华为仓颉语言介绍

Microsoft Word2024-06-22 10:36

文章目录

1.简介

随着万物互联以及智能时代的到来，软件的形态将发生巨大的变化。一方面，移动应用和移动互联网领域仍然强力驱动人机交互、设备协同、智能化、安全性等方向的创新，另一方面人工智能也同样驱动软件朝智能化、端边云协同等方向演进。新技术、新场景下应用软件的开发对编程语言提出了新的诉求和挑战。

仓颉编程语言作为一款面向全场景应用开发的现代编程语言，通过现代语言特性的集成、全方位的编译优化和运行时实现、以及开箱即用的IDE工具链支持，为开发者打造友好开发体验和卓越程序性能。其具体特性表现为：

  • 高效编程：面向应用开发，我们希望语言能够易学易用，降低开发者入门门槛和开发过程中的心智负担，支持各种常见的开发范式和编程模式，让开发者简洁高效地表达各种业务逻辑。仓颉是一门多范式编程语言，支持函数式、命令式和面向对象等多种范式，包括值类型、类和接口、泛型、代数数据类型、模式匹配、以及高阶函数等特性。此外，仓颉还支持类型推断，能够降低开发者类型标注的负担；通过一系列简明高效的语法，能够减少冗余书写、提升开发效率；语言内置的各种语法糖和宏（macro）的能力，支持开发者基于仓颉快速开发领域专用语言（DSL），构建领域抽象。

  • 安全可靠：作为现代编程语言，仓颉追求编码即安全，通过静态类型系统和自动内存管理，确保程序的类型安全和null safety等内存安全；同时，仓颉还提供各种运行时检查，包括数组下标越界检查、类型转换检查、数值计算溢出检查、以及字符串编码合法性检查等，能够及时发现程序运行中的错误；此外，还通过代码扫描工具、混淆工具以及消毒器，进一步提供跨语言互操作安全和代码资产保护等支持。

  • 轻松并发：并发和异步编程能够有效提高处理器利用率，并在交互式应用中确保程序的响应速度，是应用开发中必不可少的能力。仓颉语言实现了轻量化用户态线程和并发对象库，让高效并发变得轻松。

    仓颉语言采用用户态线程模型，每个仓颉线程都是极其轻量级的执行实体，拥有独立的执行上下文但共享内存。对开发者来说，用户态线程的使用和传统的系统线程的使用方式保持一致，没有带来额外负担；而从运行态视角看，线程的管理由运行时完成，不依赖操作系统的线程管理，因此线程的创建、调度和销毁等操作更加高效，且资源占用比系统线程更少。为了避免数据竞争，仓颉语言提供了并发对象库，并发对象的方法是线程安全的，因此在多线程中调用这些方法和串行编程没有区别，应用逻辑的开发者无需额外关心并发管理。对于一些核心库，仓颉还提供了无锁或者细粒度锁的算法实现，能够进一步减少线程的阻塞，提升并发度。

  • 卓越性能：仓颉编译器及运行时从全栈对编译进行优化，包括编译器前端基于CHIR（Cangjie HighLevel IR）高层编译优化（比如语义感知的循环优化、语义感知的后端协同优化等），基于后端的编译优化（比如：SLP向量化、Intrinsic优化、InlineCache、过程间指针优化、Barrier优化等），基于运行时的优化（比如轻量锁、分布式标记、并发Tracing优化等），一系列的优化让仓颉充分发挥处理器能力，为应用提供卓越的性能支持。另外仓颉语言对运行时进行原生的轻量化设计，通过对运行时模块化分层设计，定义仓颉公共对象模型和运行时公共基础组件，基于公共对象模型，实现运行时的内存管理、回栈、异常处理、跨语言调用等基础能力，大幅减少多个能力间的冗余对象设计，精简运行时体积。同时通过包的按需加载技术，减少仓颉应用启动的冗余包内存开销，因此对于资源敏感设备，占用资源更少，支持更友好。

除此之外，仓颉还支持面向应用开发的一系列工具链，包括语言服务（高亮、联想）、调试（跨语言调试、线程级可视化调试）、静态检查、性能分析、包管理、文档生成、Mock工具、测试框架、覆盖率工具、Fuzz工具以及智能辅助编程工具，进一步提升软件开发体验以及效率。

