程式日常-指令式與宣告式程式語言的差異

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分不清指令式與宣告式程式語言?

Lack of direction, not lack of time, is the problem. We all have twenty-four hour days.
― Zig Ziglar

今天要來和各位聊聊指令式(Imperative)和宣告式(Declarative)程式語言，聽起來會有點像講古喔!但，仔細想一想，學習一門外語，最難的並不是會使用那門語言，而是語言背後的文化才是真正難以摸透的。我想，程式語言也一樣!因為它也是「語言」!我相信在了解程式語言的歷史後，對於自己在寫的程式會更有深入的理解，而不是在瞬息萬變的世界下走馬看花。

  • 指令式程式語言(Imperative Programming)
    • 低階指令式
    • 高階指令式
  • 宣告式程式語言(Declarative Programming)
    • 控制流程(Control flow)
    • 資料庫語言(Database Programming)
    • 函式語言(Functional Programming)
  • 結語

指令式程式語言(Imperative Programming)

Imperative programming is a programming paradigm that uses statements that change a program's state.
我們來仔細思考一下這一句擷取自Wiki頁面的敘述。
指令式程式語言是使用陳述式語法去改變程式狀態的一種程式範式(典範)。嗯…相當的文謅謅，可不可以用更直覺的方式來理解指令式程式語言? 沒問題，我們馬上看下面的程式碼:

指令式程式語言有分低階與高階

低階指令式程式語言(Low-Level)

廣義上來說，低階與高階是相對的概念，以現今來看，就像是C++相對於Python語言就能夠劃分成低階與高階。但狹義上來說，我們劃分低階與高階指令式，可以用組合語言與高階語言來劃分。我們看看下方的例子:

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ITER EQU 10           ; number of iterations
OVERHEAD EQU 15       ; 15 for Pentium, 17 for Pentium MMX

RDTSC MACRO           ; define RDTSC instruction
DB 0FH,31H
ENDM

.DATA

ALIGN 4
COUNTER DD 0           ; loop counter
TICS DD 0              ; temporary storage of clock
RESULTLIST DD ITER DUP (0)         ; list of test results

.CODE
BEGIN: MOV [COUNTER],0             ; reset loop counter

TESTLOOP:                          ; test loop
;**************** Do any initializations here: ******
FINIT
;**************** End of initializations *************
    
RDTSC                   ; read clock counter
MOV [TICS],EAX          ; save count
CLD                     ; non-pairable filler

REPT 8
NOP                     ; eight NOP's to avoid shadowing effect
ENDM

;**************** Put instructions to test here: ************************
FLDPI                                                
FSQRT
RCR EBX,10
FSTP ST
;********************* End of instructions to test ************************

以上的程式碼是組合語言，在我們的定義上來說就是低階的程式語言。現在前後端工程師比較少碰到組合語言，基本上都是處理硬體、韌體時比較有機會接觸到底層的程式語言，也就是低階指令式語言，大部分的情況都是為了使硬體效能最佳化，才會去撰寫組合語言。不過小弟對於組合語言也是一知半解，如果有誤，還請多多指正!

高階指令式程式語言(High-Level)
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#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stdbool.h>

bool isPalindrome(int x)
{
     long reverse = 0;
     int compare = x;

     if(x < 0) 
     { 
         return false;
     }
     while(x != 0)
     {
         int popin = x % 10;
         x = x / 10;
         reverse = reverse*10 + popin;
     }
     if(reverse == compare) 
        return true;
     else 
        return false;
}

上面的程式要確認某一個數字是不是回文(Palindrome)，舉例來說:12321。上述就是指令式程式語言的一種。可以看到說我們必須一步一步地去規劃程式的每一個步驟。首先，我們建立另外一個新的數值，利用取餘(Mod %)的方式，去反向依序填入x的值，最後在經過數值比對去核對數字是否一樣，若一樣則回傳True，相反則回傳False。這就是現今比較常看到的高階指令式程式語言。

指令式程式語言基本上的概念就像上述所說，可以劃分為低階與高階。特別注意的是，在C語言後出現的C+、C++以及Java都屬於OOP(Object-Oriented Programmin)的程式語言，但它們本質上依舊屬於指令式程式語言，只是又更上一層樓變得更為高階。其實所謂的指令式沒有想像中的難理解，我們日常在料理的過程，本質上一樣是指令式程式語言。倒不如說，指令式程式語言是從現實生活中，逐步發展出來才是正確的理解方式，有點做什麼(What to)的意味。

