不久前，fast.ai 创始研究员 Jeremy Howard 撰文介绍了 fast.ai 最近提出的新型编程环境 nbdev，它基于 Jupyter Notebook 构建，并将 IDE 编辑器的优点带入 Jupyter Notebook，可以在 Notebooks 中开发而不影响整个项目生命周期。
- nbdev GitHub 地址：https://github.com/fastai/nbdev/
- nbdev 文档：https://nbdev.fast.ai/
「我认为，nbdev 是编程环境的一项巨大进步。」——Swift、LLVM 以及 Swift Playgrounds 创造者 Chris Lattner
近年来，我和同事 Sylvain Gugger 一直为热爱的事情而努力工作，它就是 Python 编程环境 nbdev。nbdev 允许用户在 Jupyter Notebook 中创建包含测试和丰富文档系统的完整 Python 包。我们已使用 nbdev 编写了一个大型编程库（fastai v2）以及多个小型项目。
本文作者、fast.ai创始研究员Jeremy Howard。
nbdev 系统适用于「探索式编程」（exploratory programming）。我们发现，大多数程序员将大部分工作时间用在探索和试验上。比如我们会试验从未用过的新型 API，来理解其运作原理；我们探索正在开发的算法的行为，以查看其处理不同数据类型的方式；我们探索不同的输入组合，来调试代码……
nbdev：探索式编程
我们认为探索流程是有价值的，应该保存下来，以便其他程序员（或自己）在六个月时间之内能够看到发生了什么并通过示例学习。把它看作科学期刊，你可以利用它展示自己尝试了什么东西（包括奏效的和无效的），和为了增强对工作系统的理解付出的努力。在探索过程中，你会发现你理解到的某些部分对于系统运行非常关键，所以探索应包含测试和断言（tests and assertions）。
当你基于 prompt（或 REPL）开发，或者使用 notebook-oriented 开发系统（如 Jupyter Notebook）开发时，「探索」是最简单的。但这些系统的「编程」部分没有那么强大。这也是人们主要使用这类系统执行早期探索，然后转向 IDE 或文本编辑器的原因。
转而使用其他系统是为了获得 notebook 或 REPL 不具备的功能，比如：优秀的文档查找功能、优秀的语法高亮功能、集成单元测试，以及（关键的）生成最终可分发源代码文件的能力。
nbdev 将 IDE/编辑器开发的优势带入 notebook 系统中，以便用户在 notebook 中完成开发，且不会影响整个项目生命周期。为支持此类探索，nbdev 基于 Jupyter Notebook 构建（这意味着，相比普通编辑器或 IDE，nbdev 能够更好地支持 Python 的动态特性），并针对软件开发添加了以下重要工具：
- 遵循最佳实践自动创建 Python 模块，如利用导出函数、类和变量自动定义 __all__；
- 在标准文本编辑器或 IDE 中执行代码导航和编辑，并将所有更改自动导出回 notebook 中；
- 基于代码自动创建可搜索的超链接文档，引号中的任意单词均被超链接至合适的文档，文档站点的侧边栏可链接至每个模块等等；
- pip 安装包（上传到 PyPI）；
- 测试（在 notebook 中直接定义，可并行运行）；
- 持续集成；
- 版本控制和冲突处理。
下图是 nbdev 真实源代码中的一个片段，该片段即在 nbdev 中写成。
在 nbdev 源代码中探索 notebook 文件格式。
如上图所示，用这种方式构建软件时，项目团队中的所有成员均可以从你为理解问题域所做的工作中获益，如文件格式、性能特点、API 边缘案例（edge case）等。由于开发过程在 notebook 中进行，因此你还可以添加图表、文本、链接、图像、视频等，这些将被自动纳入库文档中。定义代码的单元格将被隐藏，并被标准化函数文档代替，从而展示其名称、参数、文档字符串和源代码 GitHub 链接。
关于 nbdev 特性、安装和使用的更多信息，参见 nbdev 文档：https://nbdev.fast.ai/。
下文将介绍构建 nbdev 的原因以及 nbdev 设计原理背后的历史和背景。首先，我们先来了解历史。（如果你对此不感兴趣，可以跳至「Jupyter Notebook 少了什么？」）
软件开发工具
大部分软件开发工具不是基于探索式编程创建的。大约 30 年前我刚开始写代码时，瀑布软件开发几乎处于垄断地位。这种编程方法预先详细定义整个软件系统，然后在编程时尽可能地靠近规格。那时我便认为，这种方法并不适合我的工作方式。
1990 年代，事情出现变化，敏捷开发开始流行。人们开始理解「大部分软件开发是迭代过程」这一现实，并开发出符合这一事实的工作方式。但是，当时我们使用的软件开发工具并没能完成变革，去匹配工作方式的改变。一些工具被添加到库中，用来更轻松地执行测试驱动开发。但这些工具只是现有编辑器和开发环境的轻度扩展，并没有真正去重新思考开发环境应该是什么样子。
