冒號課堂
第二課 重要范式(1）
課前導讀
這一課討論了五個最重要的編程范式：命令式、函數式、邏輯式、對象式和并發式。這些只是入門性的介紹，讀者領會其精神即可，細節上不必過于在意。
本課共分四節——
1.命令范式
2.聲明范式
3.對象范式
4.并發范式
2.1命令范式——一切行動聽指揮
人生最偉大的目標是行動 ——《洛克菲勒的忠告》
關鍵詞：編程范式,命令式,結構化編程,流程圖
摘要：命令式編程簡談
？提問
- 什么是命令式編程？它為什么是最常見的編程范式？
- 什么是結構化編程？結構化編程的主要思想是什么？
：講解
第二課伊始，冒號開門見山：“首先介紹一下最原始也是我們最熟悉的編程范式：命令式編程（imperative programming）。用命令式編寫的程序由命令序列組成，即一系列祈使句：‘先做這，再做那’，強調‘怎么做’。更學術點說，命令式編程是電腦——準確地講，是馮·諾伊曼機（von Neumann machine）——運行機制的抽象，即依序從內存中獲取指令和數據然后去執行。從范式的角度看，其世界觀是：程序是由若干行動指令組成的有序列表；其方法論是：用變量來儲存數據，用語句來執行指令。”
逗號小聲嘟囔著：“我們用的編程語言不都是命令式的嗎？”
“應該說絕大多數語言是命令式的，但非命令式的語言也是存在的。關于后者，我們稍后再議。” 冒號糾正道，“這也在情理之中。語言的演化是漸進的，大多數語言追根溯源是匯編語言的升級，而作為與機器語言一一對應的匯編語言自然是命令式的，因而這種范式最為傳統和普及。”
不料問號竟窮追不舍：“為什么機器語言就一定得是命令式呢？”
“我很欣賞你這種打破砂鍋問到底的精神，不過你可以問到底，我卻不敢保證能答到底哦。”冒號有些逗趣地說。
問號略帶靦腆地笑了。
“從理論上而言，完全可以有非命令式的機器語言存在，前提是計算機采用了特殊的硬件實現，比如非馮·諾伊曼結構的數據流機（dataflow machine）和歸約機（reduction machine）。但這類計算機并未流行于市，相應的機器語言自然罕見了[1]。”冒號還是給出了理由。
引號問：“命令式編程與人們常說的過程式編程是一回事嗎？”
“嚴格說來，過程式編程（procedural programming）是指引入了過程（procedure）、函數（function）或子程序（subroutine/subprogram）的命令式編程。但由于現代的命令式語言均具備此特征，故二者往往不加區分。”冒號回應道。
句號認為：“由于常用的語言基本上都是命令式的，其思想也與計算機的運行機制相符，一切對我們來說，似乎都是自然而然的事。”
“單純的命令式思想的確很樸素，毋庸贅述。” 冒號承認，“但有必要提一下結構化編程（structured programming或簡稱SP），它是在過程式編程的基礎上發展起來的。其本質是一種編程原則，提倡代碼應具有清晰的邏輯結構，以保證程序易于讀寫、測試、維護和優化。Pascal正是遵循結構化編程原則而設計的一種教學語言。為直觀起見，我們用圖來表現程序的結構化特征——”
“這是一個流程圖（flowchart），或稱程序框圖，它描述了一個簡單程序：用戶從標準輸入中鍵入算術表達式，程序打印出結果，如此循環往復，直到用戶輸入字符‘q’為止。”冒號解釋道，“若以純粹的結構化編程的標準來衡量，該流程圖并未達標。”
嘆號有些驚訝：“這個圖不是再清晰不過了嗎？”
“根據結構化定理（structured program theorem）[2]，任何程序都可用順序（concatenation）、選擇（selection）和循環（repetition）等三種基本控制結構來表示。”冒號畫了幾幅圖——
