基于Java平臺的多語言混合編程

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

關鍵詞：JVM；Groovy；Scala；Clojure；多語言混合編程

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

Java語言的一個非常重要特點就是平臺無關性，而使用Java Virtual Machine（JVM，Java虛擬機）是實現這一特點的關鍵。JVM是一個虛構的計算機，它是通過在實際的計算機上仿真模擬各種計算機功能來實現的，因此JVM屏蔽了與具體平臺相關的信息，使得Java語言編譯程序只需生成在JVM上運行的目標代碼（字節碼），就可以在多種平臺上不加修改地運行。JVM在執行字節碼時，把字節碼解釋成具體平臺上的機器指令執行，這就是Java能夠“一次編譯，到處運行”的原因。

雖然JVM是為支持Java語言的語義而設計的，但是這種將編程語言與運行時環境分開的技術使得它也可以用作其他語言的目標。在過去幾年間，使用JVM來運行非Java程序的情況成增長趨勢，據統計有超過200種語言能夠運行在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語言實現，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。

隨著運行在JVM上的程序設計語言大量增多，大大激發了多語言編程理念，因為這樣你可以混合使用編程語言并可以選擇最佳匹配，同時還維護著相同的底層字節碼和類庫。在實際應用中，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，而且日趨復雜的軟件需求也使得混合編程的應用場景更加頻繁。對于Java程序員來說，技術單一正面臨著危機，混合編程時代已經到來，這是Java程序員必須迎接的挑戰。

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

2 靜態類型語言和動態類型語言（Statically typed

language vs. dynamically typed language）

根據變量的類型是在編譯時確定還是在運行時確定，編程語言可分為靜態類型語言和動態類型語言。靜態類型語言是指在編譯時變量的數據類型即可確定的語言，如：Java，C++等等，多數靜態類型語言要求在使用變量之前必須聲明數據類型（某些具有類型推導能力的現代語言可能會部分減輕這個要求）。與此相反，動態類型語言是指在運行時確定數據類型的語言，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就是典型動態類型語言，很多腳本語言vbscript，javascript也是這類語言。

要區分靜態和動態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：靜態類型語言（Java）

function add（x，y）{

return x+y；

}

代碼清單2：動態類型語言（JavaScript）

靜態類型語言的主要優點在于其結構規范，便于調試，方便類型安全，缺點是為此需要寫更多的類型相關代碼。靜態類型語言為了達到多態會采取一些類型鑒別手段，如繼承、接口，而動態類型語言則不需要。動態類型語言的優點在于不需要寫非常多的類型相關的代碼，缺點自然就是不方便調試，命名不規范，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，以馮諾依曼計算機體系結構為背景。機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對象，傳統的命令式語言比如Fortran、C和Pascal都是面向過程的，它們主要的程序設計單元是過程。現代的命令式語言比如C++、Java和C#則是面向對象的，它們將對象作為程序的基本單元，將程序和數據封裝其中，通過對象之間的協作來解決問題。

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的性質，讓計算機明白目標，而非流程，即告訴計算機需要計算“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、領域專屬語言、函數式編程、邏輯式編程等。例如：數據庫查詢語言（SQL，XQuery），正則表達式屬于領域專屬語言，LISP屬于函數式編程語言，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，使得執行代碼的基礎設施（如JVM）沒有太多的發揮空間，只能老老實實地根據指令一步步地向目標前進。因為像“執行目的”這樣更高層次的信息已經丟失了，并行執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”，這樣執行環境便可以更加聰明地去適應當前的執行要求，所以聲明式編程自2009年起備受人們的關注。

4 Java語言的發展趨勢（The trend of the Java

language）

Java語言集許多語言的優點于一身，它的面向對象特性讓大型軟件工程變得更加容易管理，它的自動垃圾回收機制能有效地管理內存和防止內存泄露，它的平臺無關性讓Java在服務器端軟件領域獲得巨大成功。Sun公司在推出Java時就將其作為開放的技術，得到了廣大軟件開發商的支持，Java擁有世界上最大的開發人群和開源生態系統，這是其他語言無法比擬的。

Java語言已經證明了它的強大與成功，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語言的一個發展趨勢是在可能的范圍內降低語言本身的語法復雜度，從J2SE 5.0中增強的for循環，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表達式，Java正在不斷地簡化自身的語法并引入一些重要的現代語法特征，例如函數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一的整體，在一個程序的運行過程中很多類庫其實是不需要的。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，程序根據需要選擇運行時所依賴的模塊，只有被選擇的模塊才會在運行時被加載。模塊化的實現不僅可以應用到Java平臺本身，也可以應用到Java應用程序的開發中，OpenJDK中的Jigsaw項目提供了這種模塊化的支持[1]。第三是性能問題，這主要是因為JVM這個中間層次的存在。隨著硬件技術的發展，越來越多的硬件平臺采用了多核CPU和多CPU的架構，Java平臺需要幫助開發人員更好地充分利用這些資源來提高程序的運行性能。Java SE 7中的fork/join框架是一個高效的任務執行框架。Java SE 8對集合類框架和相關API做了增強，以支持對批量數據進行自動的并行處理。

