编程语言与自然语言之比较 | Eric Way's Personal Site

浅谈编程语言和自然语言的可比性。

引言

语言是沟通的工具。沟通意味着两个过程：输入和输出。自然语言的听说读写，听和读是输入，读和写是输出。编程语言也有输入和输出的两个过程，但其特殊性在于，它的输入者（读代码的一方）需要是计算机和（很多时候，比如修改代码时，也需要是）人类，输出者（写代码的一方）往往是人类。计算机和人类各有其所擅长的领域、各有一套迥异的行事模式，这决定了编程语言需要达到人机之间良好的平衡。在迎合人类思维需求的这一方面，自然语言的影子就往往会渗透进编程语言的设计之中。从另一方面来说，编程语言和自然语言的这种可比性，从根本上来说，源自二者皆是对事物发展过程的一种描述。如何对两者进行有意义的比较是一个有趣的话题，同时也是有价值的，因为一方面可以更好理解编程语言中的各种概念，另一方面在某种意义上可以提供对“双语”学习宏观视角上的指导。王垠（2018）就类比了英语语法和程序语法之间的关联。本文一记我对这个话题的看法。

形式

书写上，自然语言依赖于各种字母表或者汉字，编程语言往往由ACSII字符组成，主要是英语字母、数字和各种符号，这些构成要件首先在自然语言中被广泛地运用，再出现在计算机键盘上，为编程语言所采用。由此可见，编程语言的书写形式很大程度上依附于自然语言。

自然语言的另一种形式：声音，是编程语言不强调的，因为自其功能而言，计算机运行代码，并不需要朗读代码。当人们需要朗读代码的时候，编程语言的声音系统更是依附于自然语言的。

关键字

编程语言的关键字对应的是自然语言中的词汇。编程语言一直在尽力使用自然语言（常常是英语）的词汇作为其关键字，以增强其可读性。if传达出的条件控制语义，和英语中“如果”的意思是很贴合的。SQL语言中的SELECT 、FROM、BETWEEN … AND …等等，也是“自然语言可读的”。再如ES6引入的let，让声明（可变）变量的语句直接等于相应的英语语句。新近出现的文言lang之所以让人叫绝，主要是因为其编程语句实现了“文言可读”。

为什么学习较为古老的Shell脚本会让人觉得十分困难？因为它过分依赖了各种符号，而非自然语言作为关键字进行表意。对于计算机而言，只要有明确的对应法则，它总是能轻松对应符号与相应的规则，不会进行任何抱怨；但对于人类来说，记住${ #foo}表示取foo变量的长度是比较困难的，尽管关键字#通常表示数字，但这里表示取长度的对应法则并不一目了然。这就是为什么在当下更为流行的语言，如Python中采用len(foo)、JavaScript中采用foo.length，关键字从自然语言的角度是更容易理解的，很容易看出其表达的意思是”the length of foo“。

规则的多样性

编程语言中的表达式对应的是自然语言中的短语或者句子，一种由关键词加上语法结构组成的结构。语法结构是语言规则的直接体现。

编程语言，出于其自身要求的可实现性，对语法的严谨性要求更强；相比之下，经过长期历史演化的自然语言，通常具有更为松散的语法结构，这体现在各种规则的常常难以用逻辑解构的“例外”上。然而，自然语言中的语法结构中多样且不规则的特征，影响了编程语言的设计，并导致了编程语言中往往具有的语法结构规则的多样性。

为了说明自然语言中规则的多样性，我们不妨先看看一个所谓规则非常简单的自然语言——世界语。以下引用自知乎专栏：

构词法：比较有趣的一点，世界语两个意思相反的词，通常用mal或非mal来表示。也就是说，以mal为首的词，都要比其反义词多出一个音节。并且世界语里所有意义相反的词都这么处理。例子：mallonga（世界语），short（英语）。

看见带mal的词时，反应速度依然不快。比如malproksima，我首先一看到mal，只会意识到它是一个词的反义词，再看到proksima（近的），哦，那就是它的反义词“远”啰。总是存在一个思考过程。