探索式测试是敏捷测试的重要组成部分，近年来，人们对探索式测试的兴趣逐渐增长。我们绝对赞同这一点，但我们认为走的还不够远。我们认为在软件开发流程的每个部分中，探索都应当成为核心。
传奇人物 Donald Knuth 走在时代前列，他想看到不同的开发方式。1983 年，他提出了一种叫做「文学式编程」的方法，并将其描述为「结合编程语言和文档语言，从而使写出来的程序比仅用高级语言编写的程序更加稳健、更具可移植性、更容易维护、编写时更富有乐趣。其主要思想是将程序看作受众为人类而非计算机的文学作品。」
在很长一段时间里我为这个想法而痴迷，但很不幸这个想法并没有成功。因为这样会致软件开发时间变长，没人认愿意付出这种代价。
将近 30 年后，另一位变革性的思想家 Bret Victor 表达了对当时开发工具的深刻不满，并描述了如何设计「理解程序的编程系统」。他在突破性演讲「Inventing on Principle」中表示：「我们现在的计算机程序概念是一串文本定义，你把它们传递到基于 1950 年代末 Fortran 和 ALGOL 直接得到的编译器。但是 Fortran 和 ALGOL 语言是为穿孔卡片设计的啊。」
他提出了完善的示例，以及多项编程系统设计新原则。尽管没人完全实现他的全部想法，但已经有人尝试实现其中的一部分。或许最知名也最完整的实现（包含对中间结果的展示）是 Chris Lattner 创建的 Swift 和 Xcode Playgrounds。
Xcode Playgrounds 的演示图。
尽管这是一次重要飞跃，但它仍然受限于一项基本限制，即开发环境的构建初衷并不涉及此类探索。例如，开发环境无法捕捉探索过程，测试不能直接集成到开发环境内，无法实现文学式编程的完善版本。
交互式编程环境
软件开发还有一个不同的方向，即交互式编程（以及相关的实时编程）。对交互式编程的尝试在几十年前已经出现，如 LISP 和 Forth REPL，它们允许开发者在运行的应用程序中交互式地添加和移除代码。Smalltalk 将其又推进了一步，它提供了完全交互式的视觉工作区。在所有这些案例中，语言本身与交互式工作方式适配良好，如 LISP 的宏系统和「code as data」基础。
Smalltalk 语言中的实时编程（1980）。
在今天，该方法不是最常规的软件开发方式，但它是科学、统计学和其他数据驱动编程等多个领域中最流行的方法。（JavaScript 前端编程不断从这些方法中借鉴思路，如 hot reloading 和浏览器内实时编辑。）例如，1970 年代 Matlab 刚出现时是完全交互式的工具，现在仍广泛用于工程、生物学等领域（目前它还提供常规软件开发功能）。S-PLUS 也使用过类似的方法，与 S-PLUS 有关联的开源语言 R 目前在统计和数据可视化社区中非常流行。
25 年前我第一次使用 Mathematica 时非常兴奋。对我而言，Mathematica 是最有可能支持文学式编程的语言，且不会影响生产效率。Mathematica 使用「notebook」界面，其行为类似传统的 REPL，但允许其他类型的信息，如图表、图像、格式化文本、大纲部分等。事实上，它不仅没有影响生产效率，我还使用它构建出了之前无法构建的东西。它帮助我在试验算法后立即得到视觉化反馈。
最终，Mathematica 并没有帮助我构建出任何有用的东西，因为我无法把自己的代码或应用分发给同事（除非他们花数千美元购买 Mathematica 许可证），无法轻松创建浏览器内可用的 web 应用。此外，我发现 Mathematica 代码通常比使用其他语言写的代码更慢、更耗费内存。
因此，你可以想象 Jupyter Notebook 诞生时我有多兴奋。Jupyter Notebook 和 Mathematica 的基础 notebook 界面一样（尽管最初 Jupyter Notebook 的界面只有后者的一小部分功能），而且开源了，这样我就可以使用广泛支持和免费可用的语言写代码。我曾使用 Jupyter 探索算法、API 和新的研究想法，还把它作为 fast.ai 的教学工具。很多学生发现它具备试验输入、查看中间结果和输出的能力，且允许修改，从而帮助他们更完备、深刻地理解正在讨论的主题。
我们还使用 Jupyter Notebook 写了一本书，这是一件很有趣的事。基于 Jupyter Notebook，我们在书中结合了 prose、代码示例、层级结构化标题等，同时保证样本输出（包含图表、表格和图像）完美匹配代码示例。
简而言之：我们真的喜欢用 Jupyter Notebook，并利用它做出了很棒的作品，学生也喜欢它。但是我们竟然没法用它来构建自己的软件！
Jupyter Notebook 少了什么？
Jupyter Notebook 擅长「探索式编程」中的「探索」部分，但它不太擅长「编程」。例如，它没有提供执行以下操作的方式：
- 创建模块化可重用代码，这些代码可在 Jupyter 外部运行；
