51CTO编者按：我们曾经在《基于JVM的语言正在开始流行》一文中介绍过全新的基于JVM的脚本语言是Groovy和Scala。这两门语言现在都越来越流行，不同的是，Groovy是动态脚本语言，而是Scala是静态语言，那什么是半静态语言呢？本文将由阿里巴巴技术部中文站架构师何坤（Raymond He）系统地向大家介绍这篇《详解半静态语言原理及价值》。
引言
动态类型语言在企业开发和互联网领域应用广泛，如Ruby ,Velocity, Python等。 动态类型语言在运行时进行类型推断，以解释方式执行，修改即生效，开发灵活性高；而静态类型语言(如：Java，C/C+/C++) 在执行前做类型检查，需要编译运行，对于互联网前端开发不够灵活。
因此，许多大型互联网站选择 Freemarker, Velocity这样的动态模板语言作为页面开发语言，在一定程度上满足了前端敏捷开发的需求。
然而，对于大型电子商务网站，不仅具有一般互联网需求频繁变更的特点，更显著特点则是业务繁多，业务模型和业务关系复杂。 因此，在此类应用开发中，Velocity 的开发也遇到了一些的问题。
前端模板开发问题
1、降低软件质量
Velocity是弱类型动态语言，运行时才能检查出类型错误。由于动态类型等特点，有的错误在遇到特定参数时，才能激发执行路径，软件质量不能很好的保证。
2、测试成本高
由于无法像静态语言一样，在运行前进行类型检查，因此软件的测试周期长，测试成本高。
3、开发不敏捷
缺乏一些敏捷开发功能如IDE内实时验证、代码提示、代码重构等。虽然能修改即生效，但对于企业级开发，效率较低。
4、维护性差
对于一个大型系统，在重构业务模型（Java Model）或代码时, 无法知道哪些Velocity模板会受到影响；常常需要花费大量时间搜索相关模板，然后修改、测试。例如：笔者所在公司的一个基础产品升级，由于受影响模板众多，重构复杂，项目评估达上千人日。
这些动态语言天生的缺点在企业级和大型网站应用中非常突出，严重的影响了开发质量和开发效率。因此，在技术上亟待一种新的高质量、高效率的开发技术。
静态语言的优势
综合考虑后，我们发现动态类型语言（Dynamic Language）“解释执行方式和修改即生效”的最大优点仍是不能舍弃的。必须从问题出发，找到一条平滑的线路来解决问题。
遇到上述问题时，我们不由自主的会赞美Java的优点：
1、静态语法和静态类型实时检查。
如果赋值类型不匹配，方法不存在，参数类型错误等信息能马上在IDE中显示；
2、代码提示:
调用属性，方法时能代码提示，开发非常高效；
3、代码热链接:
通过变量和类名热链接到对应的Java类；
4、代码重构：
修改一个Java类时，受影响的Java代码会被实时重新验证，马上会显示红色的错误； 更强大的是重构，对Java类，方法敏性重命名，会自动修改所有相关代码中对它的引用。
Java等静态类型语言的这些优势就是解决问题的方向。那为什么动态语言不能做到这些呢？ 原因在于动态语言的根本特点是变量无类型（即弱类型特点），类型在运行时推断，这使得它无法在开发阶段进行类型检查。
那如何将动态语言和静态语言的优点结合呢？答案就是半静态语言。
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本期主题：Android应用开发技术进阶
地点：创新工场 北京市海淀区北四环西路66号第三极大厦B座18层
演讲讲师：王明礼（创新工场） 范怀宇（网易）
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半静态语言（Semi-Static Language）
1 定义
半静态语言，严格说应该是静态化类型的动态语言（Statically Typed Dynamic Language）。它是这样一种语言：以静态方式开发，以解释方式执行；通过变量显式声明或隐式声明，运行前可对变量类型进行推断和验证。
静态语言，动态语言和半静态语言的特点对比分析如下：
语言类型 优点 缺点 举例 适用场景 Static Language 强类型，运行前类型检查，程序健壮 对Java等支持反射的语言，可实现代码提示，重构等敏捷开发特性 需编译运行，发布慢 无法快速响应需求变化 Java C/C++ 企业级后端开发 大型互联网后端开发 Dynamic Language 灵活性高，修改即生效 快速响应需求变化 弱类型，运行时类型检查，程序不健壮，测试成本高 PHP Ruby Velocity 业务简单的小型互联网前端开发 Semi-Static Laguange 开发时(Devtime)强类型，程序健壮 运行时(Runtime)弱类型，修改即生效，快速响应需求变化 业务复杂的企业级开发和大型互联网前端开发
半静态语言集合了静态语言和动态语言的优点，更适合企业级和大型互联网开发，例如：电子商务，ERP，金融，保险等。
2 技术原理
2.1 范例
为了实现目标，需要在动态类型语言基础上，引入变量声明技术。因此本质上，半静态语言也是一种声明式语言（Declarative Language）, 这一点与静态类型语言一样。
