Scratch 编程语言 2

很早之前，大约是两千零几年的时候，我曾经看别人演示过 LabVIEW 专为儿童教育，以及乐高玩具开发的特别版本。对于少年儿童来说，图形化编程比文本编程要更有吸引力。可惜的是，LabVIEW 起个大早，赶个晚集。现在再提起儿童教育或玩具领域的图形化编程语言，多数人只会想到 Scratch。

Scratch 是 2003 年才诞生的一个新语言。它能够一出现就挤掉 LabVIEW，迅速占领整个儿童教育领域，主要因为具有以下一些优点：

• 开源。Scratch 是由 MIT 开发的，它从一开始就采用了开源的策略。儿童使用的编程语言，一个重要的功能是控制各种玩具。反过来说，能被玩具厂商广泛采纳的编程语言，会更容易被推广开来。玩具厂商想把自己的产品与 LabVIEW 结合，甚至直接发布一个定制版的 LabVIEW 成本是非常高的。即便是在工业界，LabVIEW 具有统治地位的测试测量领域，LabVIEW 也主要是与 NI 公司自己的硬件结合使用。玩具行业的利润更低，厂商们自然倾向于便宜的软件。更何况 Scratch 还是开源的，可以很方便的就对其进行改造以适应自己的产品。现在，除了最著名的乐高，很多中国厂商的玩具搭配的也是 Scratch 编程语言，比如小米的玩具。
• 语法简单。Scratch 的语法与 LabVIEW 有着非常大的不同，它隐藏了更多的编程细节，让初学者可以更容易的入手。LabVIEW 虽然也号称容易入门，但相比比起来， Scratch 才真正算得上是“傻瓜”型编程语言。
• 采用了更主流的技术。Scratch 是采用了 HTML 5 标准，使用 JavaScript 作为开发语言。LabVIEW 也曾经有过网页版，尽管当时已经可以明显看出 HTML 5 是发展趋势，LabVIEW 却采用了 SilverLight 作为开发平台。后来微软彻底抛弃了 SilverLight ，肯定也会对 LabVIEW 的开发推广造成影响的。

下面是一个具体的示例程序：

这段代码中的积木（一种颜色的近似长方形的一个条形块）分成了三堆，这三堆之间是并行的关系。每一堆积木都从一个事件开始。左边这一大堆是主线程，当接受到用户点击绿色旗帜的事件时开始运行，它在运行过程中会发出一些事件，去启动另外两堆积木。这段程序的主要功能是运行一个循环“repeat 20”，在循环内调用“move”功能，让屏幕上的一只小狐狸（绘制在“costume”里面）向前移动一段距离。同时还让小狐狸发出“喵呜”的声音。

从上面这段程序可以看出来，虽然也是图形化编程语言，Scratch 相比与 LabVIEW 还是有一些明显不同的。

• Scratch 图形化方面没有 LabVIEW 彻底，它借鉴一些文本编程语言的编程方式，同时在编程时也更依赖文本。编写 LabVIEW 的程序更像是绘图，而编写 Scratch 程序更像是搭积木。
• LabVIEW 中的基本功能模块多以函数和 VI 的形式存在，它们的外观看上去是一个个的正方形方块。LabVIEW 中的结构的外观会更复杂一些，像是尺寸可变的框架。在 Scratch 中，函数和结构都被称作 block（翻译成模块或者积木），它们看上去都是一个个长条。
• Scratch 中由于每个积木长得都一样（或者十分类似），它只能用来文字区分不同功能的积木。LabVIEW 中推荐给每个子 VI 都绘制一个有意义的图标，这看起来当然是比 Scratch 的代码美观的多。但是，也有很多程序员非常讨厌这个规范，他们宁可把时间用于改进程序的逻辑，而不是美观程度。
• 对于程序流程的控制，LabVIEW 使用数据线来控制，按照数据在数据线上的流动顺序来控制程序运行顺序。Scratch 没有数据线。凡是挨在一起的积木，它就是按照顺序从上至下执行每一个积木。没有粘连在一起的积木是可以并行执行的。
• 因为没有数据线，Scratch 只能使用全局变量来传递数据。
• 积木使用不同颜色表示不同的功能分类，比如浅黄色的用于发送接收事件；深黄色的用于控制程序流程（比如循环结构，条件结构等）；紫红色的用于控制声音，蓝色的控制运动等等。
• 用不同形状表示不同数据类型，比如数值类型数据放在一个两侧是圆弧的长条里；而布尔型数据放在两侧是尖角的长条里。这保证了程序具有一定的数据类型安全，比如某个积木上有一个两侧尖角的长条凹槽，那么在这个凹槽里就只能嵌入布尔型数据（相当于一个函数，具有一个布尔型的输入参数）。

