图灵不完全语言

2020-11-09 23:42:18

摘要:某些语言禁止递归以确保程序终止。这在技术上是正确的,但通常是无关紧要的。

在我的职业生涯中,有三次我致力于一种经历了演变的编程语言:

禁止递归和无界循环。声明该语言是图灵不完整的,所有程序都将终止。

声明图灵不完整的程序更简单。让非技术人员将快速终止与最终终止混为一谈。

意识到缺乏递归使得表达事物变得极其笨拙,把简单的问题变成了脑筋急转弯。

在我离开大学之前,这个过程听起来很可笑。事实上,即使在这些步骤发生了两次之后,我仍然相信这种事情永远不会再发生。现在我有了三个例子,似乎值得写一篇博客文章,所以对于第四个案例,我有一些东西可以参考。

首先,让我们考虑一种小型的、简单的、面向语句的一阶编程语言。我们怎样才能写出一个非终结性的程序呢?有两种简单的方法。首先,编写一个loop-While(True){}。第二,编写递归,void f(){f()}。我们可以禁止这两种情况,只留下x在xs{..中的表单的有界迭代。)或类似情况。现在图灵语言不完整,所有程序都会终止。

缺少递归使程序更难编写,但我们总是可以使用带有无界循环的显式堆栈。

如果我们对程序可能执行的步骤有一个上限,那么缺少无限循环并不是问题。例如,我们知道快速排序的最坏情况下的复杂度为O(n^2),所以如果我们可以在(0,n^2){..。那么我们的程序中就会有足够多的步骤,以至于我们永远不会达到极限。

但是,如果我们的编程语言甚至没有提供范围函数呢?我们可以通过意识到在线性代码中可以产生指数级的大值来综合它。例如:

Double Xs=Xs++Xs--有条纹的x=Double(Double[x])。

函数Repeat 1对Double进行了10次调用,并创建了一个长度为2^10(1024)的列表。只要再有263个请求加倍,我们就会有一个足够长的清单,足以容纳宇宙中的每个原子。通过一些调整,我们可以使倍增在给定的界限上停止,并按顺序生成数字,给我们范围到我们选择的任何界限。

我们现在有一个包含三种技术的菜单,可以让我们编写几乎任何我们想要编写的程序:

首先,我们还没有一种完整的图灵语言。代码将终止。但不能保证需要多长时间才能终止。从技术上讲,需要一百万年才能完成的程序会终止,但很可能无法在真正的计算机上运行。对于我见过的图灵不完备性提升的大多数领域来说,运行几秒钟将是理想的。图灵的不完整完全无济于事。

其次,在一堆错综复杂的逻辑谜题中对程序进行编码后,代码就更难读懂了。虽然有三种通用技术可以对逻辑进行编码,但通常还有其他一些考虑因素会导致每个实例的解决方案各不相同。我已经用这种受限的语言编写了树遍历、排序和解析器-结果总是有很多注释和至少一个级别的不必要的间接。

最后,以如此复杂的风格编写的代码的性能通常要差得多。考虑快速排序--标准实现最坏情况下需要O(n^2)时间,而平均情况下需要O(Nlogn)时间,堆栈需要O(Logn)空间。如果在开始编码While循环之前采用构建O(n^2)列表的方法,那么最终将得到O(n^2)个空间和时间。此外,在普通的快速排序中,时间复杂度是计算廉价比较的次数,而在编码版本中,时间复杂度与分配有关,而作为一个常量因素,分配的成本可能要高得多。

大多数具有if/for等标准补语的语言(图灵不完整)不会从这一限制中获得任何好处。一个例外是在证明属性或进行分析的领域,举两个例子:

依赖类型的语言,比如Idris,它们通常有比仅仅禁止递归和无限循环复杂得多的终止检查器。

资源受限的语言,如休谟,它通过限制语言的表现力来实现更好的分析和实现技术。

这样的语言在工业中往往是罕见的。在我经历过的所有图灵不完全编程语言中,后来添加了递归,简化了程序,用这种语言编程变得更容易。

虽然我研究过的大多数语言都是在私下进行的,但有一种语言--来自Digital Asset的DAML--是在公开场合进行的。2016年,他们写道:

DAML被故意设计为不是图灵完全的。尽管图灵完全语言可以对任何业务领域进行建模,但它们在灵活性方面所获得的好处却失去了可分析性。

如果没有显式迭代器,可以使用递归。例如,让我们尝试编写一个反转列表的函数。

请注意,虽然我曾经在Digital Asset工作,但这些帖子既早于我在数字资产公司工作的时间,也早于我在那里工作的时间。