编程语言发展史之：逻辑编程语言

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

逻辑编程（logical programming）是一种编程范式，旨在以一种逻辑的方式来表示程序，而不是像命令式编程一样直接面向计算模型或执行指令。逻辑编程倾向于通过构造计算机所理解的数学逻辑模型来解决问题。它特别适用于那些对数据结构和算法模型十分敏感的问题。与函数式编程相比，逻辑编程更加强调数据、关系和抽象等抽象概念之间的对应关系，因此更容易设计出正确而优雅的程序。因此，一些逻辑编程语言如Prolog，Erlang，Oz等也被认为是“函数式编程的终结者”[1]。

然而，逻辑编程并非只能用于解决实际问题，而是可以作为一种理论基础。一方面，逻辑编程语言的理论贡献主要来自于研究其中的抽象理论。另一方面，逻辑编程语言能够更好地帮助人们理解程序的运行方式，从而促进程序开发工作的改善[2]。因此，编写和维护逻辑编程语言工具也是很重要的。另外，很多逻辑编程语言的实现技术都比较先进，具有良好的扩展性。例如，Prolog语言的解释器能够快速响应并处理大规模的问题，同时还提供了可插拔的模块化机制。因此，有必要深入研究并开发这些语言，逐渐推动它们在软件开发领域的应用。

本文将围绕逻辑编程语言发展历史进行讨论，首先从逻辑编程语言最早的演变过程开始，看一下逻辑编程的起源以及为什么后来又出现了不同类型的逻辑编程语言。然后，介绍逻辑编程的基本概念和相关术语，详细阐述其中最重要的抽象概念——逻辑形式语言。最后，深入分析Prolog语言的具体实现技术，介绍Prolog语言的特性，指出Prolog语言对于软件开发的巨大影响，最后给出一些有关提升产品质量的建议。本文将有助于读者了解逻辑编程语言的发展历程、编程技巧、实用经验等。

2.逻辑编程的起源

2.1 基于过程式编程的时代

为了进行逻辑编程，程序员必须首先熟悉过程式编程语言。古典的过程式编程语言如Fortran、Pascal、C等是在19世纪中叶由爱德华·斯图尔特等人开发的。这些语言采用堆栈式的内存管理方式，并以语句的序列作为程序的基本单位。整个程序就是一个序列的过程调用。这种编程方式导致复杂的代码，使得调试变得困难，并且程序员很难控制程序的执行过程。此外，过程式编程语言缺乏一些抽象概念的支持，比如对象、类、继承、多态等。

随着计算机的发展，计算能力越来越强，内存容量不断增加。为了提高程序性能，现代的计算机系统都引入了分层存储结构，允许程序员将程序划分成不同的组成单元。这样做虽然降低了内存的使用效率，但却大大减轻了内存碎片的问题。但是，这种分层存储结构又带来了新的问题——如何让程序员独立地修改各个程序单元？难道所有的程序都需要重新编译整个程序吗？

直到1970年代末期，一个新的编程范式开始流行，即结构化编程(structured programming)。结构化编程的基本思想是把程序分割成离散的块，然后按照固定顺序组织起来，这样就可以保证每个程序块在任何情况下都能正确地执行。结构化编程语言诞生于此，如C、Java、Smalltalk等。这类语言将程序组织成一系列的函数，每个函数完成特定的功能。结构化编程极大地缩短了程序开发时间，同时也保证了代码的一致性。但是，结构化编程存在以下问题：

• 由于没有面向对象的编程抽象机制，所以代码过于集中，难以应对变化。
• 函数的执行顺序必须按照预先规定好的顺序执行，不能够灵活调整。
• 对某些特定任务来说，使用结构化编程语言编写程序会非常繁琐，比如需要处理的数据集合无法满足需求时。

2.2 命令式编程和冯诺依曼机

1946年，英国数学家艾兰·贝尔，提出了一个著名的观点——信息就是地球上每秒传输的信息的多少。这引起了计算机科学界的高度关注。艾兰·贝尔等人提出，“任何计算都必须依赖于输入信息”，即程序的执行必须依赖于外部输入。他们立刻发现，如果不能及时接收到输入信息，程序就会陷入死循环，最终崩溃。因此，他们提出了冯诺依曼计算机体系结构，他的设想是只有在有外部输入的时候才激活电子部件，并根据输入信息作出相应的输出。

