PLT：说说Evaluation strategy-优快云博客

本文深入探讨了编程语言中的求值策略，包括按值传值、引用传值等概念，并解析了不同策略对程序行为的影响。

Brief　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

在学习方法/函数时，我们总会接触到按值传值和引用传值两个概念。像C#是按值传值，但参数列表添加了ref/out后则是引用传值，但奇怪的事出现了

namespace Foo{
  class Bar{
    public String Msg{get;set;}
  }
  class Program{
    public static void main(String[] args){
      Bar bar1 = new Bar();
      bar1.Msg = "Hey, man!";
      UpdateProp(bar1);
      Console.WriteLine(bar1.Msg); // Bye!
    }
    static void UpdateProp(Bar bar){
      bar.Msg = "Bye!";
    }
  }
}

Q:UpdateProp明明是按值传值，对bar的修改怎么会影响到main中的bar1呢？

延伸Q:到底什么是按值传值、引用传值？

为了解答上述疑问，我们就需要理解求值策略了！

What is evaluation strategy?　　　　　　　　　　　　　　　　

Evaluation Strategy其实就是定义函数/方法的实参应该在何时被计算，并且以什么类型的值作为实参传入到函数/方法内部。

A programming language uses an evaluation strategy to determine when to evaluate the argument(s) of a function call (for function, also read: operation, method, or relation) and what kind of value to pass to the function.

那么仅仅是函数调用如 function(a){console.log(a)}({name: 'fsjohnhuang'}) 才关联到Evaluation Strategy吗？Assignment Expression就不涉及到吗？答案是否定的。

// Assigment Expression in C
int* pVal;
int val = 1;
pVal = &val;

// 转换为Lisp的形式
(= pVal &val)

可以发现Assignment Expression绝对可以转换为我们熟知的函数调用的形式（前缀表达式），所以各种运算均与Evaluation Strategy有关联。

以时间为维度，那么就有以下三种类别的求值策略：

1. Strict/Eager Evaluation，在执行函数前对实参求值（实质上是在构建函数执行上下文前）。

2. Non-strict Evaluation(Lazy Evaluation)，在执行函数时才对实参求值。

3. Non-deterministic，实参求值时机飘忽。

另外注意的是，大部分编程语言采用不止一种求值策略。

Strict/Eager evaluation　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

现在绝大部分语言均支持这类求值策略，而我们也习以为常，因此当如Linq、Lambda Expression等延迟计算出现时我们才如此兴奋不已。

但Strict/Eager Evaluation下还包括很多具体的定义，下面我们来逐个了解。

Applicative Order (Evaluation)

Applicative Order又名leftmost innermost，中文翻译为“应用序列”，实际运算过程和Post-order树遍历算法类似，必须先计算完叶子节点再计算根节点，因此下面示例将导致在计算实参时就发生内存溢出的bug。

// function definitions
function foo(){
  return false || foo()
}
function test(a, f){
  console.log(a + f)
}
// main thread,陷入foo函数无尽的递归调用中
test(1, foo())

Call-by-value或Scalar

按值传值也就是我们接触最多的一种求值策略，实际运算过程是对实参进行克隆，然后将副本赋值到参数变量中。

function foo(val){
  val = 3
}
var bar = 1
foo(bar)
console.log(bar) // 显示1
// 函数作用域中对实参进行赋值操作，并不会影响全局作用域的变量bar的值。

那如Brief中C#那种情况到底是啥回事呢？其实问题在于到底要克隆哪里的“值”了，对于Bar bar = new Bar()而言，bar对应的内存空间存放的是指向 new Bar()内存空间的指针，而因此克隆的就是指针而不是 new Bar()这个对象，也就是说克隆的是实参对应的内存空间存放的“值”。假如我们将Bar定义为Struct而不是Class，则明白C#确实遵循Call-by-value策略。

namespace Foo{
  struct Bar{
    public String Msg{get;set;}
  }
  class Program{
    public static void main(String[] args){
      Bar bar1 = new Bar();
      bar1.Msg = "Hey, man!";
      UpdateProp(bar1);
      Console.WriteLine(bar1.Msg); // Hey,man!
    }
    static void UpdateProp(Bar bar){
      bar.Msg = "Bye!";
    }
  }
}

稍微总结一下，Call-by-value有如下特点：

1. 若克隆的“值”为值类型则为值本身，并且在函数内的任何修改将不影响外部对应变量的值；

2. 若克隆的“值”为引用类型则为内存地址，并且在函数内的修改将影响外部对应变量的值，但赋值操作则不影响外部对应变量的值。

注意：由于第2个特点与Call-by-sharing的特点是一样的，因此虽然Java应该属于采用Call-by-sharing策略，但社区还是声称Java采用的是Call-by-value策略。