2.初识仓颉语言

仓颉编程语言是一种面向全场景应用开发的通用编程语言，可以兼顾开发效率和运行性能，并提供良好的编程体验，主要具有如下特点：

  • 语法简明高效：仓颉编程语言提供了一系列简明高效的语法，旨在减少冗余书写、提升开发效率，例如插值字符串、主构造函数、Flow 表达式、match、if-let、while-let 和重导出等语法，让开发者可以用较少编码表达相关逻辑。
  • 多范式编程：仓颉编程语言支持函数式、命令式和面向对象等多范式编程，融合了高阶函数、代数数据类型、模式匹配、泛型等函数式语言的先进特性，还有封装、接口、继承、子类型多态等支持模块化开发的面向对象语言特性，以及值类型、全局函数等简洁高效的命令式语言特性。开发者可以根据开发偏好或应用场景，选用不同的编程范式。
  • 类型安全：仓颉编程语言是静态强类型语言，通过编译时类型检查尽早识别程序错误，降低运行时风险，也便于代码维护。同时，仓颉编译器提供了强大的类型推断能力，可以减少类型标注工作，提高开发效率。
  • 内存安全：仓颉编程语言支持自动内存管理，并在运行时进行数组下标越界检查、溢出检查等，确保运行时内存安全。
  • 高效并发：仓颉编程语言提供了用户态轻量化线程（原生协程），以及简单易用的并发编程机制，保证并发场景的高效开发和运行。
  • 兼容语言生态：仓颉编程语言支持和 C 等主流编程语言的互操作，并采用便捷的声明式编程范式，可实现对其他语言库的高效复用和生态兼容。
  • 领域易扩展：仓颉编程语言提供了基于词法宏的元编程能力，支持在编译时变换代码，此外，还提供了尾随 lambda、属性、操作符重载、部分关键字可省略等特性，开发者可由此深度定制程序的语法和语义，有利于内嵌式领域专用语言（Embedded Domain Specific Languages，EDSL）的构建。
  • 助力 UI 开发：UI 开发是构建端侧应用的重要环节，基于仓颉编程语言的元编程和尾随 lambda 等特性，可以搭建声明式 UI 开发框架，提升 UI 开发效率和体验。
  • 内置库功能丰富：仓颉编程语言提供了功能丰富的内置库，涉及数据结构、常用算法、数学计算、正则匹配、系统交互、文件操作、网络通信、数据库访问、日志打印、解压缩、编解码、加解密和序列化等功能。

3.基本概念

3.1标识符

在仓颉编程语言中，开发者可以给一些程序元素命名，这些名字也被称为"标识符"，标识符分为普通标识符和原始标识符两类，它们分别遵从不同的命名规则。
普通标识符不能和仓颉关键字相同，可以取自以下两类字符序列：

  • 由英文字母开头，后接零至多个英文字母、数字或下划线"_"。
  • 由一至多个下划线"_"开头，后接一个英文字母，最后可接零至多个英文字母、数字或下划线。

例如

c 复制代码 
//以下每行字符串都是合法的普通标识符：
abc
_abc
abc_
a1b2c3
a_b_c
a1_b2_c3

//以下每行字符串都是不合法的普通标识符：
ab&c  // 使用了非法字符 "&"
_123  // 起始下划线 "_" 后不能接数字
3abc  // 数字不能出现在头部
while // 不能使用仓颉关键字

原始标识符是在普通标识符或仓颉关键字的外面加上一对反引号，主要用于将仓颉关键字作为标识符的场景。

c 复制代码 
//以下每行字符串都是合法的原始标识符
`abc`
`_abc`
`a1b2c3`
`if`
`while`

//以下每行字符串，由于反引号内的部分是不合法的普通标识符，所以它们整体也是不合法的原始标识符
`ab&c`
`_123`
`3abc`

3.2程序结构

通常，我们都会在扩展名为 .cj 的文本文件中编写仓颉程序，这些程序和文件也被称为源代码和源文件，在程序开发的最后阶段，这些源代码将被编译为特定格式的二进制文件。