这个设想奠定了当时的计算机编程模型——命令式编程。命令式编程指的是程序由一系列命令组成，每个命令代表某个特定的操作。指令从左至右依次执行，因此，命令式编程只能按序执行，不能够跳过或重复执行某些代码。

冯诺依曼机将命令式编程发扬光大，成功地实现了第一台个人计算机——ENIAC。ENIAC拥有3.5万个电子管，在1945年3月7日完成了第一台计算机程序。由于ENIAC使用的是数字编码，因此，它的程序只需简单地按照数字信号的模式输入即可。1946年7月3日，美国军方实验室研制成功了第一台用于军事目的的计算机——HAL-9000。这一计算机的指令集采用机器语言，即用二进制代码来表示各种机器操作。

3.逻辑编程的基本概念

3.1 概念定义

逻辑编程是一套抽象的编程语言，它采用的是逻辑形式，即程序中的变量、条件、递归、逻辑关系等都是逻辑表达式。它的最大特点是将计算机程序建模为一种数学模型，称为谓词逻辑，并通过一系列抽象规则来表示这种数学模型。与传统命令式编程的区别在于，它不再以文本命令为中心，而是将程序表示为逻辑形式，并在程序运行时计算。

3.2 抽象语言

3.2.1 形式语言

形式语言(formal language)是指由语法和语义定义的自然语言。形式语言由一组符合语法规则的符号串构成，并对其中的符号赋予有意义的解释。形式语言包括数理逻辑语言、几何语言、语音语言、程序设计语言等。形式语言的特征有三点：

• 有限性：形式语言通常有一定的数量级限制，例如亚里士多德的四句话定理，有三千五百多个句子；而人类语言的词汇有无穷无尽。
• 确定性：形式语言的每个句子只有唯一且确定的解释。换句话说，同样的句子在不同的上下文中，其解释也应该相同。
• 可计算性：形式语言可以通过一系列方法，对任意的形式语言中的句子进行形式化验证。例如，一个句子是否合法，或者它是否满足某种属性，都可以通过计算来判断。

形式语言有其独特的优点。一方面，它能够精确地定义语言的规则，使得语言的描述和学习变得简单易懂。另一方面，它可以很好地支持自动的形式验证技术，有效地防止程序中的错误。

3.2.2 逻辑形式语言

逻辑形式语言(logically formulated language)是指将编程语言的核心抽象出来，并用一系列形式化的规则来表示。逻辑形式语言具备形式语言的所有特性，并将程序表示为一组逻辑表达式，这些表达式表示一定的数学谓词逻辑。具体来说，逻辑形式语言包括数理逻辑语言、递归语言、逻辑编程语言等。逻辑形式语言的特点有三点：

• 概念抽象：逻辑形式语言中的变量、条件、函数等都是概念，概念之间可以根据一定规则进行组合，因此，可以构建丰富的抽象概念，来表示程序的逻辑关系。
• 模型抽象：逻辑形式语言可以定义一组预定义的模型，用来表示程序的行为。模型是数学公式的集合，包含了一组完整的逻辑公式。
• 语义注解：逻辑形式语言支持注释功能，可以对程序中的变量、函数、条件等进行解释性的注解，来辅助程序的阅读和理解。

3.3 逻辑编程语言分类

目前，Logic Programming有许多种类型，主要包括:

1. 第一类逻辑编程语言(First-Class Logic Programs)

   • 逻辑编程语言最初被设计为支持函数式编程，因此它有一些与过程式编程相关的概念，如赋值语句、条件表达式和递归。因此，第一类逻辑编程语言也有类似的概念。不过，第一类逻辑编程语言有一个显著的差异，它不仅允许递归，而且允许嵌套函数。这使得它成为一种功能更强大的编程语言。如Prolog。

2. 第二类逻辑编程语言(Second-Class Logic Programs)

   • 以Prolog和Mercury为代表。在Mercury中，函数参数可以是逻辑表达式，例如条件表达式。这使得其很像函数式编程语言，但是它具有逻辑表达式的支持，可以用来表示复杂的数学谓词。Prolog是世界上第一个商用逻辑编程语言，它于1972年发布。Prolog支持递归、逻辑和数据结构，可以用来解决众多复杂的问题，如资源分配、规划、决策、图形、语音识别等。它还有其他一些特性，如模块化、类型系统、自动求值、宿主语言接口、持久性数据库等。如Erlang、Oz。

3. 第三类逻辑编程语言(Third-Class Logic Programs)