冒號指點著黑板：“結構化編程就是在三種基本結構的基礎上進行嵌套組合。如果將每個基本結構看作基本電器元件，編程就是將這些元件組裝成復雜的電路。請注意，所有基本元件都滿足‘單入口、單出口’（single entry, single exit，簡稱SESE）的原則，這使得電路井井有條，不會串線纏繞。”
引號已經看出：“上面的流程圖無法用基本結構來組合，所以不是標準的結構化程序。”
冒號提出要求：“你能改造一下嗎？”
引號走上講臺，在前圖的基礎上作了些許調整——
“嗯，不錯。這下流程圖可以拆解為基本結構了。”冒號表示認可，“二者的區別在于前者利用了break語句，在循環途中退出，后者通過引入quit標志（flag）保證了循環的完整性。”
逗號的臉上寫下一個大大的問號：“難道連break語句都不能用嗎？”
“break語句只是在循環體內部的跳轉，合理地使用它能簡化代碼，不致影響整體結構，大可不必拘泥于教條。但goto語句可以跳到程序過程中的任一點，造成靜態程序（static program）與動態進程（dynamic process）之間的差異，影響程序可讀性，是要竭力避免的[3]。”冒號如是說道，“結構化編程的思想包括兩方面。在微觀上，主張循規守矩，采用順序、選擇和循環三種邏輯結構，摒棄或限制goto語句[4]，以避免雜亂無章的代碼。在宏觀上，主張分而治之（divide and conquer），采用‘自頂向下(top-down)’ [5] 的設計，通過模塊化將一個較為復雜的系統分解為若干相對簡單的子系統，每個子系統可以獨立地進一步分解，直到容易編碼實現為止。這兩方面是互為因果、互為保障的——由基本結構拼裝而成的系統一定是模塊清晰、層次分明的；反之，系統逐步分解到最后，一定會演化成基本結構。”
嘆號產生一個想法：“能從程序的流程圖上看出結構化編程與非結構化編程之間的區別嗎？”
“一個按結構化編程思想設計的流程圖，每個模塊大小適中、模塊之間關系簡明、模塊內部線路清晰，單從視覺上就會給人一種美感。相反，如果采用非結構化的設計，流程圖往往結構如雜草般松散紊亂、脈絡如迷宮般錯綜復雜、箭頭如線頭般剪不斷理還亂，情節嚴重的會導致讀者頭暈目眩乃至抓狂吐血。”冒號極盡夸張之能事。
眾人掩口失聲。
，插語
[1] 數據流機支持數據流式語言，歸約機支持函數式語言。
[2] 見參考文獻【1】
[3] 1967年，E.W. Dijkstra 在其著名論文“Goto statement considered harmful”中指出goto語句的危害性，主張廢除這種用法。
[4] 1974年，Donald Knuth在論文“Structured Programming with Goto Statements”中認為goto語句仍有其合理性，應該限制而不是完全摒棄。
[5] 也稱“自頂向下、逐步求精”。
。總結
· 命令式編程通過一系列改變程序狀態的指令來完成計算，聲明式編程只描述程序應該完成的任務。命令式編程模擬電腦運算，是行動導向的，關鍵在于定義解法，即“怎么做”，因而算法是顯性而目標是隱性的；聲明式編程模擬人腦思維，是目標驅動的，關鍵在于描述問題，即“做什么”，因而目標是顯性而算法是隱性的。
· 結構化編程是過程式編程的一種原則，其主要思想是：提倡在宏觀上采用‘自頂向下’的設計，微觀上采用順序、選擇和循環的邏輯結構，摒棄或限制goto語句，以保證程序結構清晰、易于調試和維護。
“”參考
[1] Corrado B?hm，Giuseppe Jacopini．Flow Diagrams, Turing Machines and Languages with Only Two Formation Rules． Communications of the ACM，1966，9(5)：366–371.
[2] Ravi Sethi．Programming Languages: Concepts & Constructs(英文版第2版)．北京：機械工業出版社，2002．59-77