Call/Pass-by-reference

其实Call-by-reference和Call-by-value一样那么容易被人误会，以为把内存地址作为实参传递就是Call-by-reference，其实不然。关键是这个“内存地址”是实参对应的内存地址，而不是实参对应的内存中所存放的地址。C语言木有天然地支持Call-by-reference策略，但可以通过指针来模拟，反而能让我们更好地理解整个求值过程。

int i = 1;
int *pI = &i; // &i会获取i对应内存空间的地址，并存放到pI对应的内存空间中

void foo(int *);
void foo(int *pI){
  pI = 2; // 直接操作i对应的内存空间，等同于i = 2
}
int main(){
  foo(pI);
  printf("%s", i); // 返回2
  return 0;
}

内存结构：

而C#可通过在形参上添加ref或out来设置采用Call-by-reference策略，Java和JavaScript就天生不支持也没有提供模拟的方式。

Call-by-sharing/object/object-sharing

采用该策略的语言暗示该语言主要基于引用类型而不是值类型。

Call by sharing implies that values in the language are based on objects rather than primitive types, i.e. that all values are "boxed".

明显Java和受Java影响甚深的JavaScript就是采用这种策略的。

该策略特点和Call-by-value的个特点一致。

Call-by-copy-restore(copy in copy out, call-by-value-result, call-by-value-return)

暂时我还没接触到哪种语言采用了Call-by-copy-restore这种求值策略，它的运算过程主要分为两步：

1. 如Call-by-value的特点1那样，对实参进行拷贝操作，然后将副本传递到函数体内。重点是，即使实参为引用类型，也对引用所指向的对象进行拷贝，而不是仅拷贝指针而已。

效果：在函数体内对实参的任何操作（PutValue和Assignment）均不影响外部对应的变量。

2. 当退出函数执行上下文后，将实参值赋值到外部对应的变量。

/*** pseudo code ***/
var a = {}
function foo(a){
  a.name = 'fsjohnhuang'
  console.log('within foo:' + a.name)
  // 线程挂起1000ms
  var sd = +new Date()
  while(+new Date - sd < 1000);
}
// 异步执行foo
var promise = foo.async(a)
while(+new Date - sd < 100);

// 未退出foo的执行上下文时，访问a.name，返回undefined
console.log(a.name)
if (promise.done){
  // 退出foo的执行上下文时，返回a.name，返回'fsjohnhuang'
  console.log(a.name)
}

Partial evaluation

即是部分实参在进入函数执行上下文前将不参与求值操作。示例如下：

var freeVar = {type: 'freeVar'}
function getName(){
  return freeVar
}
function print(msg, fn){
  console.log(msg + fn())
}

// 调用print时getName将不会被马上求值
print('Hi,', getName)

可以看到上述print函数调用时不会马上对getName实参求值，但会马上对'Hi,'进行求值操作。而需要注意的地方是，由于getName是延迟计算，若函数体内存在自由变量（如freeVar）,那么后续的每次计算结果均有可能不同（也就是side effect）。

Non-strict evaluation(lazy-evaluation/calculation)　　　　

Non-strict Evaluation是指在执行函数体的过程中，需要用到该实参才进行运算的策略。还记得逻辑运算符(||,&&)的短路运算(short-circuit evaluation)吗？这个就是延迟计算其中一个实例。

下面我们一起来了解4种延迟计算策略吧！

Normal Order (Evaluation)

Normal Order又名leftmost outermost，中文翻译为“正常序列”，一般通过与Applicative Order作对比来理解效果较好。还记得Applicative Order可能会引起内存溢出的问题吗？那是因为Applicative Order会不断地对AST中层数最深的可规约表达式节点优先求值的缘故，而Normal Order则采用计算完AST中层数最浅的可规约表达式节点即可。

/ function definitions
function foo(){
  return false || foo()
}
function test(a, f){
  console.log(a + f)
}
// main thread, 显示 "1false"
test(1, foo())

Call-by-name

这种延迟计算策略十分容易明白，计算过程就是在执行函数体时，遇到需计算实参表达式时才执行运算。注意点：

1. 每次在执行实参表达式时均会执行运算;

2. 若实参的运算过程为计算密集型或阻塞性操作时，则会阻塞函数体后续命令的执行。（这时会可通过Thunk對Call-by-name进行优化）

Call-by-need

其实就是Call-by-name + Memoized，就是第一计算实参表达式时，在返回计算结果的同时内部自动保存该结果，当下次执行实参表达式计算时直接返回首次计算的结果。注意点：

1. 该策略仅适用于pure function的实参，存在free variable则会导致无法确保每次的求值结果都一样。

Call-by-macro-expansion

在Clojure中使用macro时则就是采用Call-by-macro-expansion策略，会执行expansion阶段對函数体内的实参表达式替换为macro所定义的表达式，然后在进行运算。

Non-deterministic strategies　　　　　　　　　　　　　　　　

另外由于实参的运算时机具有不确定性，因此下面的策略不能归入Strict和Non-strict求值策略中。

Call-by-future