詳解半靜態語言原理及價值
51CTO編者按：我們曾經在《基于JVM的語言正在開始流行》一文中介紹過全新的基于JVM的腳本語言是Groovy和Scala。這兩門語言現在都越來越流行，不同的是，Groovy是動態腳本語言，而是Scala是靜態語言，那什么是半靜態語言呢？本文將由阿里巴巴技術部中文站架構師何坤（Raymond He）系統地向大家介紹這篇《詳解半靜態語言原理及價值》。
引言
動態類型語言在企業開發和互聯網領域應用廣泛，如Ruby ,Velocity, Python等。 動態類型語言在運行時進行類型推斷，以解釋方式執行，修改即生效，開發靈活性高；而靜態類型語言(如：Java，C/C+/C++) 在執行前做類型檢查，需要編譯運行，對于互聯網前端開發不夠靈活。
因此，許多大型互聯網站選擇 Freemarker, Velocity這樣的動態模板語言作為頁面開發語言，在一定程度上滿足了前端敏捷開發的需求。
然而，對于大型電子商務網站，不僅具有一般互聯網需求頻繁變更的特點，更顯著特點則是業務繁多，業務模型和業務關系復雜。 因此，在此類應用開發中，Velocity 的開發也遇到了一些的問題。
前端模板開發問題
1、降低軟件質量
Velocity是弱類型動態語言，運行時才能檢查出類型錯誤。由于動態類型等特點，有的錯誤在遇到特定參數時，才能激發執行路徑，軟件質量不能很好的保證。
2、測試成本高
由于無法像靜態語言一樣，在運行前進行類型檢查，因此軟件的測試周期長，測試成本高。
3、開發不敏捷
缺乏一些敏捷開發功能如IDE內實時驗證、代碼提示、代碼重構等。雖然能修改即生效，但對于企業級開發，效率較低。
4、維護性差
對于一個大型系統，在重構業務模型（Java Model）或代碼時, 無法知道哪些Velocity模板會受到影響；常常需要花費大量時間搜索相關模板，然后修改、測試。例如：筆者所在公司的一個基礎產品升級，由于受影響模板眾多，重構復雜，項目評估達上千人日。
這些動態語言天生的缺點在企業級和大型網站應用中非常突出，嚴重的影響了開發質量和開發效率。因此，在技術上亟待一種新的高質量、高效率的開發技術。
靜態語言的優勢
綜合考慮后，我們發現動態類型語言（Dynamic Language）“解釋執行方式和修改即生效”的最大優點仍是不能舍棄的。必須從問題出發，找到一條平滑的線路來解決問題。
遇到上述問題時，我們不由自主的會贊美Java的優點：
1、靜態語法和靜態類型實時檢查。
如果賦值類型不匹配，方法不存在，參數類型錯誤等信息能馬上在IDE中顯示；
2、代碼提示:
調用屬性，方法時能代碼提示，開發非常高效；
3、代碼熱鏈接:
通過變量和類名熱鏈接到對應的Java類；
4、代碼重構：
修改一個Java類時，受影響的Java代碼會被實時重新驗證，馬上會顯示紅色的錯誤； 更強大的是重構，對Java類，方法敏性重命名，會自動修改所有相關代碼中對它的引用。
Java等靜態類型語言的這些優勢就是解決問題的方向。那為什么動態語言不能做到這些呢？ 原因在于動態語言的根本特點是變量無類型（即弱類型特點），類型在運行時推斷，這使得它無法在開發階段進行類型檢查。
那如何將動態語言和靜態語言的優點結合呢？答案就是半靜態語言。
Phone Club——51CTO移動開發線下技術沙龍
本期主題：Android應用開發技術進階
地點：創新工場 北京市海淀區北四環西路66號第三極大廈B座18層
演講講師：王明禮（創新工場） 范懷宇（網易）
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半靜態語言（Semi-Static Language）
1 定義
半靜態語言，嚴格說應該是靜態化類型的動態語言（Statically Typed Dynamic Language）。它是這樣一種語言：以靜態方式開發，以解釋方式執行；通過變量顯式聲明或隱式聲明，運行前可對變量類型進行推斷和驗證。
靜態語言，動態語言和半靜態語言的特點對比分析如下：
語言類型 優點 缺點 舉例 適用場景 Static Language 強類型，運行前類型檢查，程序健壯 對Java等支持反射的語言，可實現代碼提示，重構等敏捷開發特性 需編譯運行，發布慢 無法快速響應需求變化 Java C/C++ 企業級后端開發 大型互聯網后端開發 Dynamic Language 靈活性高，修改即生效 快速響應需求變化 弱類型，運行時類型檢查，程序不健壯，測試成本高 PHP Ruby Velocity 業務簡單的小型互聯網前端開發 Semi-Static Laguange 開發時(Devtime)強類型，程序健壯 運行時(Runtime)弱類型，修改即生效，快速響應需求變化 業務復雜的企業級開發和大型互聯網前端開發
半靜態語言集合了靜態語言和動態語言的優點，更適合企業級和大型互聯網開發，例如：電子商務，ERP，金融，保險等。
2 技術原理
2.1 范例
為了實現目標，需要在動態類型語言基礎上，引入變量聲明技術。因此本質上，半靜態語言也是一種聲明式語言（Declarative Language）, 這一點與靜態類型語言一樣。