在仓颉程序的顶层作用域中，可以定义一系列的变量、函数和自定义类型（如 struct、class、enum 和 interface 等），其中的变量和函数分别被称为全局变量 和全局函数 。如果要将仓颉程序编译为可执行文件，您需要在顶层作用域中定义一个 main 函数作为程序入口 ，它可以有 Array 类型的参数，也可以没有参数，它的返回值类型可以是整数类型或 Unit 类型。

例如在以下程序中，我们在顶层作用域定义了全局变量 a 和全局函数 b，还有自定义类型 C、D 和 E，以及作为程序入口的 main 函数。

c 复制代码 
// example.cj
let a = 2023
func b() {}
struct C {}
class D {}
enum E { F | G }

main() {
    println(a)
}

在非顶层作用域中不能定义上述自定义类型，但可以定义变量和函数，称之为局部变量 和局部函数 。特别地，对于定义在自定义类型中的变量和函数，称之为成员变量 和成员函数。

c 复制代码 
// example.cj
func a() {
    let b = 2023
    func c() {
        println(b)
    }
    c()
}

class A {
    let b = 2024
    public func c() {
        println(b)
    }
}

main() {
    a()
    A().c()
}

3.3变量

在仓颉编程语言中，一个变量由对应的变量名、数据（值）和若干属性构成，开发者通过变量名访问变量对应的数据，但访问操作需要遵从相关属性的约束（如数据类型、可变性和可见性等）。

变量定义的具体形式为：

修饰符 变量名: 变量类型 = 初始值

其中修饰符用于设置变量的各类属性，可以有一个或多个，常用的修饰符包括：

  • 可变性修饰符：let 与 var，分别对应不可变和可变属性，可变性决定了变量被初始化后其值还能否改变，仓颉变量也由此分为不可变变量和可变变量两类。
  • 可见性修饰符：private 与 public 等，影响全局变量和成员变量的可引用范围，详见后续章节的相关介绍。
  • 静态性修饰符：static，影响成员变量的存储和引用方式，详见后续章节的相关介绍。

在定义仓颉变量时，可变性修饰符是必要的，在此基础上，还可以根据需要添加其他修饰符。

  • 变量名应是一个合法的仓颉标识符。

  • 变量类型指定了变量所持有数据的类型。当初始值具有明确类型时，可以省略变量类型标注，此时编译器可以自动推断出变量类型。

  • 初始值是一个仓颉表达式，用于初始化变量，如果标注了变量类型，需要保证初始值类型和变量类型一致。在定义全局变量或静态成员变量时，必须指定初始值。在定义局部变量或实例成员变量时，可以省略初始值，但需要标注变量类型，同时要在此变量被引用前完成初始化，否则编译会报错。

例如，下列程序定义了两个 Int64 类型的不可变变量 a 和可变变量 b，随后修改了变量 b 的值，并调用 println 函数打印 a 与 b 的值。

c 复制代码 
main() {
    let a: Int64 = 20
    var b: Int64 = 12
    b = 23
    println("${a}${b}")
}

3.4表达式

在一些传统编程语言中，一个表达式由一个或多个操作数（operand）通过零个或多个操作符（operator）组合而成，表达式总是隐含着一个计算过程，因此每个表达式都会有一个计算结果，对于只有操作数而没有操作符的表达式，其计算结果就是操作数自身，对于包含操作符的表达式，计算结果是对操作数执行操作符定义的计算而得到的值。在这种定义下的表达式也被称为算术运算表达式。

在仓颉编程语言中，我们简化并延伸了表达式的传统定义------凡是可求值的语言元素都是表达式。因此，仓颉不仅有传统的算术运算表达式，还有条件表达式、循环表达式和 try 表达式等，它们都可以被求值，并作为值去使用，如作为变量定义的初值和函数实参等。此外，因为仓颉是强类型的编程语言，所以仓颉表达式不仅可求值，还有确定的类型。

仓颉编程语言的各种表达式将在后续章节中逐一介绍，本节介绍最常用的条件表达式、循环表达式以及部分控制转移表达式（break、continue）。

我们知道，任何一段程序的执行流程，只会涉及三种基本结构------顺序结构、分支结构和循环结构。实际上，分支结构和循环结构，是由某些指令控制当前顺序执行流产生跳转而得到的，它们让程序能够表达更复杂的逻辑，在仓颉中，这种用来控制执行流的语言元素就是条件表达式和循环表达式。

