Design of programming language

本文接着上一篇进行描述。programming language虽然多，但是其实在设计一门programming language的时候，会涉及很多相同主题的内容，这也是我们在阅读各种programming language的Language reference时，会发现它们涉及了很多相同的主题。所以如果我们对这些common主题有一定的了解，那么掌握一门programming language会变得相对容易。

一般一门programming language的设计，可以分为两大块：

language
standard library

Language

Syntax

programming language属于formal language，所以都会定义严格的syntax，“syntax"即语法。正如维基百科Syntax (programming languages)的Levels of syntax段所总结的：

Computer language syntax is generally distinguished into three levels:

Words – the lexical level, determining how characters form tokens;

Phrases – the grammar level, narrowly speaking, determining how tokens form phrases;

Context – determining what objects or variables names refer to, if types are valid, etc.

上述“Words”即词法，“Phrases”即语法，关于syntax，可以参考工程compiler-principle。

expression、statement等都是属于此范轴。

Semantics

参见维基百科Semantics (computer science)。

Type system

语言的设计者，需要考虑这门语言的type system，参见Type system。

语言的设计者还会向开发者提供对type system进行操作的接口，比如c++提供了typeid，dynamic_cast，python提供了isinstance，Java提供了isinstanceof。

Runtime model

前面都是language的静态时，还需要对run time进行说明，比如data model、程序的运行模型等。

Data model

语言的设计者需要为这门语言定义统一的data model，比如The Python Language Reference¶中就有专门描述Data model¶的章节，与此类似的是，在cppreference的Object中，对c++语言的data model进行了总结。

Run model

语言的设计者会假定该使用该语言所编写的程序运行与一个abstract machine上以便对run model进行描述，比如在cppreference的Memory model中有这样的描述：

Defines the semantics of computer memory storage for the purpose of the C++ abstract machine.

在The Python Language Reference¶的Execution model¶中对python程序的run model进行了描述。

Standard library

各种programming language都提供了大量的library，所以在学习一门programming language的时候，尤其需要注意其standard library。

一般standard library都会涉及到如下内容：

Container

container指各种常见的数据结构，一般programming language的standard library都会包含这部分内容。

Language support library

这是我在阅读cppreference的时候发现的一个概念，其中给出的Language support library解释如下：

Language support libraries provide classes and functions that interact closely with language features and support common language idioms.

依据此，python标准库中的很多library都可以归入此范轴：

Run time info

比如python的标准库提供了Python Runtime Services¶来供用户进行run time。

Specification of expectation of type in class-based OOP language

这部分内容移到了Theory\Programming-paradigm\Generic-programming\Specification-of-expectation-of-type.md中。

Design of specifier/keyword

语言为了简便，key word要尽可能地少，能够表达多种含义，因此一个key word能够用于多种entity，有多种用途，典型的例子有:

C++ static key word，它既可以用于object，也可以用于function的
C++ extern
C++ using

Design to an abstraction

本节标题的含义是: 对于general purpose programming language，designer在设计programming language的时候，是遵循如下原则的:

Design to an abstraction, not an implementation

它的意思是，designer在设计programming language的时候，是基于**abstract machine**来进行设计的，而不是specific to an concrete platform（physical machine、OS），然后由各个platform的开发者来完成abstraction到implementation的dispatch/map(映射)，即在该platform上实现这门语言。这是很多programming language实现cross platform的关键所在。

NOTE:

"一个抽象(abstract)可以有多个实现(implementation)"，参见文章Abstraction。

这是我仿照OOP design principle中的: "Program to an 'interface', not an 'implementation'"而总结的，其实两者背后的思想是相同的，关于OOP design principle，参见: Theory\Design-pattern\OOP-design-pattern\Principle。

Example

下面以三种主流programming language为例来进行说明：

language	implementation
Java	见下
Python	python、java的跨平台是依赖于VM，这些VM也是由实现提供，比如VM for windows，VM for linux，由这些VM实现来完成abstract machine 到 physical machine 的映射。
C++	跨平台由具体实现（compiler等）完成，MCVC for windows、gcc for linux，由这些compiler来完成abstract machine 到 physical machine的映射。

Abstract machine

出于语言设计的目标，programming language designer对abstract machine的定义是不同的:

Python都没有向programmer提供memory model，所以programmer无法直接操作memory；

Java、C++和C都提供了memory model，在C++和C中，programmer可以直接操作memory。

关于abstract machine，参见工程automata-and-formal-language。