- 创建可搜索超链接文档；
- 测试代码（包括通过持续集成实现的自动化代码测试）；
- 代码导航；
- 版本控制。
因此，开发者通常需要在未得到良好集成的工具间转换，以获取这些工具的优势，而在工具间来回转换会导致冲突。不同工具的优势如下所示：
我们认为处理这些冲突的最好方法是，利用现有的好用工具构建所需的功能。例如，对于处理 pull request 和查看 diff，已经存在一个好用工具：ReviewNB。当你在 ReviewNB 中查看图解版 diff 时，你会突然发现纯文本 diff 中的遗漏信息。例如，如果某个 commit 使图像生成结果变得模糊不清，或者使图表没有标签该怎么办？当你将这些 diff 视觉化呈现时，你会确切了解到底发生了什么。
ReviewNB 中的视觉化 diff，展示了表格输出的更改。
nbdev 避免了很多合并冲突，因为它安装了 git hook，从而首先去除引发冲突的部分元数据。如果你执行 git pull 时出现合并冲突，只需运行 nbdev_fix_merge 即可。运行该命令时，nbdev 只需使用输出存在冲突的单元格输出，如果单元格输入存在冲突，那么最终 notebook 中会包含两个单元格以及冲突标记。这样你就可以轻松找出它们，并在 Jupyter 中直接修复。
nbdev 中基于单元格的合并冲突示例。
nbdev 只需创建标准 Python 模块，即可创建模块化可重用代码。nbdev 寻找代码单元格中的特殊注释，如 #export（表示该单元格应被导出至 Python 模块）。在 notebook 开头处使用特殊注释，可将每个 notebook 与特定 Python 模块结合起来。文档站点（使用 Jekyll，以便得到 GitHub Pages 的直接支持）基于 notebook 和特殊注释自动创建。我们编写了自己的文档系统，因为现有方法（如 Sphinx）无法提供我们所需的全部功能。
至于代码导航，大部分编辑器和 IDE（如 vim、Emacs 和 vscode）中内置有一些不错的功能。GitHub 的网页界面甚至直接支持代码导航（目前尚处于测试阶段，仅针对特定选中项目，如 fast.ai）。因此我们确保 nbdev 导出的代码可在任意系统中直接导航和编辑，且任意编辑均被自动同步至 notebook。
至于测试，我们已经编写了自己的简单库和命令行工具。作为探索和开发（以及文档）流程的一部分，测试可直接在 notebook 中编写，命令行工具在所有 notebook 中并行运行测试。notebook 的天然有状态（natural statefulness）是开发单元测试和集成测试的重要方式。你无需使用特殊语法来学习创建测试套件，只需使用 Python 中的常规 collection 和 looping 结构，这样要学习的新概念就少得多了。
这些测试还可以在普通的持续集成工具中运行，它们对测试错误源提供明确信息。默认 nbdev 模板集成了 GitHub Actions，以实现持续集成等功能。
动态 Python
在常规编辑器或 IDE 中完全支持 Python 的一大挑战是，Python 具备强大的动态特性。例如，你可以在任意时间向类中添加方法，使用元类系统改变创建类的方式以及类的工作方式，使用装饰器改变函数和方法的运行方式。微软开发了 Language Server Protocol，可用于开发环境，以获取自动补全、代码导航等所需的当前文件和项目信息。但是，对于真正动态的语言（如 Python），此类信息通常只是猜测，因为提供正确信息需要运行 Python 代码（出于种种原因，Python 无法执行该操作，例如写代码时代码可能处于混乱状态，导致所有文件被删除）。
另一方面，notebook 包含实际运行的 Python 解释器实例，这完全在你的掌控之中。因此，Jupyter 可以基于代码的实际状态提供自动补全、参数列表和上下文相关文档。例如，在使用 Pandas 时，我们得到 DataFrames 所有列名的 tab 自动补全。我们发现 Jupyter Notebook 的这一特性提高了探索式编程的生产效率。无需作出任何更改，它就能在 nbdev 中良好运行。而这只是基于 Jupyter Notebook 构建开发环境所免费获取的部分 Jupyter 功能而已。
现状
伴随着 nbdev 的开发，我们使用 nbdev 从头编写了 fastai v2。fastai v2 为构建深度学习模型提供丰富、结构完善的 API，将于 2020 年上半年发布。目前其功能完善，早期使用者已经使用预发布版本搭建了很酷的项目。我们还在 fastai v2 中编写了其他项目，其中一些将在未来几周发布。
我们发现使用 nbdev 比使用传统编程工具的生产效率高 1-2 倍。对我而言这是一个巨大的惊喜。我已经写了 30 多年代码，试过几十个构建程序的工具、库和系统，我原本没想到生产效率还有如此大的提升空间。现在，我对未来感到振奋，我觉得开发者效率还有很大的提升空间，我期望看到人们用 nbdev 创建新的项目。
