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09 | 语言的接口：语法和程序库，软件设计的发力点
你好！我是郑晔。
在上一讲中，我们学习了程序设计语言模型的演变过程。学习不同的程序设计语言，实质上就是学习不同的编程模型。谈完了模型，接下来，就该说说接口了。
这一讲，我们就来谈谈程序设计语言的接口，一说起程序设计语言的接口，你的直观印象肯定是程序设计语言的语法，那是一个你已经很熟悉的话题了，但程序设计语言还有一个你可能都不曾留意的接口：程序库。
如果你已经能够完成基本功能的开发，想让自己在编程水平上再进一步，成为一个更好的程序员，你就可以从封装程序库开始练习。因为想封装出一个好的程序库所需的能力，就是软件设计所需的能力。封装程序库，可以成为你软件设计进阶的发力点。
消除重复的程序库
我们写程序的时候，只要规模稍微大一点，你就会发现同样的模式经常出现，差别无非是几个地方的参数不一样，这就是重复。
最开始的重复是指令级别的重复，程序员们会把同样的指令序列放到一起，通过传入不同的参数进行识别。你发现了吗？我说的就是函数。函数已经成了今天的主流编程方式，是几乎所有的程序设计语言都有的基础设施，人们甚至忘了它的由来。
写程序的一项主要日常工作就是定义各种函数。一旦你定义了大量的函数，就会发现有很多函数不仅仅在某个项目中是适用的，而且在很多项目中都是适用的。这时，作为一个“懒惰”的程序员，我们就会把这些在多个项目中使用的部分抽取出来，组成一个模块，这就是程序库的来源。
所以，程序库就是为了消除重复而出现的。而消除重复，也是软件设计的初衷。
程序库（Library）是程序员最熟悉的一项内容。学习一门新语言，首先是学习语法（Syntax），然后学习程序库（Library），之后再学习运行时（Runtime），这样，你就具备一门语言的基础了。再往后，你需要了解的就是各种惯用法（Idiom），以及如何运用到实际的工作中。
有一些程序库实在是太常用了，它们就会随着语言一起发布，成为标准库。比如，程序员熟知的第一个程序“Hello, world”的做法来自《C程序设计语言》，其中用到的printf就是来自C的标准库。再比如，Java程序员无人不知的JDK，里面包含了大量的程序库，一个Java程序员如果不能说出几个容器，简直就不好意思和人打招呼。
当然，如果在实际工作中只使用标准库，有些代码写起来还是非常麻烦的。因为标准库提供的能力通常是很基础的。这时，我们就需要利用更多的第三方程序库，它们给提供了更丰富的选项，去完善标准库做得不够的地方。
也就是说，它们会在标准库的基础上，再做一次封装，提供一个新的编程模型，或是新的接口，甚至修正一些标准库的bug，让开发变得更简单。只要是人气足够的语言，在这个方面做得都非常好，它们会提供大量的第三方库。
正是因为第三方库的兴起，怎样管理第三方库就成了一个问题。今天，这已经成了一个标准的问题，也有了标准的解决方案，那就是包管理器。很多语言都有了自己的包管理器，像Java的Maven、Node的NPM、Ruby的RubyGems等等，而像Rust这样年轻的语言，包管理器甚至变成了随语言的发行包一起发布的一项内容。
语言设计就是程序库设计
new
虽然程序库受限于特定的程序语言，但其表达的思想却不受语言限制。我给你举个例子，在软件开发中，我们最常做的一个操作就是初始化。如果采用C这样比较早期的语言，通常的做法就是，分配一块内存，然后给这块内存赋值，如下图所示：
类似的代码会反复出现，成为一个固定的模式。
而一些新的语言索性就将二者合二为一，成了一个固定的语法，这就是很多人熟悉的new。无论是C++程序员，还是Java程序员，对new一定不陌生。
当我们调用new时会发生什么呢？首先，它会申请一块内存，然后调用对应类的构造函数。类也好，构造函数也罢，这些内容都是C语言没有的，但这个初始化的模式与C语言是如出一辙的。
只不过，在C语言里面，这个操作通常是通过程序库实现的，而到了C++和Java中，它成了语法。一旦变成了语法，它就成了语言的一部分，成为了一个特定的模型。
对于使用者而言，这个模型就是一个接口，只要接口的行为不变，我的代码就不用变。
但对于接口另一面的实现者而言，它就可以做一些特定的工作了。比如，插入不同的内存分配算法，这就是C++的allocator所做的事情；再比如，把内存完全管控起来，这就是Java做的事情。没错，Java之所以能够让程序员忽略内存管理，new功不可没。
一个经过验证的模式最终变成了语言的一部分，而它的起点只是一个常见的用法：一个程序库。
synchronized
我再用Java中的synchronized给你举个例子。我们都知道，并发编程是程序员的一门必修课。学习并发编程，一方面要学习各种概念，比如“锁”；另一方面还要学习不同语言相应的程序库。因为这些概念太常用了。所以，Java干脆把它变成了一个语法，也就是synchronized。
成为语法固然是一个巨大的进步，但是在一些场景下，语法反而会显得僵化。这时候，又轮到程序库登场了。我还以前面所说的new和synchronized为例给你讲解一下。
程序库设计就是语言设计
new
