MIT發(fā)布史上最強(qiáng)科學(xué)計(jì)算編程語(yǔ)言？

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關(guān)鍵信息：備受期待的 Julia1.0 累積了開(kāi)發(fā)者近十年的努力。JuliaCon2018 舉行了發(fā)布會(huì)，該社區(qū)正式將該版本設(shè)置為 1.0.0.。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)：研究者利用 Julia 在一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上分析天文圖像，速度提升了 1000 倍，在 15 分鐘內(nèi)將接近 2 億個(gè)天體進(jìn)行分類(lèi)。

關(guān)鍵意義：隨著人工智能的興起，現(xiàn)實(shí)世界對(duì)計(jì)算的速度及性能要求也越來(lái)越高，不同的編程語(yǔ)言由于自身的局限性難以兼顧，Julia打破了傳統(tǒng)編程語(yǔ)言的局限性

本月初，隨著的 1.0 版本發(fā)布的消息確認(rèn)，一門(mén)名為“Julia”的高性能動(dòng)態(tài)編程語(yǔ)言一夜之間刷爆了朋友圈和 GitHub。

首先科普一下什么是“Julia”的高性能動(dòng)態(tài)編程語(yǔ)言” ，Julia是一個(gè)新的高性能動(dòng)態(tài)高級(jí)編程語(yǔ)言。語(yǔ)法和其他編程語(yǔ)言類(lèi)似，易于其他語(yǔ)言用戶(hù)學(xué)習(xí)。Julia擁有豐富的函數(shù)庫(kù)，提供了數(shù)字精度、精致的增幅 器（sophisticated amplifier）和分布式并行運(yùn)行方式。核心函數(shù)庫(kù)等大多數(shù)庫(kù)是由Julia編寫(xiě)，但也用成熟的C和FORTRAN庫(kù)來(lái)處理線(xiàn)性代數(shù)、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生和字 符串處理等問(wèn)題。Julia語(yǔ)言可定義函數(shù)并且根據(jù)用戶(hù)自定義的參數(shù)類(lèi)型組合再進(jìn)行重載。

這個(gè)編程語(yǔ)言的新版本之所以受到整個(gè)人工智能界的關(guān)注，最主要的原因正是其將 C 語(yǔ)言的速度、Ruby 的靈活、Python 的通用性前所未有地結(jié)合在一起，支持并行處理，易于學(xué)習(xí)和使用，尤其適合科學(xué)和工程計(jì)算。

更早之前，在今年 TOIBE 8 月份編程語(yǔ)言排行榜上，Julia 已迅速攀升至第 50 名。根據(jù) Julia 開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，在七項(xiàng)基礎(chǔ)算法的測(cè)試中，Julia 比 Python 快 20 倍，比 R 快 100 倍，比 Matlab 快 93 倍。也有越來(lái)越多的人相信，Julia 會(huì)成為未來(lái)的主流編程語(yǔ)言。

圖丨在過(guò)去的三個(gè)月中，Julia 在 RedMonk 的排名中上升了三位，排名第 36 位（來(lái)源：RedMonk）

Julia 的崛起，與目前編程語(yǔ)言發(fā)展遭遇的瓶頸息息相關(guān)：隨著人工智能尤其是機(jī)器學(xué)習(xí)的興起，現(xiàn)實(shí)世界對(duì)計(jì)算的速度及性能要求也越來(lái)越高，不同的編程語(yǔ)言由于自身的局限性難以兼顧，例如說(shuō)，在 Julia 誕生之前，很多人不得不把同樣的程序進(jìn)行多次處理：首先使用 Python 或 R 這樣的語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)一種算法，并通過(guò)這些語(yǔ)言制作圖表，然后再用 C++或 Java 改寫(xiě)程序，以獲得更好的計(jì)算機(jī)處理性能。

突破這種瓶頸無(wú)疑有兩個(gè)方向，一是基于現(xiàn)有編程語(yǔ)言進(jìn)行優(yōu)化，二是“將革命進(jìn)行到底”——專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)一門(mén)新語(yǔ)言。后者自然成本更高。