广告

Scheme 编程语言

Scheme 是第一门我真正系统学习过的函数式编程语言。Scheme 语言的标志是一个 Lambda 字符“λ”，一眼就可以看出这门语言的出处。Scheme 是 LISP 语言的两大方言之一，而 LISP 又是人类开发出的第二款高级编程语言（第一个是 FORTRAN）。

因为太古老，Scheme 的编程思路和现在常见的语言差距还是非常大的。我刚开始接触 Scheme 时的困惑不亚于刚接触 LabVIEW。Scheme 的语法定义是比较简单的，比时下流行的编程语言都简单得多，但毕竟也是一门完整编程语言，不可能写一小段就介绍全面，这里就只能介绍一些最基本功能了。

Scheme 直观上最明显的特点是括号多，它的所有数据（比如列表）和程序结构（比如函数、判断语句）等都被包裹在括号内，因此，一段代码里会有数不清的层层括号。在编程思想上的最大特点就是函数式编程。再 Scheme 程序中，一切都是函数。

在 Scheme 中写 Hello, world 的代码如下： (display "Hello, World!")

在这段中 display 是一个函数，用于在屏幕上打印文字，而后面的字符串则是 display 的参数。单这一句，与常见编程语言的用法差距也不算太大。

在 Scheme 语句中，函数名总是要放在参数之前，运算符也是一个函数。所以，如果要计算 “2+3”，写出来的程序是这样的： (+ 2 3) 。 Scheme 的函数很多是可以跟多个参数的，比如 (max 2 6 3) 或者 (+ 6 4 8) 等等。如果是一组数据，比如一个 list，那么就在括号前加个单引号，比如 ‘(a b c d)，这就不再是函数调用，而是一个列表了。

函数的定义一般类似如下：(lambda (x) (+ x 2))。lambda 是关键字，后面跟着函数参数，在后面是函数体。在 Scheme 语句中使用关键字 define 给常量命名，使用关键字 let 给变量命名。函数也可以是一种变量，比如下面的语句就给了新定义的函数一个名字“square”：

(define square (lambda (n) (* n n)) )

Scheme 语言还有一特点就是没有循环，所有需要循环的地方都要使用递归来完成。这和早期的 LabVIEW 正相反，早期的 LabVIEW 不支持递归，所有要用到递归的地方都必须转换成循环。比如，在 Scheme 中计算阶乘，只能采用递归的形式：

(define factorial (lambda (n) (if (= n 0) 1 (* n (factorial (- n 1))))))

我在学习 Scheme 的过程中，最大的收获是把递归彻底弄清楚了。递归有时候还是比较容易绕的，比如把一个列表从头开始归并，和从尾开始归并要采用不同的递归策略。以前都没有深入考虑过，学习了 Scheme 才真正系统的研究清楚了。

Lambda Calculus 编程语言

我刚成为程序员的时候，有一次调试一段 C 语言代码。我一层一层的进入到被调用的子函数中去，想看看一个数据到底是怎么产生的。终于在遇到一个库函数的时候，调试器无法再跟踪进去了。C 语言程序通常会调用很多已经编译好的库函数，程序员只知道这些函数的接口，但看不到它们的实现代码。我知道这是处于效率的考虑，但还是忍不住想，一种编程语言，可不可以不调用任何编译好的库，所有功能都以源代码的形式提供给程序员，方便学习啊。后来进而又想，也许很多关键字，运算符都不是必须提前编译好的，有没有编程语言可以以源代码的形式提供这些关键字，运算符呢？

这些问题，当时也只是一想，没有去研究。多年之后，我在帮老婆做编程作业的时候发现，她们在课上居然学到了这样一种编程语言，叫做 Lambda Calculus。

Lambda Calculus 是一类非常精简的编程语言中的代表。这类语言中还包含 SKI，Iota 和 Jot 等，不过 Lambda Calculus 还是最经典的。Lambda Calculus 小到什么程度呢？只需要用几行文字就可以把 Lambda Calculus 的全部语法描述的清清楚楚，所以这里就介绍一下：

