器→工具, 编程语言

认识Python:起源与发展

钱魏Way · · 281 次浏览

在学习任何一门编程语言前,最好先学习下这门语言产生的发展历史,通过发展历史去了解为什么会产生此语言?它主要为了解决什么问题?它的设计理念是什么?它吸收了哪些语言的特性?与其他语言相比它的优缺点在哪里?

Python的起源

Python的最初设计者是吉多·范罗苏姆(Guido van Rossum),1956年,他1982年出生于荷兰,从阿姆斯特丹大学获得了数学和计算机硕士学位。1986年时在荷兰阿姆斯特丹的国家数学和计算机科学研究学会(CWI)工作,并参与到ABC语言的开发。

ABC语言以教学为目的。与当时的大部分语言不同,ABC语言的目标是“让用户感觉更好”。ABC语言希望让语言变得容易阅读,容易使用,容易记忆,容易学习,并以此来激发人们学习编程的兴趣。比如下面是一段来自Wikipedia的ABC程序,这个程序用于统计文本中出现的词的总数:

HOW TO RETURN words document:
   PUT {} IN collection
   FOR line IN document:
      FOR word IN split line:
         IF word not.in collection:
            INSERT word IN collection
   RETURN collection

HOW TO用于定义一个函数。ABC语言使用冒号和缩进来表示程序块。行尾没有分号。for和if结构中也没有括号()。赋值采用的是PUT,而不是更常见的等号。这些改动让ABC程序读起来像一段文字。

ABC的设计者声称的ABC的主要特点:

  • 只有五个基本的数据类型(数字、文本、列表、元组、字典)
  • 不需要声明变量的类型
  • 明确支持自上而下的编程(从整体到局部)
  • 程序的嵌套逻辑通过缩进控制
  • 无限的算数精度,无限大小的列表和字符串以及其他特性(正交性、新手一用等)

尽管已经具备了良好的可读性和易用性,ABC语言最终没有流行起来。在当时,ABC语言编译器需要比较高配置的电脑才能运行。而这些电脑的使用者通常精通计算机,他们更多考虑程序的效率,而非它的学习难度。除了硬件上的困难外,ABC语言的设计也存在一些致命的问题:

  • 可拓展性差。ABC语言不是模块化语言。如果想在ABC语言中增加功能,就必须改动很多地方。
  • 不能直接进行IO。ABC语言不能直接操作文件系统。尽管可以通过诸如文本流的方式导入数据,但ABC无法直接读写文件。输入输出的困难对于计算机语言来说是致命的。
  • 过度革新。ABC用自然语言的方式来表达程序的意义,比如上面程序中的HOW TO 。然而对于程序员来说,他们更习惯用function或者define来定义一个函数。同样,程序员更习惯用等号来给变量赋值。
  • 传播困难。ABC编译器很大,必须被保存一个很大的磁盘上。这样,ABC语言就很难快速传播。

1989年,为了打发圣诞节假期,Guido van Rossum决心开发一个新的脚本解释程序,作为ABC语言(本身受到 SETL 语言的启发)的一种继承。之所以选中Python作为程序的名字,是因为他是BBC电视剧——Monty Python’s Flying Circus的爱好者。就Guido van Rossum本人看来,ABC这种语言非常优美和强大,是专门为非专业程序员设计的。但是ABC语言并没有成功,究其原因,吉多认为是非开放造成的。

Guido van Rossum知道如何用C语言写出一个功能,但整个编写过程需要耗费大量的时间,即使他已经准确的知道了如何实现。他的另一个选择是shell。Bourne Shell作为UNIX系统的解释器已经长期存在。UNIX的管理员们常常用shell去写一些简单的脚本,以进行一些系统维护的工作,比如定期备份、文件系统管理等等。shell可以像胶水一样,将UNIX下的许多功能连接在一起。许多C语言下上百行的程序,在shell下只用几行就可以完成。然而,shell的本质是调用命令。它并不是一个真正的语言。比如说,shell没有数值型的数据类型,加法运算都很复杂。总之,shell不能全面的调动计算机的功能。

他希望这个新的叫做Python的语言,能符合他的理想:这种语言能够像C语言那样,能够全面调用计算机的功能接口,又可以像shell那样,可以轻松的编程。创造一种C和shell之间,功能全面,易学易用,可拓展的语言,对UNIX/C程序员有吸引力的语言。