以Velocity模板语言为例：
当前Velocity Template编程代码范例如下：
- [Code 1] showBuyProducts.vm
- <HTML>>
- Hello $customer.Name
- <table>>
- #foreach( $product in $buyingProducts )
- Buy: $product.Name, Price: $product.Price,
- #end
- table>>
该模板执行后，HTML页面上将用 $customer.Name 显示“客户名称”，循环显示该客户购买的每个产品的名称和价格。在Velocity中，运行时通过Velocity Context传递变量$customer和 $buyingProducts，而开发时这两个变量是未定型的（Untyped，或者说都是Object类型）。
为了实现静态化开发，引入变量声明，在模板顶部对变量$customer，$buyingProducts进行显式类型声明。变量声明指令为“##$”。
格式为：
- ##$ <Type> <var1[,var2[,[…]]]>
带有变量声明的半静态模板代码为：
- [Code 2] showBuyProducts_static.vm
- ##$ com.abc.crm.Customer customer
- ##$ com.abc.saling.Product product
- ##$ List<Product> buyingProducts
- <HTML>
- Hello $customer.Name
- <table>
- #foreach( $product in $buyingProducts )
- Buy: $product.Name, Price: $product.Price,
- #end
- table>
上述代码中，指定了变量customer的类型为 com.abc.crm.Customer，变量buyingProducts 的类型为Product泛型集合。由于 "##"是Velocity的注释指令，因此 "##$" 在Velocity Engine解析（Parse）和渲染（Render）时不会与现有语法冲突，Velocity引擎能正常执行，从而保证了兼容性。
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2.2 动态语言一阶段模型
在动态类型语言中，只有一个运行时（Run Time）阶段，运行阶段由解释器（Intepreter）来对源代码进行解析（Parsing）、执行（Evaluation）产生执行结果。过程如下：
由于动态语言无类型的特点，在解析步骤中产生的抽象语法树（Abstract Syntax Tree，AST）所有变量被存储为统一的类型，例如JavaScript，Velocity中变量都作为 Object 类型。在执行步骤，一般由类型推断系统（Type Inference System）负责根据变量的实际值动态判断变量的类型，并判断函数、方法或属性调用是否正确，由解释器进行执行或计算，从而产生结果。
2.3 半静态语言两阶段模型
而半静态语言，分开发时（Develop Time）和运行时（Run Time）两个阶段，两个阶段互不干扰。
1、开发时阶段。
开发时进行类型检查。一个“编译器”，更严格说是类型化解析器（Typing Parser）负责对源代码进行解析和类型检查，然后输出检查结果。“变量声明”是类型检查的必要条件。检查结果包含类型检查失败的错误信息和警告信息，类似于 Java编译时的错误信息。
与静态类型语言不同，此编译器不输出机器代码或字节码，只输出类型检查错误信息。
2、运行时阶段。
此阶段中，源代码仍由解释器以解释方式执行，同动态语言的解释执行过程。
半静态语言的两阶段模型如下图所示：
需要指出的是，运行时阶段仍采用无类型解析器（Untyping Parser)， 是一个类型推断系统。而开发时采用的是一个新的类型化解析器(Typing Parser), 是一个类型检查系统(Type Checking System)。
2.4 开发流程
半静态语言的开发流程涉及5个步骤：
1、编码
2、编译(类型检查).
半静态语言的编译与静态类型语言很不相同，它的编译只进行类型检查，不产生机器码或字节码。因此，半静态语言的编译可以称为“检查”（Checking).
在这个步骤中，如果代码存在类型错误（Error），编译失败，那么你必须退回到步骤1）修改代码bug，直到代码编译正确。
编译过程还可以产生警告（Warning），程序员可以有选择的忽略。
3、测试
QA 执行功能测试，集成测试和系统测试。
如果测试失败，必须退回到步骤 1）。
4、发布
将代码发布到生产环境
5、执行
最终用户访问用半静态语言开发的应用功能。
从上面的开发流程可见， 开发时阶段覆盖了步骤 1）、2）， 运行时阶段覆盖了步骤 3)、4)、5）.