• Lambda Calculus 中用到的全部字符包括：小写英文字母，英文句号，小括号和一个希腊字母 lambda “λ”。
• 名字 name：由单个英文小写字母构成，格式为 <name>。 比如 x，y，a 等；
• 函数定义 function：由“λ”字符跟一个变量名，跟一个英文句号，在跟一个函数体构成，结构为 λ<name>.<expression>。比如 λx.x，这个函数写成数学形式是 f(x) = x；
• 函数调用 application：由函数定义加另一段表达式构成，格式<function><expression>。比如： (λx.x)a，这表示，把 a 作为参数传递给前面那个函数，运算结果就是 a。
• name, function, application 又被统称为 expression。
• 括号用于控制计算的优先级。有时代码里也会加入空格方便阅读。

以上就是这个编程语言的全部语法了。当时的要求是给这个语言编写一个编译器，其中最核心的部分只用了十来行代码就实现了，恐怕很难有比这更简单的编程语言了。可以直观的看出，这个编程语言的一些简单运算规则：

• λx.x 与 λy.y 是完全等价的，或者可以写成 λx.x ≡ λy.y
• (λx.x)a 可以简化成 a，或者写成 (λx.x)a = a
• (λx.y)a = y
• (λx.(λy.x))a = λy.a

大家已经发现了，这个语言，连循环、判断等结构都没有，对了，这些都要自己编程实现；甚至连数字也没有，加减法也没有，这些也通通都要自己定义和实现。下面就介绍一下如何使用 Lambda Calculus 编写一些基本的功能。

• 实现多参数函数，这个方法有个专用名叫函数柯里化。比如实现函数f(x, y, z) = ((x, y), z) 可以使用如下的代码： λx.λy.λz.xyz
• 逻辑运算中的“真”被定义为：TRUE ≡ λx.λy.x。这里对于“真”的定义是：输入两个参数，返回第一个。推算一下 TRUE a b ≡ (λx.λy.x) a b = (λy.a) b = a
• 逻辑运算中的“假”被定义为：FALSE ≡ λx.λy.y。推算一下 FALSE a b ≡ (λx.λy.y) a b = (λy.y) b = b
• 判断语句 if，假设我们需要当变量 b 为 真时，返回 t；b 为假时返回 f。那么可以定义 IF b t f ≡ λb.b t f 。 推算一下 IF TRUE t f ≡ ((λb.b) (λx.λy.x)) t f = (λx.λy.x) t f = t ; IF FALSE b t f ≡ (λb.b t f) (λx.λy.y) = (λx.λy.y) t f = f
• 有了以上的基础，逻辑运算的定义就简单多了，比如：AND a b ≡ IF a b FALSE； OR a b ≡ IF a TRUE b； NOT a ≡ IF a FALSE TRUE
• 定义数字：
  • 0 ≡ λf.λx.x 可发现 0 ≡ FALSE
  • 1 ≡ λf.λx.f x
  • 2 ≡ λf.λx.f (f x)
  • 3 ≡ λf.λx.f (f (f x) x)
• 为了方便数字运算还要先定义一个辅助的“后继函数”：S = λn.λf.λx.f((n f) x) 。调用这个函数会得到输出参数的下一个数，比如 S4 = 5。我们可以试一下：S 0 ≡ (λn.λf.λx.f((n f) x)) (λf.λx.x) = λf.λx.f(λx.x f) x) = λf.λx.f x ≡ 1
• 加法就可以定义为： ADD ≡ λa λb.(a S) b 。 拭一下：ADD 2 3 = (λa λb.(a S) b) 2 3 = 2 S 3 ≡ (λf.λx.f (f x)) S 3 = λx. S (S x) 3 = S (S 3) = S 4 = 5.

以上是 Lambda Calculus 一些最基本的功能，作为一个图灵完全的语言，它能做的远不止这些，其它编程语言能做的，它基本也都可以做。但是我们也发现了，如果一个语言什么预先定义都没有，一切都需要开发者自己从头做起，那么在实际应用中就效率太低了。

Lambda Calculus 的发明人是 Alonzo Church，他有个大名鼎鼎的学生，图灵。Lambda Calculus 对于后来编程语言的发展产生了深远的影响。函数式编程就是受此启发而来。如今，Lambda 函数更是成了主流编程语言的标配。

训练一个黑白棋模型

之前用 LabVIEW 编写了一个黑白棋程序，作为学习 XControl 的示例。那个程序基本完整，但是缺少一个 AI 自动走子的功能。最近抽空尝试训练了一个网络模型，添加到了演示程序中。