在仓颉编程语言中，条件表达式分为 if 表达式和 if-let 表达式两种，它们的值与类型需要根据使用场景来确定。循环表达式有四种：for-in 表达式、while 表达式、do-while 表达式和 while-let 表达式，它们的类型都是 Unit、值为 ()。其中 if-let 表达式和 while-let 表达式都与模式匹配相关，请参见if-let 表达式和while-let 表达式章节，本节只介绍以上提及的其他几种表达式。

在仓颉程序中，由一对大括号"{}"包围起来的一组表达式，被称为"代码块"，它将作为程序的一个顺序执行流，其中的表达式将按编码顺序依次执行。如果代码块中有至少一个表达式，我们规定此代码块的值与类型等于其中最后一个表达式的值与类型，如果代码块中没有表达式，规定这种空代码块的类型为 Unit、值为 ()。

3.4.1if 表达式

if 表达式的基本形式为

c 复制代码 
if (条件) {
  分支 1
} else {
  分支 2
}

其中"条件"是布尔类型表达式，"分支 1"和"分支 2"是两个代码块。if 表达式将按如下规则执行：

  1. 计算"条件"表达式，如果值为 true 则转到第 2 步，值为 false 则转到第 3 步。
  2. 执行"分支 1"，转到第 4 步。
  3. 执行"分支 2"，转到第 4 步。
  4. 继续执行 if 表达式后面的代码。
    在一些场景中，我们可能只关注条件成立时该做些什么，所以 else 和对应的代码块是允许省略的。
    如下程序演示了 if 表达式的基本用法：
c 复制代码 
import std.random.*
main() {
    let number: Int8 = Random().nextInt8()
    println(number)
    if (number % 2 == 0) {
        println("偶数")
    } else {
        println("奇数")
    }
}

3.4.2while语句

while 表达式的基本形式为

c 复制代码 
while (条件) {
  循环体
}

其中"条件"是布尔类型表达式，"循环体"是一个代码块。while 表达式将按如下规则执行：

  1. 计算"条件"表达式，如果值为 true 则转第 2 步，值为 false 转第 3 步。
  2. 执行"循环体"，转第 1 步。
  3. 结束循环，继续执行 while 表达式后面的代码。

例如，以下程序使用 while 表达式，基于二分法，近似计算数字 2 的平方根：

c 复制代码 
main() {
    var root = 0.0
    var min = 1.0
    var max = 2.0
    var error = 1.0
    let tolerance = 0.1 ** 10

    while (error ** 2 > tolerance) {
        root = (min + max) / 2.0
        error = root ** 2 - 2.0
        if (error > 0.0) {
            max = root
        } else {
            min = root
        }
    }
    println("2 的平方根约等于：${root}")
}

3.4.3do-while表达式

do-while 表达式的基本形式为：

c 复制代码 
do {
  循环体
} while (条件)

其中"条件"是布尔类型表达式，"循环体"是一个代码块。do-while 表达式将按如下规则执行：

  1. 执行"循环体"，转第 2 步。
  2. 计算"条件"表达式，如果值为 true 则转第 1 步，值为 false 转第 3 步。
  3. 结束循环，继续执行 do-while 表达式后面的代码。

例如，以下程序使用 do-while 表达式，基于蒙特卡洛算法，近似计算圆周率的值：

c 复制代码 
import std.random.*

main() {
    let random = Random()
    var totalPoints = 0
    var hitPoints = 0

    do {
        // 在 ((0, 0), (1, 1)) 这个正方形中随机取点
        let x = random.nextFloat64()
        let y = random.nextFloat64()
        // 判断是否落在正方形内接圆里
        if ((x - 0.5) ** 2 + (y - 0.5) ** 2 < 0.25) {
            hitPoints++
        }
        totalPoints++
    } while (totalPoints < 1000000)

    let pi = 4.0 * Float64(hitPoints) / Float64(totalPoints)
    println("圆周率近似值为：${pi}")
}