为了保证只有编译合法的半静态语言程序在生产环境运行，需要有以下两条约束规则来保证：
1、代码编译合法后，才能提交到测试阶段；
2、测试正确的代码才能发布上线。
由于半静态语言仍用解析器运行，理论上代码仍具有修改即生效的特点。但从软件质量保证角度，这个缺点应该规避。因此上线后的代码不允许未经编译、测试的随意修改。
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2.5 类型检查系统和原理
半静态语言的类型检查系统中的核心组件编译器Compiler（或称为Checker），它本质上是一个类型化解析器。编译时，该系统采用类型检查算法（Type Checking Algorithm）；而在运行时阶段，仍由解释器执行代码，采用类型推断算法（Type Inference Algorithm)。
半静态语言的类型检查基本原理是，根据变量声明对源码进行解析、类型检查和语义检查，输出检查结果。这个系统中类型检查系统的基本原理如下图所示：
我们使用一个命令行工具 vmcheck 来编译半静态语言代码。格式为：
- Format: vmcheck templateFile
以前面的声明式Velocity源码为例，类型检查系统包含以下几个基本规则和检查点：
1、变量是否声明；
如果变量 $customer 未声明，编译错误如下：
- Error: line:2,column:7,variable $customer not declared !
2、JavaBean的属性和方法是否存在
如果com.alibaba.saling.Customer类没有属性 'Name' ， 编译错误如下：
- Error: line:2, column:7, property 'Name' not found for $customer.
如果com.alibaba.utils.CurrencyUtil 类没有方法 'convert' ， 编译错误如下：
- Error: line:6, column:22, method 'convert' not found for $currencyUtil.
3、方法调用的参数匹配;
3.1) 如果这样调用 'convert' 方法:
- $currencyUtil.convert()
则产生如下编译错误信息：
- Error: line:6, column:22, insufficient parameters for method call 'convert' .
3.2) 如果这样调用 'convert' 方法
- $currencyUtil.convert( $customer , "##.##" )
则产生编译错误信息：
- Error: line:6, column:22, parameter type mismatched of $customer for method call 'convert' , Double is required.
4、特定语句的类型匹配，如条件，循环语句：
如果有下面的复制语句调用
- #set( $customer.Name = $product.Price)
则产生编译错误信息：
- Error: line:11, column:5, type mismatched of assignment statement.
'if', 'foreach' 等语句使用的类型匹配规则类似。这与Java等强类型语言一样。
集合泛型的类型匹配
对于Java语言，JDK5+支持泛型特性。因此，类型检查也需支持泛型。对于以下代码
- ##$ List buyingProducts
- $buyingProducts.add( $customer)
编译错误如下：
- Error: line:12, column:5, parameter type mismatched of $buyingProducts for method call 'add' , 'com.alibaba.saling.Product' is required.
- As for the previous Velocity code snippet [Code 1], after executing 'vcheck' command on console,
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3 变量声明
变量声明就是对变量的类型进行声明。变量声明根据放置的地点分为两种，显示声明（Explicit Declaration）和隐式声明（Implicit Declaration）。
1、显式声明
显式声明采用特殊指令（Directive）或语句（Statement），在源码中对变量进行类型声明。
显式声明通常的格式为：
为了保持与运行时解释器的兼容性，我们引入一种“基于注释的扩展声明指令”技术。以Velocity模板语言（VTL）为例, 在Velocity注释指令“##”上扩展“##$”指令用于变量声明。如下例所示：
- [Code 3] showBuyProducts_static.vm
- ##$ com.abc.crm.Customer customer
- ##$ List buyingProducts
- ##$ String flag, sss, abc
对于其他动态类型语言，同样使用“基于注释的扩展声明指令”来实现兼容性的半静态语言。
|
Language |
Comment Instruction |
S2L Declaration Instruction |
|
Velocity |
## |
##$ |
|
Javascript |
// |
//$ |
|
Ruby |
# |
#$ |
|
Python |
# |
#$ |
2、隐式声明
隐式声明不用在源码中编写声明语句，而从配置文件或其他地方分析变量声明。例如，使用Velocity进行Web App开发时，如果需要直接频繁操作request,response,session等Servlet容器对象，编译器可以将它们作为内置变量，使用隐式声明。如下表所示：
|
Built-in variable |
Type |
|
request |
HttpServletRequest |
|
response |
HttpServletResponse |
|
session |
HttpSession |
|
application |
ServletContext |
以下代码使用隐式声明变量 request, session,
- Hello, $request.getParameter("username") !