   • 约束逻辑编程语言(Constraint Logic Programming Languages)，如ECLiPSe、SWI-Prolog和Answer Set Programming。它们支持逻辑和约束求解，可以用来解决复杂的优化问题，如遗传编程、股票市场交易、资源计划等。还有其他一些语言，如Lisp、ML、Haskell等。

4. 第四类逻辑编程语言(Fourth-Class Logic Programs)

   • 元语言(Metaprogramming Languages)是指除了使用逻辑编程语言外，还可以使用其他编程语言作为宿主语言。例如，可以使用Prolog来解析某些约束，也可以用Python来定义数据结构。这类语言通常被称为“元语言”。

4.逻辑编程的基本模型

4.1 谓词逻辑

谓词逻辑(Predicate logic)是数学的一门学科，它以一组原则为基础，将信息与知识表达为关于事物的陈述或命题，并由一组推理规则来证明这些陈述或命题的真值。换言之，谓词逻辑是一种形式逻辑，它利用命题逻辑的基本假设——简单的一阶谓词演算来建立数学语言和计算模型。

在谓词逻辑中，有两种基本元素：变量和谓词。变量是一个占位符，可以代表任意的元素。谓词是一个断言，它指定了事物的性质，例如身高、长度、颜色等。除了变量和谓词，还有一些连接词，如逗号、连词等，用于连接两个或多个谓词，形成更大的命题。

4.2 命题逻辑与一阶谓词演算

命题逻辑(Propositional Logic)是一类逻辑，它以布尔运算为基础，并将各种命题之间的逻辑关系用布尔函数来表示。命题逻辑的主要研究领域是演算理论，目的是运用布尔运算和等价公式，研究公式系统和模型系统，以及证明、证毕等理论方法。命题逻辑是第一阶谓词演算的逻辑。

在命题逻辑中，布尔值有真值T和假值F。布尔函数是逻辑表达式，它接受一系列的布尔值作为输入，并产生一个布尔值作为输出。布尔函数包括与(&&)、或(||)、非(!)、同一性(=:=)、反同一性(<>:)等。命题逻辑的基本命题为一阶谓词，即取值为真或假的简单命题。根据命题的真值表，命题逻辑可以推导出其他命题的真值。

一阶谓词演算(First Order Predicate Calculus)是以谓词演算为基础，扩展开来的一类逻辑。它包括两条基本推理规则：蕴含(if-then)、否定(not)。在一阶谓词演算中，变量仅出现在谓词中，因而也称为一阶谓词演算。一阶谓词演算是命题逻辑和一阶谓词逻辑的基石。

4.3 逻辑编程

在逻辑编程中，程序是一组逻辑表达式，它们表示了一组数学谓词。在这组表达式中，变量和函数出现的位置，决定了表达式的类型。常见的变量类型有：常量、元组、列表和集合。常见的函数类型有：单个谓词、函数式、关联函数、高阶函数和逻辑运算。逻辑编程语言使用逻辑表达式来表示程序。这些表达式是一组构造式，由一组逻辑变量、谓词、关系和连接词组成。

逻辑编程可以粗略地分为两类：命令式逻辑编程和关系式逻辑编程。命令式逻辑编程基于语句执行的顺序，如Prolog。关系式逻辑编程基于关系数据模型，如关系数据库。关系式逻辑编程往往更加适合处理复杂的关系数据。关系数据库将关系型数据映射到关系型表格，因此，关系式逻辑编程也被称为关系数据库编程。目前，关系式逻辑编程语言有SQL、NoSQL、Datalog等。

4.4 多样性

逻辑编程的多样性在很大程度上体现在语言的选择上。在实际工程实践中，逻辑编程语言通常有以下三个主要特点：

• 类型系统：逻辑编程语言通常有自己的类型系统，以便对程序变量和函数的参数进行类型检查。类型系统可以帮助程序员避免类型错误，提高程序的鲁棒性和健壮性。
• 声明式风格：逻辑编程语言采用声明式编程风格，也就是说，程序员只需声明目标结果，而不是一步步地实现该结果。声明式风格使得程序编写更加自然、直观，并有利于程序的模块化、重用和测试。
• 解释性语言：有的逻辑编程语言是解释型的，即代码在执行时才转换成机器语言。解释型语言更接近计算机的实际运行环境，可以快速响应输入，有利于快速迭代。另一方面，解释型语言具有较高的学习曲线，因为它涉及到较多的命令式编程技巧。

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