1991年,第一个Python编译器诞生。它是用C语言实现的,并能够调用C语言的库文件。从一出生,Python已经具有了:类,函数,异常处理,包含表和词典在内的核心数据类型,以及模块为基础的拓展系统。Python语法很多来自C,但又受到ABC语言的强烈影响。来自ABC语言的一些规定直到今天还富有争议,比如强制缩进。但这些语法规定让Python容易读。另一方面,Python聪明的选择服从一些惯例,特别是C语言的惯例,比如等号赋值。Guido认为,如果“常识”上确立的东西,没有必要过度纠结。

Python从一开始就特别在意可拓展性。Python可以在多个层次上拓展。从高层上,你可以直接引入.py文件。在底层,你可以引用C语言的库。Python程序员可以快速的使用Python写.py文件作为拓展模块。但当性能是考虑的重要因素时,Python程序员可以深入底层,写C程序,编译为.so文件引入到Python中使用。Python就好像是使用钢构建房一样,先规定好大的框架。而程序员可以在此框架下相当自由的拓展或更改。

Python的设计哲学

1999年,Guido van Rossum向DARPA提交了一条名为“Computer Programming for Everybody”的资金申请,并在后来说明了他对Python的目标:

  • 一门简单直观的语言并与主要竞争者一样强大
  • 开源,以便任何人都可以为它做贡献
  • 代码像纯英语那样容易理解
  • 适用于短期开发的日常任务

这些想法中的一些已经成为现实。Python已经成为一门流行的编程语言,尤其是在互联网环境下。

与其他编程语言不同,Python并没有把所有功能特性都嵌入到它的核心代码中。Python 的设计是高度可扩展。由于看到ABC语言的失败,Guido van Rossum认为“小的核心语言”+“大的标准库”才是他需要的。当Python想要添加新功能时,更多思考的是改将此特性加入核心语言支持还是作为扩展放入库中。

在语法层面,Python拒绝了强大并复杂的语法(比如Perl的语法),而倾向于一种更简单、更简洁的语法。Python 的哲学拒绝 Perl“语言设计的方法不止一种”,而倾向于”应该有一种——最好只有一种——显而易见的方法”。

Python 的开发人员努力避免过早优化,并拒绝对 CPython 的非关键部分进行补丁,这些补丁将以成本为代价,提供边际增长速度。

Python的设计哲学是“优雅”、“明确”、“简单”。Python开发者的哲学是“用一种方法,最好是只有一种方法来做一件事”,也因此它和拥有明显个人风格的其他语言很不一样。在设计Python语言时,如果面临多种选择,Python开发者一般会拒绝花俏的语法,而选择明确没有或者很少有歧义的语法。这些准则被称为“Python格言”。在Python解释器内运行import this可以获得完整的列表。

>>> import this
The Zen of Python, by Tim Peters

Beautiful is better than ugly.
Explicit is better than implicit.
Simple is better than complex.
Complex is better than complicated.
Flat is better than nested.
Sparse is better than dense.
Readability counts.
Special cases aren't special enough to break the rules.
Although practicality beats purity.
Errors should never pass silently.
Unless explicitly silenced.
In the face of ambiguity, refuse the temptation to guess.
There should be one-- and preferably only one --obvious way to do it.
Although that way may not be obvious at first unless you're Dutch.
Now is better than never.
Although never is often better than *right* now.
If the implementation is hard to explain, it's a bad idea.
If the implementation is easy to explain, it may be a good idea.
Namespaces are one honking great idea -- let's do more of those!

翻译成中文为:

Python之禅 by Tim Peters

优美胜于丑陋(Python 以编写优美的代码为目标)
明了胜于晦涩(优美的代码应当是明了的,命名规范,风格相似)
简洁胜于复杂(优美的代码应当是简洁的,不要有复杂的内部实现)
复杂胜于凌乱(如果复杂不可避免,那代码间也不能有难懂的关系,要保持接口简洁)
扁平胜于嵌套(优美的代码应当是扁平的,不能有太多的嵌套)
间隔胜于紧凑(优美的代码有适当的间隔,不要奢望一行代码解决问题)
可读性很重要(优美的代码是可读的)
即便假借特例的实用性之名,也不可违背这些规则(这些规则至高无上)
不要包容所有错误,除非你确定需要这样做(精准地捕获异常,不写 except:pass 风格的代码)
当存在多种可能,不要尝试去猜测
而是尽量找一种,最好是唯一一种明显的解决方案(如果不确定,就用穷举法)
虽然这并不容易,因为你不是 Python 之父(这里的 Dutch 是指 Guido )
做也许好过不做,但不假思索就动手还不如不做(动手之前要细思量)
如果你无法向人描述你的方案,那肯定不是一个好方案;反之亦然(方案测评标准)
命名空间是一种绝妙的理念,我们应当多加利用(倡导与号召)