Julia 的開(kāi)發(fā)人員顯然選擇了后者，而且他們的野心不小：Julia 被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為用于快速運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)學(xué)，這正是大多數(shù)數(shù)據(jù)科學(xué)的基礎(chǔ)，如矩陣表達(dá)式和線(xiàn)性代數(shù)。

它的誕生可追溯到 2009 年。當(dāng)時(shí)，正是基于對(duì)現(xiàn)有編程語(yǔ)言的“不滿(mǎn)”，麻省理工學(xué)院?jiǎn)?dòng)了一個(gè)新型編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)計(jì)劃，到了 2012 年的時(shí)候，這個(gè)計(jì)劃有了初步的成果，也就是如今的 Julia。

具體而言，Julia 項(xiàng)目由麻省理工學(xué)院教授 Alan Edelman 領(lǐng)導(dǎo)，另外幾位關(guān)鍵創(chuàng)造者則包括Jeff Bezanson（“Julia”名字來(lái)自于 Bezanson 的一個(gè)舊項(xiàng)目）、Stefan Karpinski 和 Viral Shah。其大部分關(guān)鍵發(fā)展成果都來(lái)自麻省理工學(xué)院的 Julia 實(shí)驗(yàn)室，也有超過(guò) 700 名志愿者參與了 1.0 版本的制作。

“我們想開(kāi)發(fā)一種開(kāi)源的編程語(yǔ)言，我們希望這門(mén)語(yǔ)言有 C 語(yǔ)言一樣的速度、R 語(yǔ)言一樣的靈活性，有同像性（homoiconicity）, 有像 Lisp 語(yǔ)言那樣擁有真正的宏特性，但是也像 Matlab 一樣有易于理解、被人所熟悉的數(shù)學(xué)標(biāo)記。我們希望它像 Python 一樣易用，像 R 語(yǔ)言一樣適用于統(tǒng)計(jì)，像 Perl 一樣適用于字符串處理，處理線(xiàn)性代數(shù)像 Matlab 一樣強(qiáng)大，像 DOS 命令一樣擅長(zhǎng)粘合程序。這似乎看起來(lái)簡(jiǎn)單易學(xué)，但是想要讓黑客樂(lè)意去迎合它卻不是簡(jiǎn)單之事。我們希望它具有互動(dòng)性且能夠被編譯”，在《Why we created Julia》這篇文章中，Julia 團(tuán)隊(duì)如此解釋他們開(kāi)發(fā)這個(gè)語(yǔ)言的初衷。

圖丨Viral Shah（來(lái)源：DT 君）

Viral Shah 也曾經(jīng)表示：“如果你是一名數(shù)學(xué)家、科學(xué)家或者工程師，你可以選擇一種速度快的語(yǔ)言，比如 C++或 Java，又或是任意一種容易學(xué)習(xí)的語(yǔ)言，比如 Matlab，R，或 Python，所以我們創(chuàng)造了 Julia 這種又快又便捷的語(yǔ)言?！比缃?，他已經(jīng)成為 Julia Computing 公司的 CEO，該公司致力于幫助其他公司使用 Julia 語(yǔ)言。

當(dāng)然，Julia 的問(wèn)世，除了讓人感慨 IT 行業(yè)發(fā)展之快、推陳出新之迅猛，另一方面也向所有人提出了一個(gè)新的問(wèn)題：我究竟要不要學(xué)習(xí)這門(mén)新語(yǔ)言。這個(gè)問(wèn)題將非常重要，就像 Y-Combinator 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Paul Graham 所說(shuō)的，“當(dāng)你可以選擇你要用的編程語(yǔ)言時(shí)，不使用最強(qiáng)的那一種將是一個(gè)錯(cuò)誤”。