所有AI下棋的思路都是非常类似的：根据当前的盘面，给每个可以落子的位置打分，选取分数最高的那个走法。这里的关键就是设计一个最为合理的打分算法。

黑白棋最终判定胜负的标准是看谁的子多，所以最符合直觉的打分方法是：在一个位置落子后，把己方的棋子数目作为这个位置的分数。这个算法有个缺陷，就是当前棋子数最多的走法不见得就能保证将来也棋子数最多。

解决这个缺陷的思路有两条：其一是，不要为当前这一步打分，而是向后预测几步。比如，把双方各下三步棋（也就是总够六步）后的所有可能出现的局面都列出来，然后看那个局面得分最高。考虑的步数越深，棋力也就越高，极端情况，如果预测的足够深，甚至可以找到必胜的下法。这个方法的缺点是预算量非常高，增加预测的深度，计算量会指数级增加。可以通过剪枝做一些优化，但效果有限。

第二条思路是采用更复杂的打分算法，如果只考虑棋子数量还不够好，那么就也同时考虑落子的位置，稳定的棋子的个数，周围空间的个数等等。在这众多的因素中哪些更重要，如何分配权重，对于我这种非专业棋手来说是很难做选择的。不过这部分可以利用机器学习算法，让电脑自己找到最优解。

当然以上两条思路可以结合使用：先找到一个最优的打分算法，再尽量预测到更深的步数。

我尝试训练了一个基于神经网路的打分模型。

我采用的是一个只有一层隐藏层，64节点的全链接神经网络。单隐藏层64节点的神经网络对于解决黑白棋来说，有点太小了。我也不能确定多大才合适，但估计至少也应该采用一个七八层的CNN，才能达到不错的效果。不过，我的目标不是最好的效果，而是只要试验一下可行性。并且，我需要把训练好的模型移植到 LabVIEW 代码上，复杂模型移植起来太麻烦。所以我选择了这个最简单的模型。

模型的输入数据是当前棋盘状态（每个位置棋子的颜色）和一个准备落子的位置，模型输出一个实数表示得分。

训练模型的大致思路是：让模型分别持黑子和白子，自己跟自己下棋，并且记录下每一步的走法。最终胜利一方所有走过的位置都获得正标签，失败一方所有走过的位置都是负标签。用这些标签训练模型，然后重复以上过程。

在训练模型的过程中，我遇到了一些以前从未考虑过的问题。比如，采用何种激活函数。我开始采用的 ReLU 函数，但模型始终无法被训练到预期效果。调试后发现，是 ReLU 的神经元坏死造成的。ReLU 在输入值小于零时，梯度永远为0，这个神经元很可能再也不会被任何数据激活了。这对于目前常见的有着几万乃至几百亿节点的大规模模型来说，根本不是问题。但是对于一个本来就没几个节点的小型模型来说，损失神经元是非常致命的。我把激活函数换成 Sigmoid 之后，效果就好了很多。

我训练模型的方法效率非常低下。在下棋过程中，大多数的步骤可能都不是太重要，不论走这还是走那，对最终结果影响都不大。关键的就那么少数几步，可以决定输赢。但是在训练时候，我也不知道每一步的权重应该有多大，只能假设所有步数都是一样的权重。那些垃圾步不但占用资源，也会影响训练结果。

模型训练好之后，我把它移植到了之前编写好的 LabVIEW 黑白棋 VI 中。棋力算不上很好，但至少是明显优于随机落子。等我空闲的时候，看看还能不能进一步优化下。

程序在： https://github.com/ruanqizhen/labview_book/tree/main/code/%E7%95%8C%E9%9D%A2%E8%AE%BE%E8%AE%A1/Xcontrol/Othello

DALL·E 绘图

申请到了 DALL·E 的账号，赶紧玩了几下。DALL·E 是个人工智能绘图程序，可以根据输入的文字绘制图片。它的水平肯定比不上经过训练的画师，但是对于我这种没有绘图能力的人来说，可能会有些帮助，比如，以后制作文档时，也许可以让它帮忙绘制一些插图。

我先画了一幅程序猿自画像：

Photo of a chimpanzee sitting in front of a computer and programming

儿子也画了一幅自己喜欢的图画：

Cartoon of apples, peaches, grapes and many kinds of fruits growing on one tree under a clear sky with the moon shining on the background