以Velocity模板語言為例：
當前Velocity Template編程代碼范例如下：
- [Code 1] showBuyProducts.vm
- <HTML>>
- Hello $customer.Name
- <table>>
- #foreach( $product in $buyingProducts )
- Buy: $product.Name, Price: $product.Price,
- #end
- table>>
該模板執行后，HTML頁面上將用 $customer.Name 顯示“客戶名稱”，循環顯示該客戶購買的每個產品的名稱和價格。在Velocity中，運行時通過Velocity Context傳遞變量$customer和 $buyingProducts，而開發時這兩個變量是未定型的（Untyped，或者說都是Object類型）。
為了實現靜態化開發，引入變量聲明，在模板頂部對變量$customer，$buyingProducts進行顯式類型聲明。變量聲明指令為“##$”。
格式為：
- ##$ <Type> <var1[,var2[,[…]]]>
帶有變量聲明的半靜態模板代碼為：
- [Code 2] showBuyProducts_static.vm
- ##$ com.abc.crm.Customer customer
- ##$ com.abc.saling.Product product
- ##$ List<Product> buyingProducts
- <HTML>
- Hello $customer.Name
- <table>
- #foreach( $product in $buyingProducts )
- Buy: $product.Name, Price: $product.Price,
- #end
- table>
上述代碼中，指定了變量customer的類型為 com.abc.crm.Customer，變量buyingProducts 的類型為Product泛型集合。由于 "##"是Velocity的注釋指令，因此 "##$" 在Velocity Engine解析（Parse）和渲染（Render）時不會與現有語法沖突，Velocity引擎能正常執行，從而保證了兼容性。
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2.2 動態語言一階段模型
在動態類型語言中，只有一個運行時（Run Time）階段，運行階段由解釋器（Intepreter）來對源代碼進行解析（Parsing）、執行（Evaluation）產生執行結果。過程如下：
由于動態語言無類型的特點，在解析步驟中產生的抽象語法樹（Abstract Syntax Tree，AST）所有變量被存儲為統一的類型，例如JavaScript，Velocity中變量都作為 Object 類型。在執行步驟，一般由類型推斷系統（Type Inference System）負責根據變量的實際值動態判斷變量的類型，并判斷函數、方法或屬性調用是否正確，由解釋器進行執行或計算，從而產生結果。
2.3 半靜態語言兩階段模型
而半靜態語言，分開發時（Develop Time）和運行時（Run Time）兩個階段，兩個階段互不干擾。
1、開發時階段。
開發時進行類型檢查。一個“編譯器”，更嚴格說是類型化解析器（Typing Parser）負責對源代碼進行解析和類型檢查，然后輸出檢查結果。“變量聲明”是類型檢查的必要條件。檢查結果包含類型檢查失敗的錯誤信息和警告信息，類似于 Java編譯時的錯誤信息。
與靜態類型語言不同，此編譯器不輸出機器代碼或字節碼，只輸出類型檢查錯誤信息。
2、運行時階段。
此階段中，源代碼仍由解釋器以解釋方式執行，同動態語言的解釋執行過程。
半靜態語言的兩階段模型如下圖所示：
需要指出的是，運行時階段仍采用無類型解析器（Untyping Parser)， 是一個類型推斷系統。而開發時采用的是一個新的類型化解析器(Typing Parser), 是一個類型檢查系統(Type Checking System)。
2.4 開發流程
半靜態語言的開發流程涉及5個步驟：
1、編碼
2、編譯(類型檢查).
半靜態語言的編譯與靜態類型語言很不相同，它的編譯只進行類型檢查，不產生機器碼或字節碼。因此，半靜態語言的編譯可以稱為“檢查”（Checking).
在這個步驟中，如果代碼存在類型錯誤（Error），編譯失敗，那么你必須退回到步驟1）修改代碼bug，直到代碼編譯正確。
編譯過程還可以產生警告（Warning），程序員可以有選擇的忽略。
3、測試
QA 執行功能測試，集成測試和系統測試。
如果測試失敗，必須退回到步驟 1）。
4、發布
將代碼發布到生產環境
5、執行
最終用戶訪問用半靜態語言開發的應用功能。
從上面的開發流程可見， 開發時階段覆蓋了步驟 1）、2）， 運行時階段覆蓋了步驟 3)、4)、5）.