- Your logged in at $session.getAttribute("loginTime") last time.
- body>
这段代码看起来，对现有Velocity语法没有任何扩展. 但实际上，在编译时，编译器使用内置变量对源码进行类型检查。
如果编写了一段错误的调用，例如：
- $session.getParameter("loginTime")
则编译器输出一条“方法不存在的”错误信息：
- Error: line:12, column:5, method 'getParameter' not found for $session!.
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4 语法约束
半静态语言基于某种动态类型语言进行实现，但它在语法语义上更接近与静态类型语言。在这两个端点，存在一些矛盾的地方，比如：变量动态定型，ducking type等。因此，半静态语言需要有语法约束：
1、变量先声明，后使用
2、变量在作用域scope内置能声明为一个类型；
3、禁止Ducking type 也就是多， 动态语言的无继承多态特性不允许使用，因为这与静态类型系统是冲突的。
如果违反这几个规则，编译器会产生相应的编译错误。以ducking type 为例（Ruby支持，而Velocity等Java系列脚本不支持）， 如果尝试访问一个不存在的方法，则会产生下面的错误。
- Error: line:12, column:5, method 'quack' not found for $dog.
而在Ruby中，只要 dog 存在 quack 方法，代码运行是正确的。
5 半静态语言组成模型和实现方式
半静态语言本质上是动态语言思想和静态语言思想的结合的产物。一种基本的半静态语言实现，核心功能是在运行前进行类型检查和语义检查。其组件集合 SS包括：
1、一种静态类型语言S，S以编译方式运行；
2、一种以S语言为基础的动态类型语言 D。D以解释方式由P执行，解释器 P 由S 编写；
3、在语言D的语法集合上扩展变量声明语法，新语法集合名为 SD ；
4、用语言S对解释器P进行扩展，实现 SD 的类型编译器C；
5、开发时，遵循SD语法集合的代码由 C 进行类型检查；
6、运行时，遵循SD语法集合的代码由 P 进行解释执行。
因此，新的半静态语言SS是基本组成是：新语法集合SD和类型编译器C.
SS = SD + C
举例：
Java 是一种静态类型语言，运行前进行编译和类型检查；
Velocity是一种基于Java的动态模板语言，通过 Velocity Engine以解释方式运行；
基于Velocity实现半静态语言的方式为：为Velocity基本语法增加变量声明指令（语句），基于Velocity 解释器 实现类型编译器 ，负责在开发时对模板进行类型检查。
实践中，Java体系的动态类型语言一般与Java语言天生的结合使用，应用广泛。以它们为基础，很容易通过扩展方式实现类型编译器，进而实现半静态语言。 例如Freemarker，Groovy，JRuby，Bean Shell等。其他动态类型语言也可以基于此原理设计半静态语言，如：Python，Ruby。
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IDE敏捷开发（Agile Development in IDE）
对于Velocity，Freemarker这类动态类型语言，它们基于Java等强类型语言，在模板内能直接操作传入的Java对象。由于Java等语言有反射（Reflection）机制。因而，除了静态类型检查的基本功能，可以在类型检查和反射技术基础上，实现一系列IDE敏捷开发功能。包括：
1、代码提示：编辑器内的Java对象的属性，方法代码提示；
2、参数提示：编辑器内的Java对象的方法参数提示；
3、全量构建和增量构建：Java类修改对相关Velocity模板的增量检查；
4、代码重构：修改Java属性或方法名称，自动批量修改相关模板中所有对应类型的JavaBean属性或方法名称。
其中3），4） 功能对于大型系统的维护和重构价值尤为明显。以上这些敏捷开发功能可独立实现或结合集成开发环境（IDE）如Eclipse插件来实现。
结论
通过以上分析可见，半静态化语言结合了静态语言和动态语言的优点，能很好的解决动态语言编程的开发质量和开发效率问题。半静态化语言保留了动态语言的灵活性优点，同时达到了静态语言在开发时强类型检查优势，能有效提升程序健壮性，减低测试复杂性和测试成本。通过与IDE结合，实现代码提示，代码重构等敏捷开发功能，有效提升动态语言的开发效率。在企业级应用和互联网应用开发中有着良好的应用价值。
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