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，許多計算機科學的程序和其他領域的程序是用Java編寫的。第二，Java有一個巨大的穩定的代碼庫。第三，有大量的廠商投資、工具、培訓和其他產品，使得無論是供應商還是他們的客戶都依賴Java。第四，Java擁有最大的開發社區和開源生態系統，當涉及到選擇何種工具、供應商和開發者作為未來的開發方向時，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能力。以Groovy、Scala和Clojure為代表的JVM語言被業界稱為“JVM三巨頭”，調查顯示Groovy和Scala兩者都顯示出強勁的商業應用熱度，Clojure的支持絕大部分來自業余愛好者和lisp黑客，而不是商業組織[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，它們根據各自的擅長很好地解決問題。

5.1 Jython

Jython即是Python語言的Java實現。要了解Jython，首先要了解Python。Python支持命令式程序設計、面向對象程序設計、函數式編程、面向方面的程序設計、泛型編程多種編程范式。Python開發者的哲學是“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，并且能夠支撐大規模的軟件開發。Python語言及其眾多的擴展庫所構成的開發環境十分適合工程技術、科研人員處理實驗數據、制作圖表，甚至開發科學計算應用程序。一些知名大學采用Python教授程序設計課程，例如卡耐基梅隆大學的編程基礎和麻省理工學院的計算機科學及編程導論就使用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特，如Jython代碼的可讀性和清晰性，與Java的無縫集成，動態類型，Java程序員在數日內就能熟悉Jython。

5.2 JRuby

JRuby是Ruby語言的純Java實現（Ruby是用C寫的），它結合了Ruby簡潔的語法以及Java豐富的類庫，通過JRuby可以在JVM上直接運行Ruby程序，調用Java的類庫。JRuby無縫地“組合”了Java和Ruby的優勢，使我們的開發效率事半功倍[3]。

Ruby發明的理念是“你既能進行高效開發又能享受編程的快樂”，其次是良好的界面設計，他強調系統設計必須注重人性化，而不是一味從機器的角度設想，遵循上述的理念，Ruby語言通常非常直觀，按照編程人認為它應該的方式運行。Ruby是一種有趣的語言，它支持使用多重范式，其中之一是“函數式范式”，JRuby是完全面向對象的。

5.3 Groovy

Groovy是Java平臺上設計的面向對象編程語言。這門動態類型語言擁有類似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以至于多數的Java代碼也是正確的Groovy代碼，這樣了解Java的開發者可以更快地學習Groovy。Groovy代碼動態的被編譯器轉換成Java字節碼。由于其運行在JVM上的特性，Groovy可以使用其他Java語言編寫的庫。Groovy的優勢在于易用性以及與Java無縫銜接，一些開發者由于Groovy和Java的無縫集成而使用Groovy[4]。endprint

5.4 Scala

Scala是一種純粹的面向對象編程語言，Scala中的每個值包括基本數據類型都是對象，連函數也是對象。Scala包含若干函數式語言的關鍵概念，把函數式和面向對象的編程思想很好地統一到了一種語言里。Scala可以與Java互操作，可以訪問現存的數之不盡的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風格的基于actor的并發帶進了JVM，開發者現在可以利用Scala的actor模型在JVM上設計具伸縮性的并發應用程序，它會自動獲得多核處理器帶來的優勢，而不必依照復雜的Java線程模型來編寫程序。因此與Groovy相比，Scala的優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演算的函數式編程語言，以表達性和功能強大著稱，但人們通常認為它不太適合應用于一般情況，Clojure的出現徹底改變了這一現狀，它是一種運行在Java平臺上的Lisp方言，在任何具備JVM的地方都可以利用Lisp的強大功能。Clojure不是面向對象的，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）、強大的多態（multimethods）、函數重用比繼承更勝一籌。同時，Clojure可以無縫地與Java進行交互操作，因此，Java開發團隊學習Clojure具有優勢。Clojure還把函數式編程語言引入JVM，使Clojure成為一種進行并行、并發編程的完美語言，支持現在的多核、多CPU以及分布式計算。

6 結論（Conclusion）

我們究竟需要什么樣的編程語言？企業級項目和Web項目需要怎樣的語言？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（領域專屬語言）的實現，還有對于低風險的要求，如與舊項目的兼容性，舊項目遷移的成本，開發工具的支持，開發團隊對語言的熟悉情況，以及語言開發團隊的穩定性等等。而具體到每一位開發者頭上情況變得更加復雜。他們可能想要：動態的、靜態的、強類型的、函數式的、富有表達力的、面向對象的、容易學習的（在有Java或其他語言開發經驗的基礎上）、快捷的、模塊化的、有強大的類庫、有好用的框架、有合適的IDE、有活躍的社區等等。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，一個項目的不同層面的需求也是不同的，比如，廣受歡迎的社交網絡及微博網站Twitter，表層是Ruby on Rails，底層是Scala；著名的在線學習網站Coursera把Scala作為服務器語言使用。

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

參考文獻（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.研究領域：軟件開發與應

用，軟件工程，軟件測試技術.endprint