而且这还会使没有高低优劣之分的一组反义词不对等，如dekstra（右，right）和maldekstra（左，left），世界语就把优先权搬给了dekstra。

除此之外，我还觉得这使世界语表达的丰富性下降了。

这种构词方式已经开始影响到了我对词义的理解。Rapida的意思是“快”（fast，rapid）。要是malrapida出现在我眼前，它给我的第一印象是“不快”，只有在翻译句子时才意识到要翻译成slow（慢），而不是not fast（不快）。

稍微了解了一点世界语的造词方式后，很容易意识到规则的简单并不是自然语言应该追求的，也不是我们惯用的汉语、英语等自然语言的内在构造逻辑。

如何理解编程语言同样蕴含着语法规则的多样性？简单的例子是，我们可以认为函数也是一种特殊的变量，例如

const double = x => x * 2;

或

double = lambda x: x * 2

然而声明函数往往采用的是和声明变量不同的语法结构，即往往不用=去赋值函数，而是用

function double(x) {
    return x * 2;
}

或

def double(x):
    return x * 2

虽然有时这种写法的差异并不是syntactic sugar（差异如递归的可用性），但这揭示了一点：编程语言不惜创造新的语法结构去表达一种较为特殊的情形。这种逻辑是蕴含在自然语言的演化之中的，自然语词的创造往往不是从逻辑出发，而是从人们的对事物的较为直观的认识和知觉出发的。惯用自然语言的人们是习惯于这种特殊性或缺乏逻辑的，这显然是被编程语言的创造者考虑的。

另外一个简单的例子就是代数表达式，比如1 + 1，这是编程语言对自然语言最赤裸的迎合。对于惯用自然语言来表达算数的人类来说，“一加一”是非常寻常的。可是，仔细思考一下+对计算机意味着什么：

• 如果+是一个函数，那为什么我们不写+(1, 1)？
• 如果+是整数类型的一个方法，那么为什么我们不写1.+(1)？

当然，你确实可以在Ruby里采取后一种写法，但一般没有人那么做，因为1 + 1是完全可用而且更加可读的。

最后再说一说语法结构非常简单的语言Racket（或者影响它的Scheme），它排斥语法上的“例外”（所有表达式一律是(e, e1, e2, ..., en)，其中e表示过程，e1, e2, ...,en表示参数），因此1 + 1要写成(+ 1 1)。这种语法结构对计算机是非常友好的，但并不非常人类友好，因为程序写出来非常反直觉，另外会有多到令人发指的括号。

总而言之，1 + 1这样的中缀表达式对于编程语言来说是不寻常的，这是一种对计算机来说新颖甚至复杂的规则，迎合着人类使用自然语言的习惯。

编程范式

编程范式，对应的是自然语言中的架构段落或文章的方法。

此处略谈一下 imperative programming 和 declarative programming，这两者分别有个子集是 procedural programming （过程式编程）和 functional programming（函数式编程）。它们的差别和对照不是本文的重点，所以此处不严格区分。最后提一笔OOP。

过程式编程

过程式编程，对照自然语言，更像是一句话一句话说下来。比如随手写一个函数：

function f(x) {
    let y = x * 10;
    if (x > 0) {
        y += 1;
    } else {
        y += 2;
    }
    return y;
}

这是典型的 procedural programming，也是典型的 imperative programming。用自然语言是容易解读的。

The function f needs an argument x.

Let y equal to x times 10.

If x is greater than 0, then let y increment by 1; else let y increment by 2.

The returning value of this function is y.

这也不难理解为什么 imperative programming 的名字就是从自然语言中祈使语气（imperative mood）来的。procedural programming 其实是目前大多数编程语言采用的范式，或者大多数人学习编程采用的范式，因为其实这非常符合自然语言类似故事情节的叙述。类似“从前有座山，山上有座庙”：先定义一个山，再用下一个句子补充山的特性或者充实对山的描述。从动作或行为的角度考虑，人们也是常常愿意先做一件事、然后再做另外一件。

函数式编程

与之相对的是 functional programming：

fun f x = 
	let 
		val y = x * 10
	in 
		y + (if x > 0 then 1 else 2)
	end

这个过程不是用若干个句子进行描述的，不是先做一件事、再做一件事，最后拿出一个返回值给你；而是，整个函数就是在用各种结构去构造一个最终结果。这里没有句子，只有一个用各种语法结构去修饰的短语作为结果。如果非要用自然语言去表达，那就大概是（为增强可读性加了括号）：

The function f of x is ((y plus (1 if x is greater than zero) (2 if not)) where y equals to (x times 10)).