3.4.4 for-in 表达式

for-in 表达式可以遍历那些扩展了迭代器接口 Iterable 的类型实例。for-in 表达式的基本形式为：

c 复制代码 
for (迭代变量 in 序列) {
  循环体
}

其中"循环体"是一个代码块。"迭代变量"是单个标识符或由多个标识符构成的元组，用于绑定每轮遍历中由迭代器指向的数据，可以作为"循环体"中的局部变量使用。"序列"是一个表达式，它只会被计算一次，遍历是针对此表达式的值进行的，其类型必须扩展了迭代器接口 Iterable。for-in 表达式将按如下规则执行：

  1. 计算"序列"表达式，将其值作为遍历对象，并初始化遍历对象的迭代器。
  2. 更新迭代器，如果迭代器终止，转第 4 步，否则转第 3 步。
  3. 将当前迭代器指向的数据与"迭代变量"绑定，并执行"循环体"，转第 2 步。
  4. 结束循环，继续执行 for-in 表达式后面的代码。

例如，以下程序使用 for-in 表达式，遍历中国地支字符构成的数组 noumenonArray，输出农历 2024 年各月的干支纪法：

c 复制代码 
main() {
    let metaArray = [r'甲', r'乙', r'丙', r'丁', r'戊',
        r'己', r'庚', r'辛', r'壬', r'癸']
    let noumenonArray = [r'寅', r'卯', r'辰', r'巳', r'午', r'未',
        r'申', r'酉', r'戌', r'亥', r'子', r'丑']
    let year = 2024
    // 年份对应的天干索引
    let metaOfYear = ((year % 10) + 10 - 4) % 10
    // 此年首月对应的天干索引
    var index = (2 * metaOfYear + 3) % 10 - 1
    println("农历 2024 年各月干支：")
    for (noumenon in noumenonArray) {
        print("${metaArray[index]}${noumenon} ")
        index = (index + 1) % 10
    }
}

3.4.5 where条件

在部分循环遍历场景中，对于特定取值的迭代变量，我们可能需要直接跳过、进入下一轮循环，虽然可以使用 if 表达式和 continue 表达式在循环体中实现这一逻辑，但仓颉为此提供了更便捷的表达方式------可以在所遍历的"序列"之后用 where 关键字引导一个布尔表达式，这样在每次将进入循环体执行前，会先计算此表达式，如果值为 true 则执行循环体，反之直接进入下一轮循环。例如：

c 复制代码 
main() {
    for (i in 0..8 where i % 2 == 1) { // i 为奇数才会执行循环体
        println(i)
    }
}

3.4.6 break和continue

在循环结构的程序中，有时我们需要根据特定条件提前结束循环或跳过本轮循环，为此仓颉引入了 break 与 continue 表达式，它们可以出现在循环表达式的循环体中，break 用于终止当前循环表达式的执行、转去执行循环表达式之后的代码，continue 用于提前结束本轮循环、进入下一轮循环。break 与 continue 表达式的类型都是 Nothing。

例如，以下程序使用 for-in 表达式和 break 表达式，在给定的整数数组中，找到第一个能被 5 整除的数字：

c 复制代码 
main() {
    let numbers = [12, 18, 25, 36, 49, 55]
    for (number in numbers) {
        if (number % 5 == 0) {
            println(number)
            break
        }
    }
}

以下程序使用 for-in 表达式和 continue 表达式，将给定整数数组中的奇数打印出来：

c 复制代码 
main() {
    let numbers = [12, 18, 25, 36, 49, 55]
    for (number in numbers) {
        if (number % 2 == 0) {
            continue
        }
        println(number)
    }
}

3.5 函数

仓颉使用关键字 func 来表示函数定义的开始，func 之后依次是函数名、参数列表、可选的函数返回值类型、函数体。其中，函数名可以是任意的合法标识符，参数列表定义在一对圆括号内（多个参数间使用逗号分隔），参数列表和函数返回值类型（如果存在）之间使用冒号分隔，函数体定义在一对花括号内。

函数定义举例：

c 复制代码 
func add(a: Int64, b: Int64): Int64 {
    return a + b
}

上例中定义了一个名为 add 的函数，其参数列表由两个 Int64 类型的参数 a 和 b 组成，函数返回值类型为 Int64，函数体中将 a 和 b 相加并返回。

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