Python的发展

Python早期版本

Python的第一个最早期版本是0.9版本,于1991年2月20日发布,在发行的代码中说明中是这样介绍自己的:

Python作为一个解释性的编程语言,结合了清晰的语法和非凡的力量。它可以用来提到替代shell、Awk和shell来编写真实应用的原型或作为大型系统的扩展语言。并内置了操作系统和窗口系统的接口。

在此版本中,主要包含如如下特性:

  • 继承、异常处理、函数、核心数据类型(列表、字典、字符串)
  • 来自于Modula-3的模块系统(异常处理也是来自与Modila-3)

Python 1时代

1994年,Python发布了1.0版本,在该版本的源代码的介绍中它是这样给新人介绍自己的:

Python是一种解释性交互式、面向对象的编程语言。它包含了模块、异常处理、动态类型和高层次的动态数据类型和类。Python结合了清晰的语法和非凡的力量,它包含了许多系统调用的库,并且可以使用C或者C++进行拓展需要的接口,并且Python可以在许多品牌的Unix、Mac和MS-DOS上运行。

在该版本中还对Tcl/Perl的使用这进行了特殊的介绍:

Python是我在阿姆斯特丹开发的一种较新的高级语言。它是一种简单的、面向过程的语言,并且从ABC, Icon, Modula-3,和 C/C++吸收了很多的特性。它的核心目标主要有以下两点:

  • 提供像Perl/TCL/REXX一样的动态语言支持
  • 提供像Icon, C, Modula,…等传统编程语言的功能

因此,Python可以作为脚本/扩展语言、快速原型语言活一款正式软件的开发语言。Python适合快速的开发大型程序也适合编写类似shell一样可以用完即删的简短脚本。

Python的一些与其他语言类似的特性:

  • 动态的、解释性的、交互式的
  • 无需进行显式的编译或链接
  • 不需要声明类型(它是动态类型)
  • 更高级的操作符(比如‘in’操作)
  • 自动分配和释放内存(没有‘指针’)
  • 更高级的类型:列表、元组、字符串和关联数组(备注:字典)
  • 可以直接执行字符串的代码(无需编译成二进制)
  • 可以快速的编辑、编译和运行,没有静态链接
  • 与C函数和数据间定义好了非常好的接口
  • 可以方便的讲C语言模块添加到程序或语言中

另外一些新的特性可以帮助你更高的编程:

  • 它是面向对象的,它实现了C++ ‘class’的一个子集,并且使用了Python的动态类型(语言从一开始就实现了面向对象)
  • 它支持模块导入(就像Modula-3导入包一样),模块替代了C语言中的’include’方法和 文件链接,并且支持多模块及代码共享等。
  • 它有一个很好的异常系统(可以通过’try’和’raise’自定义异常)
  • 语言符合正交性,它所有的一级对象(方法、模块、类、包含方法的类)都可以被正常的分配/传递和使用
  • 它运行时相当安全,它做了很多运行时的检查,比如索引是否越界等,而C语言通常不会
  • 它支持常见的数据结构,比如Python的列表是支持异构(列表中的元素类型可以不一样)、可变长度、可嵌套,支持切片、可链接等,并且支持自动回收,字符串和字典同样类似。
  • 它包含了一个语法调试器和分析器,以及一个交互式命令行界面,就像在lisp中一样,在命令行中可以单独输入代码和函数进行测试(甚至链接到C语言的方法)
  • 它包含了一个巨大的内置模块哭,它支持 sockets、正则表达式、posix bings等。
  • 在许多平台上支持动态载入C模块
  • 它包含了一个可读性非常强的语法,Python的代码看起来非常的简单,不像TCL和Perl那么难理解

Python并不完美,但它是一个在脚本语言和传统语言间很好的折中方案。“完美”的语言在现实世界中并不一定有用(比如Prolog),一个语言在某一领域有空并不代码在另外一领域有用(C对于shell编码和原型设计来说很差,而awk对于大型系统设计是没有什么用到的,Python两者都可以做得很好)

Python使用基于缩进的语法,这种语法对于熟悉C语言的程序员最初可能看起来很不寻常,但在使用它之后我发现它非常方便,因为打字的次数减少了。

在1.0时代,主要加入的特性有:

  • 参考了lisp语言,引入了函数式编程工具lamda,map,filter和reduce。
  • 引入了受Modula-3启发的关键词参数(与Common Lisp 的关键字参数类似)
  • 支持复数
  • 引入了名字修饰和对象掩藏
  • 增加了unicode的支持,添加了一个基本的数据类型:unicode字符串