在過(guò)去一年中，研究者利用 Julia 在一臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)上分析天文圖像，速度提升了 1000 倍，在 15 分鐘內(nèi)將接近 2 億個(gè)天體進(jìn)行分類(lèi)。從技術(shù)上來(lái)看，這種語(yǔ)言還會(huì)長(zhǎng)期發(fā)展下去。然而，現(xiàn)在是一個(gè)里程碑的時(shí)刻：在本周于倫敦舉辦的 Julia 語(yǔ)言年會(huì)上，Julia 1.0 正式發(fā)布！一起發(fā)布的還有 JuliaCon。

Julia 的開(kāi)發(fā)者之一、就職于 MIT 計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的教授 Alan Edelman 表示：Julia 1.0 的發(fā)布證明，該語(yǔ)言已經(jīng)做好準(zhǔn)備，將 Python 和 R 的高效性和易用性與 C++的閃電速度結(jié)合在一起，改變技術(shù)世界。

圖丨Alan Edelman（來(lái)源：麻省理工學(xué)院官網(wǎng)）

從實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Julia 已經(jīng)用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)、機(jī)器人和 3D 打印機(jī)，此外還廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)醫(yī)療、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、基因組學(xué)及風(fēng)險(xiǎn)管理。從 Julia 的生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，目前它主要的特征或應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閿?shù)據(jù)可視化、一般性的 UI 與網(wǎng)站、數(shù)據(jù)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、科學(xué)計(jì)算與平行計(jì)算等。

Julia 目前下載量已經(jīng)達(dá)到了 200 萬(wàn)次，且 Julia 社區(qū)開(kāi)發(fā)了超過(guò) 1900 多個(gè)擴(kuò)展包。這些擴(kuò)展包包含各種各樣的數(shù)學(xué)庫(kù)、數(shù)學(xué)運(yùn)算工具和用于通用計(jì)算的庫(kù)。除此之外，Julia 語(yǔ)言還可以輕松使用 Python、R、C/C++ 和 Java 中的庫(kù)，這極大地?cái)U(kuò)展了 Julia 語(yǔ)言的使用范圍。

Julia 團(tuán)隊(duì)

Julia 開(kāi)發(fā)者對(duì)該語(yǔ)言提出了很多需求：

我們想要一種十分自由的開(kāi)源語(yǔ)言，同時(shí)兼具 C 語(yǔ)言的速度和 Ruby 語(yǔ)言的靈活度。我們想要一種同像性語(yǔ)言，具有像 Lisp 一樣真正的宏，也有像 Maltlab 一樣淺顯易懂的數(shù)學(xué)符號(hào)。它是像 Python 一樣有用的通用編程語(yǔ)言，像 R 語(yǔ)言一樣便于統(tǒng)計(jì)的語(yǔ)言，像 Perl 一樣自然的字符串處理語(yǔ)言，像 Matlab 一樣強(qiáng)大的線(xiàn)性代數(shù)語(yǔ)言，也是像 shell 一樣的「膠水語(yǔ)言」。它簡(jiǎn)單易學(xué)，卻能讓嚴(yán)苛的黑客們?yōu)橹畠A心。我們希望它兼具交互性和可編譯性。

圍繞這一語(yǔ)言，一個(gè)欣欣向榮的社區(qū)已經(jīng)蓬勃發(fā)展起來(lái)，為了同一目標(biāo)，世界各地的人們不斷地重塑并改進(jìn)著 Julia。超過(guò) 700 人對(duì) Julia 做出了實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)，更有不計(jì)其數(shù)的人制造了數(shù)千個(gè)驚人的 Julia 開(kāi)源包?？傊?，我們構(gòu)建了一種這樣的語(yǔ)言：

快速：Julia 為高性能而生。Julia 程序通過(guò) LLVM 為多個(gè)平臺(tái)編譯高效的本地代碼。

通用：它使用多分派作為范例，使得表達(dá)許多面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式的編程模式變得容易。標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供異步 I/O、進(jìn)程控制、日志記錄、性能分析、包管理器等。