这会更像是一句冗长的“从前有座（上面有个庙的）山”。这种和自然语言相悖的思维方式，很有可能是当下函数式编程不太流行的原因。不过，数据库语言如SQL还是按declarative programming这种思维模式去写的：总是类似SELECT [some column] FROM [some table] WHERE [some condition is satisfied]的架构，但是诸如subquery这样的操作可以把填充进去的东西变得非常复杂。

面向对象编程

面向对象编程，在自然语言中，就是集体和个体的区别。当我们说everyone的时候，其实是在说一个集体，但用的谓语是单数的，原因在于落脚点在”one”上了。写class的定义的时候，其实也是在说明一个集体的特征，但写的时候，也只是在描述每个实例所具有的属性或方法。对于每个个体来说，属性是名词性的（描述性的，往往可以说是名词化的形容词），方法是动词性的（这个实例可以干嘛）。

不同词性的词

自然语言中各种词性的词在编程语言中有一定的体现。

名词和代词：值和变量

“名词”在编程语言中相当于“值”，“代词”相当于“变量”，这基本是不言自明的。

形容词：名词化

在程序的世界中，往往是没有形容词的，因为形容词总是模糊的。我说“大”，你问我“多大”，我只能告诉你是值是多少；我说“红”，你问我“多红”，我得给你一个RGB值。这量化的过程，就把形容词名词化了。不过CSS里面调font-size的时候可以直接写个large，写color也可以直接red，当然这只能算是syntactic sugar，其实内部一定是转换成字号或RGB的。

动词：函数

“动词”的对应是“函数”，因为两者都强调一种“行为”。从编程语言的角度看，pure function强调无side effects，更接近数学上的函数，那就是说，这种行为只侧重于把输入值利用某些规则“变成”输出值，而不产生其他影响；procedural programming中side effects往往是必要的，这更像是复杂的自然世界中各种行为产生的后果，例如带来的各种状态的改变。一个笑谈是，如果把人的一生看成一个pure function，那就是大抵就是

const life = person => null

“人生是让人变成虚无的过程。”——因为任何人最终都是要化成一缕青烟的，由此可见人生的意义主要在于side effects。这可能是procedural programming流行的另外一个原因？笔者没有考证过，但不妨确信如此。

如果函数是动词，如何看待first class functions，即把函数看成其他变量作为另外函数的参数或返回值？这很容易让人想到英语中将动词转化成名词性的做法，用doing或者to do的结构。这是很有趣的。

const increment = x => x + 1;
const y = [1, 2, 3].map(increment);
// y = [2, 3, 4]

很容易把map里面的increment想成to increment或者incrementing，像”What map does is to increment every element in [1, 2, 3] and produce a new array”。

文首提及的王垠的文章把动词看成句子的核心，的确，因为编程语言中函数的调用往往也是程序的核心。知道一个函数（function）需要什么输入值、会产生什么输出值、会有什么side effects，才能有效地利用它提供的功能（function）。知道一个动词的用法才能知道怎么用它进行造句，从而使用它提供的表意功能。

词典或文档

可以说，说话作文就是在调用语词的API。词典之于自然语言，正如文档之于编程语言：它们都揭示了我们应该如何去使用这门语言，说明了根本的规则，并提供适当的样例帮助理解。学习语言也需要常常翻看词典，学习编程需要常常查阅文档，这道理是一样的。

编程语言由于自身更强的逻辑性，这种规则更容易得到描述；自然语言的规则有时是模糊的，因此需要更多的样例提供对语词用法的直观的感知，这就是词典中例句或者collocation为什么在语言学习中具有很大的重要性，它们帮助语言学习者理解：在什么语境中这个词语应该被使用？这个词语应该进行什么样通常的搭配？这是调用语词，以达到其表达效果必要的知识。

结语

编程语言和自然语言的比较是一个很大的话题，远远不是这个四千字的短文能穷尽的。本文也仅仅是浅尝辄止，略谈一二，以飨读者。