Python 2时代

Python的版本号在在2000直接从1.5.2变成了2.0。与Python 2.0一同发布的还有 1.6版本。Python 1.6可以被认为是完成契约义务 Python 的发布。 2000年5月,在核心开发团队离开 CNRI 之后,CNRI要求将在CNRI已开发的内容发布到1.6版本。其中,最重要的新特性是 Unicode 支持。当然,5月之后Python 1.6开发仍在继续,以确保它与 Python 2.0兼容。2.0中最重要的变化可能根本不是代码,而是 Python 是如何开发的: 在2000年5月,Python 开发者开始使用 SourceForge 提供的工具来存储源代码、跟踪 bug 报告以及管理补丁提交的队列。 要报告错误或者提交 Python 2.0的补丁,请使用 Python 项目页面中的 bug 跟踪和补丁管理工具。另外还参考了互联网RFC进程,建立了一个相对正式的过程来编写Python增强方案(PEPs)。PEP全称是Python Enhancement Proposal,翻译成中文是Python改进提案。它是Python记录Python变化的书面文档。

Python 2.0以来新增的一些比较重要的语言特性:

  • 增加了unicode的支持
  • 参考STEL和Haskell,引入了列表推导式
  • 增加了自动化管理内存的循环检测垃圾收集器
  • 更改语言规范以支持嵌套作用域
  • 将Python的数据类型(用C编写的数据类型)和类(用Python编写的数据类型)统一到一个层次中,使Python完全面向对象。
  • 参考Icon,引入了迭代器与生成器
  • 引入了函数/方法装饰器
  • 引入了with 语句,该语句将代码块包含在上下文管理器中,用于替换try/finally语法

Python3 时代

Python的3​​.0版本,常被称为Python 3000,或简称Py3k。相对于Python的早期版本,这是一个较大的升级。为了不带入过多的累赘(纠正语言中的基本设计缺陷),Python 3.0在设计的时候没有考虑向下相容。为了照顾现有程式,Python 2.6作为一个过渡版本,基本使用了Python 2.x的语法和库,同时考虑了向Python 3.0的迁移,允许使用部分Python 3.0的语法与函数。类似地,Python 2.7与 Python 3.1,的特性相吻合,Python 2.7是2.x 系列中的最后一个版本。2014年11月,Python 2.7被宣布支持到2020年,但是用户被鼓励尽快转移到 Python 3。

Python 3 开发的重点是清理代码库并删除冗余,清晰地表明只能用一种方式来执行给定的任务。对 Python 3.0 的主要修改包括:

  • 统一了字符编码支持。Python 2中有 ASCII str()类型,unicode是单独的,不是byte类型。Python3中,字符串统一是unicede(utf-8)类型,以及一个字节类:byte 和 bytearrays。
  • 增加了新的语法。print/exec等成为了函数,格式化字符串变量类型标注,添加了nonlocal、yield from、async/await矩阵乘法操作符@、yield for关键词和__annotations__、__context__、__traceback__、__qualname__等dunder方法。
  • 修改了一些语法。metaclass,raise、mapfilter以及dict的items/keys/values方法返回迭代对象而不是列表,整除符号变更,描述符协议,保存类属性定义顺序保存关键字参数顺序
  • 去掉了一些语法。cmp、<>(也就是!=)、xrange(其实就是range)、不再有经典类
  • 增加一些新的模块。futures、venv、mockasyncioselectorstyping
  • 修改了一些模块。主要是对模块添加函数/类/方法(如lru_cache、Barrier)或者参数。
  • 模块改名。把一些相关的模块放进同一个包里面(如httplib, BaseHTTPServer, CGIHTTPServer, SimpleHTTPServer, Cookie, cookielib放进了http里面,urllib, urllib2, urlparse, robotparse放进了urllib里面),个例如SocketServer改成了socketserver,Queue改成queue等
  • 去掉了一些模块或者函数。gopherlib、md5、nested、getmoduleinfo等。去掉的内容的原因主要是2点:1. 过时的技术产物,已经没什么人在用了;2. 出现了新的替代产物后者被证明存在意义不大。理论上对于开发者影响很小。
  • 优化。重新实现了dict可以减少20%-25%的内存使用;提升pickle序列化和反序列化的效率;OrderedDict改用C实现;通过scandir对glob模块中的glob()及iglob()进行优化,使得它们现在大概快了3-6倍等..
  • 其他。构建过程、C的API、安全性等方面的修改,通常对于开发者不需要关心。

参考链接:

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注