為了保證只有編譯合法的半靜態語言程序在生產環境運行，需要有以下兩條約束規則來保證：
1、代碼編譯合法后，才能提交到測試階段；
2、測試正確的代碼才能發布上線。
由于半靜態語言仍用解析器運行，理論上代碼仍具有修改即生效的特點。但從軟件質量保證角度，這個缺點應該規避。因此上線后的代碼不允許未經編譯、測試的隨意修改。
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2.5 類型檢查系統和原理
半靜態語言的類型檢查系統中的核心組件編譯器Compiler（或稱為Checker），它本質上是一個類型化解析器。編譯時，該系統采用類型檢查算法（Type Checking Algorithm）；而在運行時階段，仍由解釋器執行代碼，采用類型推斷算法（Type Inference Algorithm)。
半靜態語言的類型檢查基本原理是，根據變量聲明對源碼進行解析、類型檢查和語義檢查，輸出檢查結果。這個系統中類型檢查系統的基本原理如下圖所示：
我們使用一個命令行工具 vmcheck 來編譯半靜態語言代碼。格式為：
- Format: vmcheck templateFile
以前面的聲明式Velocity源碼為例，類型檢查系統包含以下幾個基本規則和檢查點：
1、變量是否聲明；
如果變量 $customer 未聲明，編譯錯誤如下：
- Error: line:2,column:7,variable $customer not declared !
2、JavaBean的屬性和方法是否存在
如果com.alibaba.saling.Customer類沒有屬性 'Name' ， 編譯錯誤如下：
- Error: line:2, column:7, property 'Name' not found for $customer.
如果com.alibaba.utils.CurrencyUtil 類沒有方法 'convert' ， 編譯錯誤如下：
- Error: line:6, column:22, method 'convert' not found for $currencyUtil.
3、方法調用的參數匹配;
3.1) 如果這樣調用 'convert' 方法:
- $currencyUtil.convert()
則產生如下編譯錯誤信息：
- Error: line:6, column:22, insufficient parameters for method call 'convert' .
3.2) 如果這樣調用 'convert' 方法
- $currencyUtil.convert( $customer , "##.##" )
則產生編譯錯誤信息：
- Error: line:6, column:22, parameter type mismatched of $customer for method call 'convert' , Double is required.
4、特定語句的類型匹配，如條件，循環語句：
如果有下面的復制語句調用
- #set( $customer.Name = $product.Price)
則產生編譯錯誤信息：
- Error: line:11, column:5, type mismatched of assignment statement.
'if', 'foreach' 等語句使用的類型匹配規則類似。這與Java等強類型語言一樣。
集合泛型的類型匹配
對于Java語言，JDK5+支持泛型特性。因此，類型檢查也需支持泛型。對于以下代碼
- ##$ List buyingProducts
- $buyingProducts.add( $customer)
編譯錯誤如下：
- Error: line:12, column:5, parameter type mismatched of $buyingProducts for method call 'add' , 'com.alibaba.saling.Product' is required.
- As for the previous Velocity code snippet [Code 1], after executing 'vcheck' command on console,
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3 變量聲明
變量聲明就是對變量的類型進行聲明。變量聲明根據放置的地點分為兩種，顯示聲明（Explicit Declaration）和隱式聲明（Implicit Declaration）。
1、顯式聲明
顯式聲明采用特殊指令（Directive）或語句（Statement），在源碼中對變量進行類型聲明。
顯式聲明通常的格式為：
為了保持與運行時解釋器的兼容性，我們引入一種“基于注釋的擴展聲明指令”技術。以Velocity模板語言（VTL）為例, 在Velocity注釋指令“##”上擴展“##$”指令用于變量聲明。如下例所示：
- [Code 3] showBuyProducts_static.vm
- ##$ com.abc.crm.Customer customer
- ##$ List buyingProducts
- ##$ String flag, sss, abc
對于其他動態類型語言，同樣使用“基于注釋的擴展聲明指令”來實現兼容性的半靜態語言。
|
Language |
Comment Instruction |
S2L Declaration Instruction |
|
Velocity |
## |
##$ |
|
Javascript |
// |
//$ |
|
Ruby |
# |
#$ |
|
Python |
# |
#$ |
2、隱式聲明
隱式聲明不用在源碼中編寫聲明語句，而從配置文件或其他地方分析變量聲明。例如，使用Velocity進行Web App開發時，如果需要直接頻繁操作request,response,session等Servlet容器對象，編譯器可以將它們作為內置變量，使用隱式聲明。如下表所示：
|
Built-in variable |
Type |
|
request |
HttpServletRequest |
|
response |
HttpServletResponse |
|
session |
HttpSession |
|
application |
ServletContext |
以下代碼使用隱式聲明變量 request, session,
- Hello, $request.getParameter("username") !