宣告式程式語言(Declarative Programming)

同樣地，我們來看看Wiki上面如何定義宣告式程式語言。
A style of building the structure and elements of computer programs—that expresses the logic of a computation without describing its control flow.
一種不需描述控制流程即可表達運算邏輯的電腦架構與元素風格。嗯…翻譯的似乎不是很到位，不過反覆思考這段話，什麼是不需描述控制流程(Control flow))的架構? 我們先來看看何謂控制流程(Control flow):

控制流程(Control flow)

控制流程可以用一種方式去理解，那就是「順序」。當程式碼的擺放位置不同時，執行過程就會不同，這就是控制流程的概念。
我們來簡單舉個JS的例子:

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const world = 'Hello';
switch (world) {
  case 'Hello':
    console.log('Hello world!');
    break;
  case 'hello':
    console.log('World hello!);
    break;
  case 'Hi':
    console.log('Hi, world!');
    break;
  default:
    console.log(`Sorry, we are out of ${world}.`);
}

上述程式碼就是控制流程的概念，可以看到如果改動case的順序，程式流向就會改變。我們暫且討論到這邊，因為重點還是在宣告式程式語言。
宣告式語言基本上就是由指令式語言逐步發展過來，因為它的最大區別在於避免副作用(Side Effect)。一般來說，撰寫程式免不了會出現副作用，白話一點就是改了這邊的程式碼，壞了那邊的程式碼的概念，因為副作用的其中一種可能性便是改變程式執行的順序，而導致某些程式片段無法成功讀取定義好的函數、物件、陣列等等。

資料庫語言(Database Programming)

最容易理解也不會令人困惑的非屬於資料庫語言，如：MySQL、PostgreSQL等等的資料庫語言。
同樣舉例來看:
SELECT name FROM tw.male ORDER BY name
這就是宣告式程式語言的一種，因為我們並不知道SELECT以及FROM還有ORDER BY的內部程式碼，就算我們更改name以及tw.male的欄位，都不會對整體程式造成任何副作用，頂多回報格式不符合或是查無資料的訊息。

函式語言(Functional Programming)

函式語言同樣是宣告式程式語言，你正拿來寫網站的JS就是其中的一名。可是你會說寫JS可能會有副作用啊? 沒錯，確實有可能產生，但那只是符合宣告式定義的一種。因為副作用不是必要條件，而是充分條件。換句話說，沒有副作用一定是宣告式程式語言，但有副作用也有可能是宣告式程式語言。直接來看看JS的範例吧!

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const filterNums = (...args) => {
  return args.filter(el => el > 5);
}
console.log(filterNums(1,3,5,7,9,11,13,15,17));

這段程式碼很眼熟對吧! 因為在ES6快速入門那篇文章也有提到。我們仔細看一下回傳過後的那段程式碼return args.filter(el => el > 5);這段程式碼讀來沒有任何問題，但是仔細想想filter是什麼? 它是一個函數，可是函數就不會有副作用嗎? 不一定，但至少在這裡它確實不會有副作用，因為不管傳入什麼樣的陣列，都不會影響filter()本身。

結語

今天概略講過指令式和宣告式程式語言的差別，因為在Udemy上課程時，講師剛好提到React是宣告式程式語言，就很好奇到底什麼是宣告式程式語言。從React是宣告式語言這一點來看，我們可以知道HTML、CSS、JS都可以歸類為宣告式語言，甚至是XML，畢竟JSX就是JS-XML形式的程式碼，具有標記語言的性質。

這一篇希望對能了解這兩個概念的讀者有點幫助，一開始查資料時，覺得內容蠻多而且還有點乏味。不過仔細去品味程式語言的整個發展，就像發現新世界一樣，一切都是環環相扣。礙於篇幅，還有許多沒有提到，如：DSL(Domain-Specific Language)就沒有提到，但是加上DSL其實就會變得不單純。

那今天就先這樣囉! 我們下回見!

組合語言程式片段來源: https://www.csie.ntu.edu.tw/~b5506058/optimize.html