ruby和Smalltalk的一些特性，可以作為Java平臺的腳本語言使用。Groovy的語法很像Java以至于多數(shù)的Java代碼也是正確的Groovy代碼，這樣了解Java的開發(fā)者可以更快地學(xué)習(xí)Groovy。Groovy代碼動態(tài)的被編譯器轉(zhuǎn)換成Java字節(jié)碼。由于其運(yùn)行在JVM上的特性，Groovy可以使用其他Java語言編寫的庫。Groovy的優(yōu)勢在于易用性以及與Java無縫銜接，一些開發(fā)者由于Groovy和Java的無縫集成而使用Groovy[4]。endprint

5.4 Scala

Scala是一種純粹的面向?qū)ο缶幊陶Z言，Scala中的每個值包括基本數(shù)據(jù)類型都是對象，連函數(shù)也是對象。Scala包含若干函數(shù)式語言的關(guān)鍵概念，把函數(shù)式和面向?qū)ο蟮木幊趟枷牒芎玫亟y(tǒng)一到了一種語言里。Scala可以與Java互操作，可以訪問現(xiàn)存的數(shù)之不盡的Java類庫，這使得Scala成為Java程序員解決某些問題的另一種選擇。Scala把Erlang風(fēng)格的基于actor的并發(fā)帶進(jìn)了JVM，開發(fā)者現(xiàn)在可以利用Scala的actor模型在JVM上設(shè)計具伸縮性的并發(fā)應(yīng)用程序，它會自動獲得多核處理器帶來的優(yōu)勢，而不必依照復(fù)雜的Java線程模型來編寫程序。因此與Groovy相比，Scala的優(yōu)勢在于性能和一些高級特性[5]。

5.5 Clojure

Clojure給JVM帶來了Lisp。Lisp是基于λ演算的函數(shù)式編程語言，以表達(dá)性和功能強(qiáng)大著稱，但人們通常認(rèn)為它不太適合應(yīng)用于一般情況，Clojure的出現(xiàn)徹底改變了這一現(xiàn)狀，它是一種運(yùn)行在Java平臺上的Lisp方言，在任何具備JVM的地方都可以利用Lisp的強(qiáng)大功能。Clojure不是面向?qū)ο蟮?，但提供了很多你想從OO中得到的東西，如封裝（通過名字空間、私有定義和閉包）、強(qiáng)大的多態(tài)（multimethods）、函數(shù)重用比繼承更勝一籌。同時，Clojure可以無縫地與Java進(jìn)行交互操作，因此，Java開發(fā)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)Clojure具有優(yōu)勢。Clojure還把函數(shù)式編程語言引入JVM，使Clojure成為一種進(jìn)行并行、并發(fā)編程的完美語言，支持現(xiàn)在的多核、多CPU以及分布式計算。

6 結(jié)論（Conclusion）

我們究竟需要什么樣的編程語言？企業(yè)級項(xiàng)目和Web項(xiàng)目需要怎樣的語言？一般而言有以下要求：可伸縮性、可移植性、并行編程、高性能、DSL（領(lǐng)域?qū)僬Z言）的實(shí)現(xiàn)，還有對于低風(fēng)險的要求，如與舊項(xiàng)目的兼容性，舊項(xiàng)目遷移的成本，開發(fā)工具的支持，開發(fā)團(tuán)隊(duì)對語言的熟悉情況，以及語言開發(fā)團(tuán)隊(duì)的穩(wěn)定性等等。而具體到每一位開發(fā)者頭上情況變得更加復(fù)雜。他們可能想要：動態(tài)的、靜態(tài)的、強(qiáng)類型的、函數(shù)式的、富有表達(dá)力的、面向?qū)ο蟮摹⑷菀讓W(xué)習(xí)的（在有Java或其他語言開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上）、快捷的、模塊化的、有強(qiáng)大的類庫、有好用的框架、有合適的IDE、有活躍的社區(qū)等等。某些語言可能滿足上述條件中的若干條，但是沒有任何一種語言能夠滿足所有條件。同時，一個項(xiàng)目的不同層面的需求也是不同的，比如，廣受歡迎的社交網(wǎng)絡(luò)及微博網(wǎng)站Twitter，表層是Ruby on Rails，底層是Scala；著名的在線學(xué)習(xí)網(wǎng)站Coursera把Scala作為服務(wù)器語言使用。

綜上所述，軟件項(xiàng)目的未來在于混合語言編程，而Java仍將是JVM生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] OpenJdk Project Jigsaw [EB/OL].http：// openjdk.java.net/

projects/jigsaw/

[2] The Big Three-Scala， Clojure and Groovy [EB/OL].http：//

thecodegeneral.wordpress.com/2012/03/04/the-big-three-

jvm-languages/.

[3] JRuby Homepage [EB/OL].http：//www.jruby.org/.

[4] Groovy Homepage [EB/OL].http：//groovy.codehaus.org/.

[5] Scala website [EB/OL].http：//www.scala-lang.org/.

作者簡介：

錢宇虹（1967-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：軟件開發(fā)與應(yīng)

用，軟件工程，軟件測試技術(shù).endprint