new虽然帮我们解决了一些问题，但与new配合使用的构造函数往往有一个致命伤，那就是它只有一个名字，也就是类的名字。
当我们需要表达多种不同的构造逻辑时，各村就出现了各村的高招。我曾经见过有人利用重载（overload）来解决问题的，不同的构造逻辑用不同类型的参数。比如，一个用HashMap，一个用TreeMap。作为一个新加入项目的程序员，你很难想到这是两种不同的构造逻辑，它们与这里不同类型的数据结构其实一点关系都没有。
一个更好的解决方案是利用工厂模式解决这个问题，也就是说，用一个名字更能表意的函数，代替构造函数作为构造入口。
还是以Java为例，ArrayList是Java程序员很熟悉的一个数据结构。如果我要创建一个包含两个元素的ArrayList，同时，还要创建一个初始容量为10的ArrayList。用JDK原生的做法，我可以这么做：
// 创建有两个元素的数组
ArrayList<String> listWithElements = new ArrayList();
listWithElements.add("foo");
listWithElements.add("bar");
// 创建一个初始容量为10的数组。
ArrayList<String> listWithCapacity = new ArrayList(10);
这种做法可行，但代码表意并不清晰。那有没有更好的做法呢？Google的Guava程序库，对于同样的场景，给出了一个不同的做法：
ArrayList<String> listWithElements = newArrayList("foo", "bar");
ArrayList<String> listWithCapacity = newArrayListWithCapacity(10);
显然，从语义上来说，这种做法更清晰。Java领域的行业名著《Effective Java》（第三版）的第一个条款是“用静态工厂方法代替构造函数”，讨论的就是这种做法。
synchronized
再来看synchronized。它虽然解决了一部分并发的问题，但是，这个解决问题的方式粒度太大了。程序员只要稍微深入一些，就会感到synchronized的掣肘。于是，Java的开发者在Java 5中开始了新一轮的编程模型探索，这次探索的成果就是后来的并发编程库。这也为面试官们提供了新的素材。
你看到了吧，解决同一个问题，它可以用一个语法，也可以用一个程序库，二者之间是等价的。
Andrew Koenig和Barbara Moo写过一本书《C++沉思录》，书里记录了C++早期开发者在设计各种C++特性时的思考，这是一本编程思想之作。当年读这本书时，有两章的标题让我陷入了沉思，分别是**“语言设计就是程序库设计”和“程序库设计就是语言设计”**。
通过今天的学习，这两句话对你来说就不难理解了。因为语法和程序库是在解决同一个问题，二者之间是相互促进的关系。通常是先有程序库，再有语法；如果语法不够好，新的程序库就会出现，新一轮的编程模型就开始孵化。
一切有生命力的语言都会不断改善自己的语法，某些好用的程序库就可以转正成为语法。比如，Java引入Lambda，支持函数式编程；C++引入类型推演，简化了代码编写。
同样地，程序库的发展也在推动着语言的不断进步，有一部分语法就是为了让程序库表现得更好而存在的。比如说：
- C里面的宏，虽然很多人用它来定义常量，但只有编写程序库才能让它更好地发挥出自身的价值；
- Java中的Annotation，很多人都在用，但用它做过设计的人却很少，因为它的使用场景是以程序库居多；
- Scala中的隐式转换，如果你没有设计过DSL，很可能根本就不知道它有什么具体的作用。
至此，你已经能够理解程序设计语言的接口不只包含语法，还有程序库。而且，学习一种程序设计语言提供的模型时，不仅仅要看语法本身有什么，还要了解有语言特性的一些程序库。
所以，对于程序员而言，想要自己的编程水平上一个台阶，学习编写程序库是一个很好的路径。一方面，我们可以锻炼自己从日常工作中寻找重复；另一方面，我们可以更好地理解程序设计语言提供的能力。
总结时刻
今天，我们的学习主题是程序库，程序库最初只是为了消除重复。后来，逐渐有了标准库，然后有了大量的第三方库，进而发展出包管理器。
如果通用性足够好，一些经过大量实践验证过的程序库甚至会变成语言的语法，而一些语法解决得不够好的地方，又会出现新的程序库去探索新的解决方案。所以，语言设计就是程序库设计，程序库设计就是语言设计。二者相互促进，不断发展。
当你开始学习如何编写程序库，你对软件设计的理解就会踏上一个新的台阶。
我们说过，学习不同程序设计语言一个重要的原因是为了相互借鉴。理解了模型和接口，你就知道该借鉴什么，但具体如何借鉴呢？我们还需要了解这些模型是如何实现的，所以下一讲，我们就来谈谈程序设计语言的实现。
如果今天的内容你只能记住一件事，那请记住：提升软件设计能力，可以从编写程序库入手。
思考题
今天我们讲到了程序库和语法之间的互相促进，最后，我想请你分享一下，你还能找出哪些语法和程序库互相促进的例子呢？欢迎在留言区分享你的想法。
感谢阅读，如果你觉得这一讲的内容对你有帮助的话，也欢迎把它分享给你的朋友。