動(dòng)態(tài)：Julia 是動(dòng)態(tài)型語(yǔ)言，與腳本語(yǔ)言類(lèi)似，并且支持交互式使用。

專(zhuān)業(yè)：它擅長(zhǎng)數(shù)值計(jì)算，其語(yǔ)法適用于數(shù)學(xué)，支持多種數(shù)值數(shù)據(jù)類(lèi)型，并具有良好

并行性：Julia 的多分派天生適合定義數(shù)字和類(lèi)數(shù)組的數(shù)據(jù)類(lèi)型。

多樣：Julia 擁有豐富的描述性數(shù)據(jù)類(lèi)型，類(lèi)型聲明使程序條理清晰且穩(wěn)定。

可組合：Julia 的包可以很好地組合在一起。單位數(shù)量的矩陣，或者貨幣和顏色的數(shù)據(jù)列表，都可以組合——而且性能很好。

當(dāng)然，Julia 1.0 中最重要的一個(gè)新特征是對(duì)語(yǔ)言 API 穩(wěn)定性的承諾：為 Julia 1.0 編寫(xiě)的代碼可以繼續(xù)在 Julia 1.1、1.2 等版本上使用。該語(yǔ)言是「完全成熟的」，核心語(yǔ)言開(kāi)發(fā)者和社區(qū)都可以基于這個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)構(gòu)建新的包、工具和特征。

Julia 1.0 不僅涉及穩(wěn)定性，還引入了多種新的強(qiáng)大、創(chuàng)新性語(yǔ)言功能。自 0.6 版本以來(lái)的新功能如下，更多詳細(xì)與準(zhǔn)確的內(nèi)容請(qǐng)查看更新文檔原文：

一種全新的內(nèi)置程序包管理器給 Julia 1.0 帶來(lái)巨大的性能提升，并令其相比以往更容易進(jìn)行程序包和依賴(lài)庫(kù)安裝。它還支持每項(xiàng)目（per-project）的包環(huán)境，并記錄工作應(yīng)用的明確狀態(tài)來(lái)和其他人（以及你的未來(lái)項(xiàng)目）共享。最后，該新設(shè)計(jì)還完全支持私人包和軟件包存儲(chǔ)庫(kù)。你可以使用相同的工具安裝和管理你用于開(kāi)源包生態(tài)系統(tǒng)的私人包。JuliaCon 的展示視頻對(duì)新設(shè)計(jì)和行為提供了很好的概述。

Julia 擁有對(duì)缺失值的新的標(biāo)準(zhǔn)表示。允許表示和處理缺失數(shù)據(jù)對(duì)于統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)科學(xué)來(lái)說(shuō)是很基礎(chǔ)的。在典型的 Julia 編程形式中，新的解決方案是通用的、可組合的和高性能的。任何泛用群集類(lèi)型可以高效地支持缺失值，僅需要允許元素包含預(yù)定義值 missing。這種「統(tǒng)一類(lèi)型化」的群集的性能在過(guò)去版本中可能會(huì)非常慢，但如今的編譯器改進(jìn)已經(jīng)允許 Julia 在其它系統(tǒng)中匹配自定義 C 或 C++的缺失值表示的速度，同時(shí)在通用性和靈活性上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越過(guò)去的版本。

內(nèi)置的 String 類(lèi)型現(xiàn)在可以安全地支持任意數(shù)據(jù)。你的程序不會(huì)在一項(xiàng)工作中因?yàn)闊o(wú)效 Unicode 的單個(gè)丟失字節(jié)就浪費(fèi)數(shù)小時(shí)或數(shù)天的時(shí)間。所有的字符串?dāng)?shù)據(jù)在指示哪些字符是有效或無(wú)效的同時(shí)就已經(jīng)被保存，允許你的應(yīng)用安全、方便地處理包含所有不可避免瑕疵的真實(shí)世界數(shù)據(jù)。