- Your logged in at $session.getAttribute("loginTime") last time.
- body>
這段代碼看起來，對現有Velocity語法沒有任何擴展. 但實際上，在編譯時，編譯器使用內置變量對源碼進行類型檢查。
如果編寫了一段錯誤的調用，例如：
- $session.getParameter("loginTime")
則編譯器輸出一條“方法不存在的”錯誤信息：
- Error: line:12, column:5, method 'getParameter' not found for $session!.
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4 語法約束
半靜態語言基于某種動態類型語言進行實現，但它在語法語義上更接近與靜態類型語言。在這兩個端點，存在一些矛盾的地方，比如：變量動態定型，ducking type等。因此，半靜態語言需要有語法約束：
1、變量先聲明，后使用
2、變量在作用域scope內置能聲明為一個類型；
3、禁止Ducking type 也就是多， 動態語言的無繼承多態特性不允許使用，因為這與靜態類型系統是沖突的。
如果違反這幾個規則，編譯器會產生相應的編譯錯誤。以ducking type 為例（Ruby支持，而Velocity等Java系列腳本不支持）， 如果嘗試訪問一個不存在的方法，則會產生下面的錯誤。
- Error: line:12, column:5, method 'quack' not found for $dog.
而在Ruby中，只要 dog 存在 quack 方法，代碼運行是正確的。
5 半靜態語言組成模型和實現方式
半靜態語言本質上是動態語言思想和靜態語言思想的結合的產物。一種基本的半靜態語言實現，核心功能是在運行前進行類型檢查和語義檢查。其組件集合 SS包括：
1、一種靜態類型語言S，S以編譯方式運行；
2、一種以S語言為基礎的動態類型語言 D。D以解釋方式由P執行，解釋器 P 由S 編寫；
3、在語言D的語法集合上擴展變量聲明語法，新語法集合名為 SD ；
4、用語言S對解釋器P進行擴展，實現 SD 的類型編譯器C；
5、開發時，遵循SD語法集合的代碼由 C 進行類型檢查；
6、運行時，遵循SD語法集合的代碼由 P 進行解釋執行。
因此，新的半靜態語言SS是基本組成是：新語法集合SD和類型編譯器C.
SS = SD + C
舉例：
Java 是一種靜態類型語言，運行前進行編譯和類型檢查；
Velocity是一種基于Java的動態模板語言，通過 Velocity Engine以解釋方式運行；
基于Velocity實現半靜態語言的方式為：為Velocity基本語法增加變量聲明指令（語句），基于Velocity 解釋器 實現類型編譯器 ，負責在開發時對模板進行類型檢查。
實踐中，Java體系的動態類型語言一般與Java語言天生的結合使用，應用廣泛。以它們為基礎，很容易通過擴展方式實現類型編譯器，進而實現半靜態語言。 例如Freemarker，Groovy，JRuby，Bean Shell等。其他動態類型語言也可以基于此原理設計半靜態語言，如：Python，Ruby。
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IDE敏捷開發（Agile Development in IDE）
對于Velocity，Freemarker這類動態類型語言，它們基于Java等強類型語言，在模板內能直接操作傳入的Java對象。由于Java等語言有反射（Reflection）機制。因而，除了靜態類型檢查的基本功能，可以在類型檢查和反射技術基礎上，實現一系列IDE敏捷開發功能。包括：
1、代碼提示：編輯器內的Java對象的屬性，方法代碼提示；
2、參數提示：編輯器內的Java對象的方法參數提示；
3、全量構建和增量構建：Java類修改對相關Velocity模板的增量檢查；
4、代碼重構：修改Java屬性或方法名稱，自動批量修改相關模板中所有對應類型的JavaBean屬性或方法名稱。
其中3），4） 功能對于大型系統的維護和重構價值尤為明顯。以上這些敏捷開發功能可獨立實現或結合集成開發環境（IDE）如Eclipse插件來實現。
結論
通過以上分析可見，半靜態化語言結合了靜態語言和動態語言的優點，能很好的解決動態語言編程的開發質量和開發效率問題。半靜態化語言保留了動態語言的靈活性優點，同時達到了靜態語言在開發時強類型檢查優勢，能有效提升程序健壯性，減低測試復雜性和測試成本。通過與IDE結合，實現代碼提示，代碼重構等敏捷開發功能，有效提升動態語言的開發效率。在企業級應用和互聯網應用開發中有著良好的應用價值。
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