廣播（broadcasting）由于方便的語(yǔ)法特性已經(jīng)成為了一種核心的語(yǔ)言功能，并且已經(jīng)比過(guò)去更加強(qiáng)大。在 Julia 1.0 中，可以很簡(jiǎn)單地將廣播擴(kuò)展到自定義類(lèi)型，并在 GPU 和其它向量化硬件上實(shí)現(xiàn)高效的優(yōu)化計(jì)算，為未來(lái)更高的性能效益奠定了基礎(chǔ)。

命名元數(shù)組是一種新的語(yǔ)言功能，可以通過(guò)命名使數(shù)據(jù)表示和訪(fǎng)問(wèn)更加高效和方便。例如，你可以將一行數(shù)據(jù)表示為 row = (name="Julia", version=v"1.0.0", releases=8)，并使用 row.version 來(lái)訪(fǎng)問(wèn) version 列，它與不那么便利的 row [2] 有相同的性能。

點(diǎn)運(yùn)算符現(xiàn)在可以重載，并允許類(lèi)型使用 obj.property 句法獲取除 getting 和 setting 結(jié)構(gòu)域外的含義。這對(duì)于使用 Python 和 Java 等面向?qū)ο笳Z(yǔ)言之間更加平滑的交互操作非常有用。屬性訪(fǎng)問(wèn)器重載還允許獲取一列數(shù)據(jù)的語(yǔ)法匹配命名元組的語(yǔ)法：你可以編寫(xiě) table.version 以訪(fǎng)問(wèn)表中的 version 列，這就和使用 row.version 訪(fǎng)問(wèn)行的 version 字段一樣。

Julia 優(yōu)化器在很多方面比我們列出來(lái)的特征還要優(yōu)秀，但這里只會(huì)提一些亮點(diǎn)。優(yōu)化器現(xiàn)在可以通過(guò)函數(shù)調(diào)用傳播常數(shù)，因此比以前能更好地消除無(wú)用代碼和實(shí)現(xiàn)靜態(tài)評(píng)估。編譯器在避免為長(zhǎng)期目標(biāo)分配短期包裝器方面也做得更好，這使得開(kāi)發(fā)者能使用便捷的高級(jí)抽象并且不會(huì)產(chǎn)生性能損失。

現(xiàn)在可以用聲明參數(shù)類(lèi)型的構(gòu)造函數(shù)的方式調(diào)用它們自己，這消除了語(yǔ)言句法中令人困惑且模糊的地方。

完全重新設(shè)計(jì)迭代協(xié)議，使之更易實(shí)現(xiàn)多種可迭代量。Julia 1.0 沒(méi)有設(shè)計(jì)三種不同泛型函數(shù)（start、next、done）的方法，而是設(shè)計(jì) iterate 函數(shù)的一參數(shù)和二參數(shù)方法。這通常允許在開(kāi)始狀態(tài)使用包含默認(rèn)值的單一定義來(lái)便捷地定義迭代。更重要的是，這使得實(shí)現(xiàn)只在嘗試并無(wú)法生成值后才知道它們已經(jīng)被實(shí)施過(guò)的迭代器成為可能。這些迭代器在輸入/輸出（I/O）、網(wǎng)絡(luò)和生產(chǎn)者/消費(fèi)者模式中是非常普遍的，Julia 可以用一種直接、準(zhǔn)確的方式表達(dá)這些迭代器。

作用域規(guī)則（scope rule）被簡(jiǎn)化。局部作用域的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在可以一致地進(jìn)行使用，不用管某命名的全局約束是否已經(jīng)存在。

Julia 語(yǔ)言本身是非常好的學(xué)習(xí)器，很多組件被分割封裝進(jìn) Julia 的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)包，而不是作為基礎(chǔ)語(yǔ)言的一部分。如果你需要它們，可以導(dǎo)入它們（無(wú)需安裝）。未來(lái)，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)還將出現(xiàn)多種版本，并獨(dú)立于 Julia 更新，這使得它們可以更快地迭代。

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